“分子光開關(guān)”釕配合物DNA鍵合及光譜性質(zhì)理論研究.pdf

1、近20多年來，由于過渡金屬釕多吡啶類配合物具有獨特的DNA鍵合能力、良好的電化學、光化學、光物理性能和豐富的譜學性質(zhì)，在DNA分子光開關(guān)、DNA結(jié)構(gòu)探針、DNA介導的電荷轉(zhuǎn)移、DNA足跡試劑、DNA斷裂試劑及抗癌藥等方面有著廣泛的應(yīng)用，在國際生物無機化學、材料化學、物理化學與化學物理，及理論化學等學科與交叉學科中引起了巨大關(guān)注，成為十分活躍的前沿與交叉研究領(lǐng)域。特別是DNA-分子光開關(guān)釕配合物的發(fā)現(xiàn)，引起了人們更大的興趣。這些配合物在水

2、中沒有熒光發(fā)射，但在DNA水溶液中卻具有強烈的熒光發(fā)射，因此這些配合物稱為DNA-分子光開關(guān)配合物。眾所周知，[Ru(phen)<,2>dppz]<'2+>和[Ru(bpy)2dppz]<'2+>(phen=1，10-phenanthroline；bpy=2,2’-bipyridine；dppz=dipyrid0[3，2-a:2’，3’-c]phenazine)是現(xiàn)時最廣泛認可的優(yōu)良的DNA分子光開關(guān)配合物，然而，至今這樣的DNA分子光

3、開關(guān)配合物仍然相當有限。因此，對這類分子光開關(guān)型釕(Ⅱ)多吡啶配合物的分子設(shè)計或結(jié)構(gòu)修飾以及從理論上披露它們與DNA的作用機理、相關(guān)性質(zhì)及調(diào)控規(guī)律是一項很有意義的研究工作。 本文運用Gaussian98/03量子化學程序包，采用國際上先進的密度泛函(DFT)，特別是含時密度泛函(TDDFT)等量子化學計算方法，在B3LYP/LANL2DZ和B3LYP/LANL2DZ/6-31G水平上，對在DNA“分子光開關(guān)”方面有重要應(yīng)用前景

4、的五個系列的釕多吡啶類配合物，即[Ru(phen)<,2>(6-R-dppz)]<'2+>(R=-OH，-NO<,2>和[Ru(phen)<,2>(7-R-dppz)]<'2+>(R=-F-CH<,3>)、[Ru(phen)<,2>L]<'2+>(L=dppz，taptp，phehat)、[Ru(bpy)<,2>(p-R-pip)]<'2+>(R=OH，-CH<,3>，-H，-NO<,2>)、[Ru(bpy)<,2>L]<'2+>(L=

5、o-npip，m-npip and p-npip)和[Ru(bpy)<,2>L]<'2+>(L=o-hpip，m-hpip and p-hpip)等，進行理論研究。這篇博士論文主要集中于用DFT方法計算揭示這些配合物的DNA鍵合作用的傾向(定性規(guī)律)以及用TDDFT方法計算、模擬和解釋其電子吸收光譜性質(zhì)，因為這些DNA鍵合傾向及光譜性質(zhì)與配合物的分子光開關(guān)品性密切相關(guān)。 研究內(nèi)容主要有三個大方面： (1)該類配合物的

6、DNA-鍵合傾向及調(diào)控規(guī)律。 (2)該類配合物的UV光譜性質(zhì)的計算、模擬和解釋。 (3)溶劑效應(yīng)對該類配合物的鍵合及光譜性質(zhì)的影響等。 其中第一個方面是重點，其研究的具體內(nèi)容是：(i)取代基對著名的分子光開關(guān)配合物[Ru(phen)<,2>(dppz)]<'2+>有關(guān)性質(zhì)的影響。(ii)主配體骨架中雜原子N的調(diào)控作用。(iii)以本學院生物無機化學組合成的新型母體(pip)為基礎(chǔ)進行新型DNA光開關(guān)配合物的

7、分子設(shè)計或分子結(jié)構(gòu)修飾的理論研究。所得結(jié)論如下： (1)一般地說，插入配體上取代基的性質(zhì)對配合物的前沿分子軌道能量與組成有重要的影響。在插入配體上引入強的吸電子取代基將有利于配合物最低空軌道(LUMO)或附近空軌道能量的降低，而且有利于配合物的這些軌道的成分在插入配體上的分布。我們發(fā)現(xiàn)，在插入配體(dppz)上引入原子電負性大的取代基(-F，-NO<,2>)確實比引入原子電負性小的取代基(-OH，-CH<,3>)對配合物與DN

8、A之間的相互作用有利得多，但我們同時還發(fā)現(xiàn)，這樣的結(jié)構(gòu)修飾仍然最多只能達到母體配合物光開關(guān)品性的水平，即對DNA的鍵合常數(shù)相近。這也許是由于在主配體上引入取代基后增加了主配體插進DNA堿基對間的位阻因素之故，因此不能明顯地改善其“分子光開關(guān)”的品性。 (2)插入配體的共軛面積是影響配合物與DNA的π-π相互作用的重要因素。雖然增加插入配體的共軛面積在一些情況下可以改善配合物與DNA的相互作用，但我們發(fā)現(xiàn)，在插入配體dppz的基

9、礎(chǔ)上，通過增加共軛苯環(huán)使插入配體共軛平面的面積增大的設(shè)計(taptp)并不能有效地改善配合物與DNA的鍵合常數(shù)；相反，在dppz上增加插入配體共軛環(huán)，反而使配合物與DNA的鍵合常數(shù)K<,b>明顯減少，因為伴隨著C、H成分(=CH-)的增加，配合物的LUMO(LUMO+X)的能量明顯升高。在插入配體的骨架上引進電負性較大的雜原子N，可使配合物的LUMO降低，實現(xiàn)雜原子對K<,b>的一定的調(diào)控作用。 (3)以pip為插入配體的結(jié)構(gòu)

10、修飾得到了一些重要規(guī)律。通過對pip結(jié)構(gòu)修飾所得到的該系列配合物系統(tǒng)的理論研究，進一步表明引進不同電子性質(zhì)及結(jié)構(gòu)的取代基以及不同的取代位置對分子光開關(guān)品性的影響很大。具體規(guī)律如下：(i)強的吸電子取代基的引入一般有利于增大該類配合物與DNA的鍵合常數(shù)，因為它們的取代可導致配合物的LUMO(和LUMO+X)能量的明顯降低。(ii)引入取代基(-OH)導致分子內(nèi)氫鍵形成進而導致插入配體(主配體)共軛面積的增大以及配合物LUMO(和LUMO)

11、能量的明顯降低，可大大改善配合物與DNA的鍵合常數(shù)。(iii)在主配體母體上引入取代基時位阻效應(yīng)也是要考慮的因素。(4)綜合這些單功能(取代基)調(diào)控的規(guī)律，可提出(-NO<,2>)和(-OH)雙功能調(diào)控的該類型配合物的分子設(shè)計或結(jié)構(gòu)修飾思路，如配合物[Ru(bpy)<,2>(hnoip)<'2+>等，該工作仍在進行中。 (4)用TDDFT方法對分子光開關(guān)型釕(Ⅱ)多吡啶類配合物光譜研究的結(jié)果: (a)含時DFT(TD

12、DFT)方法可用于分子光開關(guān)型釕多吡啶類配合物的光譜計算和模擬。在B3LYP/LanL2DZ方法與基組水平上(或基組方面的小變動)可得這些配合物在真空或在水溶液條件下與實驗較好符合的結(jié)果。 (b)這類配合物的UV-Vis光譜在400-550 nm間所測驗定的強而寬的實驗譜帶可被本計算進一步在理論上指定為。<'1>MLCT性質(zhì)，而且主要是金屬Ru的d軌道向主配體(L)上的π軌道的躍遷。另外在最紫外的一端實驗得到的最強而狹窄的譜帶

13、(290-310 nm)具有典型的<'1>LLCT(或<'1>LL)性質(zhì)。這兩個光譜之間尚有一兩個實驗上可檢測的譜帶，屬<'1>MLCT與<'1>LLCT相混雜的譜帶。 (c)這類配合物在真空和在水溶液條件下的UV-Vis光譜的計算結(jié)果都能較好的指認實驗光譜的<'1>MLCT和<'1>LLCT性質(zhì)。然而，溶劑效應(yīng)在模擬光譜的精度及光譜躍遷的細節(jié)上起到重要作用?？紤]溶劑效應(yīng)的計算結(jié)果能更加精確地模擬及更加細致地解釋這類配合物的實

14、驗光譜。 (d)雖然最近對TDDFT計算具有長距離電荷轉(zhuǎn)移性質(zhì)的化合物的激發(fā)態(tài)及其光譜存在著嚴重爭議，因為TDDFT采用了近似的交換相關(guān)函數(shù)(XC)。然而我們的計算實踐表明，對Ru(Ⅱ)多吡啶配合物的光譜計算的結(jié)果卻是相當成功的，這也許是我們的體系強光譜躍遷所對應(yīng)的軌道重疊性好以及其電荷轉(zhuǎn)移的距離并非很長之故。 本工作采用密度泛函理論(DFT)方法，進行分子光開關(guān)型釘(Ⅱ)多吡啶類配合物的DNA鍵合及光譜性質(zhì)的研究，

15、獲得了一些重要的作為DNA分子光開關(guān)的釕配合物的DNA鍵合傾向(定性規(guī)律)及調(diào)控規(guī)律，特別是基于pip為插入母體的分子設(shè)計或結(jié)構(gòu)修飾。此外，采用含時密度泛函(TDDFT)等先進方法對該類配合物的UV-可見吸收光譜等進行計算、模擬和解釋，得到與實驗較好符合的結(jié)果。這些研究結(jié)果為釕(Ⅱ)多吡啶類配合物的功能分子設(shè)計、有關(guān)性質(zhì)及作用機理分析提供重要的理論指導，并為目前國際熱點的TDDFT方法應(yīng)用于計算有關(guān)電荷轉(zhuǎn)移激發(fā)態(tài)化合物方面的討論，提供一