胸腺嘧啶分子振動(dòng)光譜及其量子化學(xué)計(jì)算

付一琛, 薛 亮, 徐巾婷, 張曉波, 郭小玉, 楊海峰

(上海師范大學(xué) 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,上海 200234)

圖1 胸腺嘧啶的分子結(jié)構(gòu)

0 引 言

核酸是一種主要位于細(xì)胞核內(nèi)的生物大分子,充當(dāng)著生物體遺傳信息的攜帶和傳遞作用.胸腺嘧啶(Thymine,Th)是脫氧核糖核酸(DNA)中的主要堿基之一,在基因的表達(dá)、調(diào)控及復(fù)制中起著重要作用.同時(shí),胸腺嘧啶又是合成抗艾滋病藥物AZT、DDT及相關(guān)藥物的關(guān)鍵中間體,也是合成抗腫瘤,抗毒藥物β-胸苷的起始原料[1].因此,胸腺嘧啶一直是實(shí)驗(yàn)檢測和理論計(jì)算關(guān)注度高的課題[2-4].圖1是胸腺嘧啶的分子結(jié)構(gòu)示意圖.

振動(dòng)光譜是一種能夠提供分子振動(dòng)信息的重要分析手段.拉曼光譜(Raman)作為研究分子振動(dòng)的指紋光譜[5-7],是光與分子發(fā)生非彈性散射產(chǎn)生的光譜.拉曼光譜在生物體系研究中,有檢測速度快,信息量大,不受水的干擾等優(yōu)點(diǎn).紅外光譜與拉曼光譜相互補(bǔ)充,也是研究分子結(jié)構(gòu)和分子振動(dòng)的重要技術(shù)手段[8- 9].它們的原理雖不同,但結(jié)合在一起可給出關(guān)于分子內(nèi)部各種簡正振動(dòng)頻率及有關(guān)振動(dòng)能級(jí)的全部信息,從而可以用來鑒定分子結(jié)構(gòu).密度泛函理論(DFT)方法包含了電子交換和電子相關(guān)能量,與傳統(tǒng)電子相關(guān)方法相比(如MP2),能獲得精確的理論計(jì)算結(jié)果[10],且計(jì)算成本較低.

本文作者對(duì)Th分子的拉曼光譜和紅外光譜進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢測,并用B3LYP/6-311**G方法,對(duì)胸腺嘧啶分子的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化,計(jì)算了Th分子的常規(guī)拉曼散射光譜和紅外光譜,通過比較實(shí)驗(yàn)值與理論計(jì)算結(jié)果,兩者有高度的一致性.結(jié)合Gauss View可視化軟件,對(duì)Th分子的振動(dòng)形式進(jìn)行了全面的歸屬.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試 劑

胸腺嘧啶購于Sigma Aldrich公司,其為分析純,使用時(shí)未進(jìn)一步純化.

1.2 儀 器

紅外光譜實(shí)驗(yàn)用尼高力公司AVATAR-370-FTIR紅外光譜儀,KBr壓片法,分辨率4 cm-1,進(jìn)行64次掃描;拉曼光譜儀是美國 DeltaNu公司的A INSP 785型激光拉曼系統(tǒng),采樣時(shí)間為1 s,激光功率300 mW.

2 結(jié)果與討論

2.1 胸腺嘧啶分子振動(dòng)光譜

圖2和圖3分別是胸腺嘧啶粉末樣品的拉曼光譜圖和紅外吸收光譜圖.

圖2 胸腺嘧啶固體的拉曼光譜

圖3 胸腺嘧啶的紅外光譜

2.2 量子化學(xué)計(jì)算及其數(shù)據(jù)處理

表1為密度泛函B3LYP/6-311**G法優(yōu)化后計(jì)算的Th分子理論振動(dòng)頻率和相應(yīng)的校正頻率以及振動(dòng)光譜實(shí)驗(yàn)值,校正因子取0.994[11].

圖4 胸腺嘧啶分子的優(yōu)化結(jié)構(gòu)

2.3 振動(dòng)光譜歸屬

經(jīng)密度泛函法B3LYP/6-311**G結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算后的胸腺嘧啶分子構(gòu)型,見圖4.根據(jù)表1中校正后的振動(dòng)理論值,對(duì)胸腺嘧啶分子的紅外吸收光譜和拉曼光譜進(jìn)行歸屬.

2.3.1 C-C振動(dòng)

根據(jù)B3LYP/6-311**G法計(jì)算得出的C-C和C=C振動(dòng)理論值與實(shí)驗(yàn)值能很好的吻合,C-C振動(dòng)出現(xiàn)在頻率為297、332、745、808 cm-1的位置,屬于拉曼振動(dòng).742 cm-1處的紅外頻率也是來自于C-C振動(dòng).其中297 cm-1處的拉曼光譜頻率歸屬于7C-8C的面內(nèi)搖擺振動(dòng).332 cm-1處的拉曼光譜頻率歸屬于 7C-8C的面外搖擺振動(dòng).745 cm-1處的拉曼光譜頻率和742 cm-1處的紅外光譜頻率歸屬于5C-7C-8C的對(duì)稱伸縮振動(dòng).808 cm-1處的拉曼光譜頻率歸屬于7C-8C的伸縮振動(dòng).

表1 運(yùn)用密度泛函理論DFT B3LYP/6-311**G方法的計(jì)算結(jié)果對(duì)胸腺嘧啶分子的拉曼和紅外振動(dòng)進(jìn)行歸屬

注:υ為伸縮振動(dòng);δ為剪式振動(dòng);ρ為面內(nèi)搖擺振動(dòng);ω為面外搖擺振動(dòng);τ為扭曲搖擺

2.3.2 C-H振動(dòng)

從圖2胸腺嘧啶的拉曼光譜圖可以看出,138、 986、1159、1218、1251、1371、1413、1435、1673 cm-1處有明顯的拉曼峰,這些拉曼頻率均屬于C-H鍵的面內(nèi)搖擺振動(dòng).其中138、986、1218 cm-1處的拉曼頻率歸屬于甲基上的C-H鍵的面內(nèi)搖擺振動(dòng).986、1159、1218、1251、1371、1413、1435、1673 cm-1處的拉曼頻率屬于9C-15H的面內(nèi)搖擺振動(dòng).拉曼位移在432、938、1159、1461 cm-1處也有明顯的拉曼峰,它們均屬于C-H鍵的面外搖擺振動(dòng),具體歸屬為:432 cm、938 cm-1處的拉曼頻率歸屬于9C-15H面外搖擺振動(dòng),1159、1461 cm-1處的拉曼頻率屬于甲基上C-H鍵的面外搖擺振動(dòng).

從圖3胸腺嘧啶紅外光譜圖可以看出,在934、983、1214、1382、1427、1446、3035、3204 cm-1處都有較明顯的紅外吸收,它們均屬于C-H鍵的振動(dòng),其中934 cm-1處的紅外光譜頻率歸屬于9C-15H的面外搖擺振動(dòng),紅外吸收光譜位于983、1214、1382、1427、1446 cm-1的吸收頻率歸屬于9C-15H的面內(nèi)搖擺振動(dòng),除此,983、1214 cm-1處的紅外吸收頻率還有甲基上C-H鍵的面內(nèi)搖擺振動(dòng)的貢獻(xiàn).3045和3204 cm-1處的紅外吸收頻率分別歸屬于甲基上C-H鍵的伸縮振動(dòng)和9C-15H的伸縮振動(dòng).

2.3.3 C=O振動(dòng)

分析胸腺嘧啶的拉曼光譜圖,拉曼位移在173、297、808、1673 cm-1處有較強(qiáng)的拉曼峰,它們均屬于胸腺嘧啶分子中C=O的振動(dòng).具體歸屬為:173 cm-1處的拉曼振動(dòng)頻率歸屬于2C=3O鍵的面外搖擺振動(dòng)及5C=6O的面外搖擺振動(dòng),297 cm-1處的拉曼頻率歸屬于5C=6O的面內(nèi)搖擺振動(dòng),808 cm-1處的拉曼光譜頻率歸屬于2C=3O的伸縮振動(dòng),1673 cm-1處的拉曼光譜頻率歸屬于5C=6O的雙鍵伸縮振動(dòng).在紅外吸收光譜圖上可以看出1754 cm-1處有很強(qiáng)的紅外吸收光譜,其吸收頻率可歸屬于2C=3O的伸縮振動(dòng).

2.3.4 C-N振動(dòng)

C-N振動(dòng)出現(xiàn)在拉曼位移500～1500 cm-1范圍內(nèi),其中562、1159、1251、1435 cm-1處的拉曼光譜頻率分別歸屬于1N-9C和4N-5C的面內(nèi)搖擺振動(dòng)、4N-5C和1N-9C的伸縮振動(dòng)、1N-9C、2C-4N的伸縮振動(dòng)和2C-4N-5C的伸縮振動(dòng).在紅外吸收譜圖上,位于560、1244、1466 cm-1處的吸收頻率也屬于C-N振動(dòng),具體分別歸屬于1N-9C、4N-5C的面內(nèi)搖擺振動(dòng)和1N-9C、2C-4N的伸縮振動(dòng)及2C-4N-5C的伸縮振動(dòng).

2.3.5 N-H振動(dòng)

拉曼譜圖上,位于173、332、432、986、1159、1218、1371、1413、1435、1492、1673 cm-1處的拉曼光譜頻率均屬于N-H鍵的振動(dòng),其中173和1218 cm-1處的拉曼光譜頻率分別可歸屬于4N-11H、1N-10H的面外和面內(nèi)搖擺振動(dòng),332 cm-1處的拉曼光譜頻率歸屬于1N-10H的面外搖擺振動(dòng),986、1371、1413、1435、1673 cm-1處的拉曼光譜頻率歸屬于4N-11H的面內(nèi)搖擺振動(dòng),1159、1492 cm-1處的拉曼光譜頻率歸屬于1N-10H的面內(nèi)搖擺振動(dòng).對(duì)于紅外吸收光譜圖,紅外吸收峰位于759、983、1214、1382、1427、1446、1754 cm-1處的振動(dòng)頻率均屬于N-H振動(dòng),具體歸屬為:759和1214 cm-1的紅外光譜頻率分別歸屬于1N-10H、4N-11H的面外和面內(nèi)搖擺振動(dòng),983、1382、1427、1446 cm-1處紅外光譜頻率歸屬于4N-11H的面內(nèi)搖擺振動(dòng),1754 cm-1處紅外光譜頻率歸屬于1N-10H、4N-11H的面內(nèi)搖擺振動(dòng).

2.3.6 環(huán)的振動(dòng)

在拉曼譜圖和紅外吸收譜圖上均能觀察到胸腺嘧啶分子結(jié)構(gòu)中環(huán)的振動(dòng)峰,位于483和 620 cm-1處的拉曼光譜頻率及476、616 cm-1處的紅外光譜頻率可歸屬于環(huán)的變形振動(dòng).

3 結(jié) 論

本文作者結(jié)合密度泛函理論DFT和兩種光譜實(shí)驗(yàn)測試方法得到了胸腺嘧啶分子的拉曼光譜和紅外光譜,用B3LYP/6-311G方法優(yōu)化了胸腺嘧啶分子的幾何結(jié)構(gòu).并對(duì)Th分子的振動(dòng)進(jìn)行了全面歸屬,結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)值和理論計(jì)算值有很高的一致性.

參考文獻(xiàn):

[1] CHEN B C,QUINLAN S L,REID J G,et al.A new thymine free synthesis of the anti-AIDS drug d4T via regio/stereo controlled 13-elimination of bromoacetates[J].Tetrahedron Letters,1998,39(8):729-732.

[2] SZCZEPANIAK K,SZCZEPANIAK M M,PERSON W B.Raman and infrared spectra of thymine.A mnatrix isolation and DFT study[J].J Phys Chem A,2000,104(16):3852-3863.

[3] OTTO C,VAN DEN TWEEL T J J,DE MULF F M,et al.Surf ace-enhanced raman spectroscopy of DNA bses[J].Journal of Raman Spectroscopy,1986,17(3):289-298.

[4] RASTOGI V K,SINGH C,JAIN V,et al.FTIR and FT-raman spectra of 5-methyluracil (thymine)[J].J Raman Spectrosc,2000,31(11):1005-1012.

[5] FLEISCHMANN M,HENDRA P J,MCQUILLAN A J.Raman spectra of pyridine adsorbed at a silver electrode[J].Chem Phys Lett,1974,26 (2):163-166.

[6] TIAN Z Q,REN B,WU D Y.Surface-enhanced raman scattering:from noble to transition metals and from rough surfaces to ordered nanostructures[J].J Phys Chem B,2002,106(37):9464-9483.

[7] KNEIPP K,WANG Y,KNEIPP H,et al.Single molecule detection using surface-enhanced raman scattering (SERS)[J].PHYSICAL REVIEW LETTERS,1997,78(9):1667-1670.

[8] MADEJOV J.FTIR techniques in clay mineral studies[J].Vibrational Spectroscopy,2003,31(1):1-10.

[9] MADEJOVA J,ENTRA′K M,A′ IKOVA′ H,et al.Near-infrared spectroscopy:A powerful tool in studies of acid-treated clay minerals[J].Vibrational Spectroscopy,2009,49(2):211-218.

[10] HIMO F,LOVELL T,HILGRAF R,et al.Copper(I)-catalyzed synthesis of azoles.DFT study predicts unprecedented reactivity and intermediates[J].J AM CHEM SOC,2005,127(1):210-216.

[11] WONG M W.Vibrational frequency prediction using density functional theory[J].Chem Phy Lett,1996,256(45):391-399.