纳米尺度限域条件下的手性分子

本课题从原子分子物理的一般研究方法出发，进行限域条件下的手性分子对映体间转变及相关反应过程等问题的研究。上个世纪中叶人们就发现，在自然条件下稳定存在的手性分子在人体内可能发生对映体间的手性转变，最近的实验研究已经明确的观测到了这样的现象，并且与手性相关的催化过程也可以被包裹的纳米腔所调控，甚至是加强。通过本理论计算研究，我们希望通过使用富勒烯和单壁纳米管等材料构成简化的限域条件，将量子理论的势能面研究方法与经典动力学模拟的含时演化过程研究方法相结合，来完成限域条件对手性分子的对映体间转变过程的影响，以及对和分子手性特征相关的化学反应过程的影响的研究。本课题的开展将有助于揭示限域条件本身对手性分子物理或化学性质进行影响的机制，并有助于生命科学相关领域的进展。

手性是分子重要的内禀属性，也被认为与生命起源直接相关。手性分子在环境影响下的构象转变与一些基本的生命过程紧密联系，且对药物开发及投递至关重要。我们研究了不同类型手性分子的结构及与外界的作用特性，细致研究了不同种类的手性分子的对映体转变过程。通过用经验分子势场拟合手性分子对映体转变的势能面，实现了大规模的分子动力学模拟，发现了限域条件对手性分子对映体转变过程存在活性的影响，并对这种空间尺寸效应建立了重要的规律认识。仔细研究了点手性分子对映体转变中的解离和化合过程的能垒高度与环境分子参与程度的关系，发现了环境中的水以及碱水复合物分子可参与手性分子对映体转变过程，起到重要的质子转移桥梁作用。通过考虑无极限域条件与非对称限域条件对手性分子对映体转变过程的影响，发现了无极限域环境可以明显改变手性分子对映体转变的能垒，对内部手性分子起到很好的保护作用，而更为有趣的，非对称限域条件可以实现对手性分子对映体转变的偏好选择。进而，本课题研究发展了基于分子动力学模拟的分子间弱相互作用的反应过程势能面极值点的获得方法，这一方法的特点是避免了繁琐的构象猜测过程，我们将其应用到手性分子对映体转变过程的研究中，发现了限域环境与孤立条件在手性分子对映体转变过程中的明显差异，其不只是体现在能垒高度上，甚至体现在反应路径极值点的数目上。我们探寻了手性小分子的可能识别方法，有趣的是，通过石墨烯材料的使用，不但实现了小分子的捕获，且从紫外-可见光谱和拉曼光谱上都可以区分出具有相同骨架结构的不同种碳氢小分子。而且，我们还发现了这种碳氢小分子与多层石墨烯的分子间弱吸附中的强电荷转移效应，以及电荷分布的趋肤效应。此外，我们对一系列由限域环境引起的复杂分子系统中的相互作用，均形成了重要的规律认识，主要包括：发现了限域环境自身的缺陷可能带来的奇异电子结构，限域对小分子的拆分特性，小分子与限域材料之间的相互作用电子结构特征，以及其它一些相关进展。这些研究极大的扩充了我们的研究范围，不但取得了一些较为重要的成果，且产生了新的研究课题方向。总之，通过本课题的进行，我们在原子层次上，对纳米尺度限域环境影响下的手性分子特性形成了重要的规律认识， 并促进了其在交叉学科方向的进展。