Mehdi Irani

In this study, density functional theory (DFT) was used to investigate the kinetic isotope effect (KIE) on the catalytic mechanism of the glyoxalase I (GlxI) enzyme from Escherichia coli. A cluster method was employed to model the active site of the enzyme. Two models of the enzyme's active site, along with the substrate, were constructed based on the enzyme's crystal structure. These two models differ in size and the way atoms are constrained. To study the KIE for each model, three different cases of hydrogen atoms involved in the reaction (H1 and H2) were considered. In the first case, H1 was substituted with deuterium, in the second case H2 was substituted, and in the third case, both H1 and H2 were replaced by deuterium. These three cases were compared to the non-deuterium case at various stages of the reaction mechanism. The zero-point energies (ZPE) of the molecules were calculated. The stationary points along the reaction pathway were optimized, and the potential energy profile of the reaction was obtained. The effect of solvent on the reaction energy profile was calculated using the CPCM model. The results of this study show that when H1 is replaced by deuterium, the energy of the reactant decreases, while the energy of the first transition state decreases by a smaller amount. For the first step of the reaction, a kH/kD value greater than 2 is obtained, indicating a primary kinetic isotope effect. This result confirms the catalytic mechanism of GlxI, where the cleavage of the C1-H1 bond plays a role in the rate-determining step. It was also found that in the first step of the reaction, when both H1 and H2 are replaced by deuterium, a primary isotope effect is observed, but when only H2 is replaced, a secondary isotope effect is observed. Substituting H2 with deuterium reduces the energy of both the first intermediate and the second transition state, indicating a secondary kinetic isotope effect for the second step of the reaction. The results show that the reaction pathway is not dependent on the type and size of the models being studied, but the potential energy profile is affected by the size and flexibility of the model. In another part of this research, new inhibitors for GlxI were investigated. Computational methods, including molecular docking and molecular dynamics (MD) simulations, were employed to screen approximately 2,500 FDA-approved drugs for GlxI inhibition. Initially, ligands were screened using the iGEMDOCK software, and 20 compounds were selected for further analysis. Docking was then performed using AutoDock Vina, and the binding energies of the ligands to the enzyme were compared with S-(p-bromobenzyl)glutathione, a known GlxI inhibitor. Six ligands were identified for MD simulations. The MD simulation results highlighted Trilaciclib and Olmesartan as potential inhibitors of GlxI. Molecular docking also suggested that these two drugs may have inhibitory effects on glyoxalase II. This study proposes potential applications of Trilaciclib and Olmesartan as drugs for diseases related to glyoxalase system inhibition.

Methylglyoxal (MG) is a reactive and toxic compound produced in carbohydrate, lipid, and amino acid metabolism. The glyoxalase system is the main detoxifying route for MG and consists of two enzymes, glyoxalase I (GlxI) and glyoxalase II (GlxII). GlxI catalyzes the formation of S-D-lactoylglutathione from hemithioacetal, and GlxII converts this intermediate to D-lactate. A relationship between the glyoxalase system and some diseases like diabetes has been shown, and inhibiting enzymes of this system may be an effective means of controlling certain diseases. In addition, A detailed understanding of the reaction mechanism of an enzyme is essential to the rational design of competitive inhibitors. In this work, we use quantum mechanics/molecular mechanics (QM/MM) calculations and energy refinement utilizing the big-QM and QM/MM thermodynamic cycle perturbation methods to propose a mechanism for the GlxII reaction that starts with a nucleophilic attack of the bridging –OH group on the substrate. The coordination of the substrate to the Zn ions places its electrophilic center close to the hydroxide group, enabling the reaction to proceed. Our estimated reaction energies are in excellent agreement with experimental data, thus demonstrating the reliability of our approach and the proposed mechanism. Additionally, we examined alternative protonation states of Asp-29, -58, -134, and the bridging hydroxide ion in the catalytic process. However, these give either less favorable reactions, a poorer reproduction of the crystal-structure geometry of the active site, or higher root-mean-squared deviations of the active-site residues in molecular dynamics simulations. In the second study, we explored how the reaction mechanism of the binuclear GlxII enzyme depends on the type and charge of metal ions. Using the human GlxII crystal structure, which has two Zn(II) ions in its active site, we replaced these Zn(II) ions with Fe(II), Fe(III), or Co(II) ions to mimic different metal ion variations. Our results indicate that both the type of metal ion and its specific position in the active site are crucial for the catalytic activity of GlxII. Substituting the Zn(II) ion in the three-histidine site with Fe(II), Fe(III), or Co(II) imposed a high activation barrier, suggesting that such substitutions are not viable. Notably, replacing the Zn(II) ion in the two-histidine site with Fe(II) exhibited the lowest mean absolute deviation for bond lengths from the Zn site and a lower overall barrier. Further, replacing metal ions with point charges inhibited the reaction, highlighting that metal ions chemically participate in the catalytic process rather than merely contributing through electrostatic effects.

Claisen rearrangement is a highly efficient chemical reaction for forming carbon-carbon bonds. In this study, we investigate the kinetics of the Claisen rearrangement reaction of 8-(vinyloxy)dec-9-enoate using combined quantum mechanics (QM)/molecular mechanics (MM) computational approaches. The reaction is studied in the gas phase, as well as in solvents such as water, methanol, and water/methanol mixtures with different weight percentages (25% methanol, 50% methanol, and 75% methanol). The main objective of this research is to examine the effect of solvent polarity on the reaction kinetics using multi-scale methods including QM/MM, QM1/QM2, and QM1/QM2/MM, and to identify the most effective method for reproducing experimental observations. In the QM/MM method, calculations for the active part of the chemical system are performed at the QM level, while calculations for the solvent part are done at the MM level. However, QM1/QM2 uses two QM levels (QM1 and QM2) to describe different parts of the system. QM1 ensures an accurate representation of the reaction active region, whereas QM2 considers the surrounding environment with lower computational cost. The QM1/QM2/MM method introduces the MM region as a third level of description. Additionally, to conduct a comprehensive study, each of these methods was evaluated using two types of embedding, electrostatic and mechanical, which account for the interaction between the QM and MM regions. The results indicate that both the QM-only method and multi-scale methods successfully reproduce the Claisen rearrangement mechanism. However, the activation free energy calculated using the QM-only method in a polarizable continuum model does not accurately reproduce the solvent effects. On the other hand, the multi-scale methods more accurately reproduce the effect of the solvent on activation free energies. Furthermore, removing systematic error from the computational data enhances the accuracy of the results. Comparing the experimental activation free energy values with the data obtained from different methods and calculated statistical parameters indicates that the QM1/QM2/MM method with mechanical embedding provides ΔG# values closer to the calibration line.

Diels-Alder reactions are cyclization reactions which typically are used to create carbon-carbon bonds. The most important property of Diels-Alder reactions is their spatial specificity. In the sense that the stereochemistry of the primary dienophile is preserved throughout the reaction and only one isomer is produced. In this study, the kinetics and mechanism of a batch of Diels-Alder reactions in the gas phase and continuous solvents of water and ethanol are investigated by the quantum mechanical (QM) method. Furthermore, combined quantum mechanics molecular mechanics calculations (QM/MM) are used to analyze the effects of these solvents explicitly. The QM/MM approach utilizes the quantum mechanical (QM) model to calculate the active part of the chemical system, while employing a molecular mechanical (MM) model for the solvent part. In this research, Diels-Alder reactions between cyclopentadiene and five distinct dienes (5-nitro 1,4-naphthoquinone (R1), 5-acetyl 1,4-naphthoquinone (R2), 1,4-naphthoquinone (R3), 5-methyl 1,4-naphthoquinone (R4) and 5-methoxy 1,4-naphthoquinone (R5)) were examined in gas phase and both water and ethanol solvents. Calculations for the reaction between 5-nitro 1,4-naphthoquinone and cyclopentadiene (R1) revealed that kinetically, the endo path in the gas phase with an activation energy of 7.0 kcal/mol passes through a lower energy barrier than the exo path in the gas phase with an activation energy of 9.4 kcal/mol. Furthermore, the endo path in the continuous water and ethanol solvents has a lower energy barrier with activation energies of 7.0 and 6.8 kcal/mol, respectively, than the exo path which has activation energies of 9.3 and 9.5 kcal/mol, respectively. Additionally, the exo pathway of this reaction has activation energies of 8.3 and 14.2 kcal/mol from the energy barrier, but the endo pathway in the solvents of water and ethanol has activation energies of 7.0 and 7.2 kcal/mol, respectively. The endo product in the gas phase with an energy of -20.7 kcal/mol is more stable than the exo product with an energy of -19.9 kcal/mol, while the exo products in the continuous solvents of water and ethanol with energies of -18.4 and -18.3 kcal/mol, respectively, which are more stable than endo products with energies of 0.8 and 0.5 kcal/mol. Additionally, the exo product in water solvent is more stable with energies of -23.9 kcal/mol than the endo product with energies of -20.1 kcal/mol, whereas the endo product in ethanol solvent is clearly more exothermic with an energy of -20.5 kcal/mole than the exo product with an energy of -18.3 kcal/mole. Furthermore, the rate constant was calculated in water solvent compared to ethanol solvent. The results obtained from this measurement for R1 reaction in continuous solvents is 8.2x104 and 1.83x105 in water and ethanol solvents, respectively. The rate constant ratio for four reactions with different substitutions (R1, R2, R4, and R5) on dienophiles compared to the case where the dienophiles are without substitutions (R3) in continuous solvents is 0.67, 0.00004, 1.0, and 0.9, respectively, and for explicit solvents it is 0.5, 0.45, 0.009, and 12092. The experimental data for reactions in water solvent are 5.05, 1.79, 0.74, and 1.12, respectively, and 10.67, 3.04, 0.68, and 0.82 in ethanol solvent. Our results show that estimated values for the R2 reaction in the continuous solvent do not accord with the experimental data. In general, electron-accepting substitutions on dienophiles increase the reaction rate, whereas electron-donating substitutions reduce the reaction rate. Diels-Alder reactions are cyclization reactions which typically are used to create carbon-carbon bonds. The most important property of Diels-Alder reactions is their spatial specificity. In the sense that the stereochemistry of the primary dienophile is preserved throughout the reaction and only one isomer is produced. In this study, the kinetics and mechanism of a batch of Diels-Alder reactions in the gas phase and continuous solvents of water and ethanol are investigated by the quantum mechanical (QM) method. Furthermore, combined quantum mechanics molecular mechanics calculations (QM/MM) are used to analyze the effects of these solvents explicitly. The QM/MM approach utilizes the quantum mechanical (QM) model to calculate the active part of the chemical system, while employing a molecular mechanical (MM) model for the solvent part. In this research, Diels-Alder reactions between cyclopentadiene and five distinct dienes (5-nitro 1,4-naphthoquinone (R1), 5-acetyl 1,4-naphthoquinone (R2), 1,4-naphthoquinone (R3), 5-methyl 1,4-naphthoquinone (R4) and 5-methoxy 1,4-naphthoquinone (R5)) were examined in gas phase and both water and ethanol solvents. Calculations for the reaction between 5-nitro 1,4-naphthoquinone and cyclopentadiene (R1) revealed that kinetically, the endo path in the gas phase with an activation energy of 7.0 kcal/mol passes through a lower energy barrier than the exo path in the gas phase with an activation energy of 9.4 kcal/mol. Furthermore, the endo path in the continuous water and ethanol solvents has a lower energy barrier with activation energies of 7.0 and 6.8 kcal/mol, respectively, than the exo path which has activation energies of 9.3 and 9.5 kcal/mol, respectively. Additionally, the exo pathway of this reaction has activation energies of 8.3 and 14.2 kcal/mol from the energy barrier, but the endo pathway in the solvents of water and ethanol has activation energies of 7.0 and 7.2 kcal/mol, respectively. The endo product in the gas phase with an energy of -20.7 kcal/mol is more stable than the exo product with an energy of -19.9 kcal/mol, while the exo products in the continuous solvents of water and ethanol with energies of -18.4 and -18.3 kcal/mol, respectively, which are more stable than endo products with energies of 0.8 and 0.5 kcal/mol. Additionally, the exo product in water solvent is more stable with energies of -23.9 kcal/mol than the endo product with energies of -20.1 kcal/mol, whereas the endo product in ethanol solvent is clearly more exothermic with an energy of -20.5 kcal/mole than the exo product with an energy of -18.3 kcal/mole. Furthermore, the rate constant was calculated in water solvent compared to ethanol solvent. The results obtained from this measurement for R1 reaction in continuous solvents is 8.2x104 and 1.83x105 in water and ethanol solvents, respectively. The rate constant ratio for four reactions with different substitutions (R1, R2, R4, and R5) on dienophiles compared to the case where the dienophiles are without substitutions (R3) in continuous solvents is 0.67, 0.00004, 1.0, and 0.9, respectively, and for explicit solvents it is 0.5, 0.45, 0.009, and 12092. The experimental data for reactions in water solvent are 5.05, 1.79, 0.74, and 1.12, respectively, and 10.67, 3.04, 0.68, and 0.82 in ethanol solvent. Our results show that estimated values for the R2 reaction in the continuous solvent do not accord with the experimental data. In general, electron-accepting substitutions on dienophiles increase the reaction rate, whereas electron-donating substitutions reduce the reaction rate.

In this research, we used quantum mechanics (QM) to theoretically study the kinetics and mechanism of the reactions of hydroxylamine and amine oxide anion with methyl iodide in gas and water continuum solvent phases. Then, to investigate the effects of the water solvent, explicitly, the combined quantum mechanics-molecular mechanics approach (QM/MM) was employed. Calculations related to the substrate and nucleophilic species were performed at the QM level and calculations related to the large water solvent environment were performed at the lower MM computational level. The reason for using the combined QM/MM method for calculations in the solution phase is a large number of atoms because performing QM calculations in a large chemical system is not possible with regular hardware. Geometrical parameters show that these reactions take place through the SN2 mechanism. The potential energy surface (PES) of these reactions in different phases showed that SN2 reaction with the neutral nucleophile in the solution phase is faster than gas phase, but SN2 reaction with the anionic nucleophile in the solution phase is slower than gas phase. That is, the potential energy barriers of these two reactions, in the movement from the gas phase to the solution phase, behave oppositely in terms of time. Another goal was to investigate the effect of water solvent by the QM/MM method on the Diels–Alder (DA) reaction of 1,4-benzoquinone with 1-isopropyl-4-methyl cyclohexa-1,3-diene. QM calculations on the gas and water continuum solvent phases, and QM/MM calculations on the solution phase of this reaction showed that two reasons cause the high acceleration of the DA reaction in the presence of water molecules: a) the formation of hydrogen bonds between water molecules and the polarized transition state, and b) hydrophobic interactions. Of course, the higher velocity of the solution phase is mostly due to the strengthening of the hydrogen bond between water molecules and the polarized transition state.

Density functional theory (DFT) was used to study the catalytic reaction mechanism of glucosinolate hydrolysis by aphid myrosinase. Geometrical structures of the stationary points along the reaction path were optimized, and the energy profile of the reaction was drawn from the stationary points' energies. The conductor Polarized Continuum Model was used to treat the protein medium effect on the energy profile of the catalytic reaction. We used the cluster method for modeling the active site. Myrosinase is responsible for the hydrolysis of glucosinolate. Our result showed that the first reaction step (glycosylation step) is the nucleophilic attack of Glu-374 to the anomeric carbon of the substrate. After this nucleophilic attack, Glu-374 becomes covalently bonded to the anomeric carbon of the glucose ring, and the aglycon moiety of the substrate leaves the glucose ring, producing the first intermediate of the reaction (glycosyl–enzyme intermediate). Finally, in the second step of the reaction mechanism (deglycosylation step), this intermediate is hydrolyzed by a water molecule, releasing beta-glucose. This water molecule hydrolyzes the intermediate and plays an important role in glycosylation. It helps the aglycon moiety of the substrate to stabilize the build-up of negative charge during the glycosylation reaction and makes it a better leaving group. Besides, the result indicated that the Glu-423 residue acts as the general base in the reaction. Our calculations showed that the enzyme retained the stereochemistry of the anomeric center, in line with experiments, and indicated the deglycosylation step is the rate-determining step of the reaction.

We performed QM-cluster and a series of combined quantum mechanics/molecular mechanics (QM/MM) calculations to study different aspects of the Glyoxalase I (GlxI) reaction mechanism. This enzyme catalyzes the conversion of hemithioacetal (HTA) from methylglyoxal (MG) and glutathione (H-SG) to S-D-lactoylglutathione. Our results showed that a small QM-cluster of the enzyme’s active site with a symmetric model of glutamate residues (Glu-99 and Glu-172) cannot reproduce the experimentally observed special stereospecificity of GlxI. Hence, to investigate the stereospecificity of GlxI, asymmetric QM-clusters or QM/MM calculations must be employed. The results confirmed a previously proposed reaction mechanism for the S substrate, but we proposed a new reaction mechanism for the R substrate of GlxI. We concluded that to reach only the S-D enantiomer of the product, the active-site glutamates must have different environments and properties inside the enzyme. Based on this conclusion, we investigated the stereospecific proton exchange of glutathiohydroxyacetone (HOC-SG; GlxI exchanges only the pro-S, but not the pro-R hydroxymethyl proton of HOC-SG with a deuterium from D2O solvent) and proposed a mechanism for this reaction. Moreover, we showed that the higher basicity and flexibility of Glu-172 is the reason for the special stereospecificity of GlxI. We also studied the two-substrate reaction mechanism of GlxI from human (HuGlxI) and corn (ZmGlxI). Our results indicated that in HuGlxI, the two binding modes of H-SG that lead to S- and R-HTA, are degenerate, but the barrier leading to R-HTA is lower than that to S-HTA. On the other hand, ZmGlxI prefers the binding mode which produces S-HTA, in line with experiments.

Density functional theory was used to study the catalytic reaction mechanism of human Glyoxalase I. Glyoxalase I converts both R and S enantiomers of hemithioacetal into S-D-lactoyl glutathione. We used cluster method for modeling the enzyme’s active site. Four different models (M1, M2, M3 and M4) were used for with different glutamate sizes or groups. The M2 and M4 models have an extra water molecule and Thr-101. On the other hand, the M3 and M4 models have a smaller Glu-99. Depending on the conformation of the substrate,s alcoholic hydrogen (towards Glu-99 or Glu-172; R or L respectively), and the type of the chiral center of the substrate (R or S), each model can have four different binding modes (S-L, S-R, R-R and R-L). The catalytic mechanism of both enantiomers of the substrate was studied, based on the constructed models. The results showed that M1 and M3 properly shows the expected trend in energy profiles. Hence, the M1 and M3 models are more logical than M2 and M4. The results also showed that the activation energy of the first step of the reaction in the R-L state is very high. Thus, this mode does not result in any product. On the other hand, the first reaction step of the S-R state has a high activation energy barrier in M1. Hence, this mode was not investigated in the M1 model. The results showed that none of the states with the S enantiomer leads to the wrong enantiomer of the product. However, the R-R state produced both enetimers of the product. In summary, the cluster method does not reproduce experimental results even with asymmetric models of the glutamates. Although M3 (a model with no excess water molecule and Thr-101 and with a smaller Glu-99 model), some how reperoduce experimental results. In conculusion, M3 is a more accurrate model whose results are in consistent with experimental ones.

در این پروژه از نظریه تابعی چگالی برای بررسی شیمی گزینی آنزیم استیلن هیدراتاز در واکنش هیدراتاسیون استیلن و چهار ترکیب دیگر ( پروپن، 3-بوتین-2-ال، پروپارژیل الکل و پروپارژیل آمین) استفاده شده است. ساختار نقاط ایستا در طول مسیر واکنش بهینه شده و نیم رخ انرژی پتانسیل واکنش به دست آمده است. اثر حلال روی نیم رخ انرژی واکنش با مدل CPCM محاسبه و برای مدلسازی جایگاه فعال آنزیم از روش کلاستر استفاده شده است. یک مدل بزرگ از جایگاه فعال آنزیم استیلن هیدراتاز براساس ساختار کریستالی آن ساخته شد. مکانیسم کاتالیزوری آنزیم برای این پنج نوع سوبسترا، کاملا مورد بررسی قرار گرفت. مطالعه حاضر نشان می دهد که پروپن در مرحله اول واکنش (اتصال به تنگستن) دارای انرژی فعالسازی کاملا بالایی است بنابراین نمی تواند توسط آنزیم استیلن هیدراتاز کاتالیز شود و با این آنزیم واکنش نمیدهد. با این حال پروپارژیل آمین و 3-بوتین-2-ال، از دو سد انرژی اول واکنش عبور می کنند، اما با اینکه انرژی فعالسازی مرحله دوم ( حمله هسته دوستی آب) بسیار زیاد است، آن ها واکنش را کامل کرده و یک محصول کاملا پایدار به دست می آید. محاسبات ما برای پروپارژیل الکل نشان داد که این ترکیب، سوبسترای مناسبی با پروفایل انرژی مشابه با سوبسترای اصلی (استیلن) میباشد. سد انرژی فعال سازی برای مرحله دوم kcal/mol 3/5 است. این سد انرژی بسیار مشابه با سد انرژی سوبسترای اصلی (استیلن) می باشد که kcal/mol 7/5 بود.

پژوهش حاضر بر روی طراحی و سنتز نانوکاتالیزگرهای جدید بر پایه ی اکسیدهای فلزی شامل یک یا دو کاتیون فلزی متمرکزشده است. در همین راستا فوتوکاتالیزگرهای متنوعی با استفاده از روش های مبنی بر اصول شیمی سبز ازجمله روش هیدروترمال و روش سل-ژل سنتز شد. نانوفوتوکاتالیزگرهای سنتزشده پس از شناسایی با استفاده از روش های مختلف دستگاهی ازجمله FE-SEM، TEM، FTIR، Uv-Vis، DRS، BET، XRD، PL و EDAX شناسایی و در اکسایش الکل های آروماتیک نوع اول در معرض نور مرئی و با استفاده از اکسیژن هوا به عنوان اکسنده استفاده شد. ازجمله نانوکاتالیزگرها و نانوفوتوکاتالیزگرهای سنتز شده در این مطالعه شامل WO3، WO3 اصلاح شده با استفاده از نانو ذرات Pt و همچنین WO3 اصلاح شده با TiO2 را می توان اشاره کرد. نانو کامپوزیت Pt/WO3 کارایی نسبتاً خوبی در اکسایش الکل های آروماتیک نوع اول در حضور اکسنده های مختلف و همچنین در حضور نور مرئی از خود نشان داد. این نانو کامپوزیت بازده واکنش های کاتالیزی را تا 70 درصد در حضور آب اکسیژنه و تا 98 درصد در حضور نور مرئی در مدت زمان یک ساعت و با استفاده از لامپ رشته ای تنگستن افزایش داده است. کارایی نانو کامپوزیت TiO2/WO3 در معرض تابش نور مرئی توسط کمپلکس کبالت پورفیرین افزایش یافت. نانو هیبرید به دست آمده از واکنش Co-meso-tetra (4-carboxyphenyl) porphine (Co-TCPP) و نانو کامپوزیت TiO2/WO3 به دست آمده است. علاوه بر این نانو ساختارهای WO3 با استفاده از آب انار به عنوان عامل پوشاننده و سورفکتانت و با حذف سورفکتانت های مرسوم سنتز شد. نانو ساختارهای به دست آمده WO3، TiO2/WO3 و Co-TCCP@TiO2/WO3 نیز در واکنش تبدیل الکل های آروماتیک به آلدئیدهای مربوط با استفاده از لامپ LED و در حضور اکسیژن هوا به عنوان اکسنده ی قابل دسترس استفاده شد. استفاده از نانو هیبریدهای آلی- معدنی بازده واکنش را در مدت زمان یک ساعت تا 98 درصد و انتخاب گری را تا 99% افزایش داد.در بخشی دیگر مطالعات تئوری بر روی تعدادی از نانو اکسیدها و نانو کامپوزیت های سنتز شده انجام شد و حاصل این مطالعه ی تئوری فهم چگونگی تأثیر مخلوط اکسیدهای فلزی در انجام واکنش های اکسایشی در حضور نور مرئی می باشد. همچنین اثر حلال ها با قطبیت های مختلف بر روی جذب الکل های آروماتیک بر روی سطح نانو اکسیدها و نانو کامپوزیت های شامل اکسیدهای فلزی ب

در این پژوهش جذب سطحی و تخریب فتوکاتالیزوری رودامین ب روی سطوح نانوذرات کادمیم سولفید و کادمیم سلنید بررسی شد. ابتدا نانوذرات CdSe و CdS سنتز شد. برای شناسایی نانوذرات سنتز شده از آن ها طیف EDX وSEM تهیه شد، سپس واکنش های تخریب فتوکاتالیزوری در فتوراکتور شیشه ای متصل به یک لامپ تنگستن انجام شد. اثر غلظت اولیه رودامین ب در تخریب فتوکاتالیزوری تحت شرایط آزمایشگاهی ثابت شامل pH، دما و غلظت فتوکاتالیزور بررسی شد. سینتیک حذف از مکانیسم لنگمویر- هینشل وود پیروی می کند و مقادیر ثابت تعادل جذب و ثابت سرعت جذب براساس این مکانیسم محاسبه شده اند. نتایج نشان دادند که تخریب فتوکاتالیزوری رودامین ب با نانوذرات کادمیم سلنید تحت پرتودهی نور مرئی به مدت 10 دقیقه دارای بیشترین میزان تخریب فتوکاتالیزوری نسبت به تخریب با نانوذرات کادمیم سولفید است. برای به دست آوردن خصوصیات جذب سطحی، سطوح CdSe و CdS بهترتیب به صورت نانو خوشه های Cd19Se27H16 و Cd19S27H16 برای سطح (0001) مدل سازی شدند. در بررسی نظری، محاسبه جذب سطحی بر روی این نانو خوشه ها با روش نظریه تابعی چگالی انجام شد. انرژی های جذب سطحی و تغییرات آنتالپی برای جذب سطحی رودامین ب در سطح نانوذرات محاسبه شد. محاسبات نشان دادند که انرژی جذب رودامین ب روی نانوذرات CdSe بیشتر از نانوذرات CdS است که نشان دهنده ی جذب سطحی بهتر رودامین ب روی نانوذرات کادمیم سلنید است. سازگاری خوبی بین برخی مقادیر تجربی و نظری محاسبه شده برای انرژی جذب مشاهده می شود. نتایج محاسبات نشان دادند که مولکول رودامین ب به صورت مولکولی یا غیر تفکیکی بر روی سطوح CdSe و CdS جذب می شوند.

در این پروژه از نظریه تابعی چگالی برای مطالعه واکنش تبادل پروتون سوبسترای گلوتاثیو هیدروکسی استون، توسط آنزیم گلی اکسالاز I انسانی استفاده شده است. ساختار نقاط ایستا در طول مسیر واکنش بهینه شده و نیم رخ انرژی پتانسیل واکنش به دست آمده است. اثر حلال روی نیم رخ انرژی واکنش با مدل CPCM محاسبه گردید. برای مطالعه اثرات الکترونی، بار اتم ها در حین واکنش توسط آنالیز NBO محاسبه شد. برای مدل سازی جایگاه فعال آنزیم، از روش کلاستر استفاده شده است. سه مدل از جایگاه فعال آنزیم براساس ساختار کریستالی آن با استفاده از روش کلاستر ساخته شد. این مدل ها از نظر تعداد اتم های ثابت شده با هم تفاوت داشتند. مطالعه حاضر نشان می دهد که جذب پروتون سوبسترا توسط آنزیم گلی اکسالاز I به طور مطلق فضا ویژه بوده و آنزیم منحصرا پروتون Hs سوبسترا را جذب می کند. داده های حاصل از هر سه مدل به وضوح نشان داد که، انتقال پروتون Hs سوبسترا به Glu172 به دلیل داشتن انرژی فعال ساز ی پایین تر حدود (kcal/mol 14) انتقال قابل قبولی است. در مقابل انتقال پروتون Hr سوبسترا به Glu99 با انرژی فعال سازی بالا حدود (kcal/mol 27) محتمل نیست. محاسبات نشان دادند که مسیر واکنش وابسته به تعداد اتم های ثابت شده در مدل های مورد بررسی نیست، هر چند که نیم رخ انرژی پتانسیل وابسته به تعداد اتم های ثابت شده و انعطاف پذیری مدل است. به طور کلی نتایج به دست آمده از هر سه مدل برای هر دو انتقال پروتون، کاملا در راستای نتایج مشاهدات تجربی بوده و به نوعی دلیل پدیده فضا ویژگی و انتخاب گزینی این آنزیم در جذب اختصاصی پروتون Hs سوبسترای گلوتاثیو هیدروکسی استون را نشان می دهد.

جذب سطحی و تخریب فتوکاتالیزوری دو ترکیب آلی (متیلن بلو و دیازینون) بر روی سطح نانو ذرات کادمیم سلنید بررسی شد. واکنش های تخریب فتوکاتالیزوری در فتوراکتور شیشه ای متصل به یک لامپ تنگستن انجام شده است. اثر غلظت اولیه متیلن بلو در شدت نورهای مختلف و اثر غلظت اولیه دیازینون در تخریب فتوکاتالیزوری تحت شرایط آزمایشگاهی ثابت شامل pH، دما و غلظت فتوکاتالیزور بررسی شد. سینتیک حذف از مکانیسم لنگمویر- هینشل وود پیروی می کند و مقادیر ثابت تعادل جذب و ثابت سرعت جذب بر اساس این مکانیسم محاسبه شده اند. نتایج نشان دادند که تخریب فتوکاتالیستی متیلن بلو با نانو ذرات کادمیم سلنید تحت پرتو دهی با نور مرئی به مدت 20 دقیقه در شدت نور 44400 لوکس دارای بیشترین میزان تخریب فتوکاتالیستی نسبت به شدت نورهای به مراتب پایین تر است. میزان تخریب فتوکاتالیستی دیازینون تحت 80 دقیقه پرتو دهی در شدت نور 55500 لوکس خیلی کمتر از متیلن بلو در شدت نورهای به مراتب پایین تر می باشد. برای به دست آوردن خصوصیات جذب سطحی، سطوح CdSe به صورت نانو کلاستر Cd15Se18H6 برای سطح (0001) و Cd15Se18H6 برای سطح (01 ̅10) مدل سازی شدند. در بررسی نظری، محاسبه جذب سطحی بر روی این کلاسترها با روش هارتری-فاک انجام شد. انرژی های جذب سطحی و تغییرات آنتالپی برای جذب سطحی ترکیبات آلی در سطوح مختلف محاسبه شدند. محاسبات نشان دادند که انرژی جذب متیلن بلو بیشتر از دیازینون می باشد که نشان دهنده ی جذب سطحی بهتر متیلن بلو بر سطح نانو ذره نسبت به دیازینون می باشد. سازگاری خوبی بین برخی مقادیر تجربی و نظری محاسبه شده برای انرژی جذب مشاهده می شود. نتایج محاسبات نشان دادند که مولکول های آلی ذکر شده به صورت مولکولی یا غیر تفکیکی بر روی سطوح CdSe جذب می شوند.

در این پژوهش از نظریه تابعی چگالی برای مطالعـه ی مکانیسـم واکـنش کاتالیسـتی آنـزیم بتا-گالاکتوزیداز باکتری باسیلوس سیرکولانس استفاده شده است. ساختار نقاط ایستا در طـول مسـیر واکـنش بهینـه شده و نیم رخ انرژی پتانسیل واکنش به دست آمده است. اثر حلال روی نیمرخ انرژی واکـنش بـا مـدل CPCM محاسبه گردید. برای مدل سازی جایگاه فعال آنزیم از روش کلاستر استفاده شده است. مدلی از جایگاه فعال آنزیم بتا-گالاکتوزیداز بر اساس ساختار کریستالی آن ساخته شده است. آنزیم بتا-گالاکتوزیداز قند موجود در شیر (بتا-لاکتوز) را هیدرولیز کرده و مولکول های بتا-گلوکز و بتا-گالاکتوز تولید می کند. مطالعه ی حاضر نشان می دهد که اولین مرحله از مکانیسم واکنش شامل حمله ی نوکلئوفیلی Glu307 به Cα لاکتوز طی یک مکانیسم SN2 و پروتونه شدن اکسیژن گلیکوزیدی توسط Glu150 (به عنوان کاتالیست اسید/باز) است. که در نتیجه ی آن مولکول گلوکز و حدواسط آنزیم-گالاکتوزیل تشکیل می شود. در نهایت این حدواسط توسط یک مولکول آب هیدرولیز شده و مولکول گالاکتوز تشکیل و آزاد می شود. نتایج نشان می دهند که آنزیم بتا-گالاکتوزیداز باکتری باسیلوس سیرکولانس هیدرولیز پیوند گلیکوزیدی را با حفظ پیکربندی مرکز آنومری انجام می دهد. به علاوه، انرژی فعال سازی مرحله ی دوم بیشتر از مرحله ی اول است و این مرحله تعیین کننده ی سرعت کلی واکنش می باشد (kcal/mol9/22). نتایج به دست آمده با نتایج تجربی پیشین همخوانی دارند.

در این پروژه از نظریه ی تابعی چگالی برای مطالعه ی اثر ایزوتوپی سینتیکی روی مکانیسم واکنش کاتالیستی آنزیم گلی اکسالازI مربوط به باکتری اشریشیاکلی استفاده شده است. برای مدل سازی جایگاه فعال آنزیم، روش کلاستر به کار گرفته شد. دو مدل از جایگاه فعال آنزیم به همراه سوبسترا، بر اساس ساختار کریستالی آنزیم ساخته شده است. این دو مدل از نظر اندازه و نحوه ی ثابت کردن اتم ها با هم متفاوت هستند. برای مطالعه اثر ایزوتوپی سینتیکی برای هر مدل، سه حالت متفاوت از اتم های هیدروژن درگیر واکنش (H1 و H2) در نظر گرفته شده است. در حالت اول، اتم H1، در حالت دوم، اتم H2 و در حالت سوم هر دو اتم H1 , H2 با دوتریم جایگزین شده اند. این سه حالت با حالت بدون دوتریم، در مراحل مختلف مکانیسم واکنش مورد بررسی قرار گرفته اند. انرژی نقطه صفر مولکول ها محاسبه شده اند. ساختار نقاط ایستا در طول مسیر واکنش بهینه شد و نیم رخ انرژی پتانسیل واکنش به دست آمد. اثر حلال روی نیم رخ انرژی واکنش با مدل CPCM محاسبه گردید. مطالعه ی حاضر نشان می دهد که هنگامی که اتم H1 به وسیله دوتریم جایگزین می شود، انرژی واکنشگر کاهش می یابد، در حالی که انرژی حالت گذار اول تغییر نمی کند. برای مرحله اول واکنش، مقدار kH/kD بسیار بزرگ تر از 2 به دست می آید که بیانگر اثر ایزوتوپی سینتیکی اولیه برای مرحله ی اول واکنش می باشد. این نتیجه، مکانیسم واکنش کاتالیستی آنزیم گلی اکسالازI را که در آن شکستن پیوند C1-H1 در مرحله ی تعیین کننده ی سرعت سهم دارد، تایید می کند. همچنین مشخص شد با جایگزینی اتم H2 و همچنین هر دو اتم H1 , H2 به وسیله ی دوتریم، در مرحله ی اول واکنش اثر ایزوتوپی سینتیکی مشاهده می شود. در اثر جایگزینی اتم های H1 یا H2 و هردو اتم H1 , H2 با دوتریم، علاوه بر انرژی حدواسط اول، انرژی حالت گذار دوم هم کاهش می یابد که بیانگر اثر ایزوتوپی سینتیکی ثانویه برای مرحله ی دوم واکنش است. نتایج نشان دادند که مسیر واکنش به نوع و اندازه ی مدل های مورد بررسی بستگی ندارد ولی نیمرخ انرژی پتانسیل به اندازه و انعطاف پذیری مدل وابسته است.

جذب سطحی و تخریب فتوکاتالیزوری سه ترکیب آلی (کاربندازیم، ایمیداکلوپراید و متیلن بلو) بر روی سطح نانو ذرات اکسید روی بررسی شد. واکنش های تخریب در فتوراکتور پیرکس متصل به یک لامپ کریپتون انجام شده است. اثر غلظت اولیه ترکیبات آلی در تخریب فتوکاتالیزوری تحت شرایط آزمایشگاهی ثابت شامل شدت نور UV، pH، دما و غلظت فتوکاتالیزور بررسی شد. سینتیک حذف از مکانیسم لنگمویر-هینشل وود پیروی می کند. از این رو مقادیر ثابت تعادل جذب و ثابت سرعت جذب بر اساس این مکانیسم محاسبه شدند. نتایج نشان دادند که سابستریت ها بعد از 90 دقیقه به میزان بیش از 90 درصد تخریب می شوند . برای به دست آوردن خصوصیات جذب سطحی، سطوح ZnO به صورت نانو کلاستر Zn12O18H12 برای سطح (0001)، Zn18O21H6 برای سطح (0 10) و Zn24O24 برای سطح (0 2) مدل سازی شدند. در بررسی نظری، محاسبه جذب سطحی بر روی این کلاسترها با روش نظریه تابعی چگالی و سطح محاسباتی B3LYP انجام شد. انرژی های جذب سطحی، تغییرات آنتالپی و انرژی آزاد گیبس برای جذب سطحی ترکیبات آلی در سطوح مختلف محاسبه شدند. سازگاری خوبی بین برخی مقادیر تجربی و نظری محاسبه شده برای انرژی آزاد گیبس جذب مشاهده می شود. نتایج محاسبات نشان دادند که مولکول های آلی ذکر شده به صورت مولکولی یا غیر تفکیکی بر روی سطوح ZnO جذب می شوند.

در این پروژه از نظریه تابعی چگالی برای مطالعه مکانیسم واکنش کاتالیستی آنزیم گلی اکسالازI مربوط به باکتری اشریشیاکلی استفاده شده است. ساختار نقاط ایستا در طول مسیر واکنش بهینه شده و نیم رخ انرژی پتانسیل واکنش به دست آمده است. اثر حلال روی نیم رخ انرژی واکنش با مدل CPCMمحاسبه گردید. برای مطالعات اثرات الکترونی، بار اتم ها در حین واکنش توسط آنالیز NBO محاسبه شد. برای مدل سازی جایگاه فعال آنزیم، از روش کلاستر استفاده شده است. سه مدل از جایگاه فعال آنزیم بر اساس ساختار کریستالی آن با استفاده از روش کلاستر ساخته شد. این مدل ها از نظر اندازه و نحوه ثابت کردن اتم ها از یکدیگر متفاوت هستند. مطالعه حاضر نشان می دهد که آمینواسید Glu56 با جدا کردن یک پروتون از سابستریت، واکنش کاتالیستی را آغاز می کند. سپس همان پروتون از Glu56 به حدواسط ان دی اولات انتقال می یابد که در این مرحله همزمان یک انتقال پروتون از اکسیژن الکلی سوبسترا به Glu122 نیز اتفاق می افتد. در نهایت برای تشکیل محصول انتقال پروتون از Glu122 به سابستریت بررسی شد که نتایج به دست آمده عدم انتقال را نشان دادند. لذا پیشنهاد شد که کمبود پروتون برای ایجاد محصول از محیط تامین می شود. محاسبات نشان دادند که مسیر واکنش وابسته به نوع و اندازه مدل های مورد بررسی نیست، هر چند که نیم رخ انرژی پتانسیل وابسته به اندازه و انعطاف پذیری مدل است.

انانتیومرگزینی آنزیم کاندیدا آنتراکتیکا لیپاز B برای واکنش استری شدن 1-فنیل اتانول و S-اتیل اکتانوات با استفاده از روش نظری تابعی چگالی الکترون مورد مطالعه قرار گرفت. این آنزیم واکنش انانتیومر R الکل با تیو استر را کاتالیز می کند و در واکنش انانتیومر S الکل تقریباً غیر فعّال است. روش کلاستر مکانیک کوانتومی برای مدل سازی واکنش مطالعه شده، استفاده شد. نتایج محاسبات نشان می دهد که آمینواسیدهای سه گانه کاتالیستی، توان جذب پروتون الکلی 1-فنیل اتانول را قبل از حمله هسته دوستی الکل به استر ندارند. نتایج نشان می دهند که واکنش انانتیومر R الکل با استر، یک واکنش مستقیم در درون جایگاه فعّال آنزیم می باشد. و این واکنش یک حمله-ی هسته دوستی اکسیژن الکل به کربن کربونیل استر است. همچنین، با حرکت الکل به سمت تیو استر، آمینواسیدهای سه گانه کاتالیستی به تدریج قدرت هسته دوستی اکسیژن الکلی 1-فنیل اتانول را افزایش می دهند. با این وجود، هیچ مسیری برای واکنش انانتیومر S به دست نیامد. دلیل این امر اختلاف الگوی پیوند های هیدروژنی انانتیومرهای الکل با آمینواسید سرین سه گانه کاتالیستی جایگاه فعّال است. فاصله ی پروتون الکلی در انانتیومر S از آمینواسیدهای سه گانه کاتالیستی خیلی زیاد است و هیچ پیوند هیدروژنی بین هیدروژن الکلی و آمینواسید Ser-105 وجود ندارد.

در این پژوهش حذف ترکیبات رنگی کاتیونی و آنیونی 4-آمینوآزو بنزن، متیل اورانژ و رودامین- ب کهاز جمله آلودگی های محلول در آب به شمار می آیند از طریق "تخریب فوتوکاتالیزی" با استفاده از نانوکامپوزیتTiO₂/CdSو نانوذرهTiO₂در حلال آب تحت پرتودهی ماوراء بنفش انجام شد. علاوه بر این ثابت های سرعت و تناوب چرخه (TOF)واکنش های تخریب فوتوکاتالیزیمورد مطالعه قرار گرفت. نانوذرهTiO₂از هیدرولیزTiCl₄تحت تاثیر سولفوریک اسید و نانوکامپوزیتTiO₂/CdS از نشاندنCdSروی سطح نانوذرهTiO₂از روش ترسیب شیمیایی تک منبعی تهیه شدند.اندازه نانوذرات TiO₂9-6 نانومتر و نانوکامپوزیتTiO₂/CdS30-26 نانومتر اندازه گیری شد.واکنش های تخریب فوتوکاتالیزی در محلول آبی نانوذرات (125/0، 09/0 و 16/0 گرم بر لیتر) درpH های 5، 7 و 9 تحت پرتودهی ماوراء بنفشانجام شد. شرایط بهینه آزمایش در 7 =pH در مدت زمان 60 دقیقه پرتودهی برای متیل اورانژ در حضورنانوذرات تیتانیم دی اکسید با بازده تخریب 73 درصد بدست آمد در حالی که در شرایط یکسان در حضور نانوکامپوزیت تیتانیم دی اکسید/کادمیم سولفید بازده تخریب 81 درصد بدست آمد. شرایط تخریب محلول 4-آمینو آزو بنزن در 5pH=در مدت زمان واکنش 40 دقیقه در حضور نانو ذرات تیتانیم دی اکسید با بازده تخریب 78 درصد بدست آمد در حالی که در حضور نانوکامپوزیت بازده تخریب 90 درصد بدست آمد. واکنش کاتالیزی یکسان برای رودامین-ب در pHبهینه با بازده تخریب 91 و 97 درصد به ترتیب در حضور نانوذرات تیتانیم دی اکسید و نانوکامپوزیت تیتانیم دی اکسید/کادمیم سولفید انجام شد. نتایج نشانگر کارایی بالاتر نانوکامپوزیت تیتانیم دی اکسید/کادمیم سولفید در تخریب فوتوکاتالیزی نسبت به نانوذرات تیتانیم دی اکسید است. ترکیب رنگی 4-آمینو آزو بنزن در حضور نانوکامپوزیت تیتانیم دی اکسید/کادمیم سولفید مقدار min-14-10 × 18 TOF دارد که در حضور نانوذرات تیتانیم دی اکسید خالص مقدارmin-14-10 × 5/3 بدست آمد.

در این پروژه از نظریه تابعیت دانسیته برای مطالعه مکانیسم واکنش کاتالیستی آنزیم گلی اکسالاز Iانسانی استفاده شد.ساختار نقاط ایستا در طول مسیر واکنش بهینه شد و نیم رخ انرژی پتانسیل واکنش به دست آمد. اثر حلال روی نیم رخ انرژی واکنش با مدل CPCMمحاسبه شد. برای مطالعه اثرات الکترونی، بار اتم ها در حین واکنش توسط آنالیز NBOمحاسبه شد. برای مدل سازی جایگاه فعال آنزیم، روش کلاستر به کار گرفته شد. گلی اکسالاز I، همی تیو استال را که از واکنش متیل گلی اکسال و گلوتاثیون حاصل می شود به S-D-لاکتویل گلوتاثیون تبدیل می کند. این آنزیم بر هر دو انانتیومر R و Sسوبسترا عمل می کند و آن ها را فقط به انانتیومر D-S-لاکتویل گلوتاثیون تبدیل می کند. برای انجام محاسبات از ساختار کریستالی آنزیم گلی اکسالاز I در کمپلکس با بازدارنده S-(N-هیدروکسی-N-(پارا یدوفنیل)کاربامویل) گلوتاثیون استفاده شد که این بازدارنده با دو گروه هیدروکسی کاربامویل خود به اتم Zn جایگاه فعال متصل می باشد. مطالعه حاضر نشان می دهد که آمینو اسیدهایGlu172 و Glu99 به ترتیب با جدا کردن پروتون از اتم C1 انانتیومر S و Rسوبسترا واکنش کاتالیستی را آغاز می کنند. در ادامه برای تشکیل محصول S-D-لاکتویل گلوتاثیون برای هر دو انانتیومر سوبسترا فقط Glu172پروتون را به یکی از سطح های مولکول سوبسترا اضافه می کند و هر دو گونه R و S از مولکول سوبسترا منجر به تشکیل محصولS-D می شود. نتیجه به دست آمده با نتایج تجربی همخوانی دارد. همچنین مشخص شد که محل ثابت نگه داشتن برخی از اتم های جایگاه فعال در مکانیسم واکنش تاثیر می گذارد. با توجه به تشکیل محصول S-Dو همچنین سد انرژی فعالسازی مشخص شد که ساختارهای با انعطاف پذیری کم تر، مکانیسم واکنش و تشکیل فقط یک ساختار فضایی از محصول را به درستی پیش بینی می کند.

در این مطالعه اثر جفت کردن کادمیم سولفید بر خواص کاتالیزی تیتانیوم دی اکسید در فرایند تخریب نوری محلول متیلن بلو تحت تابش نور مرئی-فرابنفش مورد بررسی قرار گرفته است. در این تحقیق نانوذرات تیتانیوم دی اکسید (آناتاز) به روش سل-ژل و نانوکامپوزیت تیتانیوم دی اکسید/کادمیم سولفید به روش ترسیب شیمیایی تک منبعی تولید شده اند. ویژگی نانومواد سنتز شده با استفاده از تکنیک های XRD، SEM، UV-Vis و FT-IR به دست آمده است. نتایج نشان می-دهد که جفت کردن تیتانیوم دی اکسید با کادمیم سولفید منجر به جابه جایی قرمز شده است. متوسط اندازه ذرات تیتانیوم دی اکسید و تیتانیوم دی اکسید/کادمیم سولفید به ترتیب nm 21-26 و nm 20-26 می باشد. خواص فوتوکاتالیزی 5/0 گرم/لیتر از نانومواد تیتانیوم دی اکسید و تیتانیوم دی اکسید/کادمیم سولفید در رنگبری محلول ppm 20 متیلن بلو مورد بررسی قرار گرفت. در حضور تیتانیوم دی اکسید در مدت زمان 75 دقیقه مقدار 93% از متیلن بلو و در حضور تیتانیوم دی اکسید/کادمیم سولفید در مدت زمان 50 دقیقه 94% از متیلن بلو تخریب شد. اثر غلظت فوتوکاتالیزگر و pHنیز در رنگبری متیلن بلو مورد آزمایش قرار گرفت.