[发明专利]一种通过熵变分析分子构型和空间构象变化规律的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种通过熵变分析分子构型和空间构象变化规律的方法，具体的涉及一种通过引入分子有效体积和自由体积的概念、基于熵变函数的定义、计算有效熵变和自由熵变、分析分子构型和空间构象变化规律的方法。

背景技术

1850年，德国物理学家鲁道夫·克劳修斯首次提出熵的概念，用来表示任何一种能量在空间中分布的均匀程度，能量分布得越均匀，熵就越大。一个体系的能量完全均匀分布时，这个热力学系统的熵就达到最大值。在克劳修斯看来，在一个热力学系统中，如果听任它自然发展，那么，能量差总是倾向于消除的。让一个热物体同一个冷物体相接触，热量总会自发的从热物体向冷物体流动，热物体将冷却，冷物体将变热，直到两个物体达到相同的温度为止。克劳修斯在研究卡诺热机时，根据卡诺定理得出了对任意可逆循环过程都都适用的一个公式：dS = dQ/T。

1877年，奥地利物理学家玻尔兹曼在研究分子运动统计现象的基础上采用统计学方法建立了熵函数：S=klnΩ，其中，Ω为热力学系统分子的微观状态数，k为玻尔兹曼常数。这个公式反映了熵函数的统计学意义，它将热力学系统的宏观物理量S与微观物理量Ω联系起来，成为联系宏观与微观的重要桥梁之一。基于上述熵与热力学概率之间的关系，可以得出结论：热力学系统的熵值直接反映了它所处状态的均匀程度，热力学系统的熵值越小，它所处的状态越是有序，越不均匀；热力学系统的熵值越大，它所处的状态越是无序，越均匀。热力学系统总是力图自发地从熵值较小的状态向熵值较大（即从有序走向无序）的状态转变，这就是隔离系统“熵增加原理”的微观物理意义。

1906年，德国物理学家、物理化学家瓦尔特·能斯特提出了热力学第三定律：在0K时任何完整晶体中的原子或分子只有一种排列方式，即只有唯一的微观状态，其熵值为零。从熵值为零的状态出发，使体系变化到P=1.013×10⁵Pa和某温度T，如果知道这一过程中的热力学数据，原则上可以求出过程的熵变值，它就是体系的绝对熵值。于是人们求得了各种分子在标准状态下的摩尔绝对熵值，简称标准熵，单位为kJ/mol。

在热力学中，熵是表征分子状态的参量之一，通常用符号S表示。对于可逆过程，熵增定义为dS = dQ/T，若过程是不可逆的，则dS > dQ/T，式中T为分子的热力学温度，dQ为熵增过程中分子吸收的热量。从微观上说，熵是组成热力学系统的大量分子无序度的量度，热力学系统越无序、越混乱，熵就越大。热力学过程不可逆性的微观本质和统计意义就是热力学系统从有序趋于无序，从概率较小的状态趋于概率较大的状态。

在生命科学中，熵表征的是生命现象的时间序、空间结构序与功能序。生命体是一个开放的热力学系统，时刻与外界进行着物质、能量、信息的交换，符合“耗散结构”，可以用熵来分析一个生命体从生长、衰老、病死的全过程，用“生命熵”来独立定义。生命熵的内容包含生命现象的时间序、空间结构序与功能序，生命熵变就直接反应这三个序的程度变化之和。

构型是指分子中由于各原子或基团间特有的固定的空间排列方式不同而使它呈现出不同的稳定的立体结构，如D-甘油醛与L-甘油醛，D-葡萄糖和L葡萄糖是链状葡萄糖的两种构型，α-D-葡萄糖和β-D-葡萄糖是环状葡萄糖的两种构型。由于共价键具有方向性，所以每个分子具有一定的几何构型，一个分子的三维形状可以用电子畴理论ED预测。一般情况下，分子构型都比较稳定，一种构型转变另一种构型则要求共价键的断裂、原子(基团)间的重排和新共价键的重新形成。

构象是指一个分子中不改变共价键结构仅单键周围的原子放置所产生的空间排布。一种构象改变为另一种构象时，不要求共价键的断裂和重新形成。构象改变不会改变分子的光学活性。在有机化合物分子中，由C-C单键旋转而产生的原子或基团在空间排列的无数特定的构象，这种由C-C单键旋转而产生的异构体称为旋转异构体或构象异构体。如1,2-二氯乙烷，当C-C单键旋转时，可以有无数个构象异构体，极限构象有顺叠、顺错、反错和反叠等。在顺叠构象中，两个碳上连接的氯原子和氯原子之间相距最近，产生强排斥作用，内能最高，属该分子最不稳定的构象；在反叠构象中，氯原子和氯原子之间相距最远，相互间排斥力最小，内能最低，是该分子最稳定的构象，而顺错构象和反错构象的稳定性介于这两种构象之间，它们的稳定性次序为：反叠>顺错>反错>顺叠。