钌多吡啶配合物DNA光裂解机理和效率的理论研究

摘要

钌(Ⅱ)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。自从上世纪70年代，Adamson报道了钌(Ⅱ)联吡啶配合物可以作为光敏化试剂之后，人们合成了大量不同结构的钌(Ⅱ)多吡啶配合物，其中中山大学生物无机化学组就合成了上百种的钌(Ⅱ)多吡啶配合物。这些配合物大多具有DNA光裂解性能，然而，其光裂解DNA的机理与规律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，进行钌(Ⅱ)多吡啶配合物DNA光裂解的机理与效率的理论研究，对于指导新型钌(Ⅱ)多吡啶配合物的DNA光裂解试剂的设计及作用机理分析具有十分重要的意义。 本论文运用Gaussian 03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，对若干系列钌(Ⅱ)多吡啶配合物的DNA光裂解机理与效率进行理论研究。通过研究实验上报道的具有DNA光裂解性能的插入型钌(Ⅱ)多吡啶配合物的基态和激发态的几何结构、电子结构、激发态的氧化还原势等方面的性质，解释了这些配合物DNA光裂解的机理与效率，获得了这些配合物DNA光裂解效率的一些调控规律，如主配体上不同取代基、取代基的不同位置、主配体骨架上引入N原子以及辅助配体等对光裂解DNA效率的调控等。 本论文共包括五章： 第一章绪论。综述了量子化学的基本方法和钌多吡啶配合物的研究进展，特别是钌(Ⅱ)多吡啶配合物DNA光裂解的研究现状及其理论研究进展，从而阐明本论文所选课题的意义。 第二章钌多吡啶配合物[Ru(phen)2(6-R-dppz)]2+(R=OH，NO2和H)对DNA光裂解机理及取代基效应。主要采用DFT、HF和CIS方法，通过研究配合物[Ru(phen)2(6-R-dppz)]2+(R=OH，NO2和H)(1～3)基态与激发态几何构型、自然电荷分布、以及计算得到的基态和激发态电化学数据，解释了不同取代基钌(Ⅱ)多吡啶配合物可能的DNA光裂解机理以及光裂解效率。计算结果表明，对于配合物1和3，其裂解能力主要取决于相应激发态的还原势；对于硝基取代配合物2，其光裂解DNA的能力除了决定于激发态的还原势外，还受到激发态几何构型畸变的影响。第三章主配体不同位置取代的钌配合物[Ru(bpy)2(L)]2+(L=pip，o-mopip，p-mopip)对DNA的光裂解及其效率。采用DFT/TDDFT，HF和CIS方法计算了[Ru(bpy)2(L)]2+(L=pip，o-mopip，p-mopip)(1-3)的基态和激发态的几何与电子结构，用理论计算的方法获得了它们基态(S0)和最低三重激发态(T1)的氧化还原势。计算得到这些钌配合物(1-3)激发态还原势大于重叠鸟嘌呤的氧化势，且其顺序为E*red(1)＜E*red(2)＜E*red(3)，这与实验观察到的光裂解效率顺序一致。同时从光化学数据看，电子结构的不同导致不同配合物激发态的系间跃迁速率不同{r(3)＞r(2)＞r(1))，也可以解释它们不同的DNA光裂解效率。 第四章插入配体骨架上氮原子[Ru(pphcn)L]2+(L=pip，pyip，pzip)对钌配合物DNA光裂解效率的理论研究。采用DFT，HF和CIS方法计算了[Ru(phen)L]2+(L=pip，pyip，pzip)(1-3)的几何与电子结构，用理论计算方法获得了它们基态(S0)和激发态(T1)的氧化还原势。从理论上推测了在主配体上增加1个氮原子到增加3个氮原子，可能的DNA光裂解效率的倾向。 第五章不同辅助配体钌(Ⅱ)多吡啶配合物DNA光裂解效率的理论研究。选择了三个系列钌配合物进行研究，采用DFT，HF和CIS方法计算了它们的几何与电子结构，用理论计算的方法获得了它们基态和激发态(T1)的氧化还原势，讨论了辅助配体对钌(Ⅱ)配合物DNA光裂解效率的调控作用。 本论文创新之处：(1)通过计算得到钌配合物的基态和激发态的几何及电子结构(如电荷分布)的变化，在理论上解释了插入型钌多吡啶配合物的DNA光裂解机理，为实验上的光诱导氧化还原机理提供了理论支持。(2)计算了钌多吡啶配合物激发态的氧化还原势，并从计算的配合物激发态的电化学、光化学性质以及几何畸变三个方面很好地解释了若干系列钌(Ⅱ)多吡啶配合物DNA光裂解的效率，得到的结果与实验事实一致。(3)通过理论研究获得了钌(Ⅱ)多吡啶配合物DNA光裂解的一些调控规律。如从主配体取代基、取代基位置、辅助配体及在配体上引入杂原子等方面进行调控。 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、调控规律的总结以至论文的学术水平受到一定的影响。钌多吡啶配合物DNA光裂解机理与效率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，今后在理论与实验上要更加紧密地结合起来，才能深入进行该课题的研究工作。

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 Sch(o)rdinger方程

1.1.2多体问题

1.1.3分子轨道理论

1.1.4从头计算法(ab initio)

1.1.5半经验的量子化学计算方法

1.1.6密度泛函理论(DFT)

1.1.7溶剂效应

1.2 Ru(Ⅱ)多吡啶配合物与DNA作用的研究进展

1.2.1核酸的组成

1.2.2核酸的结构

1.2.3 Ru(Ⅱ)多吡啶配合物与DNA作用模式

1.2.4 Ru多吡啶配合物在生物化学上的应用前景

1.2.5 Ru(Ⅱ)配合物诱导DNA光断裂的研究进展

1.2.6 Ru(Ⅱ)配合物的理论研究现状

1.3课题的选择及意义

参考文献

第二章钌配合物[Ru(phen)2(6-R-dppz)]2+(R=OH，NO2，H)对DNA光裂解机理及取代基效应

2.1引言

2.2计算模型与方法

2.3计算结果与讨论

2.3.1基态(So)和最低激发态(S1和T1)的几何参数

2.3.2基态和激发态的自然电荷分析

2.3.3基态配合物在水溶液中的前沿分子轨道

2.3.4计算的氧化还原电位

2.3.5配合物诱导DNA光裂解机理的理论解释

2.4本章小结

参考文献

第三章主配体不同位置取代钌配合物对DNA光裂解及其效率的理论研究

3.1引言

3.2实验与计算方法

3.2.1实验方法

3.2.2计算方法

3.3结果和讨论

3.3.1钌多吡啶配合物pBR322 DNA裂解实验结果

3.3.2[Ru(bpy)2(L)]2+(L=pip，o-mopip，p-mopip)基态(S0)和激发态(S1和T1)的几何构型

3.3.3[Ru(bpy)2(L)]2+(L=pip，o-mopip和p-mopip)在基态和激发态的自然电荷布居

3.3.4[Ru(bpy)2(L)]2+(L=pip，o-mopip，p-mopip)理论电化学数据.

3.3.5[Ru(bpy)2(L)]2+(L=pip，o-mopip和p-mopip)基态(S0)的前沿分子轨道

3.3.6钌配合物[Ru(bpy)2(L)]2+(L=pip，o-mopip，p-mopip)DNA光裂解机理的理论解释

3.3.7[Ru(bpb)2(L)]2+(L=pip，o-mopip，p-mopip)DNA光裂解效率的理论解释

3.4.本章小结

参考文献

第四章插入配体骨架上引入氮原子对DNA光裂解效率的影响

4.1引言

4.2计算方法

4.3结果与讨论

4.3.1[Ru(phen)2(L)]2+(L=pip，pyip，pzip)基态(S0)和激发态(S1和T1)的几何构型

4.3.2[Ru(phen)2(L)]2+(L=pip，pyip，pzip)在基态和激发态的自然电荷布居

4.3.3[Ru(phen)2(L)]2+(L=pip，pyip，pzip)基态(S0)的前沿分子轨道

4.3.4[Ru(bpy)2(L)]2+(L=pip，pyip，pzip)理论电化学数据

4.3.5[Ru(phen)2(L)]2+(L=pip，pyip，pzip)对DNA光裂解机理与效率的理论解释

4.4本章小结

参考文献

第五章不同辅助配体钌多吡啶配合物的光裂解效率的理论研究

5.1引言

5.2计算方法

5.3[Ru(L)2(PPip)]2+(L=bpy，phen)(1，2)

5.3.1计算模型

5.3.2计算结果和讨论

5.4[Ru(L)2(idpq)]2+(L=bpy，phen)(3，4)

5.4.1计算模型

5.4.2计算结果和讨论

5.5[Ru(L)2(dppz)]2+(L=phen，TAP)(5，6)

5.5.1计算模型

5.5.2计算结果和讨论

5.6配合物1-6光裂解DNA的理论解释.

5.7本章小结

参考文献

总结

博士期间发表论文

致谢