应用QM/ABEEM方法研究G-四链体中鸟嘌呤自由基阳离子脱质子反应

【摘要】：DNA链可以传输正电荷(空穴)的性能,促进了医学领域内的分子电子器件研究。然而鸟嘌呤自由基阳离子(G·+)的快速去质子化会导致空穴传输终止,其脱质子的速率直接影响着空穴传递的效率。探究该过程的微观反应机制可以为开发设计DNA结构的医用电子器件提供重要参考。G-四链体具有比双链DNA更高的空穴传递效率,使其成为更理想的空穴传导的研究对象。本文应用量子化学方法(QM)探讨G-四链体中G·+的脱质子过程,并发展了QM与原子-键电负性均衡浮动电荷分子力场(ABEEM/MM)相结合的多尺度模型,QM/ABEEM(MM),用于探讨该过程的微观机制。论文的主要内容如下:1、G-四链体中鸟嘌呤自由基阳离子脱质子过程的量子化学研究选取G-四分体平面,分别添加1个水分子、2个水分子、3个水分子作为简化的模型体系。采用M06-2X/6-31G(d)水平对上述模型体系进行计算,发现G·+脱质子必须依托至少3个水分子,据此确定气相下研究对象为3H_2O溶剂模型。找到该体系的过渡态并通过IRC计算确定脱质子历程为:G·+脱去的质子经由水分子W1转移至另外一个水分子W2最终生成H3O+,同时形成脱质子产物鸟嘌呤中性自由基(G(-H)·)。计算获得上述过程的电荷转移情况和脱质子过程所需活化能为20.8 k J/mol。2、发展QM/ABEEM(MM),探究G-四链体中鸟嘌呤自由基阳离子脱质子过程与传统力场相比,ABEEM/MM可以合理表现体系的电荷转移,我们将价态电负性用分段函数表达,从而能够准确地描述了反应路径上相关原子电荷分布的较大波动。本文采用QM/ABEEM(MM)多尺度模型对显性溶剂下G-四链体中G·+脱质子过程进行了探究。依据QM方法下的电荷分布,结合电荷局域守恒条件、分段函数的价态电负性,拟合优选ABEEM/MM参数,得到了与QM一致的电荷转移和电荷分布;获得的反应路径上各驻点的ABEEM电荷分布与QM电荷分布具有很好的一致性,其线性相关性达到0.97。进一步结合自由能微扰方法,计算出G·+脱质子过程的活化自由能为20.7 k J/mol,与实验值(20±1.0 k J/mol)吻合。