三種核酸堿基化合物密度泛函理論研究

趙 威

（營口理工學院化學與材料工程系，遼寧營口 115004）

三種核酸堿基化合物密度泛函理論研究

趙 威

（營口理工學院化學與材料工程系，遼寧營口 115004）

運用量子化學密度泛函理論計算了3種核酸堿基化合物胞嘧啶、胸腺嘧啶和尿嘧啶的幾何構型、電子結構，運用含時密度泛函計算了3種化合物的電子光譜性質。研究結果表明：胸腺嘧啶化合物結構最穩定，胞嘧啶最大吸收波長紅移最明顯。

密度泛函；核酸堿基；胞嘧啶；紅移

1 引言

核酸堿基主要是指嘌呤和嘧啶的衍生物，是核酸、核苷、核苷酸的成分。構成核酸的堿基有胞嘧啶、胸腺嘧啶、鳥嘧啶、腺嘌呤和鳥嘌呤，胞嘧啶，學名為2-羰基-4-氨基嘧啶，分子式為C4H5N3O。核酸（DNA和RNA）中的主要堿基組成成分之一。胸腺嘧啶是DNA的主要嘧啶堿，在RNA中極少見；相反，尿嘧啶是RNA的主要嘧啶堿，在DNA中則是稀有的。目前對核酸堿基化合物的設計研究的文獻很多，研究表明天然堿基化合物基本都不具有熒光活性，但是可以對這類化合物用堿基修飾來尋找具有高熒光活性的化合物，比如引入芳香環等[1]。本文運用量子化學密度泛函理論計算了3種核酸堿基化合物胞嘧啶、胸腺嘧啶和尿嘧啶的幾何構型、電子結構，運用含時密度泛函計算了三種化合物的電子光譜性質。3種核酸堿基化合物的結構圖見圖1。

圖1 三種核酸堿基化合物的結構圖

2 計算方法

運用Guassian-03W量子化學程序包中的密度泛函（DFT）理論[2]，在B3LYP/6-31G*水平上，對（圖1）進行全自由度幾何優化，頻率計算。然后對三種化合物的基態優化構型為基礎，應用含時密度泛函理論TD-DFT[3]，在B3LYP/6-31G（d，p）水平上，計算了三種化合物在氣相中的電子吸收光譜。所有計算均采用Guassian-03W程序完成。

3 計算結構與討論

1）三種核酸堿基化合物能量計算結果，三種化合物的結構優化得到的能量數據見表1。

表1 三種核酸堿基化合物能量

Ea：Total electronic energy；ZPEb：Zero-point energy；E0：Sum of electronic and zero-point energyE0是經零點能校正后的總能量，無特別說明均以E0為能量討論的依據。從表1數據顯示胸腺嘧啶能量最低-454.021 037a.u，胞嘧啶的能量最高為-394.829 246a.u，尿嘧啶的能量-414.728 608a.u，介于兩者之間。

（2）三種核酸堿基化合物的振動頻率和強度。三種化合物的結構優化得到的振動頻率和振蕩強度數據見表2。

表2 三種核酸堿基化合物振動頻率和振蕩強度

頻率計算結果表明，胞嘧啶的振動頻率138.136cm-1，振蕩強度1.601 3km/mol，胸腺嘧啶的振動頻率119.959cm-1，振蕩強度0.001 1km/mol，尿嘧啶的振動頻率148.456cm-1，振蕩強度0.368 8km/mol，三種化合物的振動頻率，最小頻率都為正值，沒有出現虛頻，進一步證明這三種化合物穩定的存在。

（3）三種核酸堿基化合物化合物的躍遷軌道、成分、最大吸收波長（λ）、振子強度（f）和主要躍遷類型見表3。

表3 三種核酸堿基化合物的躍遷軌道、成分、最大吸收波長（λ）、振子強度（f）和主要躍遷類型

表3數據顯示胞嘧啶的躍遷類型是π-π*，主要是對應HOMO-LUMO的躍遷，躍遷成分是65.31%，躍遷對應的最大吸收波長是266.23nm，對應的振子強度是0.044，胸腺嘧啶的躍遷類型是π-π*，主要是對應HOMO-1-LUMO的躍遷，躍遷成分是67.34%，躍遷對應的最大吸收波長是260.79nm，對應的振子強度是0.001，尿嘧啶的躍遷類型是π-π*，主要是對應HOMO-1-LUMO的躍遷，躍遷成分是67.70%，躍遷對應的最大吸收波長是263.40nm，對應的振子強度是0.001。3種核酸堿基化合物的的最大吸收波長均在紫外波范圍內。

[1] 張來斌、任廷琦.新型鳥嘌呤類似物y-鳥嘌呤及其異構體電子光譜性質的理論研究[J].物理學報，2015，64（7）.

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[3] Petersila M，Gossmann U J，Gross E K U.Excitation energies from time-dependent density-functional theory[J].Phys Rev Lett，1996，76：1212.

Density Functional Theory Study on Three Kinds of Nucleic Acid base Compounds

Zhao Wei

In this paper，by using quantum chemical DFT theory of three kinds of nucleic acid base compound cytosine，thymine and uracil geometry，electronic structure and electronic spectrum properties of three compounds were calculated by using time-dependent density functional theory，the results of the study show that the most stable structure of complexes of thymine，cytosine bathochromic shift in the maximum absorption wavelength is most obvious.

DFT；Nucleic acid；cytosine；red-shift

0643

A

1003-6490（2016）11-0061-01

2016-10-26

趙威（1983—），女，遼寧蓋州人，碩士研究生，實驗師，主要從事物理化學實驗教學以及理論化學研究。