尿嘧啶-巴比妥酸分子間相互作用的密度泛函理論研究

裴 玲

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尿嘧啶-巴比妥酸分子間相互作用的密度泛函理論研究

裴 玲

（濱州學(xué)院化學(xué)與化工系，山東，濱州 256603）

采用密度泛函理論(DFT)中的B3LYP方法，在6-311G**理論水平上研究了尿嘧啶(U)和巴比妥酸(B)分子間的相互作用，以期從理論上預(yù)測巴比妥酸類物質(zhì)對核酸產(chǎn)生的影響。優(yōu)化復(fù)合物構(gòu)型得到5個B1-U、4個B2-U、4個B3-U穩(wěn)定構(gòu)型，經(jīng)基組重疊誤差和零點(diǎn)振動能校正后，比較各復(fù)合物的相互作用能，可以得出復(fù)合物的主要存在形式有B2-U-3、B2-U-1、B1-U-3和B1-U-1。從NBO的分析得知B1-U、B2-U、B3-U系列復(fù)合物的穩(wěn)定性順序與氫鍵強(qiáng)度一致，即氫鍵的強(qiáng)度決定了復(fù)合物的穩(wěn)定性，分析自然鍵軌道能揭示相互作用的本質(zhì)。

尿嘧啶；巴比妥酸；密度泛函理論；相互作用能；自然鍵軌道

近年來金屬離子、自由基、小分子化合物與堿基作用影響核酸結(jié)構(gòu)及功能的實(shí)驗(yàn)和理論研究頗為活躍[1]，尤其是藥物分子與核酸基本單元相互作用的實(shí)驗(yàn)理論研究。巴比妥酸經(jīng)常作為多種藥物的前驅(qū)體，其衍生物在治療多種疾病中有著廣泛的應(yīng)用[2]。趙劍英、張宇[3]用密度泛函理論研究了胞嘧啶一巴比妥酸分子間相互作用，從理論上證實(shí)了巴比妥酸類物質(zhì)對核酸產(chǎn)生的影響。林雪飛、王芬等[4]采用B3LYP方法對胸腺嘧啶、巴比妥酸單體進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算，通過對單體的分析發(fā)現(xiàn)胸腺嘧啶和巴比妥酸能夠通過某種相互作用力形成穩(wěn)定的復(fù)合物，并判斷出了這種弱相互作用力是氫鍵。雖然已經(jīng)有關(guān)于堿基和巴比妥酸分子間相互作用的研究，尿嘧啶作為構(gòu)成RNA的四種堿基之一，其與巴比妥酸分子間相互作用的研究未見報(bào)道，所以本研究在查閱相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上對此進(jìn)行研究。通過理論計(jì)算的方法找到尿嘧啶－巴比妥酸復(fù)合物間的相互作用力是如何影響其結(jié)構(gòu)特性的，并且用自然鍵軌道分析去證實(shí)這種作用的影響，能夠更深入地去了解這些復(fù)合體，為人類對生物體內(nèi)的一些現(xiàn)象有全新的解釋提供可參考的信息。

1 計(jì)算方法

巴比妥酸可能有10個互變異構(gòu)體[5]，F(xiàn)elice等人通過實(shí)驗(yàn)測定及理論計(jì)算，認(rèn)為巴比妥酸的主要存在形式是B1、B2有少量存在，而B3僅有微量存在[5-7]。因此本研究選取B1、B2、B3為巴比妥酸的研究對象，其結(jié)構(gòu)見圖3.1。利用Gaussian03軟件采用密度泛函理論在6-311G**基組下對四種單體及尿嘧啶－巴比妥酸復(fù)合物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，得到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，然后再對得到的穩(wěn)定構(gòu)型進(jìn)行NBO分析、BSSE校正。所有的優(yōu)化計(jì)算都在PC機(jī)上完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 幾何構(gòu)型分析

尿嘧啶、巴比妥酸單體及尿嘧啶-巴比妥酸復(fù)合物優(yōu)化后的幾何構(gòu)型如圖1所示，B1、B2、B3代表巴比妥酸三種常見的構(gòu)型，U代表尿嘧啶。兩者形成的氫鍵均為O…H鍵，且鍵長均在氫鍵鍵長范圍內(nèi)，相應(yīng)的幾何參數(shù)見表1、2、3。

圖1 尿嘧啶、巴比妥酸單體及復(fù)合物的優(yōu)化構(gòu)型圖

2.1.1 B1-U復(fù)合物的幾何構(gòu)型

B1和U分子形成2個方向相反的氫鍵，這些氫鍵連接B1和U分子形成八元環(huán)，形成復(fù)合物前后，U環(huán)與B1鍵長均有變化，組成八元環(huán)的各鍵變化更明顯，見表1。以B1-U-1構(gòu)型為例，環(huán)上各鍵與單體相比，與氫鍵相鄰者鍵增長，次鄰者鍵縮短，即C3-H5、C4-O6、C4'-O12'、N9'-H10'鍵長分別增加了0.000052、0.000132、0.001379、0.001365 nm，而次鄰者鍵C2-C3、C3-H13、C3-C4、C3'-C4'、N9-C4、N9'-C4'鍵長分別減少了0.000046、0.000159、0.000244、0.000663、0.000411、0.001577 nm。其余復(fù)合物中八元環(huán)上各鍵的變化趨勢與此一致，比較該序列的鍵長變化。

表1 尿嘧啶-巴比妥酸復(fù)合物(B1-U)的B3LYP/6-311G**部分優(yōu)化幾何參數(shù)（鍵長：?）

O…H鍵長按B1-U-1、B1-U-4、B1-U-3、B1-U-2、B1-U-5的順序增加，表明氫鍵的強(qiáng)度按此順序減弱，比較八元環(huán)變化規(guī)律可以看出，形成的氫鍵強(qiáng)度越大，對相應(yīng)八元環(huán)的影響越大。所以，可以得出復(fù)合物的穩(wěn)定順序?yàn)椋築1-U-1 > B1-U-4 > B1-U-3 > B1-U-2 > B1-U-5。

表2 尿嘧啶-巴比妥酸復(fù)合物(B2-U)的B3LYP/6-311G**部分優(yōu)化幾何參數(shù)（鍵長：?）

表3 尿嘧啶-巴比妥酸復(fù)合物(B3-U)的B3/LYP-6-311G**部分優(yōu)化幾何參數(shù)（鍵長：?）

2.1.2 B2-U復(fù)合物的幾何構(gòu)型

與B1-U復(fù)合物相似，環(huán)上各鍵與單體相比，與氫鍵相鄰者鍵增長，次鄰者鍵縮短，雖說同系列的變化不是很有規(guī)律，但從大體趨勢可以看出，在此復(fù)合物的幾何構(gòu)型中，氫鍵的形成對復(fù)合物中各鍵鍵長的影響情況與B1-U系列相似，見表2。O…H鍵長按B2-U-3、B2-U-1、B2-U-2、B2-U-4的順序增加，所以復(fù)合物的穩(wěn)定順序?yàn)椋築2-U-3 > B2-U-1 > B2-U-2 > B2-U-4。

2.1.3 B3-U復(fù)合物的幾何構(gòu)型

在此復(fù)合物的幾何構(gòu)型中，氫鍵的形成對復(fù)合物中各鍵鍵長的影響情況與B1-U系列相似，見表3。O…H鍵長按B3-U-2、B3-U-1、B3-U-3、B3-U-4，所以復(fù)合物的穩(wěn)定順序?yàn)椋築3-U-2 > B3-U-1 > B3-U-3 > B2-U-4。

綜合以上三個系列可以發(fā)現(xiàn)，雖然鍵長的變化幅度在每個構(gòu)型中并沒有很好的規(guī)律性，但大致的規(guī)律還是可以看出來的，所以我們可以得到各系列的穩(wěn)定性順序。另外，由平均氫鍵鍵長順序可知三個序列中B2-U最穩(wěn)定。

2.2 相互作用能

經(jīng)過構(gòu)型優(yōu)化，得到各復(fù)合物分子的總能量(E)、零點(diǎn)能(ZPE)、基組疊加誤差(BSSE)以及經(jīng)ZPE和BSSE校正前后的分子間相互作用能(ΔE，?EC,ZPE)，見表4。將校正前和校正后的相互作用能相比較，可以看出，BSSE和ZPE對分子間相互作用能的重大影響，B2-U系列尤為明顯，校正前后的分子間相互作用能相差很大。由此說明ZPE和BSSE的校正對于研究分子間的相互作用是非常必要的。由于所研究的對象主要是單體以氫鍵形成復(fù)合物分子，所以從結(jié)構(gòu)上分析，幾乎可將體系的相互作用能全部歸諸于氫鍵的作用，并可由之推測氫鍵的平均鍵能。

對于B1-U復(fù)合物，B1-U-3的相互作用能最大，為41.266 kJ/mol，每個氫鍵的平均鍵能約為20.633 kJ/mol。B1-U-2的相互作用能最小，為26.254 kJ/mol，每個氫鍵的平均鍵能約為13.127 kJ/mol。由表3.4可以看出，ZEP和BSSE對B2-U系列的影響是最明顯的，B2-U-3是這個序列里?EC,ZPE最大的，為42.211 kJ/mol，氫鍵的平均鍵能約為21.1055 kJ/mol；B2-U-4最小，為28.203 kJ/mol，氫鍵的平均鍵能約為14.1015 kJ/mol。與B1-U系列相比較可知，B2-U較穩(wěn)定，這與構(gòu)型分析中的結(jié)論是一致的。對于B3-U系列的復(fù)合物，B3-U-2的?EC,ZPE最大，為39.316 kJ/mol，氫鍵的平均鍵能約為19.658 kJ/mol；B3-U-3的?EC,ZPE最小，為28.111 kJ/mol，氫鍵的平均鍵能約為14.0555 kJ/mol。依據(jù)總能量、相互作用能大小可知各復(fù)合物穩(wěn)定性順序?yàn)椋築1-U-3≈B1-U-1≈B1-U-4 > B1-U-5≈B1-U-2，B2-U-3 > B2-U-1 > B2-U-2 > B2-U-4，B3-U-2 > B3-U-1 > B3-U-4≈B3-U-3，這與前面幾何構(gòu)型的分析結(jié)果大體是一致的，表明氫鍵強(qiáng)度對各類復(fù)合物的穩(wěn)定性起關(guān)鍵性作用。

表4 B3LYP/6-311G**計(jì)算的總能量、零點(diǎn)能、基組疊加誤差和相互作用能

2.3 自然鍵軌道分析

為了探討分子間相互作用的本質(zhì)，我們對B-U三個系列在B3LYP/6-311G**水平的自然鍵軌道(NBO)進(jìn)行了分析。表5列出了電子供體(Donor)軌道i、電子受體(Acceptor)軌道j和它們之間相互作用的穩(wěn)定化能E數(shù)值，E越大，表示i與j的相互作用越強(qiáng)，即i提供電子給j的傾向越大。

表5 尿嘧啶-巴比妥酸復(fù)合物的B3LYP/6-311G**自然鍵軌道分析

在B1-U系列中，最穩(wěn)定構(gòu)型B1-U-1中O12'的孤電子對(1)和(2)對N11-H12的反鍵軌道的穩(wěn)定化能分別為31.854 kJ/mol和40.016 kJ/mol，O8的孤電子對(l)和(2)對N9'-H10'的反鍵軌道的穩(wěn)定化能分別為21.933 kJ/mol和27.794 kJ/mol，這表明O12'-H12氫鍵較O8-H10'穩(wěn)定，與圖3.1中列出的氫鍵長短排序一致。該序列中，B1-U-1、B1-U-3、B1-U-4穩(wěn)定性很相近，B1-U-2、B1-U-5穩(wěn)定性很相近，且前一組的穩(wěn)定性比后一組大得多。即穩(wěn)定性大小排序：B1-U-1 > B1-U-4 > B1-U-3 > B1-U-2 > B1-U-5，這與幾何構(gòu)型分析的結(jié)果基本一致。

對于B2-U復(fù)合物，各復(fù)合物中相應(yīng)氫鍵的穩(wěn)定化能大小與該鍵長次序一致，而且此序列的平均氫鍵穩(wěn)定化能大于B1-U系列的，說明B2-U系列的復(fù)合物比B1-U系列的穩(wěn)定，比較數(shù)據(jù)可得出B2-U系列復(fù)合物穩(wěn)定性大小排序：B2-U-3﹥B2-U-1 > B2-U-2 > B2-U-4，這也與幾何構(gòu)型分析的結(jié)果是一致的。

對于B3-U復(fù)合物，各復(fù)合物中相應(yīng)氫鍵的穩(wěn)定化能大小與該鍵長次序一致，各構(gòu)型總穩(wěn)定化能之和的排序與幾何構(gòu)型分析的結(jié)果也是一致的。

以上對復(fù)合物做的NBO分析表明，復(fù)合物穩(wěn)定性由氫鍵強(qiáng)度決定。

3 結(jié)論

在B3LYP/6-311G**水平上計(jì)算尿嘧啶和巴比妥酸單體和復(fù)合物，發(fā)現(xiàn)分子間的相互作用基本沒有改變尿嘧啶和巴比妥酸的分子構(gòu)型，只是各單體的鍵長有微小的變化，兩分子間主要以氫鍵結(jié)合，均形成了八元環(huán)。從對相互作用能和NBO的分析來看，B1-U、B2-U、B3-U系列復(fù)合物的穩(wěn)定性順序與氫鍵強(qiáng)度一致，也就是說，氫鍵的強(qiáng)度決定了復(fù)合物的穩(wěn)定性。對于B1-U系列存在的不同構(gòu)型穩(wěn)定性相近的情況，主要是因?yàn)樗麄儙缀螛?gòu)型的相似性。比較各復(fù)合物的相互作用能，可以得出復(fù)合物的主要存在形式有B2-U-3、B2-U-1、B1-U-3和B1-U-1。

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DENSITY FUNCTIONAL THEORY ON THE INTERACTION OF URACIL AND BARBITURIC ACID

PEI Ling

(Department of Chemistry and Chemical Engineering, Binzhou University, Binzhou, Shandong 256603, China)

In this paper the interaction between uracil(U) and barbituric acid(B) was studied by using the density functional theory (DFT) at the B3LYP/6-311G** level, for the purpose of further investigating the effect of barbituric acid on the structure of nucleic acid. The geometries were optimized and five B1-U, four B2-U and four B3-U stable complexes were obtained. Comparing the interaction energies after the correction of the basis set superposition error and zero point energies, it may show that the main form of the compound were B2-U-3, B2-U-1, B1-U-3 and B1-U-1. The stability of the series of complexes were consistent with the hydrogen bonding strength from the NBO analysis, namely hydrogen bonding strength determined the stability of the complexes, and natural bond orbital analysis could reveal the nature of interaction.

uracil; barbituric acid; density functional theory; interaction energies; natural bond orbital

1674-8085(2014)01-0021-08

O641

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2014.01.005

2013-10-10；

2013-12-22

裴 玲(1980-)，女，山東鄒平人，講師，碩士，主要從事電化學(xué)和量化理論計(jì)算研究(E-mail: peiling1201@163.com).