胞嘧啶基态质子转移反应机理的理论研究开题报告

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1. 研究目的与意义

核酸广泛存在于动植物细胞、微生物体内，是储存和传递遗传信息的物质基础，决定着生物的发展方向。

胞嘧啶(cytosine) 及尿嘧啶（uracil）、胸腺嘧啶(thymine)、腺嘌呤(adenine)、鸟嘌呤(guanine)是构成生命大分子核酸的基本单元。

通过研究核酸的基本组成单元碱基分子的性质，可以在分子水平上更多的了解和认识生命大分子的信息^[1]。

2. 国内外研究现状分析

在实验方面，feyer等^[10]研究了胞嘧啶和尿嘧啶450k和404k下各自的光电子能谱，表明胞嘧啶在450k下存在氨-酮式、氨-烯醇式与亚胺-酮式三种异构体。

在理论计算方面，carlos^[11]采用离散-连续模型在 mp2 /6-31g(d)方法下研究了4种胞嘧啶的热力学稳定性。civcir^[12]采用半经验am1和pm3方法研究了7种胞嘧啶异构体在气相和水相中的热力学性质，得出了一些重要的热力学参数。sambrano等^[13]采用b3lyp /6 -31 g＊＊和mp2 /6 -31 g ＊＊方法研究了在水相中4种胞嘧啶异构体的稳定性问题。gorb等^[14]采用从头算 hf和mp2方法研究了胞嘧啶及同系物分子内和一水催化下的质子转移规律。chandra等^[15]采用密度泛函方法研究了胞嘧啶和水分子的相互作用及光谱性质。geza^[16]采用分子动力学模拟了水助催化下胞嘧啶异构化反应动力学机理。donatella等^[17]采用b3lyp / 6-311 g (2df，2p) 方法研究了在气相和水相中最稳定的2种异构体异构化的动力学反应通道。sathyabama等^［18］采用hf /6 -311 g (2 d，2 p) 和b3 lyp /6 -311 g (2 d，2 p) 方法研究了胞嘧啶异构体的溶剂效应。

孙巨龙等^［19］通过 b3lyp /6-311 g ＊＊方法研究了气相胞嘧啶的互变异构机理。李宝宗^［20］通过理论计算研究了胞嘧啶在气相中各异构体的相对稳定性顺序。王文^[21]通过水辅助的5-甲基胞嘧啶异构化反应，研究了水的存在对质子转移过程的影响。王文^[21]通过模拟氨基酸残基化合物辅助5-甲基胞嘧啶异构化反应，得出了形成八元环状结构的异构化过程的辅助效果好于形成六元环状结构的异构化过程的辅助效果。

3. 研究的基本内容与计划

我们可以采用密度泛函理论(DFT)方法研究胞嘧啶分子内质子转移互变异构化过程，用GAUSSIAN 03程序包优化出它们的最优几何构型，计算它们的构型参数以及质子转移异构化过程中的能量变化。因为在生物环境中水成分含量占很大部分，是许多重要的化学和生物反应的溶剂和环境。所以我们可以猜测水分子对胞嘧啶的稳定性及质子转移异构化会有一定的影响，水分子可能参与分子内的质子转移过程，所以我们也研究水分子参与时对胞嘧啶质子转移过程的辅助作用，比较直接质子转移和有一个水分子参与辅助条件下通过氢键进行分子内质子转移时的结构变化以及相关能量的变化关系，通过分析水分子对胞嘧啶稳定性、振动频率及其质子转移过程的影响，并且对不同反应途径之间进行比较。通过这一系列性质的计算以及对上述信息的研究总结出其质子转移过程的规律性，以提高对其分子的稳定性和转移规律的认识，进一步阐明在生物碱基中质子转移现象的本质和机理。

4. 研究创新点

a. 研究胞嘧啶分子内质子迁移反应机理。

b. 研究胞嘧啶分子在水辅助下的质子迁移过程，并比较这两种反应历程和反应活化能。