利用兩種鹹間的質子親合力的匹配性( )來分析低能障氫鍵(Low Barrier Hydrogen Bond, LBHB)得到廣泛性的應用。本論文利用密度泛涵理論(Density Functional Theory, DFT)的B3LYP和基底函數D95+(d,p)來分析周圍的水分子和肽鍵(用單甲基甲醯胺, N-methyl- formamide模擬)對甲基咪唑(4-methyl-1H-imidazole, Mim) 和醋酸(acetic acid, HAc)所生成的電中性低能障氫鍵的影響，我們發現Mim－HAc所生成的電中性低能障氫鍵時，其 是界於88到95 kcal/mol之間。如果Mim－HAc之間的 不是在這個範圍內，質子就只會鍵結在醋酸根的氧原子或甲基咪唑的氮原子上而形成單位井氫鍵(Single Well Hydrogen Bond, SWHB)。周圍的分子令Mim－HAc間產生低能障氫鍵的最低條件是令至少有三個水分子或一個水分子加上一個肽鍵直接作用在Mim－HAc上。我們斷定Mim－HAc之間生成的低能障氫鍵是由於水分子或肽鍵所造成的極化環境的影響。生成電中性低能障氫鍵時，Mim－HAc的平均 值為91.5 kcal/mol，而不是像帶電荷的低能障氫鍵，其 值幾乎為零。因此 不能用作判定低能障氫鍵形成的唯一標準，利用質子的零點振動能大於其所對應的質子轉移能障來判定低能障氫鍵的生成是一個值得信任的方法。

摘要 i
Abstract ………………………………………………………………………… ii
Contents ………………………………………………………………………… iii
Contents of Schemes …………………………………………………………… iv
Contents of Figures …………………………………………………………… v
Contents of Tables ……………………………………………………………… ix

Chapter 1. Introduction ……………………………………………………… 1
Chapter 2. Computational Methods ………………………………………… 5
I. Introduction …………………………………………………… 5
II. Density Functional Theory (DFT) ………………………… 6
Chapter 3. Model Clusters …………………………………………………… 14
Chapter 4. Results and Discussion ………………………………………… 18
I. Adding water molecule ……………………………………… 18
II. Adding N-methylformamide and water molecules ………… 39
II. The NBO charge analysis …………………………………… 54
Chapter 5. Conclusion ……………………………………………………… 57
References ……………………………………………………………………… 58

(1) Jeffrey, G. A. An Introduction to Hydrogen Bonding, Oxford University Press 1997.
(2) Cassidy, C. S.; Lin, J.; Frey, P. A. Biochemistry 1997, 36, 4576.
(3) Cassidy, C. S.; Lin, J.; Frey, P. A. Biochem. Biophys. Res. Commun. 2000, 273, 789.
(4) Cleland, W. W. Biochemistry 1992, 31, 317.
(5) Cleland, W. W. Arch. Biochem. Biophys. 2000, 382, 1.
(6) Cleland, W. W.; Frey, P. A.; Gerlt, J. A. J. Biol. Chem. 1998, 273, 25529.
(7) Cleland, W. W.; Kreevoy, M. M. Science 1994, 264, 1887.
(8) Frey, P. A. Science 1995, 268, 189.
(9) Frey, P. A. Science 1995, 269, 104.
(10) Frey, P. A. J. Phys. Org. Chem. 2004, 17, 511.
(11) Frey, P. A.; Whitt, S. A.; Tobin, J. B. Science 1994, 264, 1927.
(12) Fuhrmann, C. N.; Daugherty, M. D.; Agard, D. A. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 9086.
(13) Garcia-Viloca, M.; Gonzalez-Lafont, A.; Lluch, J. M. J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 1081.
(14) Gerlt, J. A.; Gassman, P. G. J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 5928.
(15) Gerlt, J. A.; Gassman, P. G. J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 11552.
(16) Gerlt, J. A.; Kreevoy, M. M.; Cleland, W. W.; Frey, P. A. Chem. Biol. 1997, 4, 259.
(17) Gilli, P.; Bertolasi, V.; Ferretti, V.; Gilli, G. J. Am. Chem. Soc. 1994, 116, 909.
(18) Guthrie, J. P. Chem. Biol. 1996, 3, 163.
(19) Ha, N.-C.; Kim, M.-S.; Lee, W.; Choi, K.; Oh, B.-H. J. Biol. Chem. 2000, 275, 41100.
(20) Hur, O.; Leja, C.; Dunn, M. F. Biochemistry 1996, 35, 7378.
(21) Ishida, T. Biochemistry 2006, 45, 5413.
(22) Kato, Y.; Toledo, L. M.; Jr., J. R. J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 8575.
(23) Laidig, K. E.; Platts, J. A. J. Phys. Chem. 1996, 100, 13455.
(24) Lankau, T.; Yu, C. H. Chem. Phys. Lett. 2007, 433, 275.
(25) Lankau, T.; Yu, C. H. Phys. Chem. Chem. Phys. 2007, 9, 299.
(26) Lin, J.; Cassidy, C. S.; Frey, P. A. Biochemistry 1998, 37, 11940.
(27) Neidhart, D.; Wei, Y. M.; Cassidy, C.; Lin, J.; Cleland, W. W.; Frey, P. A. Biochemistry 2001, 40, 2439.
(28) Overgaard, J.; Schiott, B.; Larsen, F. K.; Iversen, B. B. Chem. Eur. J. 2001, 7, 3756.
(29) Perrin, C. L. Science 1994, 266, 1665.
(30) Poi, M. J.; Tomaszewski, J. W.; Yuan., C. H.; Christopher, A. D.; Niels, H. A.; Michael, H. G.; Tsai, M. D. J. Mol. Biol. 2003, 329, 997.
(31) Porter, M. A.; Molina, P. A. J. Chem Theory Comput. 2006, 2, 1675.
(32) Rozas, I. Phys. Chem. Chem. Phys. 2007, 9, 2782.
(33) Scheiner, S.; Kar, T. J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 6970.
(34) Schiott, B.; Iversen, B. B.; Madsen, G. K. H.; Larsen, F. K.; Bruice, T. C. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1998, 95, 12799.
(35) Schutz, C. N.; Warshel, A. Proteins 2004, 55, 711.
(36) Schwartz, B.; Drueckhammer, D. G. J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 11902.
(37) Shan, S.; Herschlag, D. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1996, 93, 14474.
(38) Shan, S.; Loh, S.; Herschlag, D. Science 1996, 272, 97.
(39) Shokhen, M.; Albeck, A. Proteins 2004, 54, 468.
(40) Stratton, J. R.; Pelton, J. G.; Kirsch, J. F. Biochemistry 2001, 40, 10411.
(41) Warshel, A.; Papazyan, A.; Kollman, P. A. Science 1995, 269, 102.
(42) Wenthold, P.; Squires, R. J. Phys. Chem. 1995, 99, 2002.
(43) Wesolowski, T.; Miller, R. P.; Warshel, A. J. Phys. Chem. 1996, 100, 15444.
(44) Westler, W. M.; Frey, P. A.; Lin, J.; Wemmer, D. E.; Morimoto, H.; Williams, P. G.; Markley, J. L. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 4196.
(45) Wu, Z. R.; Ebrahimian, S.; Zawrotny, M. E.; Thornburg, L. D.; Perez-Alvarado, G. C.; Brothers, P.; Pollack, R. M.; Summers, M. F. Science 1997, 276, 415.
(46) Zhang, C. X. Biochim. Biophys. Acta-Bioenerg. 2007, 1767, 493.
(47) Hibbert, F.; Emsley, J. Adv. Phys. Org. Chem. 1990, 26, 255.
(48) DelBene, J. E.; Shavitt, I. J. Mol. Struct. (Theochem) 1994, 307, 27.
(49) Warshel, A.; Papazyan, A. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1996, 93, 13665.
(50) Pan, Y.; McAllister, M. A. J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 7561.
(51) Kumar, G. A.; McAllister, M. A. J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 3159.
(52) Cui, Q.; Karplus, M. J. Phys. Chem. B 2003, 107, 1071.
(53) Lindemann, R.; Zundel, G. J. Chem. Soc., Faraday Trans. 1972, 2, 979.
(54) Lindemann, R.; Zundel, G. J. Chem. Soc., Faraday Trans. 1978, 2, 788.
(55) Foster, J. P.; Weinhold, F. J. Am. Chem. Soc. 1980, 102, 7211.
(56) Reed, A. R.; Weinhold, F. J. Chem. Phys. 1983, 78, 4066.
(57) Reed, A. R.; Weinhold, F. J. Chem. Phys. 1983, 83, 1736.
(58) Reed, A. E.; Weinstock, R. B.; Weinhold, F. J. Chem. Phys. 1985, 83, 735.
(59) Carpenter, J. E. PhD thesis, University of Wisconsin, Madison, 1987.
(60) Carpenter, J. E.; Weinhold, F. J. Mol. Struct. (Theochem) 1988, 169, 41.
(61) Reed, A. E.; Curtiss, L. A.; Weinhold, F. Chem. Rev. 1988, 88, 899.
(62) Weinhold, F.; Carpenter, J. E. The Structure of Small Molecules, Ed. R. Naaman and Z. Vager (Plenum, New York) 227. 1988.
(63) Heitler, W.; London, F. Z. Physik 1927, 44, 455.
(64) Fock, V. A. Z. Physik 1930, 15, 326.
(65) Hartree, D. R. Proc. Cambridge Philos. Soc 1928, 24, 328.
(66) Hylleraas, E. A. 1928, 48, 469.
(67) Hylleraas, E. A. Z. Physik 1929, 54, 347.
(68) James, H. M.; Coolidge, A. S. J. Chem. Phys. 1933, 1, 825.
(69) Moller, C.; Plesset, M. S. Phys. Rev. 1934, 46, 618.
(70) Hartree, D. R.; Hartree, W.; Swirles, B. Phil. Trans. Roy. Soc. 1939, A238, 229.
(71) Dirac., P. A. M. Proc. Roy. Soc. (London) 1929, 123, 714.
(72) Schaefer, H. F. Science 1986, 231, 1100.
(73) Schaefer, H. F. Chimia 1989, 43, 1.
(74) Schaefer, H. F. J. Mol. Struct. 1997, 398, 199.
(75) Jang, J. H.; Lee, J. G.; Lee, H.; Xie, Y.; Schaefer, H. F. J. Phys. Chem. A 1998, 102, 5298.
(76) King, R. A.; Crawford, T. D.; Stanton, J. F.; Schaefer, H. F. J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 10788.
(77) Hohenberg, P.; Kohn, W. Phys. Rev. 1964, 136, B864.
(78) Kohn, W.; Sham, L. J. Phys. Rev. 1965, 140, A1133.
(79) Becke, A. D. Phys. Rev. A 1988, 38, 3098.
(80) Lee, C.; Yang, W.; Parr, R. G. Phys. Rev. B 1988, 37, 785.
(81) Perdew, J. P. Phys. Rev. B 1986, 33, 8822.
(82) Becke, A. D. J. Chem. Phys. 1993, 98, 5648.
(83) Becke, A. D. J. Chem. Phys. 1998, 109, 2092.
(84) Ernzerhof, M.; Scuseria, G. E. J. Chem. Phys. 1999, 111, 911.
(85) Perdew, J. P.; Kurth, S.; Zupan, A.; Blaha, P. Int. J. Quantum Chem. 1999, 75, 889.
(86) Voorhis, T. V.; Scuseria, G. E. J. Chem. Phys. 1998, 109, 400.
(87) Becke, A. D. J. Chem. Phys. 1988, 88, 2547.
(88) Bauernschmitt, R.; Ahlrichs, R. Chem. Phys. Lett. 1996, 256, 454.
(89) Jamorski, C.; Casida, M. E.; Salahub., D. R. J. Chem. Phys. 1996, 104, 5134.
(90) Werpetinski, K. S.; Cook, M. J. Chem. Phys. 1997, 106, 7124.
(91) Perdew, J. P.; Ruzsinszky, A.; Tao, J.; Staroverov, V. N.; Scuseria, G. E.; Csonka, G. J. Chem. Phys. 2005, 123, 62201.
(92) Grimme, S. J. Chem. Phys. 2006, 124, 034108.
(93) Schwabe, T.; Grimme, S. Phys. Chem. Chem. Phys. 2006, 8, 4398.
(94) Zhao, Y.; Lynch, B. J.; Truhlar, D. G. J. Phys. Chem. A 2004, 108, 4786.
(95) Zhao, Y.; Lynch, B. J.; Truhlar, D. G. Phys. Chem. Chem. Phys. 2005, 7, 43.
(96) Gorling, A.; Levy, M. Phys. ReV. B 2007, 47, 13105.
(97) Adamo, C.; Barone, V. J. Chem. Phys. 1998, 108, 664.
(98) Becke, A. D. J. Chem. Phys. 1997, 107, 8554.
(99) Chan, G. K. L.; Handy, N. C. J. Chem. Phys. 2000, 112, 5639.
(100) Ingamells, V. E.; Handy, N. C. Chem. Phys. Lett. 1996, 248, 373.
(101) Mulliken, R. S.; Roothaan, C. C. J. Proc. U. S. Natl. Acad. Sci. 1959, 45, 394.
(102) Schaefer, H. F. Quantum Chemistry: The Development of Ab Initio Methods in Molecular Electronic Structure Theory. Clarendon Press, Oxford 1984.
(103) Bene, J. E. D.; Person, W. B.; Szczepaniak, K. J. Phys. Chem. 1995, 99, 10705.
(104) Lozynski, M.; Rusinska-Roszak, D.; Mack, H. G. J. Phys. Chem. A 1998, 102, 2899.
(105) Stephens, P. J.; Devlin, F. J.; Chabalowski, C. F.; Frisch, M. J. J. Phys. Chem. 1994, 98, 11623.
(106) Hertwig, R. H.; Koch, W. Chem. Phys. Lett. 1997, 268, 345.
(107) M. J. Frisch, G. W. T., H. B. Schlegel, G. E. Scuseria, M. A.; Robb, J. R. C., J. A. Montgomery, Jr, T. Vreven, K. N.; Kudin, J. C. B., J. M. Millam, S. S. Iyengar, J. Tomasi, V.; Barone, B. M., M. Cossi, G. Scalmani, N. Rega, G. A.; Petersson, H. N., M. Hada, M. Ehara, K. Toyota, R.; Fukuda, J. H., M. Ishida, T. Nakajima, Y. Honda, O.; Kitao, H. N., M. Klene, X. Li, J. E. Knox, H. P. Hratchian, J.; B. Cross, C. A., J. Jaramillo, R. Gomperts, R. E. Stratmann,; O. Yazyev, A. J. A., R. Cammi, C. Pomelli, J. W. Ochterski, P.; Y. Ayala, K. M., G. A. Voth, P. Salvador, J. J. Dannenberg,; V. G. Zakrzewski, S. D., A. D. Daniels, M. C. Strain,; O. Farkas, D. K. M., A. D. Rabuck, K. Raghavachari, J. B.; Foresman, J. V. O., Q. Cui, A. G. Baboul, S. Clifford, J.; Cioslowski, B. B. S., G. Liu, A. Liashenko, P. Piskorz, I.; Komaromi, R. L. M., D. J. Fox, T. Keith, M. A. Al-Laham, C.; Y. Peng, A. N., M. Challacombe, P. M. W. Gill, B.; Johnson, W. C., M. W. Wong, C. Gonzalez and J. A. Pople,; GAUSSIAN 03 (revision C.02), G. I., Wallingford, CT, 2004.
(108) Schaftenaar, G.; Noordik, J. H. J. Comput.-Aided Mol. Design 2000, 14, 123.
(109) DenningtonII, R.; Millam, J.; Eppinnett, K.; Hovell, W. L.; Gilliland, R. Semichem, Inc., Shawnee Mission, KS 2003.
(110) Gilli, G.; Gilli, P. J. Mol. Struct. 2000, 552, 1.
(111) Chandra, A. K.; Zeegers-Huyskens, T. J. Org. Chem. 2003, 68, 3618.
(112) Smets, J.; McCarthy, W.; Maes, G.; Adamowicz, L. J. Mol. Struct. 1999, 476, 27.
(113) Derewenda, Z. S.; Derewenda, U.; Kobos, P. M. J. Mol. Biol. 1994, 241, 83.
(114) Scheiner, S. J. Phys. Chem. B 2008, 112, 6837.
(115) Topf, M.; Várnai, P.; Richards, G. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 14780.