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离子液体(ILs)是一类在室温下完全由阳离子和阴离子组成并通过静电相互作用结合的有机液体物质.离子液体作为新兴的绿色溶剂已广泛应用于科学研究和工业领域中,但由于离子液体生物相容性强及生物降解性弱的特性,最终会不可避免地与生物体接触,对生命健康具有潜在的危害性.因此,详细了解离子液体导致基因毒性的作用机制至关重要.除了实验研究,通过理论计算探讨离子液体与DNA的相互作用机理也是了解离子液体基因毒性的重要途径之一.
本论文基于量子化学,通过理论计算研究了溴化咪唑类离子液体对DNA碱基对AT和GC结构和性质的影响.主要探讨[AT/GC-jBr-](j=1~4)、AT/GC-[Cnmim]Br(n=2,4,6,8,10)和AT-[C2mim]Br-6H2O作用体系的几何结构、能量学、振动光谱和原子电荷分布等性质.首先,我们详细计算了阳离子烷基侧链碳原子个数为2和4的作用体系,在此体系中AT/GC-[Cnmim]Br(n=2,4)相对吉布斯自由能差在10kJ·mol-1的构型基础上,计算了后续的阳离子烷基侧链增长的作用体系AT/GC-[Cnmim]Br(n=6,8,10).为了使研究体系更符合实际应用环境,论文中采用极化连续介质模型(PCM)考虑了溶剂化效应.论文由以下三个部分构成.
第一部分选择了5种密度泛函方法结合9种基组计算碱基对结构,与通过实验测得的结构和能量数据进行比较,筛选出碱基对研究体系的最优计算水平为M06-2X/6-311+G(2d,p).计算结果显示,自由状态下GC碱基对的结合能大于AT的结合能,考虑溶剂效应后,碱基对的结合能均降低,同时碱基对中氢键相关键的振动频率均发生了不同程度的红移或蓝移.AT碱基对中是由A向T碱基转移电子,GC碱基对是由C向G碱基转移电子,考虑溶剂化效应后,C向G碱基转移的电子量增加,而A向T碱基转移的电子量减少.通过静电势分析,明确了碱基对与离子液体的最佳结合位点.
第二部分应用M06-2X/6-311+G(2d,p)计算水平,计算了水溶液中AT碱基对与溴化咪唑类离子液体的作用体系,重点探讨了AT-[Cnmim]Br(n=2,4,6,8,10)和[AT-[C2mim]Br-6H2O]体系,依据离子液体和碱基对作用的空间位置形成三种配位类型:阴阳离子协同作用、阴阳离子独立作用和阴阳离子串级作用.结果显示,离子液体对碱基对结构影响显著,且三种作用模式对氢键的影响存在差异.当离子液体与碱基对形成串级作用模式时,AT碱基对平面扭曲最为明显,且碳链越短,扭曲程度越大.显示水溶剂对碱基对氢键的结构变化较大,氢键键能和变形能略微增强.随着咪唑环烷基侧链的增长,三种配位模式中最稳定结构的构型有所不同,以阴阳离子协同作用参与配位时的结构最为稳定,但其总结合能未显示出明显的变化规律.[C6mim]Br与碱基对的结合作用最强.与溴阴离子作用的腺嘌呤N9-H键振动频率均发生了红移.当阳离子与碱基形成串级作用结构时,胸腺嘧啶N3-H键的振动频率均发生了蓝移.AIM分析发现,随着阳离子烷基侧链的增长,AT碱基对氢键在BCP处的ρ(r)和▽2ρ(r)数值无明显变化,当[C6mim]Br作用于腺嘌呤环平面上方时,碱基对氢键的作用强度较强.三种配位类型中离子液体向碱基对的电荷转移情况不同,对于阴阳离子协同作用构型,复合物中主要是由离子液体向A碱基转移了电子.
第三部分应用相同的计算方法,考察了GC碱基对与溴化咪唑类离子液体的作用体系.计算结果显示,在GC-[Cnmim]Br(n=2,4,6,8,10)体系中,阴阳离子串级作用结构对GC碱基对的影响强于阴阳离子协同作用结构.[C6mim]Br与GC碱基对作用时结合能最强,[C4mim]Br作用时GC碱基对的变形能最大.振动频率计算表明,碱基对配对氢键的振动频率变化与离子液体的配位方式有关,其中鸟嘌呤N1-H键振动频率受其影响较大.AIM分析发现,离子液体与碱基对均形成了氢键,且GC碱基对中三根氢键强度存在差异,以N1?H…N3氢键的强度最强.原子电荷分析表明,阴阳离子串级作用结构中的电荷转移数比协同作用结构中的电荷转移数少,主要是由离子液体和G碱基同时向C碱基转移电子.
本论文基于量子化学,通过理论计算研究了溴化咪唑类离子液体对DNA碱基对AT和GC结构和性质的影响.主要探讨[AT/GC-jBr-](j=1~4)、AT/GC-[Cnmim]Br(n=2,4,6,8,10)和AT-[C2mim]Br-6H2O作用体系的几何结构、能量学、振动光谱和原子电荷分布等性质.首先,我们详细计算了阳离子烷基侧链碳原子个数为2和4的作用体系,在此体系中AT/GC-[Cnmim]Br(n=2,4)相对吉布斯自由能差在10kJ·mol-1的构型基础上,计算了后续的阳离子烷基侧链增长的作用体系AT/GC-[Cnmim]Br(n=6,8,10).为了使研究体系更符合实际应用环境,论文中采用极化连续介质模型(PCM)考虑了溶剂化效应.论文由以下三个部分构成.
第一部分选择了5种密度泛函方法结合9种基组计算碱基对结构,与通过实验测得的结构和能量数据进行比较,筛选出碱基对研究体系的最优计算水平为M06-2X/6-311+G(2d,p).计算结果显示,自由状态下GC碱基对的结合能大于AT的结合能,考虑溶剂效应后,碱基对的结合能均降低,同时碱基对中氢键相关键的振动频率均发生了不同程度的红移或蓝移.AT碱基对中是由A向T碱基转移电子,GC碱基对是由C向G碱基转移电子,考虑溶剂化效应后,C向G碱基转移的电子量增加,而A向T碱基转移的电子量减少.通过静电势分析,明确了碱基对与离子液体的最佳结合位点.
第二部分应用M06-2X/6-311+G(2d,p)计算水平,计算了水溶液中AT碱基对与溴化咪唑类离子液体的作用体系,重点探讨了AT-[Cnmim]Br(n=2,4,6,8,10)和[AT-[C2mim]Br-6H2O]体系,依据离子液体和碱基对作用的空间位置形成三种配位类型:阴阳离子协同作用、阴阳离子独立作用和阴阳离子串级作用.结果显示,离子液体对碱基对结构影响显著,且三种作用模式对氢键的影响存在差异.当离子液体与碱基对形成串级作用模式时,AT碱基对平面扭曲最为明显,且碳链越短,扭曲程度越大.显示水溶剂对碱基对氢键的结构变化较大,氢键键能和变形能略微增强.随着咪唑环烷基侧链的增长,三种配位模式中最稳定结构的构型有所不同,以阴阳离子协同作用参与配位时的结构最为稳定,但其总结合能未显示出明显的变化规律.[C6mim]Br与碱基对的结合作用最强.与溴阴离子作用的腺嘌呤N9-H键振动频率均发生了红移.当阳离子与碱基形成串级作用结构时,胸腺嘧啶N3-H键的振动频率均发生了蓝移.AIM分析发现,随着阳离子烷基侧链的增长,AT碱基对氢键在BCP处的ρ(r)和▽2ρ(r)数值无明显变化,当[C6mim]Br作用于腺嘌呤环平面上方时,碱基对氢键的作用强度较强.三种配位类型中离子液体向碱基对的电荷转移情况不同,对于阴阳离子协同作用构型,复合物中主要是由离子液体向A碱基转移了电子.
第三部分应用相同的计算方法,考察了GC碱基对与溴化咪唑类离子液体的作用体系.计算结果显示,在GC-[Cnmim]Br(n=2,4,6,8,10)体系中,阴阳离子串级作用结构对GC碱基对的影响强于阴阳离子协同作用结构.[C6mim]Br与GC碱基对作用时结合能最强,[C4mim]Br作用时GC碱基对的变形能最大.振动频率计算表明,碱基对配对氢键的振动频率变化与离子液体的配位方式有关,其中鸟嘌呤N1-H键振动频率受其影响较大.AIM分析发现,离子液体与碱基对均形成了氢键,且GC碱基对中三根氢键强度存在差异,以N1?H…N3氢键的强度最强.原子电荷分析表明,阴阳离子串级作用结构中的电荷转移数比协同作用结构中的电荷转移数少,主要是由离子液体和G碱基同时向C碱基转移电子.