理论研究单核钌催化剂水氧化的机理和预测双链胸腺嘧啶-汞离子-胸腺嘧啶配对的DNA结构

摘要

近年来，随着相关理论、数值算法、计算机能力的飞速发展，使得基于密度泛函理论的第一性原理计算方法及相应的QM/MM方法已成为生物、化学和材料科学中的主要计算研究工具。本论文的主要内容分为二部分：一是运用第一性原理方法及联合的量子力学(QM)和分子力学(MM)的最小自由能路径法(MFEP)详细地研究了单核钌催化剂水氧化的反应，计算的结果揭示了这类催化剂的催化水的详细机制，相应的结果有助于我们了解和设计新的水氧化催化剂；二是运用Oniom(QM/MM)方法预测双链的胸腺嘧啶．汞离子-胸腺嘧啶配对DNA的结构，计算结果给出了这类新型碱基配对的DNA结构参数，有助于了解重金属汞离子与胸腺嘧啶的作用机制，可用来作为分子传感器来探测重金属汞。研究的创新点叙述如下：从原子水平上给出了单核钌催化剂催化水氧化的详细反应路径循环图，催化水氧化涉及到反应路径的微观细节呈现和机理的解释与相应的实验数据一致；同时理论预测给出了重金属汞离子作用胸腺嘧啶碱基形成双链胸腺嘧啶-汞离子-胸腺嘧啶配对的DNA的结构，计算给出了新型胸腺嘧啶-汞离子-胸腺嘧啶配对DNA堆叠结构的参数，相应的计算结果支持先前已经报道的实验数据。研究涉及的体系物性包括几何构型、电子结构、反应路径、频率计算等方面。
　　 第一章为基础理论方法。简要介绍了密度泛函理论方法、微扰理论、电子组态理论方法的基本理论框架。对于发展最迅速和应用最广的密度泛函理论，其主体思路是寻找合适的交换相关能量泛函为主线。从最初的局域密度近似(LDA)和广义梯度近似(GGA)泛函到现在的非局域泛函、自相互作用修正泛函，从描述强关联体系的泛函到描述弱相互作用的泛函，多种泛函形式的相继出现使得密度泛函理论可以提供越来越精确的计算结果。在本章的最后，我们介绍了一些基组特征。
　　 第二章简要介绍基于密度泛函理论的量子力学和分子力学结合的QM/MMMFEP（最小自由能路径）方法。基于密度泛函理论量子力学和分子力学结合的方法在处理生物及大原子数的化学分子体系中有特别的优势：具有精度高、能模拟化学键断裂及生成。因此，我们发展了名为QM/MMMFEP的Sigma程序，可以优化反应的自由能路径。且通过迭代可以很快收敛，计算代价小。在最后，并且给出了这种方法的应用举例。
　　 第三章开始研究单核钌催化剂[RuⅡ(tpy)(bpm)(OH2)]2+([RuⅡ-OH2]2+：tpy=2,2‘:6‘,2“-terpyridine;bpm=2,2‘-bipyrimidine)催化氧化水的机理：在自然和人造的光合作用系统中，水氧化是一步重要的反应。联合几种理论工具，我们已经研究了整个单核钌催化剂反应循环。计算的结果显示了在整个反应循环某些反应步中，金属钌复合物的电子自旋态在确定反应路径方面扮演了重要角色。氧化还原势和pKa值显示由[RuⅡ-OH2]2+反应到[RuⅣ-O]2+质子耦合电子反应(PCET)及进一步氧化到[RuⅤ-O]3+电子转移过程都是在酸性和弱碱条件进行的。随后两个水分子参与与[RuⅤ-O]3+的反应，生成[RuⅢ-OOH]2+和H3O+，这步反应的能垒仅有10kcalmol左右。关键的O-O键形成后，如果环境的pH值小于3.4，则由[RuⅢ-OOH]2+到[RuⅣ-OO]2+也是一步PCET过程。由于强的自旋，轨道耦合，[RuⅣ-OO]2+“开放”和“闭合”两种构象都可以稳定并可以相互转化，转化的能垒小于7kcal/mol，且[RuⅣ-OO]2+电子自旋态由单重态跳变为三重态，进一步在水分子的协同作用下产生三重态的氧气。在pH=1.0反应路径1中，氧气的释放是反应速率限制步骤，反应的能垒约12kcal/mol，相比于pH=0.0反应路径2中，[RuⅣ-OO]2+氧化到[RuⅤ-OO]3+变成反应速率限制步骤，这些理论计算帮助我们揭示了单核钌催化剂催化反应中的详细机理，这有助于我们设计新的催化剂氧化水。
　　 第四章用Oniom方法预测了胸腺嘧啶-汞离子-胸腺嘧啶配对的堆叠DNA结构。我们借助3DNA算法计算给出了胸腺嘧啶-汞离子-胸腺嘧啶配对的DNA结构参数，计算的结果显示由汞离子调协形成的碱基配对堆叠成的DNA结构类似于自然DNA。且发现胸腺嘧啶-汞离子连接的金属-核酸很稳定。胸腺嘧啶-汞离子-胸腺嘧啶配对数的增加可以加强堆叠的稳定性。这些理论对设计新的DNA功能材料很有用，同时也助于了解汞的毒理性。