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钴(Ⅲ)多吡啶配合物具有丰富的光化学、光物理性质、独特的DNA结合能力,在生物领域具有广泛的潜在应用,如可以作为DNA结构探针、DNA分子光开关、肿瘤基因治疗、DNA光裂解试剂等。近年来,大量钴(Ⅲ)多吡啶配合物已被合成和表征,其DNA键合性质、DNA光裂解性质及DNA作用机理也已都被实验所研究,然而,钴多吡啶配合物的DNA键合规律、DNA光裂解性质及DNA作用机理在实验上尚未真正弄清楚,在理论上的研究更为罕见。因此,在实验的基础上,进行上述钴(Ⅲ)多吡啶配合物性质的理论研究,对于设计及合成新型钴(Ⅲ)多吡啶配合物具有十分重要的意义。
本论文运用Gaussian03程序包,采用密度泛函理论(DFT)、含时密度泛函理论(TDDFT)、HF(Hartree-Fock)从头计算及单组态相互作用的(CIS)方法,对若干系列钴(Ⅲ)多吡啶配合物DNA键合倾向、DNA光裂解机理及光谱性质进行理论研究。通过研究系列钴(Ⅲ)多吡啶配合物的几何结构和电子结构,解释配合物的DNA键合性质,获得其调控规律。同时,通过研究钴(Ⅲ)多吡啶配合物基态和激发态的几何结构和电子结构等方面性质,初步探讨了这些配合物的DNA光裂解机理。最后,运用对接软件Dock6.2,把钴(Ⅲ)多吡啶配合物对接到DNA碱基对中,从总体模型上,研究其配合物与DNA碱基对作用的部位、键合性质、电子结构及光谱性质等。
本论文共包括六章:
第一章绪论。综述了量子化学的基本方法和钴多吡啶配合物的研究进展,阐明本论文所选课题的意义。
第二章钴多吡啶配合物[Co(bpy)2(L)]3+(L=pip,odhip,hnoip)(1-3)的DNA键合倾向、光谱性质及主配体的调控作用。主要采用DFT方法,通过研究配合物1-3基态几何结构和电子结构,解释不同取代基对钴(Ⅲ)多吡啶配合物DNA键合倾向的影响,获得主配体调控规律。同时,用TDDFT方法计算配合物的电子吸收光谱,并模拟配合物的电子吸收光谱图。模拟结果表明,以在溶液中优化的配合物结构为基础,在溶液中计算的电子吸收光谱和实验结果吻合较好,这说明溶剂效应对带有较多正电荷的钴(Ⅲ)多吡啶配合物的电子吸收光谱影响较大。
第三章钴多吡啶配合物[Co(L)2(pip)]3+(pip=2-phenylimidazo[4,5-f]-phenanthroline),L=phen(1,10,)phenanthroline,bpy(2,2-bipyridine),en(ethylenediamine)]的DNA键合倾向、光谱性质及辅助配体的调控作用。主要采用DFT方法,通过研究配合物基态几何结构和电子结构,解释不同取代基对钴(Ⅲ)多吡啶配合物的DNA键合倾向的影响,获得辅助配体的调控规律。同时,用TDDFT方法计算配合物的电子吸收光谱,并模拟配合物的电子吸收光谱图。模拟结果进一步表明,以溶液中优化的配合物结构为基础,在溶液中计算的电子吸收光谱和实验结果吻合较好,说明对钴(Ⅲ)多吡啶配合物电子吸收光谱的计算考虑溶液效应是必要的。
第四章钴多吡啶配合物[Co(phen)2L]3+(L=pip,hpip,hnaip)的DNA键合倾向、光谱性质及光裂解机理的理论研究。采用DFT方法,通过研究配合物基态的几何结构和电子结构,分析了配合物主配体内分子氢键和主配体共轭面积对配合物DNA键合倾向的影响;并用TDDFT方法计算、模拟和解释了配合物的电子吸收光谱,得到与实验相符的良好结果。特别是,采用HF和CIS方法研究了配合物基态和最低三重激发态的几何与电子结构,并从光诱导电荷分布变化(或跃迁)的角度初步探讨了钴(Ⅲ)多吡啶配合物的DNA光裂解机理。
第五章钴、钌多吡啶配合物的光谱性质及DNA光裂解机理的比较。选择了两个钴、钌配合物进行研究。采用TDDFT方法,计算了这两个配合物的电子吸收光谱,并对实验上测得的这两个配合物的强吸收带进行了详细解释,分析了溶剂效应对钴、钌配合物电子吸收光谱的影响。同时,用HF和CIS方法计算了它们的基态和激发态的几何与电子结构,分析了配合物基态和最低三重激发态的电荷布居,探讨了它们不同的DNA光裂解机理。最后,总结归纳这两种不同金属的多吡啶配合物在光谱性质及DNA光裂解机理上的重要区别。
第六章钴多吡啶配合物与DNA对接的理论研究。运用对接软件Dock6.2,把钴(Ⅲ)多吡啶配合物对接到DNA碱基对中,从总体模型上,研究钴(Ⅲ)多吡啶配合物与DNA碱基对作用的部位、键合规律、电子结构及光谱性质,深入解释有关的实验现象。
本论文尚有一些不足之处,如研究的一些系列配合物缺乏在同一实验条件下测定的可作定性/定量比较的数据,使论文的深入讨论、调控规律的研究以至论文的学术水平受到一定影响。钴多吡啶配合物DNA光裂解机理及DNA对接的研究是当前国际生物无机化学领域的一个前沿、交叉及具有广阔应用前景的课题,本论文的研究工作及其所获得的规律还是很初步的。今后要将量子化学与计算化学的多种方法有效地结合起来,从配合物与DNA作用的整体模型上探索活性部位、键合规律及光裂解机理,使该课题的研究提高到新的水平。