1-甲基胸腺嘧啶A-帶結構動力學

李明娟 劉明霞 鄭旭明

(浙江理工大學化學系，先進紡織材料與加工技術教育部重點實驗室，生態染整技術教育部工程研究中心，杭州310018)

1 引言

胸腺嘧啶(T)是DNA中最容易發生光二聚的堿基，1，2其激發態衰變動力學及其甲基化和水中氫鍵的影響一直是研究熱點.3-8Perun等9的研究表明，胸腺嘧啶的最低單重態Sπ和基態S0間的圓錐交叉過程是一個無能壘的超快非輻射衰變過程.飛秒光譜對核酸堿基的研究揭示了胸腺嘧啶與胸苷的最初單重激發態(SFC)無輻射衰變主要經過兩條內轉換(IC)途徑:一條是通過Sπ/S0勢能面的圓錐交叉由最初單重激發態衰變到基態(S0);10-12另一條是通過Sπ/Sn勢能面的圓錐交叉由最初單重激發態衰變到1nπ*態(暗態).13-15這兩條IC途徑都發生在亞皮秒時間內，而1nπ*態可以進一步衰變到基態(S0)或進一步產生激發三重態(T1).16，17Zgierski等18闡明嘧啶堿基處在非平面性激發態結構時有利于促進超快非輻射衰退過程.理論計算還發現，由面外振動模促成的Sπ/Sn振動電子耦合是核酸堿基Sπ→Sn無輻射躍遷的重要途徑.2，19，20共振拉曼光譜強度分析技術研究胸腺嘧啶等在質子與非質子性溶劑中的激發態短時動力學已有報道.21-24在水中，N1-糖基化有效隔離了胸腺嘧啶的振動，而N1-甲基化改變了胸腺嘧啶的均質和非均質線寬.23胸腺嘧啶在水中的結構動力學與在乙腈溶劑中的明顯不同，說明溶劑對激發態勢能面有重要的調控作用.24本文利用共振拉曼光譜結合密度泛函理論研究1-甲基胸腺嘧啶(MT)激發態結構行為，考察N1甲基化對胸腺嘧啶激發態結構動力學的影響及其溶劑調控規律.

2 實驗部分

2.1 試劑和儀器

1-甲基胸腺嘧啶(98.0%，Sigma-Aldrich公司)，乙腈(光譜純，99.9%，TEDIA公司)，甲醇(分析純，≥99.5%，天津市永大化學試劑有限公司)，水(分析純，99.0%，自制).

紫外分光光度計(UV-2501PC，島津公司，日本)，傅里葉變換紅外光譜儀(Nicolet Avatar370，美國)，傅里葉變換拉曼光譜儀(Nicolet Raman 960，美國)，共振拉曼光譜儀(自制).

2.2 實驗方法

3 理論計算

電子基態幾何結構和簡正振動頻率用密度泛函理論在B3LYP/6-311++G(d，p)水平計算獲得;電子躍遷能和振子強度在B3LYP-TD/6-311++G(d，p)水平計算得到.本文所有量子化學計算均由Gaussian 09W程序包29完成.

4 結果和討論

4.1 電子光譜

圖1 MT的幾何結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the geometry structure of MT

圖2 MT在乙腈、甲醇、水溶劑中的紫外吸收光譜Fig.2 UV absorption spectra of MT in acetonitrile，methanol，and water solvents

圖1 示出由B3LYP/6-311++G(d，p)計算水平下優化獲得的MT幾何結構示意圖.MT的對稱性屬于Cs點群，與文獻6，24報道的胸腺嘧啶的對稱性一致.圖2是MT在乙腈、甲醇、水溶劑中的紫外吸收光譜，箭頭所示的數值為共振拉曼光譜實驗所用的激發波長.由圖2可見，MT的紫外光譜大約在270和208 nm處有兩個吸收帶(分別稱為A帶和B帶).溶劑對紫外光譜的摩爾消光系數和最大吸收波長影響不大，表明MT的A帶和B帶吸收的電子躍遷性質與溶劑的質子性或非質子性關系不大.依據Lambert-Beer定律:A=ε·b·c，實驗測得的MT在乙腈、甲醇、水中的摩爾消光系數εmax分別為8.55×103、8.78×103、8.69×103L·mol-1·cm-1.

表1列出由B3LYP-TD/6-311++G(d，p)計算水平和極化連續介質模型(PCM)計算獲得的MT電子躍遷能(ΔE)和振子強度(f).結果表明，計算獲得的260 nm(f=0.2367)和207 nm(f=0.2062)吸收帶與實驗值270 nm(f=0.2061)和208 nm(f=0.2954)吻合良好.為了更清楚地理解MT激發態的主要躍遷軌道及電子云分布，圖3示出MT的主要躍遷軌道.軌道37、35、38和40分別為πH、πH-2、πL*和π*L+2分子軌道；軌道36和34是兩個非鍵軌道nH-1和nH-3;軌道39是彌散軌道Ryd1，彌散軌道Ryd1的電子振幅主要在CH3(C7)和C6―H12這4個氫原子上.因此，表1中的A帶吸收可指認為πH→πL*/πH-2→π*L+2躍遷，而 B 帶吸收可指認為πH→π*L+2/πH-2→πL*躍遷.與胸腺嘧啶的躍遷軌道比較后得知，MT中甲基與嘧啶環的超共軛效應導致了A帶吸收的明顯紅移.

4.2 振動光譜指認

MT的振動光譜指認已有理論計算研究報道.30，31為了開展共振拉曼光譜指認和激發態結構動力學研究，我們結合振動光譜實驗，完善了MT的振動光譜指認.由B3LYP/6-311++G(d，p)計算獲得拉曼光譜和實驗測得的FT-IR和FT-Raman光譜示于圖4(A)和列于表2.計算拉曼光譜共有48個振動模.在0-1500 cm-1光譜區域內，MT傅里葉拉曼光譜出現25個振動帶，其中A'不可約表示占20個，A''不可約表示占5個，它們均為紅外和拉曼活性模.

表1 在PCM溶劑模型下由B3LYP-TD/6-311++G(d，p)計算獲得的MT電子躍遷能(ΔE)，軌道和振子強度(f)Table 1 Electronic transition energies(ΔE)，the corresponding orbitals and the oscillator strengths(f)for MT computed by B3LYP-TD/6-311++G(d，p)and polarization continuum moldel(PCM)

圖3 表1中MT電子躍遷相關的分子軌道Fig.3 Molecular orbitals associated with the electronic transitions of MT as listed in Table 1

表2 MT在B3LYP/6-311++G(d，p)計算水平下的計算頻率和實驗傅里葉變換紅外光譜與傅里葉變換拉曼光譜觀察到的振動Table 2 Vibrational frequencies and assignments of MT computed by B3LYP/6-311++G(d，p)and observed by experimental FT-IR and FT-Raman spectra

continued Table 2

圖4(B)示出不同溶劑的266 nm共振拉曼光譜與傅里葉拉曼光譜和計算拉曼光譜的對比圖.表2和圖4(A)中1500-1800 cm-1光譜區域的三個振動模的指認得到了共振拉曼光譜的確認.計算拉曼頻率ν9、ν8和ν7分別位于1661、1720和1743 cm-1.傅里葉拉曼光譜在1647 cm-1處是一個強峰，在1689和1707 cm-1處是兩個弱峰.由于分辨率的局限，傅里葉紅外光譜展示一個大吸收峰，其主峰位于1655 cm-1，肩峰位于1697 cm-1.在乙腈中266 nm共振拉曼光譜展示1659和1683 cm-1兩個強峰，它們分別對應于傅里葉變換拉曼光譜中的1647和1689 cm-1峰和計算拉曼光譜中的1661和1720 cm-1峰，因此分別被指認為ν9和ν8.而傅里葉拉曼光譜中的1707 cm-1峰被指認為ν7.根據表2的指認結果對計算頻率與實驗頻率數據進行線性回歸分析，得出標準偏差(SD)為14 cm-1，說明計算拉曼頻率值與實驗振動頻率總體吻合較好，指認結果合理.

4.3 共振拉曼光譜和結構動力學

圖5示出MT在乙腈和水溶劑中282.4、273.9、266.0、228.7和208.8 nm共振拉曼光譜在500-1800 cm-1光譜區域的振動基頻信息，其中282.4、273.9和266.0 nm共振拉曼光譜涵蓋A吸收帶，其強度模式主要由 S1(A')或1πHπL*電子激發態勢能面決定，而228.7和208.8 nm共振拉曼光譜涵蓋B吸收帶，其強度模式由S4(A')或1πHπ*L+2電子激發態勢能面決定.由圖5可見，在乙腈溶劑中，266.0、273.9、282.4 nm共振拉曼譜圖彼此十分類似，有14個活性振動模(ν8，ν9，ν11，ν12，ν16，ν17，ν18，ν20，ν21，v22，ν23，ν24，ν25，ν26)，它們的主要特征為:C4＝O9伸縮振動ν8(1683 cm-1)，C5＝C6伸縮振動ν9(1659 cm-1)，H17C10H18剪式振動+C10H16面內彎曲振動ν11(1458 cm-1)，CH3(C7)傘式振 動 ν12(1426 cm-1)，環 變 形 振 動 ν16(1369 cm-1)，H14C7H15面外搖擺振動+N1C6伸縮振動+C6H/N3H面內彎曲振動ν17(1336 cm-1)，N3C2N1反對稱伸縮+C4C5C10反對稱伸縮振動ν18(1226 cm-1)，C5C10伸縮+N1C7伸縮+C2N3C4反對稱伸縮ν20(1140 cm-1)，CH3(C7/C10)面外搖擺振動+C2N1C6不對稱伸縮振動ν21(1061 cm-1)，CH3(C10/C7)面外搖擺振動+C6H12面內彎曲振動ν22(1003 cm-1)，環變形振動ν23(866 cm-1)，環呼吸振動v24(778 cm-1)，環呼吸振動ν25(697 cm-1)，環面內彎曲振動ν26(651 cm-1).

圖4 (A)MT的傅里葉變換紅外、傅里葉變換拉曼和計算拉曼光譜的比較;(B)傅里葉變換拉曼、計算拉曼和乙腈、甲醇及水中MT的266 nm共振拉曼光譜的比較Fig.4 (A)Comparison of FT-IR，FT-Raman and computed Raman spectra of MT;(B)comparison of FT-Raman，computed Raman，and the 266 nm resonance Raman spectra of MT in acetonitrile，methanol，and water solvents The spectra were indicated with the frequency values and tentative vibrational assignments for larger Raman features.

208.8 和228.7 nm共振拉曼譜共有11個活性振動模(ν8，ν9，ν11，ν16，ν17，ν18，ν20，ν21，ν23，ν24，ν25).顯然，A帶共振拉曼光譜的強度模式與B帶共振拉曼光譜的強度模式存在很大差別，說明它們的激發態結構動力學明顯不同.ν11振動模的基頻、泛頻及其與其它振動模的合頻占據了B帶共振拉曼光譜強度的絕大部分，但在A帶共振拉曼光譜中該振動模的強度極弱，這說明B吸收帶預共振增強效應對A帶共振拉曼強度模式的貢獻可以忽略，因此266.0、273.9、282.4 nm共振拉曼光譜的強度模式主要反映A帶吸收的結構動力學，而208.8、228.7 nm拉曼光譜振動模主要反映B帶吸收時的動態結構.

由圖5可見，水中A帶共振拉曼光譜最強振動模為ν9、ν16、ν18，中等強度振動模為ν12、ν20、ν21、ν22、ν23、ν24和ν25.這說明，MT的結構動力學主要沿著C5＝C6伸縮、環變形振動、N3C2N1/C4C5C10反對稱伸縮振動等反應坐標位移，多維性特征明顯.這表明，在光化學反應的初期，光激發后的可用能被分散到多個振動模上.A帶共振拉曼光譜中ν9振動模具有最大強度，這與A帶吸收的主要電子躍遷πH→πL*特征相吻合(詳見圖3中軌道37、38)，因為πH→πL*躍遷大大減弱了C5＝C6鍵的鍵級.與A帶共振拉曼光譜不同，B帶共振拉曼光譜強度的絕大多數被ν11振動模占據，表明其短時動力學主要沿著H17C10H18剪式振動和C10H16面內彎曲振動反應坐標展開.進一步比較MT與T在乙腈和水溶劑中的A帶共振拉曼光譜后發現，MT比T多了ν22(CH3(C10/C7)面外搖擺振動+C6H12面內彎曲振動)、ν21(CH3(C7/C10)面外搖擺振動+C2N1C6不對稱伸縮振動)、ν17(H14C7H15面外搖擺振動+N1C6伸縮振動+C6H/N3H面內彎曲振動)、ν12(CH3(C7)傘式振動)等4個振動模，它們均與1位甲基取代有關，這說明1位甲基取代并參與嘧啶環的共軛作用，對胸腺嘧啶的激發態振動重組能產生明顯影響.

為了考察激發態反應坐標的位移量，圖6示出乙腈和水中266.0 nm共振拉曼光譜中ν8、ν9及其倍頻峰的強度.由圖6可見，在乙腈中C4＝O9伸縮振動ν8(1683 cm-1)的基頻和倍頻2ν8具有很大強度，而它們在水中變得很弱.這說明，MT的C4＝O9伸縮振動模在乙腈中是活性的，而在水中為非活性或活性很弱.這一現象與胸腺嘧啶激發態動力學受溶劑影響規律一致.24因此，N1甲基化不改變質子性和非質子性溶劑對胸腺嘧啶的C4＝O9反應坐標的調控規律.

圖5 MT在乙腈(a)和水(b)溶劑中的共振拉曼光譜Fig.5 Resonance Raman spectra of MT in acetonitrile(a)and water(b)solvents

圖6 266.0 nm激發波長下MT在水(a)與乙腈(b)溶劑中共振拉曼光譜指認Fig.6 Expanded view of the 266.0 nm resonance Raman spectra of MT in water(a)and acetonitrile(b)solvents

目前已有的理論計算和共振拉曼實驗研究結果24表明，胸腺嘧啶在乙腈溶劑中存在Franck-Condon區域1ππ*/1nπ*勢能面錐形交叉，而在水中則沒有.在胸腺嘧啶中C4＝O9伸縮振動的激活與失活被認為與1ππ*/1nπ*勢能面錐形交叉直接相關.因此，根據水和乙腈中MT與胸腺嘧啶短時結構動力學的相似性，本文認為在Franck-Condon區域MT也存在類似的1ππ*/1nπ*勢能面錐形交叉.這時，被激發到1ππ*激發態的MT分子，其量子波包的一部分沿Sp勢能面衰變，而另一部分則通過1ππ*/1nπ*勢能面錐形交叉衰變到1nπ*態.而在水中，由于氫鍵作用改變了1nπ*勢能面的能量，使1ππ*/1nπ*勢能面錐形交叉不能發生在Franck-Condon區域.因此，由于1nπ*態(禁阻躍遷，暗態)失去了與1ππ*(允許躍遷，明態)發生強烈振動電子耦合作用的條件，與1nπ*激發態相關的動態活性模ν8便失去了從1ππ*電子躍遷中借到強度的機會，使得在水中共振拉曼光譜中的C4＝O9伸縮振動模的基頻和泛頻消失或大大減弱，在動力學上這意味額外的1nπ*通道消失或嚴重被削弱.32

5 結論

采用共振拉曼光譜技術結合密度泛函理論方法研究了1-甲基胸腺嘧啶的電子激發和Franck-Condon區域結構動力學，得出如下結論:

(2)在乙腈溶劑中，MT的A帶和B帶共振拉曼譜被分別指認為14個和11個活性振動模，其結構動力學主要沿著C5＝C6和C4＝O9伸縮振動和環變形振動坐標展開.水的氫鍵作用嚴重削弱了C4＝O9伸縮振動坐標在MT結構動力學中的作用.

(3)與胸腺嘧啶相比，N1甲基化導致甲基與嘧啶環產生超共軛效應，引起A帶吸收的明顯紅移，但不改變質子性和非質子性溶劑對胸腺嘧啶的C4＝O9反應坐標的調控規律.

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