肖 祎，方 意，劉玉震，馬飛燕，冀利妃

（西南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，重慶 400715）

核酸中堿基的氫鍵作用機(jī)理及電子特征理論研究

肖 祎＊，方 意，劉玉震，馬飛燕，冀利妃

（西南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，重慶 400715）

采用耦合簇量子化學(xué)方法CCSD／aug－cc－pVDZ研究了嘧啶與嘌呤之間的相互作用，利用基函數(shù)疊加誤差法（BSSE）消除相互作用能誤差，并進(jìn)行了幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化；采用Gaussian 03程序包中的NBO程序分析了二階穩(wěn)定化能及自然鍵軌道.與此同時(shí)，應(yīng)用約化密度函數(shù)（RDG）填色等值面圖對(duì)體系進(jìn)行了圖形化分析，分析了氫鍵相互作用所在的空間位置和相對(duì)強(qiáng)度，以及氫鍵相互作用的性質(zhì)，以進(jìn)一步了解二者的相互作用.結(jié)果表明，嘧啶－嘌呤體系的相互作用屬于閉合殼層靜電相互作用.電子密度躍遷矩陣分析結(jié)果表明，激發(fā)區(qū)域主要集中在N原子和O原子處，涉及的空間廣度很大，第一激發(fā)態(tài)主要涉及前線分子軌道，屬于σ→π＊或n→π＊類型躍遷.

核酸；堿基；氫鍵作用機(jī)理；電子特征；理論研究

1953年WATSON和CRICK發(fā)現(xiàn)了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)［1－2］，兩條多聚核苷酸鏈相互反平行盤繞成雙螺旋；互補(bǔ)堿基由位于螺旋內(nèi)部的氫鍵聯(lián)結(jié)，其平面垂直于螺旋軸.堿基對(duì)通過氫鍵作用形成一定的空間結(jié)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)具有調(diào)節(jié)基因表達(dá)的生物功能，與動(dòng)植物生長發(fā)育、疾病發(fā)生有著密切關(guān)系.有了堿基間氫鍵［3－4］的作用才能構(gòu)成豐富復(fù)雜的DNA分子，如果沒有堿基之間的氫鍵，就不可能組裝成DNA雙螺旋鏈；因此核堿基氫鍵的研究越來越受到科學(xué)工作者的重視.氫鍵無處不在，是自然界中很重要的相互作用方式，它已滲透到化學(xué)、生物、物理以及材料科學(xué)等［5－7］領(lǐng)域.維持DNA雙螺旋鏈主要是互補(bǔ)堿基間的氫鍵、堿基堆積力［8］等，氫鍵是維系和促進(jìn)蛋白質(zhì)與核酸高級(jí)結(jié)構(gòu)形成的重要作用力，基因突變損傷時(shí)氫鍵的變化與基因的特殊生物學(xué)行為密切相關(guān).大連化學(xué)物理研究所的霍紅等［9］曾對(duì)乳腺癌組織中蛋白質(zhì)與核酸分子氫鍵進(jìn)行了紅外光譜研究，癌組織具有明顯而有規(guī)律的光譜特征，因此有可能利用氫鍵的光譜特征作為診斷和預(yù)測(cè)突變可能性的指標(biāo)，在生命科學(xué)上有著重要意義.

核酸堿基中，主要存在N－H…N及N－H…O兩種強(qiáng)氫鍵類型，靜電引力導(dǎo)致分子間超共軛效應(yīng)起主要作用，而分子內(nèi)共軛及原子雜化效應(yīng)都可以忽略.ALABUGIN［10］理論能夠很好的解釋氫鍵位移的形成，氫鍵的紅移和藍(lán)移的形成原因主要是分子間超共軛效應(yīng)和原子軌道重雜化兩種效應(yīng)共同決定的，當(dāng)超共軛效應(yīng)大于重雜化效應(yīng)時(shí)形成紅移氫鍵，反之則形成藍(lán)移氫鍵.分子間和分子內(nèi)超共軛能大小是其效應(yīng)強(qiáng)弱的具體體現(xiàn).NBO分析分子間和分子內(nèi)共軛二階穩(wěn)定化能有助于對(duì)氫鍵形成機(jī)理進(jìn)行解釋.HOBZA等［11］提出用兩步機(jī)理理論解釋藍(lán)移氫鍵的形成，即電荷轉(zhuǎn)移到電子受體的σ＊（N－H）反鍵軌道或具有孤對(duì)電子原子上，導(dǎo)致質(zhì)子給體原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生重排，電荷分布均增大從而導(dǎo)致X－H鍵伸長、頻率減小.本文作者主要采用上述作用機(jī)理對(duì)σ＊（N－H）作為質(zhì)子給體與n（N、O）作為質(zhì)子受體形成的紅移氫鍵作用機(jī)理進(jìn)行解釋.

1 計(jì)算方法

所有單體和復(fù)合物結(jié)構(gòu)均采用耦合簇（CCSD）方法［12］結(jié)合aug－cc－pVDZ基組進(jìn)行了全優(yōu)化，并在優(yōu)化的基礎(chǔ)上做頻率分析.CCSD方法證實(shí)適用于氫鍵相互作用的研究［13］，能量經(jīng)基函數(shù)疊加誤差法（BSSE）［14］消除誤差，得到校正后相互作用能ΔEBSSE，所有計(jì)算都采用Gaussian 03［15］程序包完成.其后采用該程序包中的NBO程序?qū)ζ溥M(jìn)行自然鍵軌道分析.應(yīng)用約化密度梯度（RDG）［16］填色等值面圖對(duì)體系進(jìn)行了圖形化分析，RDG填色等值圖使用VMD程序繪制，在優(yōu)化好的復(fù)合物結(jié)構(gòu)中，各方向格點(diǎn)數(shù)為80，80，80來計(jì)算空間內(nèi)各點(diǎn)的RDG函數(shù)和sign［λ2（r）］ρ（r）函數(shù)的值；此外采用AIM［17］方法分析氫鍵的成鍵路徑和鍵臨界點(diǎn)，通過分析鍵的臨界點(diǎn)的拓?fù)湫再|(zhì)，討論電子密度、拉普拉斯量與氫鍵強(qiáng)弱的關(guān)系，從而說明堿基間確實(shí)形成了氫鍵.

2 結(jié)果與討論

2.1 幾何構(gòu)型、頻率及相互作用能

所有復(fù)合物的優(yōu)化構(gòu)型示于圖1，紅色數(shù)字為氫鍵鍵長（nm），綠色為鍵角（°）.具有孤對(duì)電子的n（N）和n（O）作為質(zhì)子受體形成的N…H－N、O…H－N鍵角均在175°～179°之間（趨于直線型），而較弱的O…H－C氫鍵的鍵角為132.34°.表1列出了嘧啶與嘌呤形成的未校正（ΔE）和BSSE校正過的相互作用能（ΔEBSSE）.未校正的相互作用能與校正過的相互作用能均為負(fù)值，說明形成的復(fù)合物為穩(wěn)定構(gòu)型.鳥嘌呤與胞嘧啶相互作用能的絕對(duì)值最大，說明其最為穩(wěn)定.由于腺嘌呤是尿嘧啶的甲基化衍生物，它們具有類似的分子結(jié)構(gòu)，所以A－T與A－U的穩(wěn)定性相近.在A－T與A－U中由于存在三個(gè)不等價(jià)氫原子，所以形成了N－H…N、N－H…O和C－H…O三種氫鍵.由于C－H…O鍵長較長、鍵角很小，屬于彎曲型的藍(lán)移氫鍵，它們對(duì)體系的穩(wěn)定性貢獻(xiàn)小，本文可以忽略其影響.綜合分析堿基間只存在兩種較強(qiáng)氫鍵形式：N－H…N和N－H…O，A－T及A－U的兩個(gè)氫鍵結(jié)構(gòu)使堿基間形成了一個(gè)類似八元環(huán)平面結(jié)構(gòu)；同時(shí)鳥嘌呤與胞嘧啶形成了N…H－N及兩個(gè)N－H…O氫鍵，三個(gè)氫鍵結(jié)構(gòu)使堿基間形成了兩個(gè)類似八元環(huán)的結(jié)構(gòu).鍵的對(duì)稱性及極化作用使N…H－N強(qiáng)于O…H－N，理論上氫鍵對(duì)復(fù)合物穩(wěn)定性貢獻(xiàn)順序：N…H－N＞O…H－N＞＞O…H－C.

圖1 幾何結(jié)構(gòu)及相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.1 Geometric structure and the relate structural parameters

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)變化，能量分析以及NBO分析Table 1 Structural parameter change，energy and NBO analysis

從表1可知，相互作用能ΔE的大小往往與復(fù)合物的幾何結(jié)構(gòu)緊密相聯(lián)，與單體相比，N－H鍵均出現(xiàn)伸長、振動(dòng)頻率減小，屬于傳統(tǒng)的紅移類型氫鍵.在這些紅移氫鍵中，N－H鍵長伸長明顯，δr普遍大于0.016 0nm，頻率改變也很大，δv大于100cm－1.頻率紅移程度與前面給出的相互作用能相關(guān)，從計(jì)算的結(jié)果看，三個(gè)堿基對(duì)的相互作用能分別為：－12.53，－23.89，－13.31kcal／mol.NBO理論可以從軌道相互作用的角度來理解氫鍵的形成機(jī)理，同時(shí)也可清楚地了解每個(gè)原子的電荷變化及原子軌道雜化情況δs，N－H鍵的氮原子s軌道成分均明顯增大（1.12%～7.24%），說明存在較大的原子重雜化效應(yīng)，同時(shí)鍵的極化（δpol）值（－4.79%～－2.06%）為較大的負(fù)值，說明存在很大的負(fù)極化效應(yīng)；最終N－H鍵在較強(qiáng)的正重雜化效應(yīng)和負(fù)的極化效應(yīng)共同作用下出現(xiàn)明顯的紅移現(xiàn)象.堿基環(huán)本身可以看成較大的π電子體系，所以形成的主要是π型氫鍵，電子離域程度越大形成的復(fù)合物穩(wěn)定性越大.相互作用能大小與氫鍵的類型和形成數(shù)目密切相關(guān)，鍵越強(qiáng)且數(shù)目越多體系就越穩(wěn)定.由于氫鍵O…H－C的鍵能比O…H－N與N…H－N小得多，屬于弱氫鍵.氫鍵增強(qiáng)了堿基在DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中的穩(wěn)定性，促使堿基更趨向于穩(wěn)定型構(gòu)型配對(duì)，在一定程度上避免了堿基錯(cuò)配、DNA突變的發(fā)生.

ALABUGIN等［10］指出氫鍵出現(xiàn)紅移或藍(lán)移均可以使用超共軛和重雜化兩個(gè)概念來解釋.超共軛效應(yīng)會(huì)使N－H鍵伸長，而軌道重雜化效應(yīng)則會(huì)使N－H鍵長縮短，兩種效應(yīng)共同作用決定了N－H鍵長的改變和頻率的位移特征.電荷從含有孤對(duì)電子的成鍵軌道轉(zhuǎn)移到σ＊（N－H）反鍵軌道上，引起電子受體軌道電荷發(fā)生重排，分子間超共軛作用導(dǎo)致電荷轉(zhuǎn)移伸長效應(yīng)大于分子內(nèi)共軛及軌道雜化收縮效應(yīng).N原子與相鄰C原子間s軌道覆蓋增大導(dǎo)致N－C鍵收縮，因此氫鍵導(dǎo)致質(zhì)子給體N－H先收縮再伸長.而O…H－C氫鍵由于分子內(nèi)共軛效應(yīng)導(dǎo)致C與相鄰的N價(jià)層s軌道特性覆蓋減小，C－N鍵級(jí)減小而不足以消去C軌道雜化收縮效應(yīng)，分子間超共軛效應(yīng)被分子內(nèi)共軛效應(yīng)削弱而導(dǎo)致鍵長收縮，電荷分布不均、鍵級(jí)減小，出現(xiàn)藍(lán)移現(xiàn)象.

2.2 氫鍵的電子密度拓?fù)浞治?/h3>

BADER提出的AIM理論通過研究臨界點(diǎn)的電子密度拓?fù)湫再|(zhì)，把分子的性質(zhì)與構(gòu)成它的原子的性質(zhì)聯(lián)系了起來，并且給出了氫鍵的定義.POPELIE［18］在AIM理論基礎(chǔ)上提出了氫鍵判斷的標(biāo)準(zhǔn)：在H原子與質(zhì)子接受原子體Y之間存在臨界點(diǎn)（BCP）與相應(yīng)的成鍵路徑，兩原子都有各自的特征原子區(qū)域且相互穿透；氫鍵的BCP處的電荷密度在0.002～0.034a.u.之間，電子密度的拉普拉斯值▽2ρ在0.024～0.139a.u.之間，H原子凈電荷增大，能量增大，體積減小.根據(jù)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)體系的氫鍵進(jìn)行深入的研究，做出化學(xué)鍵的直觀的物理圖像，達(dá)到定量地描述化學(xué)鍵的性質(zhì)及強(qiáng)度的目的.臨界點(diǎn)處電子密度ρ（rc）的拓?fù)渲蹬c化學(xué)鍵的性質(zhì)密切相關(guān).一般鍵臨界點(diǎn)處的電子密度越大，則兩個(gè)原子之間的化學(xué)鍵越強(qiáng)，反之則越弱.因?yàn)棣眩∟…H－N）＞ρ（O…H－N）＞＞ρ（C－H…O），從而可知三個(gè)氫鍵的強(qiáng)弱順序：N…H－N＞O…H－N＞C－H…O.

圖2 電子電荷密度等值線圖Fig.2 Electron charge density contour map

為了更深入地了解形成氫鍵的本質(zhì)，我們對(duì)所有復(fù)合物進(jìn)行了電子密度拓?fù)浞治?，圖2給出了復(fù)合物的電子密度等值線圖，圖中紅色圓點(diǎn)為平面內(nèi)與面外的（3，－1）鍵臨界點(diǎn)，黃色圓點(diǎn)為作圖平面內(nèi)與面外的（3，＋1）環(huán)臨界點(diǎn).根據(jù)電子密度拓?fù)浞治鼋Y(jié)果，在N－H…Y之間均有鍵臨界點(diǎn)，表明存在Y…H－N氫鍵.隨著氫鍵的變長，鍵臨界點(diǎn)電子密度減小，N－H電子密度ρ（N－H）有所減小而與其相鄰的C－N鍵則有所增大.一般來說，在形成氫鍵時(shí)，質(zhì)子給體中主要是反鍵軌道受影響，成鍵軌道的電荷占據(jù)數(shù)變化不大.對(duì)于氫鍵，ρ（N－H）減小表明σ＊（N－H）電荷占據(jù)增大，因此質(zhì)子給體的部分電子密度轉(zhuǎn)移到相鄰的σ＊（CN）上；我們計(jì)算發(fā)現(xiàn)Y原子域中的電子密度增大，表明存在從質(zhì)子給體到質(zhì)子受體的電子轉(zhuǎn)移.

表2 氫鍵鍵臨界點(diǎn)及H原子的拓?fù)湫再|(zhì)分析（a.u.）Table 2 The topological properties analysis of the hydrogen bond at the bond critical point and H atom（a.u.）

按BADER的觀點(diǎn)，鍵臨界點(diǎn)處拉普拉斯量▽2ρ（rc）標(biāo)志著化學(xué)鍵的特性.表2數(shù)據(jù)顯示，H…Y間鍵臨界點(diǎn)的電子密度ρ在0.024 6～0.038 7a.u.之間，▽2ρ（rc）值在0.087 9～0.117 1a.u.之間，拉普拉斯值為正，表明氫相互作用是閉殼層作用.由于氫鍵，質(zhì)子供體與受體的鍵臨界點(diǎn)電子密度ρ（N－H）和ρ（Y）都有一定程度增大（后者更大）.H和Y原子相互滲透導(dǎo)致H均表現(xiàn)出電荷減小、能量增大及體積減小特征.成鍵后N和Y（N、O）的體積出現(xiàn)了明顯的收縮趨勢(shì)，強(qiáng)吸電子作用使其電子云密度增大導(dǎo)致原子體積縮小.總體來說供體原子體積均有明顯減小，因氫鍵的類型不同而有所差異，整體變化趨勢(shì)與成鍵越強(qiáng)收縮越明顯一致.此外分析分子間兩個(gè)環(huán)臨界點(diǎn)即（3，＋1），此點(diǎn)是勢(shì)能面上的鞍點(diǎn)，環(huán)臨界點(diǎn)的電子密度范圍為0.004 8～0.005 2a.u.，電子密度非常分散，分子間環(huán)的形成在一定程度上增強(qiáng)了氫鍵鍵合物的穩(wěn)定性，使DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定.

2.3 表面靜電勢(shì)分析

圖3列出了在CCSD／aug－cc－pVDZ水平下嘌呤和嘧啶的靜電勢(shì)［18］圖，圖中用不同的顏色標(biāo)記了不同區(qū)域靜電勢(shì)的大小，其中紅色表示具有較大的負(fù)的電勢(shì)，藍(lán)色表示具有較大的正的電勢(shì)，其他顏色如綠色和黃色等表示處于中間的電勢(shì).靜電勢(shì)由原子核與電子共同貢獻(xiàn)，原子核貢獻(xiàn)正值，電子貢獻(xiàn)負(fù)值.在成鍵區(qū)域、原子殼層區(qū)域，電子是聚集的，但由于離原子核太近，仍然基本是正值.而孤對(duì)電子區(qū)域，因電子富集且空間范圍彌散，離原子核有一定距離，所以能呈現(xiàn)負(fù)的靜電勢(shì).嘌呤和嘧啶的雜原子（N，O）附近都具有較大的負(fù)電勢(shì)，故能與其互補(bǔ)堿基的σ＊（N－H）等具有較大的正電勢(shì)的分子形成N－H…Y氫鍵.根據(jù)圖3可知在氫原子附近的分子表面上都存在靜電勢(shì)極大點(diǎn)，這是因?yàn)闅涞碾娯?fù)性小于碳、氧、氮，因此氫原子都顯正靜電勢(shì).由于氮原子比碳原子電負(fù)性強(qiáng)，故負(fù)的靜電勢(shì)更顯著，圖示中有些氫原子附近不像其他氫原子那樣有對(duì)應(yīng)的極大點(diǎn)，這是因?yàn)橄噜廚－H鍵的氫原子的正電性太強(qiáng)了，造成其附近分子表面上的靜電勢(shì)較大，削弱其附近區(qū)域負(fù)的靜電勢(shì)的貢獻(xiàn)，因此H較弱的正電性對(duì)靜電勢(shì)的影響不明顯，無法形成極大點(diǎn)；而出現(xiàn)的極小點(diǎn)是由于互相靠近的N、O孤對(duì)電子密集的電子云產(chǎn)生的.A－T中1號(hào)和2號(hào)極小點(diǎn)靜電勢(shì)值相近且空間效應(yīng)相似，體現(xiàn)的是π－π電子云對(duì)靜電勢(shì)的顯著負(fù)貢獻(xiàn).從這兩個(gè)極小點(diǎn)位置和原子涵蓋的區(qū)域可以看出，在N－H對(duì)位原子附近分子表面的靜電勢(shì)比在碳原子附近更負(fù)，因此更容易被親電試劑所進(jìn)攻，是鄰對(duì)位取代基；這也在一定程度上解釋了DNA中戊糖C原子優(yōu)先在此部位與N成鍵的原因.

圖3 堿基單體靜電勢(shì)和堿基對(duì)表面靜電勢(shì)極值點(diǎn)分布圖Fig.3 Base monomers electrostatic potential and base－pairs extreme value point of surface electrostatic potential distribution

圖3中的極值圖中綠色是極大點(diǎn)，粉色是極小點(diǎn)，而藍(lán)色數(shù)字代表極大點(diǎn)極值，紅色數(shù)字代表極小點(diǎn)極值.由分析可知，N－H中氫對(duì)應(yīng)表面靜電勢(shì)極大點(diǎn)，而N原子對(duì)應(yīng)極小點(diǎn)，因此這兩個(gè)原子最容易靠靜電相互作用結(jié)合到一起，并且是極大點(diǎn)正沖著極小點(diǎn)的這種朝向，這可以使復(fù)合物能量最大程度降低，這也間接說明了常規(guī)氫鍵的本質(zhì)在很大程度上可以解釋為靜電相互作用.極小點(diǎn)基本上體現(xiàn)的是氮氧等的孤對(duì)電子對(duì)靜電勢(shì)的負(fù)貢獻(xiàn).而在相鄰的兩個(gè)β碳（鄰位碳）正上方，體現(xiàn)的是π電子對(duì)靜電勢(shì)的負(fù)貢獻(xiàn).有些極大點(diǎn)靜電勢(shì)數(shù)值為負(fù)，化學(xué)意義不大，可無視之.氮氧原子附近的分子表面靜電勢(shì)最負(fù)，這是因?yàn)槠涔聦?duì)電子對(duì)靜電勢(shì)有很大的負(fù)貢獻(xiàn).由于其附近分子表面上沒有正值區(qū)域，所以正值區(qū)域的靜電勢(shì)值顯示的是較小負(fù)值.堿基中碳原子裸露在分子表面上的區(qū)域主要是體現(xiàn)π電子特征的區(qū)域，由于π電子云使這部分區(qū)域靜電勢(shì)為負(fù)，所以碳原子附近靜電勢(shì)平均值也都為明顯負(fù)值，并且無正值區(qū)域.這種討論分子表面上對(duì)應(yīng)不同原子區(qū)域的定量數(shù)據(jù)的方法和分子表面極值點(diǎn)分析往往會(huì)得到共同的結(jié)論.通過分析分子對(duì)應(yīng)的分子表面上的局部區(qū)域的靜電勢(shì)平均值等數(shù)據(jù)就可以定量考察其特征［19］.

2.4 躍遷密度矩陣及前線分子軌道分析

已知兩個(gè)電子態(tài)G、E的波函數(shù)，就可以構(gòu)建它們之間的躍遷密度矩陣函數(shù)：

其中N是總電子數(shù)，x是自旋空間坐標(biāo)，s是自旋坐標(biāo)，r是空間坐標(biāo).躍遷密度矩陣的對(duì)角元，代表電子態(tài)躍遷造成的原子電荷變化的程度；而非對(duì)角元代表的是電子躍遷時(shí)原子與相鄰原子的電子－空穴的相干程度.以原子編號(hào)作為橫、縱坐標(biāo)，以顏色來表示數(shù)值大小繪制躍遷密度矩陣圖，可以很方便地分析電子躍遷所涉及到的原子以及原子間相干范圍，尤其是對(duì)于較大的共軛分子來說，尤為明顯.本文采用半經(jīng)驗(yàn)的ZINDO＝1方法計(jì)算堿基對(duì)基態(tài)S0到第一激發(fā)態(tài)S1的能級(jí)躍遷，同時(shí)結(jié)合含時(shí)密度泛函（TD－DFT）方法研究堿基對(duì)的垂直激發(fā)能（TD－DFT方法近幾年被廣泛證明適用于計(jì)算分子的能級(jí)光譜特性［20］）.

從圖4可見，激發(fā)區(qū)域比較強(qiáng)烈的部分均集中在圖的對(duì)角區(qū)域，說明這種激發(fā)模式主要涉及的是嘧啶和嘌呤環(huán)的N、O等原子的局部躍遷，氫鍵屬于分子間弱相互作用，激發(fā)很難跨越它而涉及堿基對(duì)的整個(gè)分子躍遷.對(duì)角線區(qū)域是激發(fā)強(qiáng)度范圍整體較強(qiáng)的區(qū)域，其長度體現(xiàn)了電子激發(fā)涉及的空間廣度很大.圖中在非對(duì)角元上也有一定的數(shù)值，這說明在這種激發(fā)模式中原子與鄰近原子有較強(qiáng)的電子－空穴相干性.圖中非對(duì)角描述的帶狀區(qū)域越寬，代表原子間相干區(qū)域越大.顯然堿基對(duì)的躍遷幾乎對(duì)應(yīng)的都是涉及分子的全局躍遷，由于堿基環(huán)具有很強(qiáng)的電子離域特性，不難理解在這些躍遷中分子內(nèi)原子間有明顯相干性.環(huán)內(nèi)相鄰原子在躍遷中相干性較弱，這主要是由于堿基對(duì)的結(jié)構(gòu)扭曲破壞了環(huán)與周圍部分原子間的電子離域性.

圖4 堿基對(duì)基態(tài)到第一激發(fā)態(tài)的躍遷密度矩陣圖Fig.4 Transition density matrix figures of base－pairs from ground state to the first excited state

分子間相互作用過程中最先起作用的分子軌道通常是最高占據(jù)軌道HOMO，這是因?yàn)榉肿拥腍OMO對(duì)其電子的束縛較為松弛，具有電子給予體的性質(zhì)，而最低空軌道LUMO則對(duì)電子的親和力較強(qiáng)，具有電子結(jié)合體的性質(zhì)，這兩種軌道最易相互作用.氫鍵屬于弱分子間相互作用，激發(fā)過程也容易在此產(chǎn)生，因此通過分析其激發(fā)波長可以判斷相互結(jié)合的強(qiáng)度.在作用過程中起極其重要的作用.氧原子p軌道孤對(duì)電子與堿基環(huán)的π電子軌道接近平行，能夠離域形成一個(gè)大π鍵；而C－G的C＝O鍵與環(huán)π鍵趨向于垂直，導(dǎo)致離域效應(yīng)降低.整體可以看出HOMO軌道主要體現(xiàn)在嘌呤環(huán)，而LUMO則體現(xiàn)在嘧啶環(huán).A－T的能級(jí)差為0.148 7a.u.，大于C－G的0.139 6a.u.（圖5），再次表明C－G的結(jié)合趨勢(shì)大于A－T.

圖5 分子前線軌道HOMO與LUMO作用能級(jí)（a.u.）示意圖Fig.5 Molecular frontier orbital HOMO and LUMO energy levels（a.u.）diagram

采用TD－B3LYP／aug－cc－pVDZ方法對(duì)堿基基態(tài)S0進(jìn)行單重態(tài)垂直激發(fā)能的計(jì)算，得到電子吸收波長（λ）及振蕩強(qiáng)度（f）.從表3可以看出A－T的S0→S1電子吸收波長為281nm，而C－G和A－U的分別在368和287nm處，結(jié)合前文分析可知該激發(fā)波長與堿基對(duì)的穩(wěn)定性是一致的（C－G＞A－T＞A－U），即穩(wěn)定性越大電子吸收波長越大.從表3還可以看出第一激發(fā)態(tài)主要源于HOMO到LUMO的躍遷，圖5給出了前線分子軌道圖.

由圖5可知，HOMO軌道主要體現(xiàn)在嘌呤環(huán)，而LUMO則體現(xiàn)在嘧啶環(huán)，因此該躍遷屬于分子間電荷轉(zhuǎn)移躍遷機(jī)理（CT）.由于氫鍵是弱鍵，相對(duì)于分子內(nèi)化學(xué)鍵非常弱，因此分子間的部位也最容易發(fā)生激發(fā)；而其他兩個(gè)激發(fā)帶由于涉及非前線最高占據(jù)軌道或最低空軌道，躍遷前后的軌道幾乎都在嘌呤環(huán)上或者都在嘧啶環(huán)上，出現(xiàn)分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移，所以屬于分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移機(jī)理（ICT）.激發(fā)時(shí)分子的共軛鏈延長，電荷更分散，發(fā)生躍遷后電子的離域程度增大.從基態(tài)到第一激發(fā)態(tài)的躍遷是堿基間的σ→π＊或n→π＊類型軌道躍遷，而從基態(tài)到第二及以上的激發(fā)態(tài)的躍遷由于涉及非前線軌道，同時(shí)存在原子s軌道重雜化效應(yīng)，所以屬于π→π＊型軌道躍遷.由于氫鍵作用位點(diǎn)的不同而具有明顯不同的電子吸收波長.由表3可知，他們的電子吸收光譜均在近紫外區(qū)域，均出現(xiàn)三個(gè)不同波長的吸收譜帶，譜帶振蕩強(qiáng)度均較小，屬于禁阻躍遷或半禁阻躍遷.

2.5 RDG函數(shù)等值面圖形化研究弱相互作用

楊偉濤課題組［21］提出了一種新的可視化研究弱相互作用的方法，此方法的主要目的在于凸顯出體系中涉及弱相互作用的區(qū)域，以便直觀地了解到分子中哪些區(qū)域與弱相互作用有關(guān).Multiwfn 在網(wǎng)格設(shè)置中提供了一個(gè)選項(xiàng)方便研究局部弱相互作用的功能，將弱相互作用在其臨界點(diǎn)處的電子密度ρ（r）和sign（λ2）函數(shù)相乘而得的sign（λ2）ρ（r）函數(shù)投影到RDG等值面上，則弱相互作用的位置、強(qiáng)度、類型都能清晰地顯現(xiàn)出來（圖6）.圖中色彩刻度設(shè)定為藍(lán)＞綠＞紅，色彩刻度設(shè)為［－0.04，0.02］，藍(lán)色區(qū)域表明ρ（r）較大、sign（λ2）＝－1，表現(xiàn)的是較強(qiáng)、起吸引作用的弱相互作用，符合這個(gè)特征最常見的就是氫鍵.綠色區(qū)域表明ρ（r）很小，說明相互作用強(qiáng)度很弱，范德華作用區(qū)域符合這個(gè)特征.紅色區(qū)域ρ（r）較大、sign（λ2）＝＋1，對(duì)應(yīng)于在環(huán)、籠中出現(xiàn)的較強(qiáng)的位阻效應(yīng)區(qū)域，產(chǎn)生張力，因而紅色等值面周圍原子間起互斥效應(yīng).

表3 TD－DFT堿基對(duì)垂直激發(fā)能及振蕩強(qiáng)度Table 3 TD－DFT vertical excitation energies and oscillator strength for base－pairs

圖6 堿基對(duì)的約化密度梯度函數(shù)（RDG）示意圖（等值面：0.8）（上）和散點(diǎn)圖（下）Fig.6 Base pairs of reduced density gradient function（RDG）diagram（isosurface：0.8）（top）and scatter diagram（bottom）

約化密度梯度函數(shù)散點(diǎn)圖中，sign［λ2（r）］ρ（r）函數(shù)的范圍定義在－0.05～0.05a.u.之間，其中藍(lán)色越深說明相互作用越強(qiáng)，而接近紅色的部分說明排斥作用大（如空間位阻效應(yīng)越大），綠色部分體現(xiàn)范德華相互作用.RDG對(duì)應(yīng)sign［λ2（r）］ρ（r）散點(diǎn)圖中存在一條垂直于sign［λ2（r）］ρ（r）數(shù)值的“突刺”，且“突刺”垂直的sign［λ2（r）］ρ（r）數(shù)值越小，相互作用越大［23］.散點(diǎn)圖中左側(cè)“突刺”sign［λ2（r）］ρ（r）＜0則存在氫鍵相互作用以及范德華相互作用，右側(cè)“突刺”是sign［λ2（r）］ρ（r）＞0則存在分子間排斥作用.RDG填色等值面圖很清晰地顯示出了氫鍵相互作用的具體位置.圖中復(fù)合物都有藍(lán)、綠、紅三種顏色，其中復(fù)合物C－G比復(fù)合物A－T和A－U中藍(lán)色的填色區(qū)域都要深，說明復(fù)合物C－G相互作用最大.三個(gè)復(fù)合物的藍(lán)色區(qū)域周邊存在綠色部分，表明該區(qū)域同時(shí)存在較弱的范德華相互作用.此外等值面圖的綠色和藍(lán)色中還含著紅色，說明堿基對(duì)成鍵形式不能從任何方向靠得太近，否則會(huì)產(chǎn)生較大斥力.只有當(dāng)吸引作用能克服斥力時(shí)，體系才能在位阻效應(yīng)存在的情況下保持穩(wěn)定.散點(diǎn)圖左邊的突刺的sign［λ2（r）］ρ（r）很負(fù)，對(duì)應(yīng)很強(qiáng)的氫鍵，因而相應(yīng)的等值面為藍(lán)色.散點(diǎn)圖上突刺并不致密的部分，說明落在這個(gè)空間區(qū)域的格點(diǎn)較少.右側(cè)的突刺的sign［λ2（r）］ρ（r）為較小正值，對(duì)應(yīng)于圖中棕色等值面，體現(xiàn)的是微弱的位阻效應(yīng).比較可知，靠弱相互作用結(jié)合的復(fù)合物，即使存在位阻效應(yīng)也不會(huì)太強(qiáng)，否則將不足以被弱相互作用抵消掉.在堿基環(huán)中間有紅色梭形區(qū)域，體現(xiàn)較強(qiáng)位阻效應(yīng)，對(duì)應(yīng)散點(diǎn)圖最右邊的突刺.氮和氧原子與氫原子之間的RDG等值面一小半是橘紅色，一大半是天藍(lán)色，這個(gè)等值面說明原子間既存在著位阻效應(yīng)，也存在著弱氫鍵作用，互斥和吸引效應(yīng)并存.

3 結(jié)論

采用耦合簇方法對(duì)核酸中堿基的氫鍵體系進(jìn)行構(gòu)型優(yōu)化、能量分析、電子密度的拓?fù)湫再|(zhì)及圖形化處理，超共軛和重雜化兩個(gè)概念可以解釋電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)會(huì)使N－H鍵伸長、頻率減小，而雜化收縮效應(yīng)導(dǎo)致N－H鍵縮短.RDG圖形化分析揭示了氫鍵相互作用所在的空間位置以及相對(duì)強(qiáng)度，散點(diǎn)圖則說明當(dāng)吸引作用能克服排斥效應(yīng)時(shí)，體系才能保持穩(wěn)定.分子間相互作用過程中最先起作用的分子軌道就是前線分子軌道，電子密度躍遷分析表明第一激發(fā)態(tài)主要源于分子中HOMO、LUMO間躍遷，涉及的是n→π＊或π→π＊型軌道躍遷，屬于分子間電荷轉(zhuǎn)移躍遷機(jī)理（CT），其他譜帶由于非前線軌道參與作用，原子p軌道出現(xiàn)重雜化作用，屬于σ→π＊型軌道躍遷的分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移機(jī)理.堿基的氫鍵的變化必然引起他們的電子特征發(fā)生改變，從而可以作為診斷和預(yù)測(cè)某些疾病的可能性的指標(biāo).

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Theoretical studies on hydrogen bonding action mechanism and electronic properties of the base in nucleic acid

XIAO Yi＊，F(xiàn)ANG Yi，LIU Yuzhen，MA Feiyan，JI Lifei
（CollegeofChemistryandChemicalEngineering，SouthwestUniversity，Chongqing400715，China）

The interactions between pyrimidine and purine were investigated with CCSD／aug－ccpVDZ quantum chemical method，the interaction energies were corrected while basis function equilibrium correction method was adopted to eliminate the overlapping error of the base groups，and the geometric structure was optimized.Besides，the second－order stabilization energies and natural bond orbitals were analyzed with NBO program attached in Gaussian 03 program package.In the meantime，for further exploration of the interactions between pyrimidine and purine，reduced density gradient color－filled iso－surface map was adopted for graphical analyses of pyrimidine－purine system and visualizing the positions and strengths of hydrogen bonding as well as revealing the nature of hydrogen bonding interactions.Results indicate that the interactions of pyrimidine－purine system belong to closed－shell electrostatic interactions.E－lectron density transition matrix analysis shows that the excitation area mainly concentrates on N and O atoms and involves a very large breadth of space.Moreover，the first excited state mainly involves the frontier molecule orbitals，belonging toσ→π＊or n→π＊type transition.

nucleic acid；base group；hydrogen bonding action mechanism；electronic properties；theoretical study

O 641

A

1008－1011（2014）02－0187－08

2013－11－18.

國家自然科學(xué)基金（20873013）.

肖 祎（1980－），男，研究員，主要從事量子化學(xué)研究.＊

，E－mail：xiaoyiswu＠sina.com.