钴多吡啶配合物的DNA键合、光裂解及对接的理论研究

摘要

钴(Ⅲ)多吡啶配合物具有丰富的光化学、光物理性质、独特的DNA结合能力，在生物领域具有广泛的潜在应用，如可以作为DNA结构探针、DNA分子光开关、肿瘤基因治疗、DNA光裂解试剂等。近年来，大量钴(Ⅲ)多吡啶配合物已被合成和表征，其DNA键合性质、DNA光裂解性质及DNA作用机理也已都被实验所研究，然而，钴多吡啶配合物的DNA键合规律、DNA光裂解性质及DNA作用机理在实验上尚未真正弄清楚，在理论上的研究更为罕见。因此，在实验的基础上，进行上述钴(Ⅲ)多吡啶配合物性质的理论研究，对于设计及合成新型钴(Ⅲ)多吡啶配合物具有十分重要的意义。
　　 本论文运用Gaussian03程序包，采用密度泛函理论(DFT)、含时密度泛函理论(TDDFT)、HF(Hartree-Fock)从头计算及单组态相互作用的(CIS)方法，对若干系列钴(Ⅲ)多吡啶配合物DNA键合倾向、DNA光裂解机理及光谱性质进行理论研究。通过研究系列钴(Ⅲ)多吡啶配合物的几何结构和电子结构，解释配合物的DNA键合性质，获得其调控规律。同时，通过研究钴(Ⅲ)多吡啶配合物基态和激发态的几何结构和电子结构等方面性质，初步探讨了这些配合物的DNA光裂解机理。最后，运用对接软件Dock6.2，把钴(Ⅲ)多吡啶配合物对接到DNA碱基对中，从总体模型上，研究其配合物与DNA碱基对作用的部位、键合性质、电子结构及光谱性质等。
　　 本论文共包括六章：
　　 第一章绪论。综述了量子化学的基本方法和钴多吡啶配合物的研究进展，阐明本论文所选课题的意义。
　　 第二章钴多吡啶配合物[Co(bpy)2(L)]3+(L=pip，odhip，hnoip)(1-3)的DNA键合倾向、光谱性质及主配体的调控作用。主要采用DFT方法，通过研究配合物1-3基态几何结构和电子结构，解释不同取代基对钴(Ⅲ)多吡啶配合物DNA键合倾向的影响，获得主配体调控规律。同时，用TDDFT方法计算配合物的电子吸收光谱，并模拟配合物的电子吸收光谱图。模拟结果表明，以在溶液中优化的配合物结构为基础，在溶液中计算的电子吸收光谱和实验结果吻合较好，这说明溶剂效应对带有较多正电荷的钴(Ⅲ)多吡啶配合物的电子吸收光谱影响较大。
　　 第三章钴多吡啶配合物[Co(L)2(pip)]3+(pip=2-phenylimidazo[4,5-f]-phenanthroline)，L=phen(1，10,)phenanthroline，bpy(2,2'-bipyridine)，en(ethylenediamine)]的DNA键合倾向、光谱性质及辅助配体的调控作用。主要采用DFT方法，通过研究配合物基态几何结构和电子结构，解释不同取代基对钴(Ⅲ)多吡啶配合物的DNA键合倾向的影响，获得辅助配体的调控规律。同时，用TDDFT方法计算配合物的电子吸收光谱，并模拟配合物的电子吸收光谱图。模拟结果进一步表明，以溶液中优化的配合物结构为基础，在溶液中计算的电子吸收光谱和实验结果吻合较好，说明对钴(Ⅲ)多吡啶配合物电子吸收光谱的计算考虑溶液效应是必要的。
　　 第四章钴多吡啶配合物[Co(phen)2L]3+(L=pip，hpip，hnaip)的DNA键合倾向、光谱性质及光裂解机理的理论研究。采用DFT方法，通过研究配合物基态的几何结构和电子结构，分析了配合物主配体内分子氢键和主配体共轭面积对配合物DNA键合倾向的影响；并用TDDFT方法计算、模拟和解释了配合物的电子吸收光谱，得到与实验相符的良好结果。特别是，采用HF和CIS方法研究了配合物基态和最低三重激发态的几何与电子结构，并从光诱导电荷分布变化(或跃迁)的角度初步探讨了钴(Ⅲ)多吡啶配合物的DNA光裂解机理。
　　 第五章钴、钌多吡啶配合物的光谱性质及DNA光裂解机理的比较。选择了两个钴、钌配合物进行研究。采用TDDFT方法，计算了这两个配合物的电子吸收光谱，并对实验上测得的这两个配合物的强吸收带进行了详细解释，分析了溶剂效应对钴、钌配合物电子吸收光谱的影响。同时，用HF和CIS方法计算了它们的基态和激发态的几何与电子结构，分析了配合物基态和最低三重激发态的电荷布居，探讨了它们不同的DNA光裂解机理。最后，总结归纳这两种不同金属的多吡啶配合物在光谱性质及DNA光裂解机理上的重要区别。
　　 第六章钴多吡啶配合物与DNA对接的理论研究。运用对接软件Dock6.2，把钴(Ⅲ)多吡啶配合物对接到DNA碱基对中，从总体模型上，研究钴(Ⅲ)多吡啶配合物与DNA碱基对作用的部位、键合规律、电子结构及光谱性质，深入解释有关的实验现象。
　　 本论文尚有一些不足之处，如研究的一些系列配合物缺乏在同一实验条件下测定的可作定性/定量比较的数据，使论文的深入讨论、调控规律的研究以至论文的学术水平受到一定影响。钴多吡啶配合物DNA光裂解机理及DNA对接的研究是当前国际生物无机化学领域的一个前沿、交叉及具有广阔应用前景的课题，本论文的研究工作及其所获得的规律还是很初步的。今后要将量子化学与计算化学的多种方法有效地结合起来，从配合物与DNA作用的整体模型上探索活性部位、键合规律及光裂解机理，使该课题的研究提高到新的水平。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1量子化学计算方法

1.1.1薛定谔方程

1.1.2分子轨道理论

1.1.3从头计算方法

1.1.4密度泛函理论

1.1.5电子光谱

1.1.6溶剂效应

1.2多吡啶配合物与DNA作用的研究进展

1.2.1 DNA的结构

1.2.2配合物与DNA作用模式

1.2.3 Co(Ⅲ)多吡啶配合物的研究现状

1.3选题意义及创新点

1.3.1选题意义

1.3.2创新点

参考文献

第二章钴配合物[Co(bpy)2L]3+的DNA键合倾向、光谱性质及主配体的调控作用

2.1引言

2.2计算模型与方法

2.3结果和讨论

2.3.1主配体对配合物几何结构的影响

2.3.2配合物的前沿分子轨道特征

2.3.3 配合物DNA键合倾向及光谱性质的理论解释

2.4结论

参考文献

第三章钴配合物[Co(L)2pip]3+的DNA键合倾向、光谱性质及辅助配体的调控作用

3.1引言

3.2计算模型与方法

3.3计算结果与讨论

3.3.1辅助配体对配合物几何结构的影响

3.3.2配合物的前沿分子轨道特征

3.3.3配合物DNA键合倾向性

3.3.4配合物的UV-Vis光谱的模拟和解释

3.4.结论

参考文献

第四章钴配合物[Co(phen)2L]3+的DNA键合倾向、光谱性质及光裂解机理的初步解释

4.1引言

4.2计算模型与方法

4.3计算结果与讨论

4.3.1基态(S0)和最低激发三重态(T1)的几何参数

4.3.2配合物DNA键合倾向性

4.3.3配合物的UV-Vis光谱的模拟和解释

4.3.4基态和激发态的自然电荷分析

4.3.5配合物DNA光裂解机理的初步解释

4.4结论

参考文献

第五章钴、钌多吡啶配合物在光谱性质及DNA光裂解机理上的比较

5.1引言

5.2计算模型与方法

5.3计算结果与讨论

5.3.1基态(S0)和最低激发三重态(T1)的几何参数

5.3.2配合物UV-Vis光谱的模拟和解释

5.3.3基态和激发态的自然电荷分析

5.3.4配合物DNA光裂解机理的初步解释

5.4结论

参考文献

第六章钴多吡啶配合物DNA对接的理论研究

6.1引言

6.2计算模型与方法

6.3计算结果与讨论

6.3.1配合物插入DNA中的模型结构

6.3.2配合物与DNA的结合能

6.3.3配合物-DNA分子内氢键

6.3.4配合物DNA对接模型的前沿分子轨道分析

6.3.5配合物DNA对接模型的UV-Vis光谱性质

6.4结论

参考文献

总结与展望

博士期间发表的论文

致谢