胞嘧啶自由基阳离子异构形式的理论研究

《Computational and Theoretical Chemistry》：Theoretical investigation of the cytosine radical cation isomeric forms

使用CASSCF/MRCI-F12等高阶计算方法系统研究胞嘧啶阳离子（C•+）的12种异构体（8闭环4开环），揭示其基态和最低三激发态的电子跃迁能量、偶极矩及辐射寿命，发现新稳定异构体对DNA损伤和宇宙化学过程的重要作用。

　　

Mounir Esboui | Jalloul Trabelsi | Majdi Hochlaf

LSAMA，突尼斯大学埃尔马纳尔分校理学院物理系，突尼斯2092

摘要

我们采用完全从头算方法，研究了胞嘧啶阳离子（C^•+）在四个最低双峰势能面上的最小结构，共发现了12种不同的异构体（8种闭环形式和4种开环形式）。由于电子相关性在准确描述胞嘧啶及其相关物种方面起着关键作用，因此本研究在CASSCF/MRCI-F12水平上进行了计算，并使用了UPBE0、RMP2、RCCSD(T)-F12和CASPT2方法进行对比分析。我们计算了三种最低双峰激发态的跃迁能量、跃迁偶极矩和辐射寿命。我们的发现为胞嘧啶自由基阳离子的结构和电子性质提供了基础性的见解，揭示了它们在DNA单分子和生物分子反应中的重要作用。

引言

在过去二十年里，许多研究小组对DNA损伤机制进行了广泛研究[1]、[2]。这种损伤可由辐射分解引起，通过两条途径发生：(i) 直接途径，能量直接沉积到DNA亚单元上；(ii) 间接途径，由周围介质的电离产生的高能粒子引起[3]。特别是由于氧化化学反应或电离辐射导致的核碱基自由基阳离子的形成非常重要，因为这些修饰可能导致严重的后果，如DNA链断裂、突变和癌症[4]、[5]。

气相研究为DNA碱基的基本物理和化学特性及其光谱提供了宝贵的见解。然而，主要的实验挑战在于每种碱基都存在大量的异构体、构象体和互变异构体，以及如何将这些DNA碱基从固态商业化合物中制备到气相中[6]、[7]、[8]、[9]。实际上，最近的实验表明，需要考虑多种形式的DNA碱基才能分配相应的实验光谱。事实上，即使在低温条件下（如在分子束中），气相制备的DNA碱基也是以混合物的形式获得的。微波光谱通过分析其转动光谱特别有效地识别这些互变异构体。先前的研究表明，结构复杂性随序列增加而增加：首先是胸腺嘧啶[10]，其次是腺嘌呤[11]，然后是胞嘧啶[12]，最后是鸟嘌呤[13]。在约100?K的冷却分子束中，只检测到一种胸腺嘧啶异构体，而胞嘧啶和鸟嘌呤分别至少有三种和四种互变异构体。缺乏选择性检测手段和有限的光谱分辨率直接与理论预测进行比较是一个重大挑战，正如Turecek在这方面的综述中指出的[14]。虽然双共振IR–UV和UV–UV激光光谱可以分离并记录特定异构体的光谱[15]，但这种方法对于激发态寿命极短的分子（如鸟嘌呤的典型互变异构体[16]、[17]、[18]）来说无效。

对于胞嘧啶（C），文献中至少确定了六种低能量的互变异构体和两种质子化模式。图1展示了这些形式的最低能量结构，分别标记为C1、C2、C3和C4，其中C2和C3代表它们最稳定的构象异构体。气相（IR/UV）[19]、[20]和低温稀有气体基质[21]中的光谱研究证实了以下低能异构体的存在：一种酮胺（C1）互变异构体，一种烯醇胺形式（C2），以及一种酮亚胺异构体（C3），如图1所示。此外，Lapinski等人[22]证明紫外线诱导的酮亚胺互变异构体可以产生第二种酮亚胺异构体。相比之下，C1的更高能量的酮胺异构体在孤立条件下尚未被实验检测到。值得注意的是，在水溶液中，酮胺形式（C1及其异构体）由于具有较大的偶极矩而占主导地位，因此稳定性更高[23]、[24]。尽管气相中的酮胺互变异构体仍然是全局最小值，但与溶液相比，其与烯醇和亚胺形式的能量分离显著减小。此外，虽然冷离子光谱已经检测到了质子化的酮胺和烯醇胞嘧啶物种[25]，但在碱金属阳离子与胞嘧啶的复合物中仅检测到了C1的酮互变异构体[26]。此外，我们想强调，只有C1互变异构体及其自由基阳离子（C1^•+）代表典型结构，并且在核酸中存在，尽管在气相中存在许多中性的胞嘧啶互变异构体。实际上，Raczynska等人[27]使用DFT(B3LYP)/6–311?+?G(d,p)水平表征了C的九种质子化互变异构体，共得到21种异构体。只有低能量的异构体是众所周知的。然而，其余的互变异构体（所谓的稀有互变异构体）可能对突变过程有贡献。

直到最近，大多数表征C的实验数据都是在同步辐射设施中获得的，其中真空紫外（VUV）光解中性物种使得能够获取一些胞嘧啶自由基阳离子（C^•+）的电子基态和激发态异构体。事实上，这些实验[6]、[28]、[29]和理论[30]、[31]研究主要集中在确定C的关键参数，如垂直和绝热电离能量。然而，尽管进行了大量研究，由于VUV光解过程中缺乏异构体选择性以及中性离子物种可能的分子结构众多，所有C互变异构体/异构体的信息仍然不完整。此外，不同互变异构体/异构体在气相中的相对丰度可能因使用的蒸发技术（热加热、激光解吸、氦滴等）而显著不同[8]、[32]。尽管如此，仍然未知的阳离子C物种形式可能在单分子断裂过程及其与C^•+相关的反应中起关键作用。此外，它们对各种生物过程也很重要。

然而，关于核碱基自由基阳离子的研究相对于中性核碱基的研究相对较少，尽管近年来兴趣有所增加[9]、[14]、[27]、[33]、[34]、[35]、[36]、[37]、[38]、[39]、[40]、[41]、[42]、[43]、[44]、[45]、[46]、[47]、[48]、[49]、[50]、[51]、[52]。对于本工作中感兴趣的C^•+，关于其光谱特性的实验数据仍然有限。值得注意的是，Kostko等人[49]和Chen等人[9]结合理论和同步辐射光解研究生成并表征了C^•+的酮、烯醇和亚胺互变异构体混合物。这些作者使用单VUV光子电离结合（阈值）光电子-光离子谱仪，在高温下蒸发中性胞嘧啶。这些实验中缺乏选择性检测使得光谱解释变得复杂。为了辅助光谱分析，他们依赖于高水平的从头算计算。特别是，他们指出，解释这些光谱的一个主要挑战来自于C^•+物种的低能量激发电子态，这些态通过振动耦合相互作用，导致具有强多组态特性的混合电子波函数。从理论角度来看，这确实是一个相当大的困难，因为它们的建模需要处理开壳层激发态——对于这种分子大小的系统来说是一项特别具有挑战性的任务。此外，Lesslie等人[48]研究了在室温下维持的离子阱中通过铜-胞嘧啶三元复合物碰撞诱导解离产生的C^•+混合物。他们使用了互补的光谱技术来表征这些自由基阳离子，包括使用自由电子激光的红外多光子解离光谱和低分辨率的UV光解光谱（UV-PD），并得到了计算支持。他们的发现表明，在UV-PD光谱中至少存在四种不同的自由基阳离子C^•+异构体及其相应的多重电子跃迁。最近，Taccone等人[50]、[51]证明互变异构体选择的C^•+的产生受到实验条件的影响，进一步复杂化了相应光谱的解释。此外，Molina等人[44]最近报道了一种产生胞嘧啶互变异构体选择自由基阳离子的原创方法。例如，他们提出光解冷的C–Ag⁺复合物，特别是其两种酮胺互变异构体（C1和C4），并在不进行后续互变异构化的情况下通过UV光解来探测释放的互变异构体C^•+，这一点通过IR–UV低温离子光谱得到了证实。他们还通过TD-DFT、CASSCF/CASPT2和CASSCF/MRCI-F12级别的先进计算进行了补充。

在本理论研究中，我们报告了对异构C^•+形式在其4个最低电子双峰态的结构进行了广泛的从头算计算，以及它们的电子激发能量。这是通过系统地探索C^•+自由基阳离子的环状和开环构型在其基态和激发电子态下完成的。除了已知的异构体外，我们首次识别出新的、先前未知的稳定C^•+异构体，这些异构体可以通过单分子或双分子反应或光诱导（超快）过程获得[53]。这些新的C^•+物种可能在这些过程中作为关键中间体，为DNA损伤途径中的这些生物重要中间体以及由此产生的危险遗传突变和癌症提供了新的基本见解。此外，这项工作还揭示了胞嘧啶异构体与电离光之间的相互作用，并有助于理解它们在天文化学环境中的生存，特别是在早期地球[6]、[54]、[55]、[56]。

部分摘录

理论方法

本研究的主要目标是识别胞嘧啶自由基阳离子C^•+的异构体/互变异构体，包括闭环和开环结构。研究重点考察了这些物种的基态（D₀）和三个最低双峰电子激发态（D₁ – D₃）。计算包括对C^•+异构体在这些电子态下的几何优化（称为‘opt’）和随后的频率计算，所有内部坐标都完全

闭环胞嘧啶自由基阳离子：基态和电子激发态的结构及相对稳定性

中性胞嘧啶C可以由于酮-烯醇和胺-亚胺重排而存在多种互变异构形式[33]。在电离过程中，这些形式会产生不同的自由基阳离子异构体，每种异构体都具有不同的电子和结构特性。然而，已知C^•+在气相中以互变异构体和典型异构体C1^•+的混合物形式存在（见图1）。这种异构体具有NH₂、C3和C4质子化模式。所有其他形式都是非典型的

结论

本研究使用高水平的CASSCF/MRCI-F12计算对胞嘧啶自由基阳离子（C^•+）的异构体进行了全面的理论研究。对于D₀态，还使用了DFT/UPBE0、RMP2-F12、RCCSD(T)-F12和CASPT2进行了额外计算以进行比较。通过对12种不同异构体（8种闭环和4种开环结构）的系统分析，我们表征了它们的优化几何结构、相对能量、跃迁偶极矩和辐射寿命。值得注意的是，我们

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Mounir Esboui：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，可视化，验证，软件，资源，项目管理，方法论，研究，形式分析，数据管理，概念化。Jalloul Trabelsi：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，可视化，验证，软件，资源，方法论，研究，形式分析，数据管理，概念化。Majdi Hochlaf：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，

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