金屬配合物與核酸作用機(jī)理的理論計算

雷澤眾

(貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局二總隊(duì)，貴州 六盤水 553004)

0 引言

核酸，作為生物體內(nèi)最重要的物質(zhì)之一，對生命遺傳密碼的翻譯、轉(zhuǎn)錄、復(fù)制起著至關(guān)重要的作用，而一些金屬配合物可以顯著改變其結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響其性質(zhì)。研究金屬配合物與核酸的相互作用，將有助于我們從分子水平上了解生命現(xiàn)象的本質(zhì)。金屬配合物，作為“化學(xué)核酸酶”與核酸的反應(yīng)，可以分為兩類：一類涉及金屬配合物使核酸氧化的氧化還原反應(yīng)；另一類是金屬與核酸酯骨架配位，使核酸發(fā)生水解。

本實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)研究金屬與磷酸酯骨架配位，使核酸水解。水解反應(yīng)是金屬配合物的中心金屬離子直接和間接與磷酸酯骨架上的氧原子配位，進(jìn)攻磷酸二酯鍵引起水解或酯轉(zhuǎn)移反應(yīng)，并導(dǎo)致核酸的鏈斷裂的反應(yīng)。金屬離子在水解中可以起到易斯酸的專用，與O 配位使磷酸二指鍵活化；利用電子效應(yīng)和空間效應(yīng)穩(wěn)定離去基團(tuán)、中間體和過渡態(tài)；利用模板效應(yīng)調(diào)節(jié)斷裂試劑與核酸復(fù)合物的空間結(jié)構(gòu)；通過靜電相互作用加強(qiáng)與核酸中磷酸酯骨架的結(jié)合。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與程序

Gaussian 03，Gaussian View

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

2.2.1 計算練習(xí)

1）用Gauss View 分別構(gòu)筑一氯甲烷、二氯甲烷和三氯甲烷分子。使用Gaussian 03W，在HF/3-21g 方法基組水平下，計算三種分子的單點(diǎn)能。（命名CH3Cl,CH2Cl2,CHCl3）以下為輸出文件中單點(diǎn)能數(shù)值的格式：SCF Done:E(RHF)=A.U.after cycles。2）用HF/3-21g 分別優(yōu)化上述1）中的一氯甲烷、二氯甲烷和三氯甲烷分子，并計算它們的頻率，得到三種分子的熱力學(xué)函數(shù)值。 (命名CH3Cl_f,H2Cl2_f,CHCl3_f）。比較1）中優(yōu)化前的單點(diǎn)能。2）中優(yōu)化收斂后的單點(diǎn)能，以及熱力學(xué)函數(shù)值。3）分別構(gòu)筑甲烷、甲醇和甲醛分子，使用HF/3-21g 方法基組，優(yōu)化這三種分子，并比較它們的偶極矩（dipole moment）。(命名CH4，CH3OH，HCOH)。4）丙烯構(gòu)象的優(yōu)化：HF/6-31G(d)構(gòu)筑兩種構(gòu)象的丙烯分子，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，比較相應(yīng)的C-C 鍵長、C-C-C 鍵角、C-C-C-H 二面角及兩種構(gòu)象的能量，討論不同構(gòu)象之間的構(gòu)和能量關(guān)系。（命名，propene_1，propene_2）。5）分別建立甲烷和甲醇分子，采用B3LYP 方法及6-31G 基組，優(yōu)化。 (命名CH4_charge,CH3OH_charge)。比較兩分子中對應(yīng)C 原子和H 原子的mülliken 電荷，討論羥基對電荷分布的影響。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1）磷酸酯結(jié)構(gòu)的理論模型的建立及結(jié)構(gòu)優(yōu)化與單點(diǎn)能計算方法/基組：B3LYP/6-31G(lanl2dz for Zn) 用GaussView 構(gòu)筑磷酸二酯1 分子，優(yōu)化得到該分子的單點(diǎn)能；2）Zn 配合物2或Zn 配合物2’結(jié)構(gòu)的理論模型的建立及結(jié)構(gòu)優(yōu)化與單點(diǎn)能計算用GaussView 構(gòu)筑Zn 配合物2或Zn 配合物2’，優(yōu)化得到Zn 配合物的單點(diǎn)能；3）Zn 配合物2（或2’）與磷酸酯作用后的結(jié)構(gòu)，即中間復(fù)合物3（或3’）的理論模型的建立及結(jié)構(gòu)優(yōu)化與單點(diǎn)能計算用GaussView 構(gòu)筑中間復(fù)合物3 或3’，優(yōu)化得到中間復(fù)合物的單點(diǎn)能；4）過渡態(tài)結(jié)構(gòu)4（或4’）的理論模型的建立及結(jié)構(gòu)優(yōu)化與單點(diǎn)能計算用GaussView 構(gòu)筑過渡態(tài)結(jié)構(gòu)4(4’)，優(yōu)化，得到過渡態(tài)的單點(diǎn)能；5）產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的理論模型的建立及結(jié)構(gòu)優(yōu)化與單點(diǎn)能計算用GaussView 構(gòu)筑磷酸5 與對硝基苯酚6，優(yōu)化得到它們的單點(diǎn)能。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 計算練習(xí)

單點(diǎn)能計算結(jié)果見表1。

表1 單點(diǎn)能計算結(jié)果

由表1 看出，隨著Cl 原子數(shù)目的增加，分子的單點(diǎn)能則降低。原因?yàn)镃l 原子電負(fù)性較低，當(dāng)成鍵時電子偏向Cl，并且形成較強(qiáng)的的C-Cl鍵，從而令整個分子趨于穩(wěn)定。優(yōu)長后的單點(diǎn)能見表2，優(yōu)代后熱力學(xué)函數(shù)矩見表3。

表2 優(yōu)化后的單點(diǎn)能

表3 優(yōu)化收斂后熱力學(xué)函數(shù)值

表2 數(shù)據(jù)顯示，經(jīng)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)單點(diǎn)能有一定的降低，說明其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有所增加。

甲烷分子呈四面體結(jié)構(gòu)，而且4 個H 原子都是等價的，因此整個分子沒有極性，在XYZ 三個方向上有沒有偶極矩，其總偶極矩也為0 Debye。

甲醇分子由于有一個H 原子被羥基取代，而且為四面體立體結(jié)構(gòu)，因此在X 和Y 方向上均有偶極矩，X 方向上的偶極矩為1.1607 Debye。Y 方向上的偶極矩為1.8202 Debye，造成兩個方向上偶極矩不一致的可能原因?yàn)榱u基中的氧形成的化學(xué)鍵具有一定的鍵角，加之Z 方向的分量，最后合成后的總偶極矩為2.1588 Debye。

甲醛分子含有一個羰基，形成了雙鍵，吸電子能力比單獨(dú)一個O 原子要強(qiáng)，整個分子呈平面結(jié)構(gòu)，因此在Y 方向上有2.6583 Debye 的偶極矩，X 方向上有極弱的影響0.0004Debye,最后合成后的總偶極矩為2.8390 Debye。見表4。

表4 優(yōu)化后的偶極矩

從偶極矩的大小來看，羰基產(chǎn)生的偶極矩最大，其次是羥基，這和羰基氧和羰基碳形成了雙鍵有關(guān)系，形成了雙鍵后，雖然鍵長會變短，但電荷分布得差異會變得更加明顯，同時幾何結(jié)構(gòu)上更加對稱，因此綜合下來，羰基對偶極矩的影響最大。見表5。

表5 丙烯結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果

1、2 分別表示如下結(jié)構(gòu)：

從表5 看出，甲基的連接角度，對于雙鍵的長度幾乎沒有影響。而對于C-C 單鍵的長度，則是1 的較長。因?yàn)? 上連接有甲基的雙鍵碳上的H 原子和甲基上的H 原子距離較近，受排斥力影響，C-C 單鍵的長度會增長，鍵強(qiáng)也會相應(yīng)減弱。而C-C-C 的鍵角因幾何結(jié)構(gòu)的關(guān)系，也相應(yīng)減小。見表6。

表6 羥基對電荷分布的影響

從上述數(shù)據(jù)可以看出，對于甲烷分子，負(fù)電荷都集中在C 原子上，H 原子都攜帶正電荷，且電荷數(shù)都為+0.144536。而甲醇分子C 原子上攜帶的負(fù)電荷減少多，因?yàn)橐徊糠址稚⒌絆 原子上，且由于C 原子呈四面體結(jié)構(gòu)，連接羥基后，羥基上的O 原子有一定的鍵角，對C 原子上的H原子有一定的影響。另外羥基氧上的H 原子攜帶的電荷約為+0.36，這是由于O 原子的電負(fù)性，使得與其連接的H 原子的正電荷大大增加。

2.3.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

堿性環(huán)境、無金屬催化劑下的磷酸酯水解見圖1 所示。

圖1 無金屬催化劑堿性環(huán)境下的磷酸酯水解機(jī)理示意圖

對上述6 種分子計算其單點(diǎn)能。計算結(jié)果見下表7。

表7 6 種分子計算結(jié)果

1）穩(wěn)定化能

磷酸二酯與水分子相互作用，形成配合物，其穩(wěn)定化能可通過RC 與分子1 和水分子2 的能量之差來獲得，其值為-28.15 kcal/mol。

2）反應(yīng)熱

根據(jù)水解機(jī)理，反應(yīng)熱可通過計算反應(yīng)分子3、反應(yīng)分子4 和反應(yīng)分子1、反應(yīng)分子2 的能量來獲得。根據(jù)計算結(jié)果，其反應(yīng)熱為-0.16kcal/mol，因此該水解反應(yīng)應(yīng)為放熱反應(yīng)。

金屬催化劑催化磷酸酯水解示意見圖2。

圖2 反應(yīng)示意圖

通過計算，得到如表8 數(shù)據(jù)。

表8 單點(diǎn)能計算結(jié)果

1）穩(wěn)定化能

計算磷酸二酯和配合物分子2 的穩(wěn)定化能，可通過中間復(fù)合物3 的能量減去分子1 和分子2的能量來獲得。結(jié)果表明穩(wěn)定化能為-109 kcal/mol。

2）反應(yīng)熱

通過計算反應(yīng)前后物質(zhì)的能量差異，獲得反應(yīng)的吸放熱數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，該反應(yīng)的反應(yīng)熱為50kcal/mol。該反應(yīng)為吸熱反應(yīng)。

2.4 討論

當(dāng)不含催化劑時，反應(yīng)經(jīng)過兩個過渡態(tài)和一個反應(yīng)中間體。在兩個過渡態(tài)當(dāng)中，過渡態(tài)1 與反應(yīng)物RC 的能量差別較大，因此其能量差可近似看作是該反應(yīng)的活化能。當(dāng)存在催化劑作用時，反應(yīng)經(jīng)過一個過渡態(tài)狀態(tài)，其與反應(yīng)中間體之間的能量差就是該催化反應(yīng)的反應(yīng)活化能。根據(jù)阿倫尼烏斯公式，可知反應(yīng)速率常數(shù)和反應(yīng)活化能呈指數(shù)相關(guān)，從而可以得到兩種反應(yīng)情況下的反應(yīng)速率常數(shù)的比值。

經(jīng)計算，含有催化劑時的反應(yīng)速率常數(shù)（k1）與堿性環(huán)境下的反應(yīng)速率常數(shù)（k2）的比值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大天1，可見在催化劑的作用下，反應(yīng)速率大大提升。