基于DFT的葡萄糖胺异构体质子化与微溶剂化电子结构研究及其生物材料应用意义

本综述通过密度泛函理论（DFT）系统揭示了α/β-葡萄糖胺在不同质子化状态和显性水合（1-5H2O）条件下的电子结构重组规律。研究发现质子化促使HOMO-LUMO能隙扩大至7.32 kcal/mol（β型+4H2O），氢键网络缩短至1.51?，为糖胺类生物材料（如几丁质/壳聚糖）的质子依赖型反应机制提供了量子化学理论基础。

　　

Highlight

方法

本研究采用密度泛函理论（DFT）进行量子化学计算，以探索α和β异头体形式的D-葡萄糖胺在中性和质子化条件下的结构电子特性。这些物种的初始几何结构源自先前发表的研究[22]，确保与水环境中D-葡萄糖胺经验证构象的一致性。

DFT被广泛认为比...

优化几何结构与氢键网络

在α-D-葡萄糖胺案例中，其中性和质子化形式的优化结构揭示了明确的内分子与分子间氢键模式，稳定了葡萄糖胺-水复合物（图2A）。对于具有单个水分子的中性α-异头体，观察到C3位羟基与水氧原子之间存在强氢键，距离为1.92?，表明这是一种强大且定向的相互作用。当引入第二个水分子时...

讨论

对中性和质子化状态下α-和β-D-葡萄糖胺的结构、电子和能量分析揭示了与先前基于DFT的报告一致的若干趋势。在我们的研究中，几何优化及后续电子结构分析允许全面比较每个异构体和质子化状态在水性微溶剂化环境（1-5个水分子）中的表现。

正如先前报道[22]，中性D-葡萄糖胺的β-异头体在能量上比其...

结论

这项工作对中性和质子化形式的α-和β-葡萄糖胺进行了详细的基于DFT的研究，并整合了最多五个水分子的显性溶剂化。结果表明，β-葡萄糖胺在中性状态下略比α-异头体更稳定，支持了其在水环境中的主导地位。氨基的质子化显著重组了氢键网络，特别稳定了N–H···O相互作用，并增强了局部...