腺嘌呤和质子化腺嘌呤的结构和振动光谱(完整版)实用资料.doc
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1、腺嘌呤和质子化腺嘌呤的结构和振动光谱(完整版)实用资料(可以直接使用,可编辑 完整版实用资料,欢迎下载)Article物理化学学报(Wuli Huaxue Xuebao Acta Phys.-Chim.Sin .,2021,25(8:1605-1610August Received:March 5,2021;Revised:April 29,2021;Published on Web:June 11,2021.*Corresponding author.Email:dywuxmu.edu ;Tel:+86-592-2189023.The project was supported by the
2、 National Natural Science Foundation of China (20573087,National Key Basic Research Program of China (973(2007CB815303,2021CB930703and Program for New Century Excellent Talent (NCETin Universities of Fujian Province,China.国家自然科学基金(20573087、国家重点基础研究发展计划(973项目(2007CB815303、2021CB930703和福建省高等学校新世纪人才支持计
3、划项目(NCET资助鬁Editorial office of Acta Physico -Chimica Sinica腺嘌呤和质子化腺嘌呤的结构和振动光谱梁晓静崔丽吴德印*田中群(固体表面物理化学国家重点实验室,厦门大学化学化工学院化学系,福建厦门361005摘要:用密度泛函方法B3LYP/aug -cc -pVTZ 分析了腺嘌呤和质子化腺嘌呤的低能稳定异构体的结构和振动光谱.结果发现,对于中性腺嘌呤分子,腺嘌呤的异构体N9H 比N7H 的能量低32.76kJmol -1(在极化连续模型下为6.28kJ mol -1.基于标度量子力场方法所得到的势能分布,对异构体N9H 的部分振动基频重新进行
4、了归属.在极化连续模型下,质子化腺嘌呤分子有5种低能稳定构型,其中N1位质子化的9-位氢腺嘌呤最为稳定.基于振动模式分析,对这种最稳定构型的振动基频进行了归属,并对腺嘌呤在pH=1的高氯酸溶液中的实验拉曼光谱进行了指认.关键词:腺嘌呤;密度泛函理论;振动光谱;质子化腺嘌呤中图分类号:O641Structures and Vibrational Spectra of Adenine and Protonated AdenineLIANG Xiao -JingCUI LiWU De -Yin *TIAN Zhong -Qun(State Key Laboratory of Physical Che
5、mistry of Solid Surfaces,Dopartment of Chemistry,College of Chemistry and ChemicalEngineering,Xiamen University,Xiamen 361005,Fujian Province,P.R.China Abstract :The structures and vibrational spectra of neutral and protonated adenine molecules were calculated at the B3LYP/aug -cc -pVTZ level.For ne
6、utral adenine,the N9H adenine configuration is more stable in energy of about 32.76kJ mol -1(6.28kJ mol -1by using the polarization continuous model (PCMthan N7H adenine.Based on the potential energy distribution (PEDcalculated using the scaled quantum mechanical field (SQMFprocedure,we corrected th
7、e assignments of some N9H adenine fundamental vibrations.There are five stable configurations for protonated adenine and the isomer of adenine that is protonated at the N1position is the most stable.Based on vibration analysis,we assigned the fundamental vibrations of this configuration and analyzed
8、 the Raman spectra of adenine in the HClO 4(pH=1solution.Key Words :Adenine;Density functional theory;Vibrational spectrum;Protonated adenine由于腺嘌呤及其衍生物是核酸和储能分子ATP 的重要组成部分,同时很多重要的生物过程诸如碱基错配、核苷酸的自聚作用以及由DNA 中互补碱基对的氢键质子隧道所引起的自发点突变等都与核酸碱基质子化有关,尤其涉及腺嘌呤质子化的参与1.虽然已经有较多有关该分子的振动光谱的实验和理论研究2-8,但至今对质子化腺嘌呤分子的振动光谱
9、的归属仅限于理论上HF/STO -3G 低水平指认1以及实验上的经验指认9,10.因此,进一步研究质子化腺嘌呤的分子结构以及质子化对其振动光谱的影响在振动光谱应用于生命科学上有着重要意义1.1605Acta Phys.-Chim.Sin.,2021Vol.25至今有关腺嘌呤分子的振动光谱实验数据有:腺嘌呤在低温氩基质下的红外光谱3,腺嘌呤晶体的红外1和拉曼光谱11,质子化腺嘌呤在固相9和气相10的红外光谱.由于该分子在低温氩基质下红外光谱的谱峰信噪比相对较好,而且分子间相互作用较小,因此本文同时参照了该实验的研究工作3,10.本文采用B3LYP 12-16/aug -cc -pVTZ 17方法
10、计算腺嘌呤分子和质子化腺嘌呤的可能低能构型,并基于标度量子力场方法以及结合理论计算和实验测量谱频率和强度对最稳定结构的振动基频进行了指认.通过比较前人对该分子基频归属的分析2-4,我们对腺嘌呤分子的个别谱峰的归属进行了校正,对质子化谱峰提出了新的指认.1理论计算方法和实验条件采用Gaussian 03程序包18中的B3LYP 方法得到了9-位氢腺嘌呤和7-位氢腺嘌呤的优化构型(图1;在相同的计算水平上,采用极化连续模型以水作溶剂优化了质子化腺嘌呤的5种低能构型(图1.所有计算中的C 、N 和H 原子均采用aug -cc -pVTZ 基组,其中cc -pVTZ 是Dunning 基组,aug 表
11、示包含弥散函数.为了进行振动分析,采用Pulay 标度量子力场方法19.首先在相同理论水平上计算了腺嘌呤和质子化腺嘌呤的直角坐标下的谐性力常数,然后将直角坐标下的力常数转化为内坐标下的力常数矩阵F DFT ij ,再对力常数进行校正:F scaled ij =(C i C j 1/2F DFT ij其中,C i 为第i 个坐标所对应力常数的标度因子,F DFT ij 是B3LYP 方法计算得到的内坐标力常数矩阵,F scaled ij为标度力常数矩阵.基于现有的计算方法和基组,本文中除对具有高频的C H 、N H 和NH 2的伸缩振动采用标度因子0.935外,对腺嘌呤分子的内坐标采用的标度因子
12、均为0.96320;由于我们是采用PCM 模型水作溶剂的条件下计算质子化腺嘌呤的优化结构和振动光谱的,比较其与腺嘌呤分子在酸性溶液中得到的拉曼光谱的数值,我们对其内坐标所采用的标度因子为0.990.然后按照GF (Wilson GF matrix矩阵方法得到标度后的振动频率和势能分布(PED,对振动模式进行了归属,振动分析中腺嘌呤分子的内对称坐标定义与Xue 等2定义的相同,而质子化腺嘌呤分子的定义则为s 1-s 16,s 18-s 28,s 30-s 33,s 35-s 42,分别与Xue 等2定义的s 1-s 16,s 17-s 27,s 28-s 31,s 32-s 39相同,与质子相关
13、的三个内坐标则分别定义为s 17=L (1,16,s 29=(2-1/2(2,1,16-(6,1,16,s 34=D (1,6,2,16.这里si 是内对称坐标,i 代表内对称坐标的编号,详细参照文献2.实验观测到的拉曼散射强度正比于微分拉曼散射截面.在谐振子模型近似下,微分拉曼散射截面可以表示为20-22:d i=(2445h 82c 軌i(軌0-軌i 41-exp(-hc 軌i/k BT S i上式中,c 、h 、k B 和T 分别是真空中的光速、Planck 常数、Boltzmann 常数和体系所处的绝对温度(298K,軌i 是第i 个振动模式的振动频率(cm -1,軌0是激发光的频率(
14、cm -1,而拉曼散射因子S i 来自B3LYP 计算.本论文中对于固体腺嘌呤分子(C 5H 5N 5,纯度99%,Alfa Aesar 公司拉曼光谱的测量采用法国Dilor 公司生产的LabRam I 型共焦显微拉曼光谱仪,使用He -Ne 激光器,激发线波长为632.8nm ,选择透镜为50倍,数值孔径(NA为0.55,工作距离(WD为8mm;对于腺嘌呤分子在pH=1的高氯酸(优级纯溶液中拉曼光谱的测量采用英国Renishaw 公司生产的UV -Vis R 1000共聚焦显微拉曼光谱仪,使用He -Cd 激光器,激发线波长为325.0nm,选择15倍紫外透镜,数值孔径为0.32,工作距离为
15、8.5mm.仪器的详细细节可参照文献23,24.2结果与讨论2.1相对稳定性和分子结构在B3LYP/aug -cc -pVTZ 水平下,腺嘌呤分子的两种构型(N9H 和N7H中,N9H 异构体比N7H 的能量低32.76kJ mol -1(表1.在同样水平下在极化连 图1腺嘌呤以及质子化腺嘌呤的构型以及原子标号Fig.1Structures and atomic numberings of N9H,N7H and five low -energy configurations of protonatedadenine1606No.8梁晓静等:腺嘌呤和质子化腺嘌呤的结构和振动光谱续模型以水作溶剂
16、的条件下得到了这两种构型在水溶液中的稳定结构,同样N9H 的能量更低,但与N7H 的能差减小为6.28kJ mol -1(表1.这主要是由于N7H 和N9H 之间偶极矩相差较大,其分别为2.3010-29和7.9110-30C m,导致在考虑溶剂化的条件下N7H 和N9H 之间的能差减少了26.48kJ mol -1(表1.因此,依据Boltzmann 分布,这两种异构体在水溶液中的比例约为12125,26,而在低温气相氩基质中,腺嘌呤主要以N9H 构型存在2-4.采用水作溶剂的极化连续模型得到腺嘌呤5种质子化异构体的构型如图1.表1列出了5种构型在气相和考虑PCM 模型时计算的相对能量.结果
17、表明在酸性溶液中N1位质子化的N9H 异构体(图1,P1N9是最稳定的,这与文献27的结果是一致的.表2列出的是计算得到的孤立的N9H 、水溶剂化下的N9H 和水溶剂化下的P1N9以及实验测到的腺嘌呤晶体中的结构参数,由于得到的实验数据的局限性,我们得到自由分子的C6N10键的键长比实验测得的长了0.0013nm.我们发现溶剂化效应或N1位质子化均使该键的键长缩短.理论计算该分子转动常数(A =2361.9,B =1576.1,C =947.3与在氩基质中测到的实验值(A =2371.9,B =1573.4,C =946.329接近.因此,理论结构与实验的偏差主要是由腺嘌呤晶体的分子间氢键作用
18、所引起的.质子化使腺嘌呤分子的结构发生了较大变化.从表2中的实验结果来看,质子化使N9H 结构中的共轭大键的电子云分布变形而使N1C2和N1C6键的成键作用削弱,从而键长增加,同时其力常数也发生了相应的减小.但与之相邻的C2N3和C6N10键长缩短,力常数增大.(C2N1C6以及其相邻的两个角(N1C2N3和(N1C6C5在质子化前后的变化最大(分别增加了4.4以及减少了3.5和3.3.质子化后P1N9氨基与嘌呤环几乎处于同一平面(D (N1C6N10H15=0.1,其相应的剪式振动模式的力常数(从106N m -1减小到48N m -1以及摇摆振动模式的力常数(从92N m -1减小到58N
19、 m -1也发生了明显减小.质子化在N1位使N9H 面外弯曲模式的力常数也增大,因此N1位质子化更有利于N9H 构型的稳定.2.2腺嘌呤分子的振动光谱对于腺嘌呤分子,我们对大部分基频的指认都与以前的研究工作相一致2-8.图2a 和2b 分别是我们理论模拟和实验观测的腺嘌呤分子的拉曼光谱.基于标度量子力场方法,我们在基频的归属上与Giese 和McNaughton 在2002年的归属取得了一致8.计算得到的基频与在低温氩基质下得到的实验红外光谱相比3,存在四个偏差超过10cm -1的谱峰,它们分别是与NH 2的剪式振动或者摇摆振动相关的谱峰,实验频率为1633、1599、1229和1005cm
20、-1,它们相应的理论计算标度频率分别是1623、1579、1219及990cm -1.我们认为其偏差主要是我们得到的C6N10键偏长引起理论上低估氮原子上孤对电表1在B3LYP/aug -cc -pVTZ 级别下计算得到的7种构型的相对能量值Table 1The relative energies of neutral and protonated adenine molecules calculated atB3LYP/aug -cc -pVTZ levelaThe unit of the energy is in kJ mol -1;busing PCM model;cThe total
21、energies of N9H and P3N7are -467.49634and -467.87011a.u.,respectively;dThe total energies of N9H and P1N9are -467.52400and -467.98089a.u.using the PCM model,respectively.Energy aNeutral adenine Protonated adenineN9H P1N9P3N7P3N9P7N9P1N7E 0c1.510c6.8435.5845.78E s b0d 0d1.647.113.749.59表2中性腺嘌呤以及质子化腺嘌
22、呤的优化几何结构aTable 2Optimized geometries of neutral adenine and protonated adenine aabond length in nm,bond angle and dihedral angle in degree;bB3LYP/aug -cc -pVTZ;cB3LYP/aug -cc -pVTZ combining the PCM model;dfrom Ref.28,and they are average values from 21crystal structures of adenine;efrom Ref.28,and
23、they are average values from13crystal structures of protonated adenine.L (N1C2L (C2N3L (N1C6L (C6N10(N1C2N3(N1C6C5(C2N1C6D (N1C6N10H14D (N1C6N10H15calc.1b0.13380.13320.13490.1337129.0117.6118.8protonated adenine calc.c0.1expt.e0.13620.13060.13600.1322125.5114.3123.2neutral adenine1607Acta Phys.-Chim
24、.Sin.,2021Vol.25 子与苯环的共轭作用,从而引起的NH 2剪式振动以及NH 2摇摆振动的力常数偏低导致的.同时峰1612cm -1(主要是由键C2N3伸缩振动(PED 32引起的和802cm -1(主要是由六元环扭转1(PED 45以及五元环扭转1(PED 32引起的也与理论值(1600和813cm -1有一定的偏差,其余的谱峰均与实验吻合.我们对于腺嘌呤在低温气相氩基质中红外光谱的指认与Nowak 等3在1996年、Xue 等2在2000年的指认进行比较,主要存在差别有如下五点:(1我们认为实验得到的红外峰927cm -1主要是由五元环畸变I(PED 76引起的,这与Xue 等
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