金属配合物与核酸作用机理的理论计算

雷泽众

(贵州省有色金属和核工业地质勘查局二总队，贵州 六盘水 553004)

0 引言

核酸，作为生物体内最重要的物质之一，对生命遗传密码的翻译、转录、复制起着至关重要的作用，而一些金属配合物可以显著改变其结构，进而影响其性质。研究金属配合物与核酸的相互作用，将有助于我们从分子水平上了解生命现象的本质。金属配合物，作为“化学核酸酶”与核酸的反应，可以分为两类：一类涉及金属配合物使核酸氧化的氧化还原反应；另一类是金属与核酸酯骨架配位，使核酸发生水解。

本实验重点研究金属与磷酸酯骨架配位，使核酸水解。水解反应是金属配合物的中心金属离子直接和间接与磷酸酯骨架上的氧原子配位，进攻磷酸二酯键引起水解或酯转移反应，并导致核酸的链断裂的反应。金属离子在水解中可以起到易斯酸的专用，与O 配位使磷酸二指键活化；利用电子效应和空间效应稳定离去基团、中间体和过渡态；利用模板效应调节断裂试剂与核酸复合物的空间结构；通过静电相互作用加强与核酸中磷酸酯骨架的结合。

1 实验部分

1.1 仪器与程序

Gaussian 03，Gaussian View

1.2 实验步骤

2.2.1 计算练习

1）用Gauss View 分别构筑一氯甲烷、二氯甲烷和三氯甲烷分子。使用Gaussian 03W，在HF/3-21g 方法基组水平下，计算三种分子的单点能。（命名CH3Cl,CH2Cl2,CHCl3）以下为输出文件中单点能数值的格式：SCF Done:E(RHF)=A.U.after cycles。2）用HF/3-21g 分别优化上述1）中的一氯甲烷、二氯甲烷和三氯甲烷分子，并计算它们的频率，得到三种分子的热力学函数值。 (命名CH3Cl_f,H2Cl2_f,CHCl3_f）。比较1）中优化前的单点能。2）中优化收敛后的单点能，以及热力学函数值。3）分别构筑甲烷、甲醇和甲醛分子，使用HF/3-21g 方法基组，优化这三种分子，并比较它们的偶极矩（dipole moment）。(命名CH4，CH3OH，HCOH)。4）丙烯构象的优化：HF/6-31G(d)构筑两种构象的丙烯分子，优化结构，比较相应的C-C 键长、C-C-C 键角、C-C-C-H 二面角及两种构象的能量，讨论不同构象之间的构和能量关系。（命名，propene_1，propene_2）。5）分别建立甲烷和甲醇分子，采用B3LYP 方法及6-31G 基组，优化。 (命名CH4_charge,CH3OH_charge)。比较两分子中对应C 原子和H 原子的mülliken 电荷，讨论羟基对电荷分布的影响。

2.2.2 实验内容

1）磷酸酯结构的理论模型的建立及结构优化与单点能计算方法/基组：B3LYP/6-31G(lanl2dz for Zn) 用GaussView 构筑磷酸二酯1 分子，优化得到该分子的单点能；2）Zn 配合物2或Zn 配合物2’结构的理论模型的建立及结构优化与单点能计算用GaussView 构筑Zn 配合物2或Zn 配合物2’，优化得到Zn 配合物的单点能；3）Zn 配合物2（或2’）与磷酸酯作用后的结构，即中间复合物3（或3’）的理论模型的建立及结构优化与单点能计算用GaussView 构筑中间复合物3 或3’，优化得到中间复合物的单点能；4）过渡态结构4（或4’）的理论模型的建立及结构优化与单点能计算用GaussView 构筑过渡态结构4(4’)，优化，得到过渡态的单点能；5）产物结构的理论模型的建立及结构优化与单点能计算用GaussView 构筑磷酸5 与对硝基苯酚6，优化得到它们的单点能。

2.3 实验结果

2.3.1 计算练习

单点能计算结果见表1。

表1 单点能计算结果

由表1 看出，随着Cl 原子数目的增加，分子的单点能则降低。原因为Cl 原子电负性较低，当成键时电子偏向Cl，并且形成较强的的C-Cl键，从而令整个分子趋于稳定。优长后的单点能见表2，优代后热力学函数矩见表3。

表2 优化后的单点能

表3 优化收敛后热力学函数值

表2 数据显示，经优化后的结构单点能有一定的降低，说明其结构的稳定性有所增加。

甲烷分子呈四面体结构，而且4 个H 原子都是等价的，因此整个分子没有极性，在XYZ 三个方向上有没有偶极矩，其总偶极矩也为0 Debye。

甲醇分子由于有一个H 原子被羟基取代，而且为四面体立体结构，因此在X 和Y 方向上均有偶极矩，X 方向上的偶极矩为1.1607 Debye。Y 方向上的偶极矩为1.8202 Debye，造成两个方向上偶极矩不一致的可能原因为羟基中的氧形成的化学键具有一定的键角，加之Z 方向的分量，最后合成后的总偶极矩为2.1588 Debye。

甲醛分子含有一个羰基，形成了双键，吸电子能力比单独一个O 原子要强，整个分子呈平面结构，因此在Y 方向上有2.6583 Debye 的偶极矩，X 方向上有极弱的影响0.0004Debye,最后合成后的总偶极矩为2.8390 Debye。见表4。

表4 优化后的偶极矩

从偶极矩的大小来看，羰基产生的偶极矩最大，其次是羟基，这和羰基氧和羰基碳形成了双键有关系，形成了双键后，虽然键长会变短，但电荷分布得差异会变得更加明显，同时几何结构上更加对称，因此综合下来，羰基对偶极矩的影响最大。见表5。

表5 丙烯结构优化结果

1、2 分别表示如下结构：

从表5 看出，甲基的连接角度，对于双键的长度几乎没有影响。而对于C-C 单键的长度，则是1 的较长。因为1 上连接有甲基的双键碳上的H 原子和甲基上的H 原子距离较近，受排斥力影响，C-C 单键的长度会增长，键强也会相应减弱。而C-C-C 的键角因几何结构的关系，也相应减小。见表6。

表6 羟基对电荷分布的影响

从上述数据可以看出，对于甲烷分子，负电荷都集中在C 原子上，H 原子都携带正电荷，且电荷数都为+0.144536。而甲醇分子C 原子上携带的负电荷减少多，因为一部分分散到O 原子上，且由于C 原子呈四面体结构，连接羟基后，羟基上的O 原子有一定的键角，对C 原子上的H原子有一定的影响。另外羟基氧上的H 原子携带的电荷约为+0.36，这是由于O 原子的电负性，使得与其连接的H 原子的正电荷大大增加。

2.3.2 实验内容

碱性环境、无金属催化剂下的磷酸酯水解见图1 所示。

图1 无金属催化剂碱性环境下的磷酸酯水解机理示意图

对上述6 种分子计算其单点能。计算结果见下表7。

表7 6 种分子计算结果

1）稳定化能

磷酸二酯与水分子相互作用，形成配合物，其稳定化能可通过RC 与分子1 和水分子2 的能量之差来获得，其值为-28.15 kcal/mol。

2）反应热

根据水解机理，反应热可通过计算反应分子3、反应分子4 和反应分子1、反应分子2 的能量来获得。根据计算结果，其反应热为-0.16kcal/mol，因此该水解反应应为放热反应。

金属催化剂催化磷酸酯水解示意见图2。

图2 反应示意图

通过计算，得到如表8 数据。

表8 单点能计算结果

1）稳定化能

计算磷酸二酯和配合物分子2 的稳定化能，可通过中间复合物3 的能量减去分子1 和分子2的能量来获得。结果表明稳定化能为-109 kcal/mol。

2）反应热

通过计算反应前后物质的能量差异，获得反应的吸放热数据。结果表明，该反应的反应热为50kcal/mol。该反应为吸热反应。

2.4 讨论

当不含催化剂时，反应经过两个过渡态和一个反应中间体。在两个过渡态当中，过渡态1 与反应物RC 的能量差别较大，因此其能量差可近似看作是该反应的活化能。当存在催化剂作用时，反应经过一个过渡态状态，其与反应中间体之间的能量差就是该催化反应的反应活化能。根据阿伦尼乌斯公式，可知反应速率常数和反应活化能呈指数相关，从而可以得到两种反应情况下的反应速率常数的比值。

经计算，含有催化剂时的反应速率常数（k1）与碱性环境下的反应速率常数（k2）的比值远远大天1，可见在催化剂的作用下，反应速率大大提升。