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分子识别和分子自组装是当今化学工作者最为关注的重要课题之一，对其进行研究可以为深入阐明许多重要的生命现象及作用机制奠定基础，并对深刻揭示材料的构筑及药物的功效提供线索。多肽纳米管是分子自组装的典型代表，由D，L-α-型环状多肽自组装而成的多肽纳米管以其特殊的中空柱状超分子结构、独特的溶解性、管径大小和管壁性质的可调控性，在电子、传感器件、催化、药物输送、离子通道等方面具有广泛而潜在的应用价值。能够特定识别DNA序列的顺铂类药物分子也引起了人们的广泛关注，其中，具有不同立体结构的草酸铂极其衍生物与顺铂类似，能够通过选择性地与DNA中特定的碱基G(鸟嘌呤)配位形成链内或链间交联，从而引起DNA整体构型的变化，抑制DNA的复制和转录，最终诱发癌细胞的坏死或凋亡。
本论文中，主要以D,L-α型环状多肽体系作为理论研究的对象，以期全面系统地探讨这类体系的自组装过程。作为探索性工作，对手性铂类药物[Pt-DACH)]2+与DNA的相互作用机制也进行了初步研究。主要结论如下：1.使用密度泛函方法B3LYP/6-31g**、PBE1PBE/6-31g**和半经验分子轨道AM1方法细致地研究了cyclo[(-L-Phe-D-Ala-)4]的结构特征和自组装行为。首先，对单体和二聚体结构的研究表明，AM1方法给出了与密度泛函方法非常类似的构型和能量变化趋势；其次，对D,L-α多肽环分别以平行、反平行和平行-反平行混合模式自组装得到的管状聚集体系进行AM1的研究发现，多肽环主链的结构和能量特征决定了它们不论以何种方式聚集，主链间氢键的相互作用均不会产生超加和性的协同效应，由此提出了类似体系中氢键产生协同效应的电荷传递机制。再次，影响cyclo[(-L-Phe-D-Ala-)4]聚集的主要因素是侧链之间的弱相互作用，因此主链间氢键的非协同性和侧链的排斥作用是实验中难以得到由这种环状多肽组装而成的纳米管的主要原因。第四，探讨了cyclo[(-L-Phe-D-Ala-)4]以反平行聚集方式形成纳米管的成因，由此提出了“二聚体单元”的自组装模式。
2.使用B3LYP/6-31G和半经验分子轨道AM1方法对四种环状多肽cyclo[(-L-Gln-Ala-)4]、cyclo[(-L-Asn-Ala-)4]、cyclo[(-L-Glu-Ala-)4]和cyclo[(-L-Asp-Ala-)4]的自组装行为进行了研究。这四种环状多肽不论以平行(D-L)或是反平行(L-L和D-D)方式聚集，其侧链之间都能形成氢键，侧链间氢键的相互作用使得聚集体的平均稳定化能随聚集体中环状多肽数量的增加而增加，表现出协同效应。侧链间氢键的协同效应不仅是这类多肽纳米管得以聚集生长和稳定存在的主要原因，而且对环状多肽在自组装过程中聚集模式的选取也起到了决定作用。计算表明，cyclo[(-L-Asn-Ala-)4]和cyclo[(-L-Asp-Ala-)4主要以反平行聚集模式进行自组装，而cyclo[[(-L-Gln-Ala-)4和cyclo[(-L-Glu-Ala-)4两种聚集模式存在竞争，究竟哪种模式更为有利应该由相互作用能以外的其它因素决定。这一论点部分支持了实验和理论研究的观点，也有待实验工作者的进一步验证。
3.使用半经验分子轨道AM1方法对包括上述聚集体系在内的19种环状多肽cyclo[(-L-R-Ala-)4](R为天然的α-氨基酸)分别以平行和反平行自组装而成的纳米管进行了研究。计算结果进一步证实了D，L-α型多肽纳米管的稳定性主要取决于氨基酸残基侧链的性质。通过比较不同氨基酸组成的多肽纳米管的相互作用能可以得到如下规律：对含同种氨基酸残基的平行和反平行多肽纳米管来说，两种聚集方式的稳定性差异不仅与侧链之间的弱相互作用有关，还与自组装过程中多肽环的变形程度有关，两者共同作用的结果决定了多肽环自组装模式的选择。当多肽环侧链上带有极性基团，并且极性基团之间能够形成氢键或者极性基团靠近主链时，容易得到稳定的纳米管；反之，多肽环侧链上带有非极性基团或体积较大的芳香环时，难以得到稳定的纳米管。通过比较平行和反平行多肽纳米管的总能可以发现，十种氨基酸残基Phe，Tyr,Asp，Trp，Ser,Thr，Asn,Ile，Arg和Cys形成的多肽环主要以反平行方式聚集，另外五种氨基酸残基Met，His，Val，Leu和Lys形成的多肽纳米环则主要以平行方式聚集，其余四种氨基酸残基Ala,Gly,Glu和Gln的多肽环以两种聚集方式得到的纳米管稳定性差异不大，均有可能出现。
4.通过分子力学、分子动力学以及量子力学的方法对手性铂类药物[Pt(DACH)]2+与DNA片段d(CCTCTG*G*TCTCC)·d(GGAGACCAGAGG)的加合物进行了研究。分子力学和分子动力学模拟结果表明不同手性的[Pt(DACH)]2+配体对3G*方向的DNA的识别作用比5G*方向更为显著，表现在[Pt(DACH)]2+中顺3G*方向的NH2基团与3G*方向的碱基之间识别形成氢键，其中，RR、RS和SS构型的[Pt(DACH)]2+主要与碱基G7*上的O6之间识别形成氢键，而SR构型的[Pt(DACH)]2+则主要与碱基T8上的O4之间识别形成氢键。使用DFT方法计算药物-DNA主要结合域的总能和结合能可以看到，四种手性加合物的总能和结合能均表现出RR＞RS＞SS＞SR的稳定性顺序，与实验得到的药效强弱顺序基本一致，表明不同手性[Pt(DACH)]2+的活性大小与[Pt(DACH)]2+和DNA结合后稳定性的强弱有关。另外，对[Pt-(DACH)G*pG*Na]2+部分的研究表明，不同手性[Pt-(DACH)]2+与dG*pG*结合后的结构差异不大，DACH上的两个NH2基团分别与3G*和5G*上的N7之间都形成了氢键，且与3G*形成的氢键强度略强于5G*，四种异构体的稳定性差异与[Pt-(DACH)]2+-DNA双链复合物相比大大减小，这表明DNA对[Pt(DACH)]2+的手性选择性主要来自于DNA双螺旋结构中与碱基G*相邻的其它碱基或糖环骨架与不同立体结构的药物之间的弱相互作用对整个DNA构型所产生的影响。