（有机化学专业论文）嘧啶衍生物与羰基化合物的光化学.pdf

中国科学技术大学博上学位论文 摘要 摘要 d n a 受紫外线作用生成两种主要光化学产物 环丁烷型嘧啶二聚体和 6 4 光产 物 它们会造成细胞死亡 并可引起变异 是诱发皮肤癌的主要原因 细胞对d n a 光损伤的自我保护可使其通过酶促光复活作用修复这种光损伤 因此 研究两种光产物 的生成和光修复过程将有助于揭示生物体内酶促d n a 光复活作用的机制 本工作研究了嘧啶衍生物的光敏化二聚反应 嘧啶衍生物与芳香性羰基化合物 的光化学反应 并利用获得的光产物作为d n a 两种光产物的模型化合物 研究了 它们在光敏剂作用下的裂解修复性质 对嘧啶衍生物与取代二苯酮的p a t e r n 6 一b i i c h i p b 反应的区域选择性进行了深入研究 1 在光敏剂存在下 嘧啶衍生物光 2 2 1 q 3 1 1 成反应的立体和区域选择性 以丙酮为光敏剂 研究了1 3 二甲基胸腺嘧啶 d m t 在溶液中的光 2 2 环加成反 应 d m t 在溶液中辐照二聚生成四种环丁烷型嘧啶二聚体 二聚体的比例与反应途径 和温度有关 通过基态聚集体的单重态二聚途径主要生成 h t 型异构体 而扩散控制 的三重态途径则有利于 h h 型异构体的生成 温度升高 h h 型异构体的比例增加 h t 型异构体比例降低 反之则反 阐明了d m t 通过三重态途径1 2 2 3 环加成反应的 区域 立体选择性取决于分子轨道相互作用 而通过单重态途径反应则取决于分子在基 态时堆积状况 2 嘧啶衍生物与芳香性羰基化合物的光化学反应 比较研究了1 3 二甲基尿嘧啶 d m u 和l 3 一二甲基胸腺嘧啶 d m t 与芳香 性羰基化合物的光化学反应 合成了多种氧杂环丁烷的模型化合物 d m t 发生p b 反 应的效率是d m u 的2 3 倍 而且无论是在质子溶剂中还是酸性条件下 d m t 氧杂环 丁烷都比d m u 稳定 阐明了d m u d m t 与芳香性羰基化合物的光化学反应机理为p b 反应 研究了所生成氧杂环丁烷的稳定性以及它们的开环模式 中国科学技术大学博士学位论文 摘要 3 嘧啶衍生物与取代二苯酮的p b 反应的区域选择性 d m t 与二苯酮及其衍生物发生p b 反应生成两种区域异构的氧杂环丁烷 反应的区 域选择性随温度发生显著变化 低温时 h h 型氧杂环丁烷是主要产物 随着反应温度的 升高 h h 型氧杂环丁烷的产率减少而h t 型氧杂环丁烷的产率增加 高温下 h t 型氧杂 环丁烷变为主要产物 量子化学计算表明 三重态1 4 双自由基中间体系间窜跃与构象 转化的相对速率 有利于p b 反应的稳定构象与不利于反应的稳定构象之间的平衡常数 都是影响区域选择性的重要因素 在温度升高的过程中 决定区域选择性的因素发生了 改变 这一机理合理地解释了所得到的区域选择性的温度效应 丰富了对p b 反应区域 选择性的认识 4 色氨酸及其肽对嘧啶二聚体的光敏化修复 通过荧光猝灭实验和测定二聚体裂解程度的辐照实验研究了色氨酸 t r p 及其二 肽色氨酰酪氨酸 t r p t y r 和色氨酰苯丙氨酸 t r p p h e 对c i s y r l 型1 3 二甲基尿嘧 啶二聚体 d m u d 的光敏化裂解作用 结果表明 色氨酸及其二肽在较强光 九 2 9 0n m 辐照下 主要通过双光子电离生成的水合电子 e a q 导致二聚体裂解 其次 通过激发 单重态与二聚体间的电子转移导致二聚体裂解 t r p t y r 因其氧化电位 低 除以 上两种途径外 另有一导致二聚体裂解的可能途径 色氨酸残基激发三重态与二聚体间 的电子转移光敏化二聚体裂解 5 尿嘧啶氧杂环丁烷模型化合物的光敏化裂解 以1 3 一二甲基尿嘧啶和二苯酮或苯甲醛反应合成了尿嘧啶氧杂环丁烷的模型化合 物 通过荧光猝灭实验和测定氧杂环丁烷裂解程度的辐照实验研究了其在苯胺等多种光 敏剂存在下的裂解性质 证实了光敏剂通过电子转移裂解氧杂环丁烷的途径 为 6 4 光解酶的单电子转移修复机理提供了实验依据 关键词 d n a 光复活嘧啶光化学 环丁烷型嘧啶二聚体氧杂环丁烷光 2 2 环加 成p a t e r n 6 b i c h i 反应立体选择性区域选择性温度效应光敏化电子转移 i i 里 兰垫查奎堂堡主兰堡丝壅 i 里 a b s t r a c t d n ai sd a m a g e d b yu l t r a v i o l e tc o m p o n e n t f r o ms u n l i g h tt og i v eav a r i e t yo f p o t e n t i a l l y m u t a g e n i cp h o t o p r o d u c t s t h ep y r i m i d i n ec y c l o b u t a n e d i m e r sa r et h em o s ta b u n d a n t p h o t o p r o d u c t sa m o n gt h em a j o r t h r e et y p e so f p h o t o i n d u c e dd n ad a m a g e t h i sl e s i o nw i l l b l o c kr e p l i c a t i o na n dt r a n s c r i p t i o no fd n a l e a d i n gt oc y t o l o x i ca n dm u t a g e n i ee f f e c t s t h e p y r i m i d i n e 6 4 p y r i m i d o n ea d d u c t s s i m p l yt e r m e d 6 4 p h o t o p r o d u c t s c o n s t i t u t ea s e c o n d c l a s so fs t a b l ep h o t o p r o d u c t si nd n a a n da l s op l a yar o l ei nu v i n d u c e dc y t o t o x i cd a m a g e c e l l sp r o t e c tt h e m s e l v e sa g a i n s tt h e s ee f f e c t sb ye l i m i n a t i n gt h e s ep h o t o p r o d u c t sf r o mt h e i r g e n o m ee i t h e rb ye x c i s i o no rb yp h o t o r e a c t i v a t i o nu n d e r n e a ru va n dv i s i b l el i g h t t h el a t t e r i sc a t a l y z e db y p h o t o l y a s e i nt h i sw o r k w ep r e p a r e dm o d e lc o m p o u n d sf o rp y r i m i d i n ed i m e r sa n do x e t a n ea d d u c t s b y 2 2 p h o t o c y c l o a d d i t i o no rp a t e r n 6 一b f i c h i p b r e a c t i o n r e p e c t i v e l ya n di n v e s t i g a t e d t h e i rb e h a v i o ru n d e re l e c t r o nt r a n s f e rc o n d i t i o n s b y f l u o r e s c e n c em e a s u r e m e n t sa n d p h o t o l y s i se x p e r i m e n t s 1 s t e r e o a n dr e g i o s e l e c t i v i t yi nt h ep h o t o s e n s i t i z e dd i m e r i z a t i o no f1 3 d i m e t h y l t h y m i n e l ns o l u t i o n t h ee f f e c t so fr e a c t i o np a t h w a ya n dt e m p e r a t u r eo ns t e r e o a n dr e g i o s e l e c t i v i t yo f p h o t o c y c l o a d d i t i d no f1 3 d i m e t h y l t h y m i n e d m t w h i c hg i v e sf o u rc y c l o b u t a n et y p ed i m e r s i ns o l u t i o nu s i n ga c e t o n ea st h ep h o t o s e n s i t i z e r a r ei n v e s t i g a t e db ym e a s u r i n gt h ep r o d u c t d i s t r i b u t i o n i ti sd e m o n s t r a t e dt h a tt h eg r o u n d s t a t ea g g r e g a t i o nb e t w e e nd m tm o l e c u l e s m a i n l yl e a d st o h t d i m e r s a n dt h ed i f f u s i o n c o n t r o l l e dt r i p l e td i m e r i z a t i o ni sf a v o r a b l et o t h ef o r m a t i o no f 1 1 一h d i m e r s 2 p h o t o c h e m i c a lr e a c t i o no f1 3 一d i m e t h y l u r a c i lw i t hb e n z o p h e n o n ea n di t s4 4 一s u b s t i t u t e d d e r i v a t i v e s ac o m p a r a t i v es t u d yw i t h1 3 一d i m e t h y l t h y m i n e t h ep h o t o c h e m i c a lr e a c t i o n so f1 3 d i m e t h y l t h y m i n e d m t a n d 1 3 d i m e t h y l u r c i a l 1 1 i 中国科学技术大学博士学位论文摘要 d m u w i t h b e n z o p h e n o n e a n di t s 4 4 s u b s t i t u t e dd e r i v a t i v e s b p s 4 4 一d i f i u o r o b e n z o p h e n o n e a n d4 4 d i c h l o r o b e n z o p h e n o n ew e r ei n v e s t i g a t e di nd e a e r a t e d s o l u t i o n t h e p h o t o c h e m i c a l r e a c t i o n s p r o d u c e d t w os e r i e so fr e g i o i s o m e r i c o x e t a n e s h e a d t o h e a d h h o x e t a n e sa n dh e a d t o t a i l h t o x e t a n e sf r o md m ts y s t e m a n do n es e r i e s o fh ho x e u 玎l e sa n do n es e r i e so f5 p y r i m i d i n y l m e t h a n o l sf r o md m us y s t e m i tw a s c o n f i m a e dt h a tt h en o n o x e t a n ep r o d u c t sa r er i n g o p e n i n gp r o d u c t so fh to x e t a n e s w h i c ha r e g e n e r a t e df r o mt h ei n i t i a lp h o t o c h e m i c a lr e a c t i o n t h u s t h ep h o t o c h e m i c a lr e a c t i o n so fb o t h d m ta n dd m uw i t hb p s a r e 2 2 c y c l o a d d i t i o n so f5 6d o u b l eb o n do fd m t o rd m uw i t h c a r b o n y lg r o u po ft r i p l e tb p s t h a ti st h ep br e a c t i o n h o w e v e r t h ep h o t o c h e m i c a lr e a c t i o n b e t w e e nd m ua n dd m ti sv e r yd i f f e r e n ti nt h ep h o t o c h e m i c a le f f i c i e n c ya n dt h es t a b i l i t yo f p h o t o p r o d u c t s o x e t a n e s t h ee f f i c i e n c yf o rt h ep br e a c t i o no fd m ts y s t e mi s 2 3t i m e s h i g h e rt h a nd m us y s t e m p h o t o p r o d u c t s o x e t a n e sf r o md m ta r em o r es t a b l et h a nt h e c o r r e s p o n d i n go x e t a n e sf r o md m u 3 o r i g i n o fa l a r g et e m p e r a t u r ed e p e n d e n c er e g i o s e l e c t i v i t i e s o b s e r v e d i n 2 2 p h o t o c y c j o a d d i t i o n s p a t e r n 6 b t i c h ir e a c t i o n o f1 3 一d i m e t h y l t h y m i n ew i t hb e n z o p h e n o n ea n d i t sd e r i v a t i v e s c o n f o r m a t i o n a lp r o p e r t yo ft h ei n t e r m e d i a r y t r i p l e t1 4 d i r a d i c a l s t h e 2 2 p h o t o c h e m i c a la d d i t i o no f1 3 一d i m e t h y i t h y m i n e d m t w i t hb e n z o p h e n o l l e a n di t s4 4 一s u b t i t u t e dd e r i v a t i v e s d i f l u o r o d i m e t h o x y a n d d i t e r t b u t y lb e n z o p h e n o n e b p s h a sb e e ni n v e s t i g a t e da t t e m p e r a t u r er a n g ef r o m 一4 0 ct o 7 0 c t h ep h o t o c h e m i c a l r e a c t i o n s w h i c ha r ec y c l o a d d i t i o no f t h e5 6d o u b l eb o n do fd m t w i t ht h ec a r b o n y lg r o u po f b p s t h es o c a l l e dt h ep br e a c t i o n r e v e a ll a r g e l yt e m p e r a t u r e d e p e n d e n tr e g i o s e l e c t i v i t y t h e c h e m i c a ly i e l do fo n er e g i o i s o m e r 1 1 1 1o x e t a n e d e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo ft h er e a c t i o n t e m p e r a t u r eb u ta n o t h e ri s o m e r h to x e t a n e i n c r e a s e d t h u st h er a t i oo fh h h ti s s t r o n g l y d e p e n d e n to nt h et e m p e r a t u r e f r o m7 0 3 0t o3 0 7 0 t h et e m p e r a t u r ed e p e n d e n c eo ft h e r e g i o s e l e c t i v i t yy i e l d st w ol i n e a rf u n c t i o n si nt h ec o r r e s p o n d i n ge y r i n gd i a g r a m s t h ec h a n g e o fs l o p eo f e y r i n gp l o ti s i n d i c a t i v eo ft h ec h a n g ef o rs e l e c t i o n d e t e r m i n i n gs t e pi nt h ep b r e a c t i o n o nt h eb a s i so fc a l c u l a t i o n a ls t u d i e sf o rt h ec o n f o r m a t i o n a le q u i l i b r i u ms t r u c t u r e so f t h et r i p l e td i r a d i c a l sa n d p o t e n t i a le n e r g i e so fs t a b l ec o n f o r m e r s am e c h a n i s mi sp r o p o s e dt o e x p l m nr e a s o n a b l yt h et e m p e r a t u r e d e p e n d e n tr e g i o s e l e c t i v i t ya n dt h ec h a n g eo fc h e m i c a l i v 中国科举技术大学博士学位论文 摘要 y i e l d so f t w o r e g i o i s o m e r sv a r y i n g w i t ht h er e a c t i o nt e m p e r a t u r e 4 p h o t o s e n s i t i z e d s p l i t t i n g o f e 括 s y n 1 3 一d i m e t h y l u r a c i l d i m e rb y t r y p t o p h a n a n di t s p e p t i d e s p h o t o s e n s i t i z e ds p l i t t i n go f c s s y n1 3 d i m e t h y l u r a c i ld i m e rb yt r y p t o p h a n t r p a n di t s p e p t i d e s t r p t y ra n dt r p p h e b a s e do nf l u o r e s c e n c eq u e n c h i n ge x p e r i m e n t s a n di r r a d i m i o n e x p e r i m e n t sd e t e r m i n i n g t h e s p l i t t i n gp e r c e n t a g e o fd i m e rw a ss t u d i e d i tr e v e a l e dt h a t 1 3 一d i m e t h y l u r a c i ld i m e rw a sm a i n l ys p l i c e db ye a q r e s u l t e df r o mt w o p h o t o ni o n i z a t i o no f t r pa n di t sp e p t i d e su n d e ri r r a d i a t i o nw i t hl i g h t 九 2 9 0n m m o r e o v e r t h ee x c i t e ds i n g l e t s t a t eo f t r pa n d i t sp e p t i d e sc a l lt r a n s f e ra l le l e c t r o nt od i m e ra n dm a k ei ts p l i t t e d i na d d i t i o n t h ee x c i t e dt r i p l e ts t a t eo ft r p t y rd u et oi t sl o w e ro x i d a t i v ep o t e n t i a la l s oc a nt r a n s f e ra n e l e c t r o nt od i m e ra n dm a k ei ts p l i u e d 5 m o d e ls t u d i e so f t h e 6 4 p h o t o p r o d u c tp h o t o r e a c t i v a t i o n s y n t h e s i sa n dp h o t o s e n s i t i z e d s p l i t t i n go f u r a c i lo x e t a n ea d d u c t s u r a c i lo x e t a n e a d d u c t s w h i c ha r em o d e lc o m p o u n d sf o rt h eo x e t a n ei n t e r m e d i a t e s g e n e r a t e dd u r i n gt h ef o r m a t i o no f 6 4 p h o t o p r o d u c t so ri nt h e i rp h o t o e n z y m a t i cr e p a i gh a v e b e e n s y m h e s i z e du s i n g1 3 一d i m e t h y l u r a e i l w i t h c a r b o n y lc o m p o u n d s o nt h e b a s i so f f l u o r e s c e n c em e a s u r e m e n t sa n dp h o t o l y s i se x p e r i m e n t s i ti sd e m o n s t r a t e dt h a tt h eo x e t a n e a d d u c t sc a l lb e s p l i ti n t ot h em l c l e o t i d eb a s ea n dc a r b o n y lc o m p o u n d sv i aa ne l e c t r o nt r a n s f e r r e a c t i o nf r o m p h o t o s e n s i t i z e r t h er e a c t i o ni sm o r ee f f i c i e n tf o r a s t r o n g e re l e c t r o nd o n o r k e y w o r d s d n a p h o t o r e a c t i v a t i o np y r i m i d i n ep h o t o r e a c t i o nc y c l o b u t a n ep y r i m i d i n e d i m e ro x e t a n e 2 2 p h o t o c y c l o a d d i t i o n p a t e m 6 一b f i c h ir e a c t i o n s t e r e o s e l e c t i v i t y r e g i o s e l e c t i v i t yt e m p e r a t u r ee f f e c t p h o t o s e n s i t i z a t i o ne l e c t r o nt r a n s f e r v 巾圉科学技术大学博士学位论文 第一章绪沦 第一章绪论 1 1d n a 光化学 1 1 1 引言 脱氧核糖核酸 简称d n a 是紫外线 u v 作用于生物体的主要靶分子 碱基 嘌 呤和嘧啶 是核酸在紫外区特定的发色团 它与其它光生物学领域的发色团 如光 合作用中的叶绿素或视觉现象中的视黄醛 不同 在紫外光引起的核酸光化学事件 中 有些分子水平的变化会导致有害的生物效应 如细胞死亡 光致变异和光致癌 等 早在1 9 6 7 年 s e t l o w 就曾报道 对于缺乏正常修复机制的细菌来说 如果每 个d n a 包含 1 07 个核苷分子 中有1 0 个核苷分子产生了光化学损伤 细菌死亡 的可能性就会达到5 0 紫外光与核酸组分的相互作用已得到广泛研究 二十世纪三十年代 人们首次 发现细菌的紫外行为谱与其d n a 吸收光谱极其相似 二者的吸收峰都在2 5 0n m 左 右口l 后来人们研究证实 在这部分紫外光区 u v c d n a 既是主要的发色团 又是生物体损伤的靶分子 引 因此d n a 光致损伤的最好表征是由u v c 引起的损伤 尤其是波长为2 5 0n m 左右的光 在此条件下 d n a 损伤显然是由于d n a 本身吸 收u v 光能引起的反应 除直接吸收u v 辐射造成损伤外 d n a 还可能通过光敏剂的敏化作用引起损伤 它包括两种作用方式 一是光敏剂直接与d n a 作用 另一种是通过光动力 有氧 机理作用 即在u v 光辐照时 光敏剂与氧气之间通过电荷转移或能量转移生成活 性氧 这些活性粒子迸一步导致d n a 损伤 4 1 紫外线作用于生物体的d n a 碱基产生一系列的光化学产物 其中主要有两种 环 丁烷型嘧啶二聚体 c p d s 和嘧啶 嘧啶酮 6 4 光产物 6 4 光产物 s c h e m e1 1 中 列出了在u v 光辐照下 同一d n a 链中相邻的嘧啶核苷酸 d i p y r i m i d i n e 反应生 成两种主要的光化学产物 c p d s 和 6 4 光产物 d n a 链中相邻的不同类型的嘧啶 中国科学技术大学博士学位论文 第一章绪论 碱基 如胸腺嘧啶 t 胸腺嘧啶 t 胸腺嘧啶 t 胞嘧啶 c 胞嘧啶 c 一胸腺嘧啶 t 胞嘧啶 c 胞嘧啶 c 都可以发生类似反应 但胞嘧啶 c 一胸腺嘧啶 t 不能生成 6 4 光产物 两1 段一 i t n 火 l lz i l ly 办一巅h 8 0 0 c 5 3 o x e t a n ey o a z e t i d i n ey n h s c h e m e1 1f o r m a t i o no f t h et w om a j o r p h o t o p r o d u c t si nd n a u n d e ru v l i g h t c p d s t o l d 6 4 p h o t o p r o d u c t s 环丁烷型嘧啶二聚体 c p d s 是d n a 光损伤的主要光化学产物 d n a 吸收 u v 光后 能量会定域在d n a 链中的胸腺嘧啶 t 上 这是因为胸腺嘧啶具有d n a 碱基中最低的三重态能级 光吸收后产生的碱基激发单重态 若经历自旋转换形成三重 态 能量就会转移到胸腺嘧啶上生成胸腺嘧啶激发三重态 3 t 3 t 可与d n a 同一链 中另一相邻的胸腺嘧啶 或者胞嘧啶c 发生化学反应 形成环丁烷型嘧啶二聚体f 5 o 这种相邻嘧啶碱基间发生的光化学反应是一周环反应 即一个涉及相互作用轨道环 体系的协同反应 在d n a 中相邻嘧啶碱基之间的反应 使二个死键 每个嘧啶碱基一个 转化为二个a 键 它和二个乙烯分子转化为一分子的环丁烷过程类似 这可表示为f 2 2 1 光环加成反应 是受轨道对称性控制的 因此 二个嘧啶碱基的光环加成反应是轨道允 许的 热反应是禁阻的 同样 对于逆反应 环丁烷型产物 即嘧啶二聚体 不能通过 非光化学过程 基态热反应 返回二分子嘧啶碱基 尽管逆向光化学反应是对称允许的 2 c t 中国科学技术大学博士学位论文 第一章绪论 但由于二聚体不具有嘧啶原来的共轭体系 对u v 光没有足够的吸收 因此 二聚体就 累积在d n a 中了 c p d s 阻碍d n a 的复制与转录 造成细胞死亡 并可能引起变异 是诱发皮肤 癌的主要原因 6 1 细胞对这种d n a 损伤的自我保护是通过切除修复或光复活从基因组 中除去这种光化学产物f 7 后者是d n a 光复活酶 也称为d n a 光解酶 参与的过程 在光复活过程中 d n a 光解酶特异性地结合到含c p d s 的d n a 上 在近紫外 可见光 3 0 0 5 0 0n m 辐照下 向c p d s 转移一个电子 裂解c p d s 恢复d n a 的双螺旋 结构 s c h e m e1 2 10 1 o0 c l 3h n j 上 c h 3 ll ho 人n h h v 2 8 0 3 1 5n m h v 2 0 0 2 5 0n m oo 熬 n e a r u v v i s i b l e j d n a p h o t o l y a s e s c h e m e1 2f o r m a t i o n o f t h y m i n e d i m e rb e t w e e nt w o a d j a c e n tt h y m i n e b a s e si nt h es a m e s t r a n do f d n ad o u b l eh e l i xi r r a d i a t e db yu v b l i g h t 2 8 0 3 1 5n m r e v e r s e dr e a c t i o ni s p h o t o r e a c t i v a t i o nc a t a l y z e db yp h o t o l y a s eu s i n gu v v i sl i g h t 3 0 0 5 0 0n m 6 4 光产物是d n a 在u v 光作用下的另一类主要产物 与c p d s 不同 6 4 光产物 是吸收光后产生的碱基激发单重态 1 t 或1 c 与d n a 同一链中另一相邻的碱基 t 或c 发生化学反应形成的 因此 若在三重态光敏剂 如苯乙酮 作用下 胸 腺嘧啶三重态数目 3 t 大幅度增加 此时只生成单 的c p d s l l 2 1 6 4 光产物是d n a 链中相邻的两个嘧啶碱基在u v 光作用下 个嘧啶分子5 6 位上的c c 双键与另一碱基分子4 位上的 2 0 或c n 发生加成反应生成氧杂环丁烷 或氮杂环丁烷 此氧杂环丁烷或氮杂环丁烷在一8 0 4 c 以上不稳定 迅速发生c o 键或c n 的断裂并伴随着质子转移 异构化生成 6 4 光产物 6 4 光产物和c p d s 分别占d n a 光产物的1 0 2 0 和8 0 9 0 在紫外光 u v c 中国科学技术大学博士学位论文 第一章绪论 辐照下 因c p d s 具有 2 2 光裂环反应可部分恢复为嘧啶碱基 当达到一定光强时 c p d s 的生成与裂解处于平衡状态 此时 c p d s 不随光强的增强而增加 而 6 4 光 产物在u v c 辐照下不会发生裂解发应 随着光强的增强 6 4 光产物不断增多 最高 可累积到d n a 光产物的4 0 i 最近许多研究发现 较次要的 6 4 光产物更容易引起 基因突变进而导致变异1 1 4 1 6 4 光产物的结构与c p d s 不同 即使有某种酶可切断c 5 o h 和c 6 一c 4 键 也 不能恢复到原来的2 个嘧啶碱基的结构 因此长期以来 人们认为 6 4 光产物只有切除 修复这一种途径 1 6 1 7 6 4 光解酶发现以后 人们推测 6 4 光解酶与 6 4 光产物结合 后可能通过一个暗反应 将 6 4 光产物转化为氧杂环丁烷或氮杂环丁烷中间体 再在近 紫外一可见光作用下 发生类似c p d s 光解酶所进行的光复活作用 1 8 2 1 s c h e m e1 3 c h y h v 6 4 p p s c h e m e1 3f o r m a t i o no f 6 4 p h o t o p r o d u c tb e t w e e nt w o a d j a c e n tt h y m i n eb a s e s i nt h e s a m es t r a n do fd n ad o u b l eh e l i xi r r a d i a t e d b y u v b l i g h t 2 8 0 3 15n m r e v e r s e dr e a c t i o n i sp h o t o r e a c t i v a t i o n c a t a l y z e db y 6 4 p h o t o l y a s eu s i n gu v v i sl i g h t 3 0 0 5 0 0n m 从太阳方向射向地球的紫外线可分为三个波段 u v c 1 9 0 2 8 0n m u v b 2 8 0 3 2 0n m 和u v a 3 2 0 4 0 0 n m 这些紫外线 特别是其中能量高的短波部分 可被臭氧吸收 到达地面的紫外线超过百分之九十八的是u v a 不足百分之二的是 u v b u v c 几乎为零 然而 近年来 由于人们对消耗臭氧层化学品 如人造含氯化 合物和氮氧化合物 的大量使用 使大气层中臭氧浓度降低 甚至在某些区域产生 空 洞 1 9 8 3 年前后 科学家通过气球和气象卫星的监测 首先发现南极上空的臭氧空洞 1 9 8 6 年又在北极上空发现臭氧薄层区和空洞 近年来又有更多报道显示薄层区还在扩 4 中国科学技术大学博士学位论文 第一章绪论 展 日益迫近人类密集的中纬度区 包括亚 欧 美洲各国上空 在今后1 0 2 0 年 释 放到大气中的这些物质还将使臭氧层进一步变薄 臭氧层的逐渐衰竭或消失会引起太阳 紫外线直贯地面 从而对人 对动植物乃至自然生态系统造成极大危害 因此 近年来 d n a 光损伤与光复活的研究已受到科研工作者的极大关注 2 2 2 5 1 1 1 2 嘧啶光化学 1 1 2 1 嘧啶及其衍生物的光敏化二聚反应 t 8 7 7 年 d o w n e s 发现紫外线可以杀死细菌 2 6 1 后来的研究表明 生物体中对光敏 感的靶分子是核苷酸中的嘌呤和嘧啶 且嘧啶更容易发生光化学反应 在u v 光辐照下 能量会定域在d n a 链中的胸腺嘧啶 t 上 吸收光后产生碱基激发单重态 经历自旋 转换形成三重态 3 t 4 3 t 可与d n a 同一链中另 n 令g 的t 或胞嘧啶c 发生化学 反应 形成s y n h h 型和少量的t r a n s h h 型嘧啶二聚体 s c h e m e1 4 s y n h h 护口 l s h h s c h e m e1 4s t r u c t u r e so f t h ei s o m e r i ct h y m i n ed i m e r sf o r m e di nd n a 在低温 7 8 4 c 条件下 用电子灭菌灯辐照胸腺嘧啶冷冻水溶液 仅得到s y n h h 型胸腺嘧啶二聚体 1 9 6 0 年 b e u k e r s 和b e r e n d s 首次从辐照后的胸腺嘧啶的冷冻液中 分离出这种异构体 并对其结构进行了表征 2 7 同样条件下辐照1 3 一二甲基胸腺嘧啶水 溶液 结果和d n a 中相似 生成两种异构体 2 8 1 很快人们又发现辐照胸腺嘧啶水溶液 可得到全部可能的四种异构体 s c h e m e1 5 1 2 9 d q 这引起人们极大的研究兴趣 在随 后的1 0 2 0 年间出现了对嘧啶及其衍生物光敏化二聚反应的大量报道 撼 h 0舻b oik j凝吲 h 秽 中国科学技术大学博士学位论文第一章绪论 玲0 数0 撼o o h h 由 s y n h h t r a n s 1 1 一h t a r t s0 1 一t s y n h t s c h e m e1 5 s t r u c t u r e so f t h ei s o m e r i ct h y m i n ed i m e r sf o r m e di ns o l u t i o n 1 1 2 1 1 嘧啶的光敏化二聚反应 在低温冷冻条件下 胸腺嘧啶分子在形成的微晶中有序堆积 3 经过单重激发态的 激基缔合物 9 2 3 孔发生二聚发应 主要生成s y n h h 型二聚体 辐照d n a 和r n a 也主要 生成s y n h h 型胸腺嘧啶二聚体或尿嘧啶二聚体 34 1 因此 人们推测 产物的立体选择 性反映了大分子中碱基固定的相对构型 一 b r 如什一 s c h e m e1 6 光敏化和猝灭实验证明 d n a 3 6 1 或溶液f 3 7 中的胸腺嘧啶二聚有单重态和三重态两 种可能的途径a w a g n e r 和b u c k e c k 3 5 1 比较研究了尿嘧啶和胸腺嘧啶在乙腈溶液中的二聚 反应 提出在浓度较低时 嘧啶主要通过三重态途径二聚生成四种结构的二聚体 反应 中国科学技术大学博士学位论文第一章绪论 途径见s c h e m e1 6 由于反应的量子产率很低 他们推测在反应过程中存在一亚稳态的 中间体 可能是双自由基 这一中间体在二聚的同时大部分经无辐射跃迁回到了基态的 嘧啶分子 向溶液中加入三重态光敏剂可以显著提高二聚反应的产率 此时反应主要通过三重 态途径进行 w i l u c k i 实验组1 3 8 1 研究了胸腺嘧啶在丙酮 苯丙酮 苯乙酮 二苯酮等三 重态光敏剂存在下的二聚反应 提出丙酮是最有效的光敏剂 而二苯酮因为可以和胸腺 嘧啶反应生成氧杂环丁烷使得二聚产率很低 j o h n s 和g r e e n s t o c k 3 9 1 得到了相反的结果 尽管二苯酮的的三重态能量比较低 但它是比丙酮更有效的光敏剂 一般来说 理想的 光敏剂必须符合下列条件 a 敏化剂的三重态能量必须比接受体的三重态能量至少高4 k c a lm o l 1 7k jm o l 4 b 敏化剂的三重态必须有足够长的寿命来完成能量传递 c 系间窜跃效率 m k 必须是高的 以避免单重态能量传递的复杂情况 几种常见光敏 剂及胸腺嘧啶的三重态能量列于t a b l e l 1 t a b l e11 t r i p l e te n e r g yo f t h y m i n e a n dp h o t o s e n s i t i z e r s 4 0 j e n n i n g s 等 4 0 利用1 hn m r 研究了以丙酮和苯丙酮作光敏剂 胸腺嘧啶二聚的转化 率和和四种异构体产物的分布 结果表明 与苯丙酮相比 丙酮是更有效的光敏剂 在 丙酮存在下 1 0 v v o 0 1m o ll 1 的胸腺嘧啶水溶液辐照4 8h 后可以完全反应 四 种异构体的比例随溶剂的极性发生变化 1 1 2 1 2 嘧啶衍生物的光敏化二聚反应 1 3 一二甲基化的胸腺嘧啶 尿嘧啶是研究最多的模型化合物 与胸腺嘧啶 尿 嘧啶相比 二甲基化的嘧啶及相应的二聚体有较低的熔点 在水或有机溶剂中都有 良好的溶解性 7 中国科学技术犬学博上学位论文 第一章绪论 e l a d 4 1 1 等研究了1 3 一二甲基尿嘧啶在不同有机溶剂中的光敏化二聚反应