广西科学Guangxi Sciences 2002,9(1):34 ̄37.42 淀粉分子电子结构的量子化学研究(I): 结构单元、糖苷键和氢键的特性 丘 A Quantum Chemistry Research on El ectronic Structure of Starch Mol ecul es(I):Characteristics of Basic Structure Unit,lndican Bond and Interior Hydrogen Bond 龙剑英 龙翔云 叶国授 Long Jianying I,Ong Xiangyun Ye Guozhen (广西大学化学化工学院南宁市酉乡塘路10号 j30004) (College of Chemistry and Chemical Engineering.Guangxi University 10 Xixiangtanglu・Nanningt Guangxi,530004t China) .摘要运用量子化学计算研究淀粉分子的微观结构和化学键的性质淀粉分子的反应活性中心为C3位、C2位 和c6位羟基,活性顺序是(、3位羟基>-C2位羟基>c6位羟基。糖昔键的成键教应不大.反键效应较嚼显,糖 昔键中C--0键极性犬.键级小,氧上带很多电荷离子性明显.易受亲电试剂(如氢离子)的进攻 关键词 淀粉结构单元糖苷键量子化学计算 中国法分类号0636.12 Abstract The microstructure and character of chendcal bonds including jndican bond and lnterior hydrogen bond of starch are investigated by quantum chemistry calculation.The reaction active ten ters in starch are hydroxyls located at C2,C3 and C6 in dehydrated glucose.The sequence of reac tivity would be(7 3>C2>C6.The】ndican bond shows weaker covalence bond and obvious anti bonding featut'e.and also has more ionic bond COnlponeHt.I c would he easily attacted by electrophile such as H。to make starch to be hydrolyzed Key words starch,structure unit.1ndican,口uantum chemistry calculation 淀粉分子是由a葡萄糖经糖苷键结合而成的天 粉”的研制有重要的指导作用和理论意义 然大分子 淀粉的化学变性是利用淀粉分子中脱水葡 本文用量子化学计算来获取淀粉的微观信息.运 萄糖单元的C2位、C3位和C6位的羟基的活性而引 用量子理论来分析这些信息的化学物理意义,讨论淀 入各种基团的化学反应 C6位碳原子的伯羟基,其反 粉的反应活性中心、糖苷键和氢键的特征 在PC机 应恬性本直高过c2位和C3位的仲羟基,但实际情 上运行程序包MOAN ,完成所有计算。 况并非如此.在一些变性反应中.C2位和C3位的仲 羟基有较高的反应活性。如有研究 表明在羟丙基醚 l 一葡萄糖的电子结构 化淀粉反应中,C2、C3和C6羟基的反应速度呈33: 由于淀粉分子是由a一葡萄糖经糖苷键结合而成 5:6的比例 这些结果至今还未能得到充分理解 并 的大分子,其颗粒.无论是结晶区或无定形区.最小 且目前的许多试验方法,得到的结果仅能反映淀粉变 的结构单元是a一葡萄糖.因此我们首先计算 葡萄 眭反应的平均结果 因此研究淀粉的反应括性中心对 糖的电子结构 采用的结构数据:列于表l 图1给 淀粉的“变性”.特别是对当今发展的“复合变性淀 出由表1数据用MOAN程序包画出的1个脱水葡 2001 0411收稿 2∞1 05 25怪回 34 Guangxi Sciences,V。J.9 No 1,February 2002 维普资讯 http://www.cqvip.com
襄1*葡萄糖的结构数据 Table J Stuctar ̄data of oc-glucose 萄糖单元的结构图。用2个烃基(如甲基)来代替c1 位和C4位羟基上的氢 由图2看出:脱水葡萄糖单元环上的碳原子的净 电荷和键级分布较均匀,但氧原子聚积有较多的负电 荷 C2、C3和C6位的羟基上氧原子带有较多的负电 荷,氢原子带有较多的正电荷,表明()H键的极性 “迥 029 1123 028 / \ H6 /H4 很大,羟基上的氧易受到亲电试剂的进攻,氢易受到 亲核试剂的进攻。 在3个羟基中,C3位羟基中氧原子所带的负电 荷最多.其次是C2位羟基中氧原子,最少的为C6位 羟基的氧原子 3个羟基上氢原子所带正电荷多少的 l424 2l// /H22 \/o ——c{ 户 ~H12 \ ,15 014 H。5 H23 顺序也相同 结合C2和CS位的c()键的键级相对 较小等证据来考虑,可以认为淀粉分子中的羟基是活 性中心,而C2和C3位的羟基最活泼 1.2前沿轨道的组成 图3给出用CACAO绘制的LUMO、HOMO和 次HOMO(记为NHoM0,以下同)。 由图3看出:在HOMO中,C1和C2、C2和C3 间均以相同相位的轨道重迭成键 HOMO包含G2和 图1由表l数据用MOAN画出的1十脱水葡萄糖单元 的结构图 Fig.1 Structure of a dehydrated glucose unit drawn by MOAN based on the data in Table 1 1.1原子净电荷和键级 a葡萄糖各原子上的净电荷和各化学键的键级 以分子图的形式示于图2 C3上的羟基的原子轨道成分较多.但相位相反,所以 (),H间的轨道重迭呈反键性质。NHOMO包含较多 C6上的羟基,显成键性 I_UMO不包含羟基的轨道 成分,主要由连在C4上的糖苷键和甲基的轨道组 成 由此也可得出:脱水葡萄糖结构单元的羟基是淀 粉反应的活性中心,而C2、C3上的活性最大。这一 点还可从下列关于约化电荷矩阵和原子之间的分子 轨道重叠布居的分析得出。 1.3约化电荷矩阵(RCM)和原子之间的分子轨道 重叠布居(MOOP) 约化电荷矩阵显示的是1个或1组原子对在一 定的能量范围内的每个分子轨道的约化电荷值.换句 图2含有1个脱l水葡萄糖单元的淀粉分子片段的净电 荷和键级 Fig 2 Net electric charge and bond order of starch mo]evu]e fragment with a dehydrated g[ucose unit 话说,它表示一选定原子或一组原子的价轨道在一定 的能量范围内的分子轨道上的分布。而原子之间的分 子轨道重叠布居则表示在一定的能量范围内的分子 广西科学2002年2月 第9卷第1期 维普资讯 http://www.cqvip.com
M0上.而C6上的羟基则不含于HOMO中.正如图 3所示的那样 所以C2 C3上的羟基应比C6上的活 泼 图5是C2、C3上的羟基的MOOP图 左半图显 示了C2、C3上的两个羟基在~40.0~10.0eV能量 H\/ ’ J“ 范围内的成键和反键性质。位于左边的线条表示反 ./ 键.右边的线条表示成键,线条越长重叠布居数越大 、^\ 由图5看出.在40.0~一5.0 eV之间羟基成键。在 5.0 eV以上羟基成反键性,并且反键性很强。右半 芒‘I. .图则是OH键的MOOP对分子轨道数的积分值 ..., 2淀粉的糖苷键和氢键 鬻 淀粉的最小结构单元之间以糖苷键相连 实验 表明.淀粉分子中1个脱水葡萄糖单元的C2位上的 羟基与另一个毗连的脱水葡萄糖单元的C3位上的 羟基之间形成氢键,氢键中的氢原子是由C3位上的 羟基提供的 带有2个结构单元的淀粉分子碎片构型 如图6所示 奄 淀粉中的糖苷键是1个三中心四电子键,它包含 2个C 0键.可以认为它类似于醚键,故选择糖苷 键键角 c一()C为110oL 但糖苷键的键长和连 结2个脱水葡萄糖单元时涉及到的两面角.C2—0l C3 C28(见图6).仍待确定。对键长和两面角的 优化,实际上是求以键长和两面角为变数的函数(总 ( ’mt }a J t。一I2 87 J 能量)的极值问题 我们以每次固定一选定的键长值. 图0脱水葡萄糖单元的前沿分子轨道 变化两面角的值来求得自变量平面的极值点.再另选 Fig 3 Frontier orbitals of dehyetrated glucose unit 定一键长值求出极值点.如此重复 然后在这些极值 A:1 M().B:H()M() (、:NHOMO 点中再选出对应于总能量最低的点作为最优化的键 轨道对1个原子对,或对称性 相同的~组原子对间的重叠布 居 即1个化学键的键级在一 定的能量范围内的分子轨道问 的分布。图4是脱水葡萄糖结 构单元的羟基的RCM图,其 中H给出(’ C3 的羟基包 含的原子轨道在帕.0 eV至 1 0.0 eV能量范围内的分子轨 道(第l3~第72)中的分布; A给出C6上的羟基的原子轨 道在同样能量范嗣内的分子轨 丹枣peTc nt 百丹年 rcen 道中的分布;C是除上述羟基 以外的所有原子的RCM 比较 A和B不难看出.C2、C3上的 图4脱水葡萄糖单元的羟基的约化电荷矩阵 Fig.4 Reduced charge mat rix of hydroxyl of dehyd rated glu rcose unit 羟基的原子轨道弥散到HO 36 Guangxi Sciences・Vol 9 No-1.February 2002 维普资讯 http://www.cqvip.com
片再划分为2个小片.(如图 图 优化糖苷键键民的w 】 h图 图 优化氢键键长的w h图 。)进行碎片分子计算(FMO) 可得到淀粉分子中的糖苷键的 F ig. w sn _ 0n kng “ … ? w Hm ∞ 哪 … “” 。 … … ”“ 键能、 首先 按图9中A所划分的2个碎片分子部分 进行计算,得到碎片l和碎片2的能量分别为 量和由FMO计算的碎片l和碎片2的能量之和的 差的绝对值就为淀粉分子中糖苷键中()l c2键的 键能c此键能为l・7l 6 4 V(即1 65・6。kJ/too1)1 492.21 8 4 ev和一1 362.266 9 ev 因此上面计 算的在氢键的键长为3.1 2×10 mm时体系的总能 广西科学 2002年2月 第9卷第1期 然后・按图9中B所划分(从O1 C2处划分与 (下转第42页c。“ m“ 。 p g 2) 37 .、 .维普资讯 http://www.cqvip.com
据这一特点,预计在变性淀粉生产实践中,增加淀粉 脱水葡萄糖单元环数的增加对环上活性中心的反应 的聚合度未必能改善其取代度;理论研究中,研究淀 活性影响不大 粉分子的变胜反应机理,如酯化反应机理(另文发 参考文献 表)时.可以用仅含2个脱水葡萄糖单元的淀粉分子 1龙剑英.龙翔云,叶国桢.淀粉分子电子结构的量子化学 片段来模拟淀粉分子 至于随单元环数的增加能级分 研究(1):结构单元、糖苷键和氢键的特性广西科学, 布的晴况,容易想到,能级差将越来越小,在~定的 2002.9(1):34~37,42 能量范围内.态密度越来越大.最终形成能带结构。 2 Mea[1i C.Pro ̄rpio D M.(1 990)ENC and CACAO,a jor revision of original program SIMCON,R・Ho ̄mann, 4结论 Connell University: ̄ymmetry Routines written by Klaus 1_inn(1 991,;New revisions(1998],R :Jou rnal of the 淀粉的各结构单元的分子轨道大多定域在自身 Chemical Education,1 991.67,399 and J App C ryst-1998 范围内,各环之间的相互作用集中在糖苷键上,因此. (责任编辑:蒋汉明) (上接第37页Continue from page 37) E47 kJ/mo1)。 2,1、o 646 考察O1,C2,c3上的净电荷,O1: 1.1 8g eV; C2:0.906 eV:C3:0.486 eV.可见这2个C O键  ̄o9一 1 4b 4 4xqZ O 4d 5 1 扳性不同.O1 C2具有很强的离子键性质 OJ C2 C和O1一C3的共价键级相差不大,分别为0.31 7和 : 0.31 8 。 3结论 : O11 碎 十2 碎’11 (1)理论计算表明:脱水葡萄糖单元中C2、C3 Fmgment 2 F ragment 1 和C6位羟基是反应的活性中心,羟基中的氧是亲核 反应的活性中心.活性大小的顺序是:C3位羟基> g.t7 。l{\o’ 。 46 5j0C2位羟基>C6位羟基。 。 (2)糖苷键的成键效应不大,而反键效应较明 显。糖苷键中CFO键极性大,键级小,氧上带很多 的负电荷。离子性明显.易受亲电试剂(如氢离子) 的进攻,不难理解在酸性条件下淀粉大分子容易水解 成小分子的事实 。 掌 参考文献 o11 l 张力田编著.变性淀粉.广州:华南理工大学出版社一 . 一 l 992 2 Mealli(’,Proserpio D M(1 990)ENC and CACAO.a tnajor 图0 含2个脱水葡萄糖单元的淀粉分子片再划分为2 revision of original program SIMCON—R Hof[mann・(、。 nnell University:Sy㈣rrv Routines written by K]aus 十小碎片 Linn(1991):New revisions(1 998).ReI:Journal o,r the Fig.0 Two pieces of starch mo]ecular fragment with 1wo Chemica[Education.】991 67,399 and J App Cryst.1 998. dehyd rated glucose unit 3 Bowen H J M,Phil M A D e c a__Tabtes of Interatomic 从O1 C3处划分并不等价)的2个分子碎片进行计 Distances and Configuration in Mo Lecules and hms—Lond 算,得到碎片1和碎片2的能量分别为一1 492.127 0 on,The Chemica].Society.1 958. ev和1 362.594 2 eV。以同样的方法计算O1一C3 4 ~Jacques M.Sunda rarajan P R.Taylor J K J.Arner Ch eln Soc.1976,98:4386 的 能,其值为1.580 5 eV(即1 52.49 kJ/mot)。看 5橡寿昌主编有机化学.北京:高等教育出版社,1 993. 来O1一C3键与O1(、2有区别.若视其为等同,可 取A,B2种方法得到的键能的算术平均作为淀粉分 (责任编辑:蒋汉明) 子中d】.4糖苷键的键能,即为】.648 4 eV(159.05
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