氨基尿嘧啶及其子结构的激发态动力学的共振拉曼光谱研究

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核酸碱基是核苷酸的重要组成部分,其光化学反应动力学行为在核酸UV光损伤中扮演着不可忽视的角色,这些光化学行为使碱基中的电子由基态跃迁为激发态,电子激发态有时会衰变成有害的光化学产物,进而对生物体造成基因突变等伤害。近几十年来,众多科研小组主要运用荧光弛豫等方法,研究核酸碱基激发态弛豫动力学过程,发现其第一电子激发态(S1)的寿命大约在1ps左右,并且迅速经内转换衰变到基态。基于这一内转换衰变过程的复杂性,近年来已提出许多可能的衰变过程,在其激发态势能面的锥形交叉等机理方面取得了重大突破。但荧光弛豫等方法本身分辨率过低(大于等于100fs),导致了其无法检测到Franck-Condon(F-C)区(50fs以内)的激发态结构动力学行为,从而使得在这一过程中的电子激发态寿命值本身以及势能面锥形交叉点位置等方面都存在疑问。共振拉曼光谱学通过获取反应坐标信息来研究激发态结构动力学,特别是在F-C区域势能面交叉和电子态耦合等方面发挥重要作用,为电子激发态衰变机理的研究做出其他方法都无法替代的贡献。本文采用共振拉曼光谱技术研究了5-氨基尿嘧啶(5Au),6-氨基尿嘧啶(6Au),3-氨基-2-环己烯酮(ACyO)以及对苯醌及其衍生物(PBQ/BQ/HQ)在不同溶剂中的激发态结构动力学。并结合密度泛函理论计算方法讨论了其光化学反应在微观反应动力学上的调控因素。取得了一些有意义的研究成果:(1)测量固体5-氨基尿嘧啶和6-氨基尿嘧啶的傅立叶变换红外和拉曼光谱,并利用密度泛函理论进行计算,为振动模的指认提供依据。根据水溶液中的吸收光谱,确定共振拉曼实验的激发波长,分别对5Au,6Au在273.9nm,266nm,252.4nm和228.4nm激发波长下的共振拉曼光谱进行测量取谱,分析讨论由取代基位置调控的激发态结构动力学。对比共振拉曼光谱指认结果,分析异同,发现两者有相似的振动模,即取代基HN9H剪式振动和环上N3H/C5H/N1H弯曲振动模,以及NCN反对称伸缩振动模。而在涉及到整个环的变形振动方面则存在较大差异,这说明氨基取代基的位置不同,致使调控F-C区结构动力行为的反应坐标存在巨大差异,这影响了整个环的光化学反应动力学行为,最终导致其电子激发态衰变寿命的不同。(2)为了找出调控氨基尿嘧啶环激发态动力学的子结构,对氨基尿嘧啶的简单模型化合物3-氨基-2-环己烯酮进行相关研究。考察其固态,水溶液和乙腈溶液中的傅立叶变换红外和拉曼光谱,并利用密度泛函理论进行计算,为振动模的指认提供依据。根据电子光谱,确定共振拉曼实验的激发波长,进行3-氨基-2-环己烯酮在水溶液和乙腈溶液中299.1nm,282.4nm,273.9nm和266nm激发波长下的共振拉曼光谱的测量,分析讨论从而了解其由溶剂调控的激发态结构动力学过程(如态的耦合)。并运用含时波包理论分析乙腈溶液中的共振拉曼振动模强度。研究结果表明3-氨基-2-环己烯酮Franck-Condon区结构动力学很大程度上是由C1C2=C3的反对称伸缩+C1=O7伸缩振动模调控的,而H11C4H10/H14C6H15剪式振动模,环的呼吸振动模和H16N8H17摇摆振动模的参与,体现了其反应坐标的多维性。与尿嘧啶的氨基衍生物比较,发现氨基尿嘧啶环中主导其激发态结构动力学的主要结构是:O=C-C=C-。这一研究发现,为探索核酸碱基激发态寿命及其衰变机理提供了一个全新的视角。(3)选取同样含有O=C-C=C-子结构的对苯醌及其衍生物进行研究。考察对苯醌及其衍生物的傅立叶变换红外和拉曼光谱,并利用密度泛函理论进行计算,为振动模的指认提供依据。根据各自的吸收光谱,分别确定共振拉曼实验的激发波长,测量相应激发波长下的共振拉曼光谱,将三种醌类物质从紫外光谱与共振拉曼光谱两个方面入手进行对比,找出主导对苯醌这一模型化合物激发态结构动力学的反应坐标,再将母体化合物与研究体系的主化合物6-氨基尿嘧啶及其相关物质比较,从而为氨基尿嘧啶的相关研究提供帮助。
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