多π電子體系中的陽離子-π相互作用機制的理論研究

《多π電子體系中的陽離子-π相互作用機制的理論研究》是依託四川師範大學，由段滿益擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：多π電子體系中的陽離子-π相互作用機制的理論研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：段滿益
• 依託單位：四川師範大學

項目摘要

陽離子-π相互作用因在分子識別、分子自組裝、蛋白質結構穩定性及功能、藥物傳輸、碳基納米器件等不同領域扮演著非常重要的角色而備受關注。大部分研究工作都是基於陽離子與單個或兩個苯環及芳香族胺基酸相互作用所開展。而實際生物體中存在著一種重要的協同相互作用，即陽離子同時與多個苯環或芳香族胺基酸相互作用。由於這種體系同時存在著陽離子-π和π-π兩種相互作用形式，因其相互作用較為複雜而極少人從理論上去探索其相互作用規律和理解相互作用機制。本項目擬採用二階微擾理論、密度泛函理論、分子動力學方法研究生物體中重要的陽離子同時與多個苯環或芳香族胺基酸相互作用，結合考察苯和水分子與陽離子相互作用的競爭關係，並從相互作用能、電荷轉移等角度挖掘相互作用規律和剖析物理機理。本項目的研究成果將進一步豐富陽離子-π相互作用理論，同時將為理解生物體中各分子之間的相互作用、離子運動、離子通道及生物現象等方面提供參考價值。

結題摘要

本項目旨在通過本項目擬採用二階微擾理論、密度泛函理論來研究生物體中重要的陽離子同時與多個苯環或芳香族胺基酸相互作用，結合考察苯和水分子與陽離子相互作用的競爭關係，並從相互作用能、電荷轉移等角度挖掘相互作用規律和剖析物理機理。經過3年的研究，基本完成計畫中的研究內容，達到了預期目標。此外，我們還開展了鹼土金屬釩酸鹽作為新型鈉離子電池負極材料；扶手椅型矽烯納米條帶的能帶結構和電子傳輸性質；矽烯和石墨烯組成的異質結中的熱電輸運性質；Ga摻雜單層InN的電子結構和光學性質；以及襯底上的金屬納米顆粒在氣氛環境下的形貌研究，並得到一些非常有意義的結果。發表論文4篇，均被SCI收錄，1篇被接受，1篇在審稿中，3篇正在準備投稿。本人和成員參加與國內、國際學術會議多次。取得的成果概述如下：通過模擬計算，發現不同陽離子與單個苯環的相互作用能和相互作用距離也不同，而在陽離子與多個苯環作用時，陽離子與苯環之間的相互作用距離是決定穩定構型的最重要因素。這也說明離子在相同的多π電子體系中構型是由離子特徵決定的。與此同時，我們研究了在相同離子條件下，苯環上用吸電子集團和供電子集團進行取代，研究取代基對在離子與π體系作用和構型也是有著重要影響，發現當li離子與π電子體系作用距離較小，取代基的類型對構型有影響,而K離子與π電子體系作用距離較大，取代基的類型對構型影響較小。此外，為了更好理解陽離子-π作用的套用意義，本項目選擇了以理解石墨烯的氧化機理為主要研究載體，對比有K離子和沒有K離子兩種情況，通過計算K離子與石墨烯之間的相互作用，發現K離子不僅可以讓MnO4-氧化集團通過靜電作用更好的吸附到石墨烯上，並且對MnO4- 氧化石墨烯氧化有降低氧化反應能壘的作用，即K離子-π作用能更好的促使石墨烯氧化。這將為繼續開展深入細緻的後續研究工作，尋找離子-π作用的套用領域的作用機理。