嘌呤碱基激发态的含时密度泛函理论研究

【摘要】核酸碱基广泛存在于生物体系中，是生物体重要的基本构成部分。核酸碱基在电子激发态时寿命很短暂，期间会经历多变的光诱导反应类型，并可能导致突变或致癌的后果。在吸收紫外光后，DNA和RNA能够通过快速的非辐射衰减过程回到电子基态是DNA和RNA有效失活的显著特征。为了深入了解DNA和RNA的耐光性和老化机理，对核酸碱基光化学和光物理性质的研究成为目前科研工作必不可少的部分。本论文采用密度泛函理论、含时密度泛函理论等相关的理论对核酸碱基的光化学和光物理性质进行了系统的理论研究，并得到相应的研究结果，如下：1.我们采用密度泛函理论和含时密度泛函理论，对已获取气相条件下实验0-0跃迁能的四个嘌呤碱基分子进行了相应的绝热能模拟。我们采用了八种泛函（BLYP、PBEPBE、B3LYP、PBE1PBE、M06、M062X、CAM-B3LYP和wB97XD）和十五种基组对腺嘌呤（9H-adenine）、黄嘌呤（7H-xanthine）和鸟嘌呤（9H-guanine、7H-guanine）四种结构进行几何优化和频率计算，并对相应的0-0跃迁能进行理论预测。研究表明：（1）基组的选择对嘌呤碱基的垂直跃迁能的影响是相当有限的，基组中同时含有弥散和极化函数对跃迁能的计算的是十分必要的，我们选用的6-311++G**基组可以产生比较可靠的计算结果。（2）针对嘌呤碱基0-0跃迁能的模拟计算，PBE1PBE泛函提供最小的平均绝对误差，但对激发态的优化存在定性错误，而含有长程校正的CAM-B3LYP和wB97XD泛函不仅可以避免激发态优化时的定性错误，而且提供的平均绝对误差与其他泛函相比也比较小。B3LYP泛函得到的平均绝对误差相对居中，但该泛函可提供较小的标准偏差，即其对不同结构的预测值本身的离散程度较小。2.我们对黄嘌呤单体和水合物基态和激发态质子转移现象进行了理论研究。我们在B3LYP/6-311++G**和TD-B3LYP/6-311++G**水平上对黄嘌呤的四种异构体及其水合物的基态、激发态进行了计算研究，详细讨论了黄嘌呤的酮式及烯醇式异构体间分子内质子转移过程相应的反应路径。通过对过渡态及反应路径的计算，对基态和激发态质子转移过程的反应势垒进行比较。计算中采用极化连续介质模型讨论溶剂化效应对质子转移过程的影响。研究结果显示：（1）比较我们所采用的TD-B3LYP方法的计算结果，所得到的激发能与实验值相近，并与CASPT2方法的计算结果相一致。（2）基态时，气相条件下的质子转移反应具有相当高的能垒；水溶液条件下，使用PCM模型的计算结果表明溶剂化效应也没有明显降低黄嘌呤质子转移的能垒；当直接考虑水分子参加反应时，形成黄嘌呤水合物后质子转移能垒降低。（3）激发态时，气相和水溶液条件下，黄嘌呤及其水合物质子转移的能垒与其基态时的对应值相比均显著降低，即黄嘌呤最低单重ππ*激发态能明显促进黄嘌呤质子转移的进行。但是，气相条件下的质子转移能垒与使用PCM模型考虑溶剂化效应的结果相比，溶剂化效应在激发态时也没有明显降低黄嘌呤的质子转移能垒。
【作者】孙丽娟；
【导师】王炳强；
【作者基本信息】山西师范大学，化学，2014，硕士
【关键词】含时密度泛函理论；泛函基准；0-0跃迁能；激发态质子转移；嘌呤碱基；黄嘌呤；

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