取代基對1-甲基尿嘧啶與N-甲基乙酰胺氫鍵復合物中氫鍵強度的影響

劉冬佳 王長生

(遼寧師范大學化學化工學院,遼寧大連116029)

1 引言

氫鍵在生物分子體系中起著十分重要的作用,其強弱對蛋白質核酸結構和功能有重要影響,因此對其強度和本質進行研究具有重要意義.1-12Mohajeri和Nobandegani5使用不同方法研究了15個核酸堿基對中的N－H…N和N－H…O氫鍵強度. Kolew等9使用密度泛函理論方法對甲醇與系列分子形成的氫鍵復合物進行了研究.Dong等13提出了一種預測多重分子間氫鍵體系中單個氫鍵相對強度的方法,并應用于計算腺嘌呤-胸腺嘧啶和鳥嘌呤-胞嘧啶堿基對中單個氫鍵的強度.Vargas等14對N-甲基乙酰胺二聚體和甲酰胺二聚體中N－H…O＝C型的氫鍵強度進行了研究,發現N-甲基乙酰胺二聚體中N－H…O＝C型氫鍵平均鍵能為-36.0 kJ·mol-1,而甲酰胺二聚體中N－H…O＝C型氫鍵平均鍵能為-29.7 kJ·mol-1.Kawahara與其合作者15,16使用MP2方法研究了取代作用對沃森-克里克型堿基對AX-U、CX-G中氫鍵強度的影響,研究表明取代基的取代位置不同對氫鍵強度的影響不同.Wang與其合作者17-22提出了一種快速預測分子間氫鍵能量的勢能函數,并應用于氫鍵體系的計算,計算精度與包含了基組重疊誤差(BSSE)校正的MP2方法相媲美.Dannenberg與其同事23-25使用B3LYP/D95**方法對甲酰胺鏈中氫鍵的協同效應進行了理論研究.Wu和Zhao26,27通過研究發現,蛋白質的α-螺旋結構和310-螺旋結構中存在氫鍵協同效應.Tan等28使用B3LYP/cc-pVTZ方法研究了順式N-甲基甲酰胺低聚物中氫鍵的協同效應,指出引起氫鍵協同效應的重要因素之一是電荷轉移.

研究氨基酸多肽和核酸堿基間的氫鍵作用對深刻理解生物體內蛋白質合成機制,進而設計合成新的生物分子材料有重要指導價值.Hunter等29使用密度泛函理論方法研究了氨基酸與堿基間的氫鍵作用對堿基尿嘧啶上N1位酸性的影響.Jeong等30發展了一組算法用于分析蛋白質-RNA復合物的結構.Cheng和Frankel31使用HF/6-31G(d)方法優化了28個氨基酸-堿基復合物模型體系的結構,發現21個穩定結構含有兩個以上的氫鍵作用.新近發展的ProtNA-ASA數據庫已經包含有214個蛋白質-DNA和28個蛋白質-RNA復合物的結構信息.32本文使用MP2方法對由1-甲基尿嘧啶與N-甲基乙酰胺所形成氫鍵復合物中的N－H…O＝C型氫鍵強度進行研究,探討了氫鍵受體分子中不同取代基對N－H…O＝C氫鍵強度的影響和氫鍵的協同效應.

2 計算方法

圖1 氫鍵復合物的分子結構Fig.1 Structures of hydrogen-bonded complexes

圖1為本文研究的氫鍵二聚體、三聚體、四聚體氫鍵復合物的分子結構.復合物中的N－H…O＝C型氫鍵分別用HB1、HB2、HB3表示.本文使用B3LYP/6-31+G(d,p)方法對氫鍵復合物進行結構優化和頻率計算,得到其穩定構型,進而使用包含BSSE校正的MP2/6-311++G(d,p)和MP2/6-311++ G(3df,2p)方法計算其結合能.為了深入理解這些復合物中的氫鍵作用,本文還使用B3LYP/6-31+G(d, p)方法進行了自然鍵軌道分析計算.全部計算均采用Gaussian 03程序包33完成.

3 結果與討論

3.1 幾何結構

本文共優化得到36個氫鍵復合物的穩定結構,圖2給出了15個氫鍵復合物的穩定結構及主要結構參數.其他21個氫鍵復合物的穩定結構及主要結構參數列于圖S1(見Supporting Information).以氫鍵三聚體為例,R=H時是由1-甲基尿嘧啶與兩個N-甲基乙酰胺所形成的N－H…O＝C氫鍵三聚體,其氫鍵HB1的鍵長r(H…O)HB1為0.2016 nm,氫鍵HB2的鍵長r(H…O)HB2為0.1950 nm.當取代基R是NH2、Et、Me等供電子基團時,氫鍵HB1和HB2的鍵長均比R=H時的短,且HB1的鍵長變化更大.例如:R= NH2,r(H…O)HB1為0.1987 nm,縮短了0.0029 nm; r(H…O)HB2為0.1947 nm,縮短了0.0003 nm.當取代基R是BH2、COMe、CONH2、CHO、CF3、CN、NO2、SO3H等吸電子基團時,與R=H時相比較,氫鍵HB1和HB2的鍵長均伸長.例如:R=NO2時,r(H…O)HB1為0.2076 nm,伸長了0.0060 nm;r(H…O)HB2為0.1965nm,伸長了0.0015 nm,取代基對與其相近的HB1的鍵長影響更大.取代基對二聚體和四聚體中氫鍵鍵長的影響同上所述.

圖2 15個氫鍵復合物體系的優化構型Fig.2 Optimal geometries of 15 hydrogen-bonded complexesbond length in nm,bond angle in degree

比較二聚體、三聚體、四聚體中的氫鍵HB1可發現,四聚體中的HB1氫鍵鍵長小于三聚體中的,三聚體中的HB1氫鍵鍵長小于二聚體中的.比較三聚體、四聚體中的HB2可發現,四聚體中的HB2氫鍵鍵長小于三聚體中的.由此可知,隨著氫鍵鏈的伸長,處于相同位置的氫鍵鍵長變短.

3.2 氫鍵受體分子中的取代基對氫鍵強度的影響

表1列出了本文所研究的36個氫鍵復合物體系中的氫鍵鍵長和氫鍵能量.由表1可知,用不同取代基取代氫鍵復合物中氫鍵受體分子1-甲基尿嘧啶上的氫原子對氫鍵強度有不同影響.當取代基為供電子基團NH2、Et、Me時,氫鍵強度增強;當取代基為吸電子基團BH2、COMe、CONH2、CHO、CF3、CN、NO2、SO3H時,氫鍵強度減弱.以包含了BSSE校正的MP2/6-311++G(d,p)方法的計算結果為例,在二聚體中,R=H時,氫鍵HB1的強度為EHB1=-22.6 kJ·mol-1;當H被供電子基團NH2取代,EHB1=-24.5 kJ·mol-1,氫鍵能增強了1.9 kJ·mol-1;當H被吸電子基團SO3H取代,EHB1=-16.9 kJ·mol-1,氫鍵能減弱了5.7 kJ·mol-1.在三聚體中,R=H時,EHB1=-25.9 kJ· mol-1,EHB2=-34.0 kJ·mol-1;當H被供電子基團NH2取代,EHB1=-28.2 kJ·mol-1,氫鍵能增強了2.3 kJ· mol-1,EHB2=-34.4 kJ·mol-1,氫鍵能增強了0.4 kJ· mol-1;當H被吸電子基團SO3H取代,EHB1=-17.3 kJ· mol-1,氫鍵能減弱了8.6 kJ·mol-1,EHB2=-31.2 kJ· mol-1,氫鍵能減弱了2.8 kJ·mol-1.在四聚體中,R=H時,EHB1、EHB2和EHB3分為-26.4、-40.7、-36.6 kJ·mol-1;當H被供電子基團NH2取代,EHB1、EHB2和EHB3分別為-29.0、-41.3、-36.9 kJ·mol-1,氫鍵能分別增強了2.6、0.6、0.3 kJ·mol-1;當H被吸電子基團SO3H取代, EHB1、EHB2和EHB3分別為-17.6、-37.4、-36.2 kJ·mol-1,氫鍵能分別減弱了8.8、3.3、0.4 kJ·mol-1.由此可知,供電子基團使氫鍵復合物中氫鍵相互作用增強,吸電子基團使氫鍵相互作用減弱,并且取代基對與其相近的氫鍵強度影響更大.

表1 36個氫鍵體系的氫鍵能量及鍵長Table 1 Hydrogen bond energies and hydrogen bond distances of thirty-six hydrogen-bonded complexes

比較二聚體、三聚體、四聚體中的EHB1可發現,四聚體中的EHB1強于三聚體中的EHB1,三聚體中的EHB1強于二聚體中的EHB1,即隨著氫鍵鏈的伸長,氫鍵HB1強度增大.比較三聚體、四聚體中的EHB2可發現,四聚體中的EHB2強于三聚體中的EHB2,即隨著氫鍵鏈的伸長,氫鍵HB2強度增大.由此可知,隨著氫鍵鏈的伸長,處于相同位置的氫鍵強度增大,即在1-甲基尿嘧啶與N-甲基乙酰胺所形成的N－H…O＝C氫鍵復合物中存在著氫鍵協同效應.

3.3 自然鍵軌道(NBO)分析

表2是使用B3LYP/6-31+G(d,p)方法計算得到的36個氫鍵復合物的自然鍵軌道(NBO)分析結果.其中,qH為參與形成氫鍵的氫原子的電荷,qO為參與形成氫鍵的氧原子的電荷,qt為參與形成氫鍵的質子供體和質子受體分子間的電荷轉移量,Eij為質子受體分子中形成氫鍵的氧原子的孤對電子軌道n(O)對質子供體分子中形成氫鍵的N－H反鍵軌道σ*(N－H)的二階相互作用穩定化能.下面以三聚體為例進行說明.

當R=H時三聚體復合物中氫鍵HB1的氫原子電荷為0.4592e,氧原子電荷為-0.6784e(表2中第3、4列);氫鍵HB2的氫原子電荷為0.4621e,氧原子電荷為-0.6947e(表2中第7、8列).以R=H為標準進行比較,當取代基為供電子基團NH2時,氫鍵HB1的qH為0.4614e,正電荷增加了0.0022e,qO為-0.6984e,負電荷增加了0.0200e;氫鍵HB2的qH為0.4625e,正電荷增加了0.0004e,qO為-0.6969e,負電荷增加了0.0022e.這是由于NH2是供電子基團,使1-甲基尿嘧啶中形成氫鍵的氧原子上的負電荷增加,接受質子的能力增加,因此氫鍵強度增強,即氫鍵受體分子中具有供電子誘導效應的取代基有利于氫鍵的形成.當取代基R為吸電子基團SO3H時,氫鍵HB1的qH為0.4543e,正電荷減少了0.0049e,qO為-0.6506e,負電荷減少了0.0278e;氫鍵HB2的qH為0.4612e,正電荷減少了0.0009e,qO為-0.6908e,負電荷減少了0.0039e.這是由于SO3H是吸電子基團,使1-甲基尿嘧啶中形成氫鍵的氧原子上的負電荷減少,接受質子的能力減弱,因此氫鍵強度減弱,即氫鍵受體分子中吸電子取代基不利于氫鍵的形成.對于其它氫鍵復合物體系,電荷變化的規律同上所述,即供電子基團使氫鍵中氫原子正電荷增加,氧原子負電荷增加,吸電子基團使氫鍵中氫原子正電荷減少,氧原子負電荷減少.

由表2中第5列可以看出,對于HB1氫鍵,R=H時三聚體復合物中質子供體和受體分子間電荷轉移量為0.0194e;由表2中第9列可以看出,對于HB2氫鍵,R=H時三聚體復合物中質子供體和受體分子間電荷轉移量為0.0282e.取代基為供電子基團NH2時,其氫鍵HB1和HB2的質子供體和質子受體分子間電荷轉移量分別為0.0214e和0.0286e,比R=H時分別增加了0.0020e和0.0004e.取代基為吸電子基團SO3H時,氫鍵HB1和HB2的質子供體和受體分子間電荷轉移量為0.0145e和0.0257e,比R=H時分別減少了0.0049e和0.0025e.這表明,氫鍵受體分子中供電子取代基使參與形成氫鍵的質子供體和受體分子間的電荷轉移量增加,吸電子取代基使其減少.由表2還可知,取代基對氫鍵HB1的氫原子和氧原子的電荷以及對氫鍵HB1的質子供體和受體分子間的電荷轉移量的影響要大于對氫鍵HB2的影響.

由表2中第6列和第10列可以看出,R=H時三聚體復合物中氫鍵HB1和HB2的二階相互作用穩定化能分別為41.9和59.8 kJ·mol-1.與其相比較,當取代基為供電子基團Me時,Eij(HB1)為43.9 kJ·mol-1,增加了2.0 kJ·mol-1,Eij(HB2)為60.0 kJ·mol-1,增加了0.2 kJ·mol-1.當取代基為吸電子基團BH2時,Eij(HB1)為36.6 kJ·mol-1,減少了5.3 kJ·mol-1,Eij(HB2)為58.5 kJ·mol-1,減少了1.3 kJ·mol-1.由此可知,供電子取代基使二階相互作用穩定化能增加,吸電子取代基使其減少,并且取代基對與其相近的氫鍵HB1的二階相互作用穩定化能的影響更大.

表2 氫鍵復合物的n→σ＊二階相互作用穩定化能及自然鍵軌道(NBO)分析Table 2 n→σ＊second-order interaction energies and nature bond orbital(NBO)analysis for the hydrogen-bond complexes

對于其它氫鍵復合物,電荷和二階穩定化能變化規律同上所述.

比較二聚體、三聚體、四聚體中HB1的qt、Eij(HB1)可發現,四聚體中HB1的qt、Eij(HB1)分別大于三聚體中HB1的qt、Eij(HB1),三聚體中HB1的qt、Eij(HB1)分別大于二聚體中HB1的qt、Eij(HB1),即隨著氫鍵鏈的伸長, HB1的qt和Eij(HB1)均增大.比較三聚體、四聚體中HB2的qt、Eij(HB2)可發現,四聚體中HB2的qt、Eij(HB2)分別大于三聚體中HB2的qt、Eij(HB2),即隨著氫鍵鏈的伸長,HB2的qt和Eij(HB2)均增大.由此可知,隨著氫鍵鏈的伸長,處于相同位置的參與形成氫鍵的質子供體和質子受體分子間的電荷轉移量增大,質子受體分子中形成氫鍵的氧原子的孤對電子軌道n(O)對質子供體分子中形成氫鍵的NH反鍵軌道σ*(N－H)的二階相互作用穩定化能也增大.由此推測,1-甲基尿嘧啶與N-甲基乙酰胺所形成的N－H…O＝C氫鍵復合物中存在的氫鍵協同效應與質子供體和質子受體分子間的電荷轉移量以及二階相互作用穩定化能密切相關.

圖3 ΔE與Δqt、ΔEij的關系圖Fig.3 Relationship between ΔE and Δqt,ΔEijΔE is the relative hydrogen bonding energy obtained by subtracting the hydrogen bonding energy of the R=H system. Δqtis the relative charge transfer and ΔEijis the relative second-order interaction energy obtained using the similiar way as ΔE.

圖3中ΔE是各個氫鍵復合物中氫鍵能量相對于R=H時的變化值,Δqt是各個氫鍵復合物中氫鍵受體和供體分子間電荷轉移量相對于R=H時的變化值,ΔEij是各個氫鍵復合物中氫鍵受體和供體分子間二階相互作用穩定化能相對于R=H時的變化值.圖3表明,ΔE與Δqt和ΔEij線性相關.由于分子間電荷轉移量的大小以及二階相互作用穩定化能的強弱反映了氫鍵供體和受體分子間的軌道作用(或共價成分)的強弱,因此ΔE與Δqt和ΔEij線性相關反映的是這樣一種事實,即相對于R=H而言,供電子取代基使本文所研究體系的氫鍵強度增強的原因是供電子取代基增強了氫鍵供體和受體間的軌道作用,吸電子取代基使本文所研究體系的氫鍵強度變弱的原因是吸電子取代基削弱了氫鍵供體和受體間的軌道作用,換言之,軌道作用或共價成分在本文所研究體系的這些氫鍵作用中起重要作用.

4 結論

研究結果表明,可以通過改變氫鍵受體分子上取代基的供電性或吸電性來達到調控堿基與酰胺化合物所形成的N－H…O＝C型氫鍵復合物中氫鍵強度的目的.氫鍵受體分子中的取代基為供電子基團時,氫鍵鍵長r(H…O)縮短,氫鍵強度增強;取代基為吸電子基團時,氫鍵鍵長r(H…O)伸長,氫鍵強度減弱.自然鍵軌道(NBO)分析表明,氫鍵受體分子中的供電子取代基使參與形成N－H…O＝C氫鍵中氫原子的正電荷增加,氧原子的負電荷增加,質子受體和供體間的電荷轉移量增加,使N－H…O＝C氫鍵中氧原子的孤對電子軌道n(O)對N－H的反鍵軌道σ*(N－H)的二階相互作用穩定化能增強;氫鍵受體分子中的吸電子取代基的作用則相反.1-甲基尿嘧啶與N-甲基乙酰胺所形成的NH…O＝C氫鍵復合物中存在的氫鍵協同效應與質子供體和質子受體分子間的電荷轉移量以及二階相互作用穩定化能密切相關.

Supporting Information: The optimal geometries of hydrogen-bonded complexes at the B3LYP/6-31+G(d,p)level have been included.This information is available free of charge via the internet at http://www.whxb.pku.edu.cn.

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