（物理化学专业论文）水辅助胞嘧啶分子内质子转移的理论研究.pdf

学位论文作者签名： 学位论文版权的使用授权书 除特 ，其 表示 本学位论文作者完全了解辽宁师范大学有关保留、使用学位论文的规定，及学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交复印件或磁盘，允许论文被查阅和借阅。本文授权 辽宁师范大学，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库并进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后使用本授权书。 学位论文作者签名：翘! 垒五红 指导教师签名：名丝左 签名日期：f f 年f 月和日 辽宁师范大学硕士学位论文 摘要 使用从头算m p 2 方法和密度泛函d f t 方法，本文研究和探讨了胞嘧啶异构体及水 合异构体以及它们之间所发生的质子转移机理。优化了基态胞嘧啶异构体及其水合异构 体，并对优化的几何结构执行了频率分析。在异构体和过渡态之间进行了详尽的内禀反 应坐标计算。给出了胞嘧啶异构体以及水合异构体的稳定性顺序。在孤立和水合条件下， 键c 2 0 7 以及键c 4 0 8 的键型明显地影响了胞嘧啶异构体的稳定性。探究了水分子辅 助胞嘧啶分子内质子转移的机理和影响。第一个水分子明显降低了异构化能垒，而第二 个、以及第三个水分子加入质子传输环内，这些水分子进一步较小地影响异构化能垒。 同时研究和探讨了溶剂化效应对胞嘧啶异构化能垒的影响，对孤立胞嘧啶影响最大，对 一水合胞嘧啶异构体、尤其是对二水合、和三水合的胞嘧啶的异构化能垒的影响，就微 不足道了。水合胞嘧啶异构体复合物中的水可以看做是显性水，那么显性水模型的结果 要比隐性水模型p c m 更可靠。 关键词：异构体；胞嘧啶；质子转移；水影响；溶剂化效应 辽宁师范大学硕士学位论文 t h e o r e t i c a ls t u d yo ft h ei n t r a m o l e c u l a rp r o t o nt r a n s f e ri nt h e t a u t o m e r so fc y t o s i n ea s s i s t e db yw a t e r a b s t r a c t a bi n i t i om p 2a n dd f ts t u d i e so nt h et a u t o m e r so fc y t o s i n ea n dt h er e l a t e dh y d r a t e d m u t o m e r sh a v eb e e nc a r r i e do u t t h eg r o u n d - s t a t es t r u c t u r e so ff o u rt a u t o m e r so fc y t o s i n ea n d r e l a t e dt r a n s i t i o ns t a t e sw e r ef u l l y o p t i m i z e d t h ev i b r a t i o n a lf r e q u e n c ya n a l y s i s w a s p e r f o r m e do na l lt h eo p t i m i z e ds t r u c t u r e s d e t a i l e d i n t r i n s i cr e a c t i o nc o o r d i n a t e ( i r c ) c a l c u l a t i o n sw e r ec a r r i e do u tt og u a r a n t e et h eo p t i m i z e dt r a n s i t i o n s t a t es t r u c t u r e sb e i n g c o n n e c t e dt ot h er e l a t e dt a u t o m e m w eo b t a i n e dt h er e l a t i v es t a b i l i t yo r d e rf o rt h et a u t o m e r s o fc y t o s i n ea n dt h er e l a t e dh y d r a t e dm u m m e r s i nt h ei s o l a t e da n dh y d r a t e dc o n d i t i o n , t h e b o n dt y p e so fc 2 - 0 7a n dc 4 - n 8g r e a t l ya f f e c tt h es t a b i l i t yo ft h ec y t o s i n et a u t o m e r s m o r e o v e r , w eh a v ee x p l o r e dt h ei n f l u e n c eo ft h ew a t e rm o l e c u l e so nt h ei n t r a m o l e c u l a r p r o t o nw a n s f e rb e t w e e nt h ek e t oa n de n o lf o r m so ft h ec y t o s i n et a u t o m e r s t h ef i r s tw a t e r m o l e c u l eo b v i o u s l yd e c r e a s e st h ei s o m e r i z a t i o na c t i v a t i o ne n e r g yf o rt h em o n o h y d r a t e d c y t o s i n et a u t o m e r s i ti ss h o w nt h a tt h ei s o m e r i z a t i o ne n e r g yb a r r i e rc h a n g e so n l yal i t t l e w h e nt h es e c o n da n dt h i r dw a t e rm o l e c u l e sa r ea d d e di nt h er e a c t i o nl o o p t h es o l v e n te f f e c t s h a v ea no b v i o u si n f l u e n c eo nt h ep r o t o n - t r a n s f e rb a r r i e ro ft h ei s o l a t e dc y t o s i n e b u t , t h e s o l v e n te f f e c t ss e e mt ob ei n s i g n i f i c a n tf o rt h ei s o m e r i z a t i o ne n e r g yb a r r i e r so ft h e m o n o h y d r a t e d ，d i h y d r a t e da n dt r i h y d r a t e dc y t o s i n e t h ew a t e rm o l e c u l ei nt h e s ec o m p l e x e s c a nb el o o k e do na st h ee x p l i c i tw a t e r t h e r e f o r e ，t h ee x p l i c i tw a t e rm o d e im a yb cm o r e c r e d i b l et oe x p l o r et h ei n t r a m o l e c u l a rp r o t o nt r a n s f e r , i nc o m p a r i s o nw i t ht h ep c mw h i c hi s t h ei m p l i c i tw a t e rm o d e l k 呵w o r d s ：t a u t o m e r ；c y t o s i n e ；p r o t o nt r a n s f e r ；w a t e ri n f l u e n c e ；s o l v e n te f f e c t s i i i 辽宁师范大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t ：i i i l 绪论1 1 1 概述1 1 2 本课题的研究背景及现状1 1 3 本论文开展的研究工作2 2 理论方法3 2 1 从头计算理论3 2 2 密度泛函理论3 3 水辅助胞嘧啶异构化质子转移理论研究4 3 1 计算方法4 3 2 结果与讨论4 3 2 1 单分子胞嘧啶质子转移异构化过程4 3 2 2 一水分子辅助质子转移异构化过程1 1 3 2 3 二水分子和三水分子辅助质子转移异构化过程1 9 3 2 4 不同数目水分子辅助质子转移的比较2 8 结论3 l 参考文献3 2 攻读硕士学位期间发表学术论文情况3 6 致谢3 7 一v 一 辽宁师范大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 概述 量子化学是用量子力学原理从微观的角度研究原子、分子和晶体的电子层结构和、 组成分子的电子和原子核的运动状态、化学键理论、分子间作用力、化学反应理论、各 种光谱、波谱和电子能谱的理论，以及无机和有机化合物、生物大分子和各种功能材料 的结构和性能关系的科学。 从头算计算法是量子力学中最普遍的一种计算法。自二十世纪六十年代以来，从头 计算法不仅仅只应用于量子化学理论领域，其他科学领域的研究学者们也开始把从头计 算法作为一种新手段以寻求他们所需的信息。 目前，在化学、生物化学以及分子物理的各个分支学科的研究领域中，量子化学正 被广泛地应用，不仅用于解释观察的实验结果，补充实验条件达不到因而不能观察的一 些实验结果，而且还用于预见分子的结构、过渡态以及反应途径；预见分子的电学、磁 学和光学性质：应用于从x 射线到n 敞等光谱中，以及大分子、晶体和溶液中分子间的 相互作用。 量子化学己发展成为广大化学家、老师以及学生都能使用的工具，在科学、教学等 领域有着广泛的应用，量子化学将化学带入了一个新时代实验与理论能携手共同揭 示分子体系的性质。量子化学理论的进展和计算机技术的飞速发展，对化学科学的发展 产生了冲击性的影响，更对其它自然科学的的发展起到了很大的助推作用。 1 2 本课题的研究背景及现状 人们已经用广泛的理论方法对d n a 碱基进行了深入的研究，许多实验方法对其结构、 光谱以及激发态等做了很好的研究n 删。在不同的条件下d n a 碱基有很多稳定的异构体 眦盯，这也导致了不同规则的碱基对的形成n 纠，这和d n a 双螺旋结构是相互矛盾的。在 核酸的结构中，胞嘧啶是比较重要的嘧啶碱基，在实验上已经得到了三种稳定构型n h 。 目前，报道了大量的关于胞嘧啶的几何结构及其性质的理论研究。然而只有氨基酮式结 构的胞嘧啶有重要的生物功能n 7 。2 1 3 。在一些条件下这个构型可以异构化为其他的结构。 然而不同于氨基酮式结构的胞嘧啶异构体会导致d n a 碱基生物功能的破坏。例如亚氨基 酮式结构的胞嘧啶形成的不同氢键会导致d n a 的基因突变矧。 质子转移异构化在分子生物学和医学领域普遍存在，并且有关质子转移异构化的研 究有很大的现实意义。质子转移( p r o t o nt r a n s f e r ，p t ) 是最基本的化学过程之一，质 子转移( p r o t o nt r a n s f e r ，p t ) 是一些化学，物理和生物化学过程发生的基础嗍，也是 水辅助胞嘧啶分子内质子转移的理论研究 理论化学研究的热点侧。具有分子内质子转移功能的化合物可应用于稳定聚合物啪1 、 激光染色m 1 、酶催化脚一、生物分子探针及抗癌汹1 等领域。很多研究都把重点放在了 不同条件下不同分子之间的质子传输过程。水，作为一个优秀的配合基团，存在于在很 多生物，生理，化学体系中，当然也是有机生命体不可或缺的一部分。因此，水对胞嘧 啶及其衍生物在生物体内的反应过程有着及其重要的作用。我们的研究重点就放在胞嘧 啶和水分的耦合作用上。在异构化反应过程中水起到很大的作用，通过氢键的相互作用， 水分子极大的影响了d n a 碱基结构的稳定性弱啦】，与此同时，水分子很大程度上降低了质 子转移能垒，这增大了稀少的异构体可以大量的存在的可能性删。我们的研究兴趣主 要是水对d n a 碱基机构分子内质子转移的影响。 1 3 本论文开展的研究工作 通过对前面的了解，尽管有关质子转移的研究报道有很多，但是还有很多未知的领 域需要人们去探索和发现，例如水对质子转移过程的作用研究报道就相对比较少。并且 我们知道了胞嘧啶的水合作用以及有关的质子转移已经受到了普遍关注，本文的工作从 胞嘧啶异构体以及水合胞嘧啶异构体的复合物出发，考察胞嘧啶异构体质子转移异构化 过程的特征，也重点考察单分子以及一水合，二水合，三水合复合物的异构化过程，主 要分析了水分子对胞嘧啶稳定性、振动频率及其质子转移过程的影响，并且对不同反应 途径之间进行了比较。 辽宁师范大学硕士学位论文 2 理论方法 2 1 从头计算理论 理论化学应用的从头计算方法，其发展经历了几个阶段，其核心还是近似求解 s c h r s d i n g e r 方程： b 荨毒v ；一三军v ；4 - 薹等+ 跨荟廿一 q m 从头算采用了三个基本近似即：认为电子质量等于它的静止质量的非相对论近 似。把原子核运动和电子运动分离的b o r n - o p p e n h e i m e r 近似。把n 个电子体系的 总波函数写成n 个单电子波函数的乘积的单电子近似。 1 9 2 8 年，d n h a r t r e e ，提出了h a r t r e e 方程和自洽场( s c f ) 方法，1 9 3 0 年，f o c k 考虑到多f e r m i 子体系波函数的交换反对称性，将波函数表示为s l a t e r 行列式的形式， 把h a r t r e e 方程改进为h a r t r e e - f o c k 方程。1 9 5 1 年，r o o t h a a n 得到了h a r t r e e f o c k - r o o t h a a n 方程，为了减少疆的计算误差。后来发展了两种常用的修正方法，一种是 组态相互作用( c o n f i g u r a t i o ni n t e r a c t i o n ) 阳坤1 ，一种是微扰理论( m o l l e r - p l e s s e t p e r t u r b a t i o nt h e o r y ) a - 4 7 3 2 2 密度泛函理论 密度泛函理论( d f l l ) 的提出要追溯到上世纪6 0 年代，是原子和分子电子基态的理论， 是研究多电子体系电子结构的量子力学方法。 基于密度泛函理论，对于一个分子，其电子基态的能量可以通过求解密度泛函e 纠 的极小而得到，其中，加) 代表体系的单电子密度。借助于单电子密度衍) ，体系的总 能量泛函可以写为： 五防】= 互】+ ，p 】+ p 仿扫伊矽+ 纠+ 乌争 ( 2 2 ) 密度泛函理论的理论奠基石是1 9 6 4 年由h o h e n b c r g p 和k o l l n w 提出的两个著名定 理【4 8 ，4 9 】。近些年来，随着密度泛函理论研究的发展【5 嗍，其在概念和理论表述上更加趋 于精确和严谨，并且已经应用到一些具体的领域，越来越受到人们的重视嗍。 水辅助胞嘧啶分子内质子转移的理论研究 3 水辅助胞嘧啶异构化质子转移理论研究 3 1 计算方法 图3 1 给出了单分子胞嘧啶的四种异构体，分别命名为c y l ( 氨基一酮式结构) 、c y 2 ( 亚氨基一酮式结构) 、c y 3 ( 氨基一烯醇式结构) 、c y 4 ( 亚氨基_ 烯醇式结构，h 在3 号n 原子上) 。 j m i n o , , k e t o ( c y 3 ) 枷i n o - k m o ( c y l ) i m i n o - e n o j ( c y 4 ) 图3 1 四种胞嘧啶异构体，c y l 中心原子编号按照嘧啶习惯规定 f i g 3 1t h ef o u rc y t o s i n et a u t o m e x s t h en u m b e r i n go f t h ee ：i m t e r ( c y l ) a g r e e sw t ht h e e , o n v c m f i o n sf o rp y r i m i d i n e 我们应用g a u s s i a n0 3 程序包，并采用了腰6 3 l l + g ( d ，p ) 、肝2 6 - 3 l l + g ( d ，p ) 、 d f t ( b 3 l y p ) 6 3 1 l + g ( d ，p ) 几种方法对单体胞嘧啶c y l 的几何构型进行了全优化。鉴 于b 3 l y p 6 _ 3 1 1 + g ( d ，p ) 方法优化的胞嘧啶单体构型与实验值最接近，以后的研究我们 均采用b 3 l 1 p 6 3 1 1 + g ( d ，p ) 方法对研究体系进行优化。由于许多文献都说明 肝2 6 - 3 1 1 + g ( d ，p ) 方法下计算得到的能量与实验值很接近，本文也应用 聍2 6 3 l l + g ( d ，p ) 方法进行能量的计算。 3 2 结果与讨论 3 2 1 单分子胞嘧啶质子转移异构化过程 ( 1 ) 几何结构 一4 一 - ， j 。a 3 | j j 鼍 姊 j聂厶聂 一 堑室堑蔓奎堂堡圭堂垡鲨壅 一 _ 一_ _ _ - 一 c y 3 c y 4 t 4 图3 2 胞嘧啶异构体及其相互转化的过渡态 f i g 3 2t h eo p t i m i z e dg e o m e t r i e so f t h e t a u t o m e r so f t h ec y t o s i n ea n dt h er e l a t e d u a n s i t i o ns t a t e s 图3 2 给出了单分子胞嘧啶异构体及其异构化过程中的过渡态单分子胞嘧啶异构 体c y l 、c y 2 、c y 3 和c y 4 以及过渡态t 1 、t 2 、t 3 和t 4 中的二面角x x 0 7 c 2 n 3 水辅助胞嘧啶分子内质子转移的理论研究 ( x - n 1 ，n 8 ，c 4 ，c 5 ，c 6 ，h 8 ，h 9 ，h 1 0 ，h l l ，h 1 2 和h 1 3 ) ，都近似等于0 0 0 或者1 8 0 0 。，若考 虑优化误差，我们可以认为，在这些分子中所有原子都是共面的。在氨基一酮式结构c y l 中，分子内0 7 与n l 上的h 9 以及n 与n 8 上的h 1 3 的间距分别为2 4 4 0 和2 4 4 3 ，说明 0 7 与h 9 以及n 3 与h 1 3 都形成了分子内氢键，在其他的几个结构c y 2 、c y 3 和c y 4 中也都 存在类似的氢键。 表3 1 胞嘧啶异构体及其过渡态结构的部分几何参数，键长单位是埃。 t a b 3 1s o m es t r u c t u r a lp a r a m e t e r so f t a u t o m e r so f t h ec y t o s i n e , b o n dl 吼g n li n 丸 表3 1 中给出了胞嘧啶异构体及其过渡态的部分几何参数，结合图3 2 我们可以知 道，在异构化过程中，质子迁移通过四圆环状结构的过渡态来实现的，氨基一酮式结构向 氨基一烯醇式结构转化过程中( c y l - - - c y 3 ) ，其中n l 和h 9 的间距变化是( 1 0 1 0 a 一1 2 8 4 a 一2 2 3 1 a ) ，0 7 和h 9 的间距变化是( 2 4 4 0 a 一1 3 6 5 a o 9 6 7 a ) ，原子h 9 的运动确定 反应矢量( n 1 聃0 7 ) ，显然，前者断键，后者成键而且，在此过程中，c 2 0 7 键逐渐由双键变为单键( 1 2 1 6 a 一1 2 8 2 a 1 1 3 4 6 a ) ；n l c 2 逐渐由单键变为双键 ( 1 4 2 8 a 1 3 7 7 a 1 s 3 4 a ) ，表明反应确实向产物方向进行。 图3 3 给出了c y l 到c y 3 之间的异构化反应过程中，部分键长( n i h 9 键，0 7 h 9 键， 0 7 c 2 键) 随i r c 反应坐标的变化趋势，n i h 9 键逐渐变长，0 7 h 9 键逐渐变短，0 7 c 2 键的 键型由双键逐渐变为单键。这也说明了得到的过渡态是正确的。 对于其他异构化反应，同样对反应路径进行了i r c 分析，并且确定了其过渡态的正 确性。 - 6 一 辽宁师范大学硕士学位论文 1 7 1 6 1 5 暑 p1 4 3 翟1 3 o m 1 2 1 1 0z4581 01 z1 4 i n t r i n s i cr e a c t i o nc o o r d i n a t e0 r c ) 图3 3 部分键长( n 1 h 9 键，0 7 h 9 键，0 7 c 2 键) 随i r c 反应坐标的变化趋势，其中键长的单位是埃 f i g 3 3t h ev a r i a t i o n 鼬o f t h eb o n d1 嘶( b o n dn i = h 9 ，b o n d0 7 - i - 1 9 ，b o n d0 7 - c 2 ) i nt h e i s o m e r i z a t i o n1 - ( 强c t i o n 姗l y 3 nc y la n dc y 3 ，b o n dl c l l g i hi si n 久 ( 2 ) 相对稳定性 表3 2 给出了胞嘧啶异构体的相对能量、相对能量校正以及溶剂化效应下的能量校 正。在气相条件下，胞嘧啶的氨基结构异构体比亚氨基结构更稳定，即c y l 和c y 3 要比 c y 2 和c y 4 稳定。其中最稳定的是c y 3 ，其能量比c y 4 低1 4 0 5 k c a l m o l ，c y l 的能量比 c y 2 要低1 1 9k c a l m o l 。可以发现，酮基和烯酵基对胞嘧啶异构体的稳定性有一定的 影响，对于氨基结构异构体，c y 3 的能量比c y l 要低2 3 8k c a l m o l 。 表3 2 胞嘧啶异构体的相对能量、相对能量校正以及溶剂化效应下的能量校正。 t a b 3 2r e l a t i v ee n e r g i e s ，a n dr e l a t i v ee n e r g i e sc o r r e c t e d , t h er e l a t i v ee n e r g i e sc o n s i d e r i n g s o l v e n te f f e c t so ft h et a u t o m c r so fc y t o s i n e ： a 能量单位是千卡每摩。b 包含了零点能校正 e n e r g i e sa 地i nk c a y m 0 1 bi n c l u d i n gz e r o - p o i me n e r 母, c o r r o c t i o n 然而，对于亚氨基结构的胞嘧啶异构体，c y 2 的能量比c y 4 要低1 0 4 8k c a l m o l ， 水辅助胞嘧啶分子内质子转移的理论研究 所以氨基和亚氨基对胞嘧啶异构体的稳定性也有一定的影响。在气相条件下我们得到下 面的胞嘧啶异构体稳定性顺序：c y 3 c y l c y 2 c y 4 。并且在极化溶剂( 水作为极化溶 剂) 条件下，胞嘧啶异构体稳定性顺序变为：c y i c y 3 c y 2 c y 4 。综合比较各个胞嘧 啶异构体的稳定性时，异构体中形成的弱氢键影响不大，c y l 和c y 3 具有芳香化合物的 闭合环状共轭结构，c y 2 和c y 4 不具有芳香化合物的闭合环状共轭结构，这是c y l 和c y 3 比c y 2 和c y 4 稳定的主要原因。 ( 3 ) 频率分析 由图3 4 可以知道，c y l 中的最强峰出现在1 7 6 7 2c m - 1 ，振动模式主要为c = o 伸缩 振动和h 9 的弯曲振动，同时伴随轻微的h 1 2 和h 1 3 的弯曲振动，c y 2 中的最强峰出现在 1 7 9 8 9 4c m - l ，振动模式主要为c = o 伸缩振动和h 9 和h 1 3 的弯曲振动，c y l 与c y 2 比较， 频率降低了3 1 2c m ，其谱带强度由5 9 5 7 变为6 8 5 7 ，增大了9 0 ，这是由于c 1 中c 4 = n 3 的双键与c = o 的共轭效应使共轭体系中的电子云密度平均化，结果使的c = o 双键略有伸 长( 即电子云密度降低) ，力常数减小，使其吸收频率往往向低波数方向移动，即红移。 c y 3 与c y 4 比较，其最强峰频率的变化也主要是由于共轭效应的影响，c y 3 是氨基结构， 其中n 8 c 4 是单键，而亚氨基结构的c y 4 ，其中n 8 c 4 是双键。 粕 毋 期 栅 喜： 啦 蚺 一8 - 蚺撕| 姊瑚 产r 叫鲫印归n 哪撕硼糊 呻栅嘲删， 里室堕蔓盔堂堡主堂垡笙奎一一 _ _ - l _ - _ l _ l - - _ _ - _ - 一一 图3 4 胞嘧啶异构体及过渡态的红外光谱 f i g 3 4t h ei rs p e c t r ao f t h e t a u t o m e r sa n dt h em m s i t i o ns t a t e so fc y t o s i n e 图3 4 也给出了胞嘧啶异构体过渡态的红外光谱，其明显的不同是，在过渡态的i r 光谱图中出现了很大的虚频，这个虚频也证明了这个过渡态的存在，几个过渡态的红外 光谱图在这里就不做比较了，下面的章节将有相应的介绍- ( 4 ) 质子转移能垒 胞嘧啶酮式结构和烯醇式结构异构体之间相互转化的过渡态的能量和性质依赖于 胞嘧啶异构体c 4 位置的n 原子的成键形式，并且c a 位置的亚氨基对异构反应的活化能 有很大的影响。c y 2 到t 2 的活化能是4 5 0 6k c a l m o l ，要比c y l 到t 1 的活化能垒( 3 3 3 3 k c a l m 0 1 ) 高1 1 7 3k c a l m 0 1 。对于逆反应能垒却降低了4 1 4k c a l m o l ，其中c y 2 到 t 1 的能垒是3 8 7 2k c a l m o l ，c y 4 到t 2 的能垒是3 4 5 8k c a l m o l 同样，胞嘧啶氨基 结构和亚氨基结构异构体之间相互转化的过渡态的能量和性质依赖于胞嘧啶异构体c 2 9 一 水辅助胞嘧啶分子内质子转移的理论研究 位置的o 原子的成键形式，并且c 2 位置的烯醇式结构对异构反应的活化能有很大的影 响。 图3 5 给出了在e ： 2 6 - 3 1 1 + c - ( d ，p ) 水平上计算得到的单分子质子转移的反应轮廓 图。表3 3 给出了胞嘧啶异构体的活化能以及相关能量校正以及溶剂化效应下的能量校 正。很容易发现，单分子异构化过程c y l 到c y 2 是一个吸热反应，反应热为1 1 9 k c a l m o l 。c y l 到c y 3 是一个放热反应，反应热为2 3 8k c a l m o l 。然而从c y l 到c y 2 的异构化能垒要比从c y l 到c y 3 的异构化能垒低9 8k c a l m o l 。这说明，当胞嘧啶异构 体c y l 发生异构化反应时，更容易得到异构化产物c y 3 。从c y 4 到c y 2 的异构化能垒与 从c y 4 到c y 3 的异构化能垒的差是1 1 5k c a l m o l ，逆反应的能垒相差却比较大，因此， 当c y 4 发生异构化反应时，其产物c y 3 和c y 2 都占有一定的比例。 图3 5 在m p 2 6 3 1 1 + g ( d ，p ) 水平上计算得到的单分子胞嘧啶质子转移的反应剖面图 f i g 3 5r e a c t i o np r o f i l ef o r t h ep r o t o nt r a u s f e ro fc y t o s i n er e a c t i o n sc a l c u l a t e da tt h e b 3 p w 91 6 - 31l + + g l e v e l 另外，溶剂化效应对胞嘧啶异构化能垒也有明显的影响。通过比较e 和艮。，我 们可以知道，溶剂化效应增大了从c y i 到c y 3 的异构化能垒8 6 9k c a l m o l 。然而却减 少了从c y 3 到c y l 逆反应的异构化能垒o 9 3k c a l m o l 。而对于其他能垒都有所提高。 辽宁师范大学硕士学位论文 表3 3 胞嘧啶异构体的活化能以及相关能量校正以及溶剂化效应下的能量校正 t a b 3 3a c t i v a t i o ne n e r g i e sa n dr e l a t i v ee n e r g i e sc o r r e c t e da n ds o l v e n te f f e c t so f t h et a u t o m e r so f c y t o s i n e a 能量单位是千卡每摩。b 包含了零点能校正 。e n e r g i e sa r ei nk c a l m 0 1 bi n c l u d i n gz e r o - p o i n te n e r g yc o r r e c t i o n 3 2 2 一水分子辅助质子转移异构化过程 许多有关质子转移的研究报道都借助了水分子或者水分子链的作用，本文也考虑水 分子和水分子链对胞嘧啶异构化的辅助作用在这一节里边，我们讨论一水合胞嘧啶异 构体的情况。 ( 1 ) 几何结构 当一分子水与胞嘧啶异构体发生作用时，在单水复合物的势能面上，通过几何优化， 能够得到多种稳定复合物构型，通过频率计算也表明它们处在势能面的能量极小值处。 在形成的复合物中，没有直接参与质子转移异构化反应的水分子对异构化能垒几乎没有 影响。所以本文对此类复合物不做研究对象，鉴于要考虑水分子和水分子链对胞嘧啶异 构化的辅助作用，在胞嘧啶异构体的几个水合位置添加水分子以得到我们需要的构型， 并且得到的单点耦合稳定构型都是环状的。 图3 6 中我们给出胞嘧啶的两个水合位置以及不同水合位置复合物的命名其中在0 7 和n 1 之间的水合位置我们定义为a 位置，在n 3 和n 8 之间的水合位置我们定义为b 位 置，对于一水合胞嘧啶异构体的复合物有两种情况，在a 水合位置的命名为c y l a h 2 0 ， 水辅助胞嘧啶分子内质子转移的理论研究 在b 水和位置的命名为c y l b h 2 0 。此命名办法也应用到下面其他的图中。 c y i 曩h 2 0 c y l b h 2 0 图3 6 胞嘧啶的两个水合位置。 f i g 3 6t w oh y d r a t e dp o s i t i o no f c y t o s i n e 图3 7 给出了一水合胞嘧啶异构体及其相互转化的过渡态。复合物c y l a h 2 0 和 c y 3 a h 2 0 中，水分子分别与c y l 和c y 3 在a 水合位置形成了2 个分子问氢键。参与质 子传输过程的原子( n l ，c 2 ，h 9 ，0 7 以及水上的o 和参与质子传输的h ) 几乎是共面的，而 水分子中另一没有参与质子传输的原子h 则在此平面外。类似地，在复合物c y i b h 2 0 和c y 3 b h 2 0 中，水分子也分别与c y l 和c y 3 在b 水合位置形成了2 个分子间氢键。 参与质子传输过程的原子( n 3 ，c 4 ，h 1 3 以及水上的0 和参与质子传输的h ) 几乎是共面的， 而水分子中另一没有参与质子传输的原子h 同样在此平面外。一水合c y 2 和c y 4 的复合 物结构与前述情况类似，这里就不再阐述了。 表3 4 给出了一水合胞嘧啶异构体及其过渡态结构的部分几何参数。在异构体 c y l a h 2 0 中，键长( n i c 2 ) 是1 - 4 1 6 a ，比未水合的c y l 中相应的键长( 1 4 2 8 a ) 稍稍减小。 我们认为，水的参与增强了n i c 2 键。但是c 2 0 7 键反而减弱了，这是因为在c y l 中c 2 0 7 键的长度为1 2 1 6 a ，而在复合物c y l a h 2 0 中的长度为1 2 3 0 a 。而无论在c y l a h 2 0 还是在c y l 中，c 4 n 8 键和c 4 n 3 键的长度几乎没有改变，这也说明了a 水合位置的水分 子对b 水合位置附近的键长几乎没有影响。在异构体c y 2 a h 2 0 中，其键长变化情况和 c y l a h 2 0 类似。然而在异构体c y 3 a h 2 0 和c y 4 a h 2 0 中，其键长变化情况与c y l a h 2 0 正相反。类似地，在b 水合位置的几种复合物中，水分子对b 水合位置附近的键长也产 生了一定的影响，同样有增强的和削弱的，然而对a 水合位置的键长也几乎没有影响， 这个结论与上述是一致的。 、 表3 4 一水合胞嘧啶异构体及其过渡态结构的部分几何参数，键长单位是埃 t a b 3 4s o m es t r u c t u r a lparameters，ofmonohydratedtautomerso f t h ec y t o s i n e , b o n d l e n - g t hi na l _ _ - 一 b o n dl e n t h ( a ) _ 一 n i c 2 c 2 0 7 c 4 n 8c 4 n 3 c v l a h 2 0 1 4 1 6 1 2 3 0 1 3 5 9 1 3 2 0 c y 2 a h 2 0 1 3 8 4 1 2 2 6 1 2 8 0 1 4 0 9 c v 3 a h 2 0 1 3 4 5 1 3 3 1 1 3 6 2 1 3 3 6 c v 4 a h 2 0 1 3 1 0 1 3 2 5 1 2 8 1 1 4 1 2 c y l b h 2 0 1 4 2 3 1 2 1 7 1 3 4 9 1 3 2 7 c v 2 b h 2 0 1 3 9 8 1 2 1 3 1 2 8 9 1 3 9 9 c v 3 b h 2 0 1 3 3 0 1 3 4 6 1 3 5 2 1 3 4 7 c y 4 b h 2 0 1 3 0 0 1 3 3 9 1 2 9 1 1 4 0 6 vvv 斌取斌 j 。 j c y l a h 2 0 3 c y 4 a h 2 0 皇 t 1 h 2 0 c y l b h 2 0 c y 2 b h 2 0 t 3 h 2 0 1 3 一 乏 文 i ， i疋 嚣， 一 j ， a 毒 水辅助胞嘧啶分子内质子转移的理论研究 掰西 o c y 3 b 1 1 2 0c y 4 b h 2 0 t 4 h 2 0 图3 7 一水合胞嘧啶异构体及其相互转化的过渡态 f i g 3 7t h eo p t u a i z e dg e o m e t r i e so f t h em o n o h y d r a t e dt a u t o m 朗so f t h ec y t o s i n ea n dt h er e l a t e dt r a n s i t i o n s t a t e s ( 2 ) 相对稳定性 在一水合条件下，我们得到一水合胞嘧啶异构体的相对稳定性顺序：a 水合位置的 异构体是c y 3 a h 2 0 c y l a h 2 0 c y 2 a h 2 0 c y 4 a h 2 0 ，b 水合位置的异构体也是 c y 3 b h 2 0 c y i b h 2 0 c y 2 b h 2 0 c y 4 b h 2 0 。 表3 5 一水合胞嘧啶异构体的相对能量、相对能量校正以及溶剂化效应下的能量校正 t a b 3 sr e l a t i v ee n e r g i e s ，a n dr e l a t i v ee n e r g i e sc o r r e c t e d , t h er e l a t i v ee n e r g i e sc o n s i d e r i n g l v e n te f f e c t s o f t h em o n o h y d m t e dt a u t o m e r so f c y t o s l n e 。 e e o 。e “ a 能量单位是千卡每摩。b 包含了零点能校正 e n e r g i e sa r ei nk c a l m 0 1 b i n c l u d i n gz e r o - p o i n te n e r g yc o r r e c t i o n 表3 5 给出了一水合胞嘧啶异构体的相对能量、相对能量校正以及溶剂化效应下的 能量校正。通过对相对能量的比较我们可以知道，对于a 水合位置的复合物，水合水分 子和胞嘧啶异构体之间的相互作用降低了c y 2 a h 2 0 和c y 4 a h 2 0 之间的能量差大约 辽宁师范大学硕士学位论文 1 9 4k c a l m o l 与c y 2 和c y 4 之间的能量差作比较，也降低了c y l a h 2 0 和c y 3 a h 2 0 之 间的能量差大约1 6 3k c a l m o lc y l 和c y 3 之间的能量差作比较。对于b 水合位置的复 合物，水合水分子和胞嘧啶异构体之间的相互作用降低了c y 2 b h 2 0 和c y 4 b h 2 0 之间 的能量差大约1 3 8k c a l m o l 与c y 2 和c y 4 之间的能量差作比较，也降低了c y i b h 2 0 和c y 3 b h 2 0 之间的能量差大约1 3 8k c a l m o lc y l 和c y 3 之间的能量差作比较。溶剂 化效应校正之后的一水合胞嘧啶的相对稳定性顺序：a 水合位置异构体是c y l a h 2 0 c y 3 a h 2 0 c y 2 a h 2 0 c y 4 a i - l 2 0 。b 水合位置也是c y l b h 2 0 c y 3 b h 2 0 c y 2 b h 2 0 c y r 4 b h 2 0 。容易发现包含溶剂化效应的计算改变了一水合胞嘧啶异构体的相对稳定性 顺序。 ( 3 ) 频率分析 表3 6 胞嘧啶异构体及其过渡态的最低振动频率单位是锄d t a b 3 6t h el o w e s tv l b r a t i o n a lf r e q u e n c i e so f t h et a l i t 哪e r sa n dt h et r a n s i t i o ns t a t 鹪o f c y t o s i n e , v i b r a t i o n a lf i e q u e n c yi si n 锄? 1 注：只包含a 水合位置的水合胞嘧啶异构体的最低振动频率 表3 6 给出了胞嘧啶异构体的最低振动频率以及过渡态的虚频。与氨基机构的胞嘧 啶异构体c y l 比较，氨基结构异构体c y 3 的最低频率升高了5 6c m 1 ，而对于亚氨基结构， 与c y 2 比较，c y 4 的最低频率升高了1 6c m - 。而在一水合的异构化过程中，与氨基结构 的胞嘧啶异构体一水合复合物c y l l a 比较，氨基结构异构体c