مطالعات نظریه تابعی دانسیته بازهای پیریمیدینی تیمین، سیتوزین و اوراسیل
لیلی رحیمی
1
(
گروه شیمی، شیمی دارویی، دانشگاه آزاد واحد اهر، اهر، ایران
)
زهرا جوانشیر
2
(
گروه شیمی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد اهر، اهر، ایران
)
کلید واژه: گاف انرژی HOMO–LUMO, تیمین, سیتوزین, اوراسیل, DFT,
چکیده مقاله :
در این تحقیق، گاف انرژی HOMO-LUMO، قطبش پذیری، پارامترهای ساختاری، جرم مولکولی، سختی، نرمی، بار الکتریکی و پتانسیل الکتریکی اتم ها در فاز گازی بازهای پیریمیدینی تیمین، سیتوزین و اوراسیل محاسبه شد. محاسبات با استفاده از نظریه تابعی دانسیته با روش B3LYP و با مجموعه پایه 6-311G بر روی ترکیبات انجام شد. در فاز گازی، قطبش پذیری 70.45623، 64.75450 و 58.07109 a.u و شکاف انرژی HOMO – LUMO 5.39343، 4.92623 و 5.56622 ev با روش B3LYP به ترتیب برای ترکیبات تیمین، سیتوزین و اوراسیل به دست آمد. مطابق محاسبات انجام شده در فاز گازی، گاف انرژی HOMO–LUMO و سختی اوراسیل، قطبش پذیری تیمین، ممان دو قطبی و نرمی سیتوزین بیشترین مقدار را دارد. با توجه به مقادیر HOMO در واکنش با الکتروفیل ها سیتوزین و با توجه به مقادیر LUMO در واکنش با هسته دوست ها اوراسیل واکنش پذیرتر است. اتم N3 بیشترین بار منفی و اکسیژن بیشترین پتانسیل الکتریکی را دارند.
چکیده انگلیسی :
In the present investigation, HOMO-LUMO energy gap, polarizability, structural parameters, molecular mass, hardness, softness, chemical potential of the pyrimidine bases thymine, cytosine and uracil in the gas phase were calculated. Density Functional Theory calculations were performed by the B3LYP method with 6-311G basis set on the compounds. Thymine, cytosine and uracil present polarizability of 70.45623, 64.75450 and 58.07109 a.u. at the B3LYP method, respectively. The HOMO–LUMO energy gap of 5.39343, 4.92623 and 5.56622 ev were obtained for the thymine, cytosine and uracil using B3LYP method, respectively. According to the calculations, HOMO–LUMO energy gap and hardness of uracil, polarizability of thymine, dipole moment and softness of cytosine in the gas phase have the largest values. According to the HOMO values, cytosine is more reactive in the reactions with electrophiles and according to the values of LUMO, uracil is more reactive against reactions with nucleophiles. N3 atom has the most negative charge and oxygen atoms have the highest electrical potential.
مطالعات نظریه تابعی دانسیته بازهای پیریمیدینی تیمین، سیتوزین و اوراسیل
چکیده
در این تحقیق، گاف انرژی HOMO-LUMO، قطبشپذیری، پارامترهای ساختاری، جرم مولکولی، سختی، نرمی، بار الکتریکی و پتانسیل الکتریکی اتمها در فاز گازی بازهای پیریمیدینی تیمین، سیتوزین و اوراسیل محاسبه شد. محاسبات با استفاده از نظریه تابعی دانسیته با روش B3LYP و با مجموعه پایه 6-311G بر روی ترکیبات انجام شد. در فاز گازی، قطبش پذیری 45623/70، 75450/64 و 07109/58 a.u و شکاف انرژی
HOMO – LUMO 39343/5، 92623/4 و 56622/5 ev با روش B3LYP و با مجموعه پایه 6-311G به ترتیب برای ترکیبات تیمین، سیتوزین و اوراسیل به دست آمد. مطابق محاسبات انجام شده در فاز گازی، گاف انرژی HOMO–LUMO و سختی اوراسیل، قطبشپذیری تیمین، ممان دو قطبی و نرمی سیتوزین بیشترین مقدار را دارد. با توجه به مقادیر HOMO در واکنش با الکتروفیلها سیتوزین و با توجه به مقادیر LUMO در واکنش با هسته دوستها اوراسیل واکنشپذیرتر است. اتمN3 بیشترین بار منفی و اتم اکسیژن بیشترین پتانسیل الکتریکی را دارند.
واژگان کلیدی: گاف انرژی HOMO–LUMO، تیمین، سیتوزین، اوراسیل، DFT
1- مقدمه
نوکلئوتیدها اعمال متعددی را در متابولیسم سلولی برعهده دارند و اجزای سازنده اسیدهای نوکلئیک (پلیمر نوکلئوتیدها) هستند. دو نوع اسید نوکلئیک، شامل اسید داکسی ریبونوکلئیک (DNA) و اسید ریبونوکلئیک (RNA) وجود دارد. هر نوکلئوتید از باز نیتروژنی، یک قند پنتوز و یک یا چند گروه فسفات تشکیل شده است. بازهای نیتروژنی موجود در نوکلئوتیدها، از دو ترکیب مادر، به نامهای پیریمیدین و پورین، مشتق میشوند. بازهای پیریمیدین شامل سیتوزین، تیمین و اوراسیل است. هر دو مولکول DNA و RNA، دو باز پورینی اصلی و دو باز پیریمیدینی اصلی دارند. در هر دو این مولکولها، یکی از بازهای پیریمیدینی سیتوزین بوده ولی دومین باز پیریمیدینی اصلی موجود در DNA و RNA را به ترتیب تیمین و اوراسیل تشکیل میدهند. تنها در موارد نادر ممکن است تیمین در RNA و اوراسیل در DNA دیده شود [1].
مکانیسم احتمالی فعالیت تقلیدکنندهی انسولین کمپلکسهای پراکسو وانادیم شامل اوراسیل و سیتوزین به عنوان لیگاند در موشها مورد بحث قرار گرفته است [2]. متابولیسم آنالوگهای پیریمیدین و نوکلئوزیدهای آنها مطالعه شده است. آنتی متابولیت پیریمیدین مانند فلوروپیریمیدینها در سرطان شناسی بالینی (در موشها) استفاده میشود [3].
هدف از این تحقیق محاسبات مربوط به بهینهسازی ساختار مولکولی، انرژی بهینه شده، ممان دوقطبی، قطبشپذیری، جرم مولکولی، بار الکتریکی اتمها، EHOMO، ELUMO، گاف انرژی (اختلاف HOMO-LUMO)، سختی کل و نرمی در فاز گازی ترکیبات تیمین، سیتوزین و اوراسیل مطالعه شده است. محاسبات با روش DFT/B3LYP و با مجموعه پایه 6-311G در فاز گازی انجام شده است.
2- جزئیات محاسبات
محاسبات توسط نرم افزار گوسین 09W [4]، با روش DFT/B3LYP [7-5] و با مجموعه پایه 6-311G انجام شده است.
3- نتايج و بحث
3-1- ساختار مولکولی و محاسبات DFT
ساختار مولکولی بهینه شده ترکیبات تیمین، سیتوزین و اوراسیل با استفاده از DFT/B3LYP/6-311G در شکل 1 و پارامترهای هندسی بهینهسازی با استفاده از DFT (نظریه تابعی دانسیته) با روش B3LYP و با مجموعه پایه 6-311G در
جدول 1 نشان داده شده است.
a |
b |
c | |
شکل 1. ساختار مولکولی بهینه شده ترکیبات تیمین(a) ، سیتوزین (b) و اوراسیل (c) با استفاده از DFT/B3LYP/6-311G
جدول 1. پارامترهای هندسی بهینهسازی ترکیبات تیمین، سیتوزین و اوراسیل با روش DFT/B3LYP و با مجموعه پایه 6-311G
مقادیر طول پیوند (Å) | ||||||
DFT/B3LYP/6-311G | روش و مجموعه پایه | |||||
اوراسیل | سیتوزین | تیمین |
| |||
1.2411 | R(1,5) | 1.241 | R(1,7) | 1.247 | R(1,6) | R1 |
1.2443 | R(2,6) | 1.3685 | R(2,5) | 1.2424 | R(2,9) | R2 |
1.3877 | R(3,5) | 1.439 | R(2,7) | 1.4084 | R(3,6) | R3 |
1.4147 | R(3,6) | 1.01 | R(2,9) | 1.3888 | R(3,9) | R4 |
1.0101 | R(3,9) | 1.3657 | R(3,5) | 1.0101 | R(3,11) | R5 |
1.3963 | R(4,5) | 1.0029 | R(3,12) | 1.3878 | R(4,7) | R6 |
1.3835 | R(4,7) | 1.0037 | R(3,13) | 1.3907 | R(4,9) | R7 |
1.0066 | R(4,10) | 1.386 | R(4,7) | 1.0065 | R(4,12) | R8 |
1.453 | R(6,8) | 1.3301 | R(4,8) | 1.4632 | R(5,6) | R9 |
1.3505 | R(7,8) | 1.3887 | R(5,6) | 1.3534 | R(5,7) | R10 |
1.0793 | R(7,12) | 1.4085 | R(6,8) | 1.5013 | R(5,8) | R11 |
1.0761 | R(8,11) | 1.078 | R(6,10) | 1.08 | R(7,10) | R12 |
|
| 1.0834 | R(8,11) | 1.0917 | R(8,13) | R13 |
|
|
|
| 1.0917 | R(8,14) | R14 |
|
|
|
| 1.0903 | R(8,15) | R15 |
جرم مولکولی ترکیبات تیمین، سیتوزین و اوراسیل محاسبه شده در فاز گازی با مجموعه پایه 6-311G، 04293/126، 04326/111 و 02728/112 (amu)است.
ممان دو قطبی توزیع بار مولکول را نشان میدهد و به عنوان یک بردار در سه بعد است. بنابراین، میتواند به عنوان توصیفگر جهت شرح حرکت باری در سراسر مولکول استفاده شود. جهت بردار ممان دو قطبی در مولکول بستگی به مراکز بارهای مثبت و منفی دارد [8].
انرژی بهینه شده، ممان دوقطبی و قطبشپذیری تیمین، سیتوزین و اوراسیل در جدول 2 آورده شده است. طبق محاسبات انجام شده ترتیب پایداری انرژی بهینه شده (سیتوزین > اوراسیل > تیمین)، ترتیب ممان دوقطبی به ترتیب
(تیمین > اوراسیل > سیتوزین) و قطبش پذیری (اوراسیل > سیتوزین > تیمین) است.
جدول 2. انرژی بهینه شده، ممان دوقطبی و قطبشپذیری ترکیبات تیمین، سیتوزین و اوراسیل با روش DFT/B3LYP و با مجموعه پایه 6-311G
DFT/B3LYP/6-311G | روش و مجموعه پایه | ||
اوراسیل | سیتوزین | تیمین | فاز گاز |
-414.79691 | -394.89520 | -454.11532 | E(RB3LYP) (a.u.) |
4.7253 | 8.9525 | 4.6708 | ممان دوقطبی (Debye) |
58.07109 | 64.75450 | 70.45623
| قطبشپذیری (a.u.) |
3-2- اوربیتالهای مولکولی HOMO، LUMO، سختی کل و نرمی کل
بالاترین اوربیتال مولکولی پر شده (HOMO) نشان دهنده توانایی دادن الکترون و پایینترین اوربیتال مولکولی خالی (LUMO) نشان دهنده توانایی پذیرفتن الکترون است [9]. انرژی HOMO بالاتر مربوط به مولکول واکنشپذیرتر در واکنش با الکتروفیلها، در حالی که انرژی LUMO کمتر مربوط به واکنشهای مولکولی با هسته دوستها است [10]. در فاز گازی ترتیب واکنشپذیری ترکیبات محاسبه شده با الکتروفیلها با توجه به مقادیر HOMO (اوراسیل > تیمین > سیتوزین) و ترتیب واکنشپذیری ترکیبات محاسبه شده با هسته دوستها با توجه به مقادیر LUMO، به این ترتیب (سیتوزین > تیمین > اوراسیل) است.
مفهوم سختی در سال 1983 توسط پار و پیرسون [11] اندازه گیری شد. سختی کل [11] توسط [η=(I-A)/2] (I، پتانسیل یونیزاسیون و A، الکترون خواهی) و S (نرمی کل) [12] توسط [S=1/2η] بدست میآید.
اختلاف انرژی بینHOMO وLUMO گاف انرژی نامیده میشود [8]. گاف انرژی HOMO-LUMO توصیف کننده پایداری شیمیایی مولکولی است. مولکولهای سخت گاف انرژی HOMO-LUMO بالا و مولکولهای نرم گاف انرژی HOMO-LUMO پایینی دارند [13].
جدول 3 مقادیر انرژی اوربیتالهای HOMO، LUMO، گاف انرژی، سختی کل و نرمی مربوط به ترکیبات تیمین، سیتوزین و اوراسیل را نشان میدهد. مطابق این جدول 3 میزان گاف انرژی و سختی ترکیبات مطالعه شده با روش DFT/B3LYP و با مجموعه پایه 6-311G به ترتیب (سیتوزین > تیمین > اوراسیل) است.
جدول 3. مقادیر انرژی اوربیتالهای HOMO، LUMO، گاف انرژی، سختی کل و نرمی مربوط به ترکیبات تیمین، سیتوزین و اوراسیل بر حسب واحد الکترون ولت
روش و مجموعه پایه | DFT/B3LYP/6-311G | ||||
| HOMO (ev) | LUMO (ev) | گاف انرژی (ev) | [η=(I-A)/2] (ev) | [S=1/2η] (ev)-1 |
تیمین | -6.92458 | -1.53115 | 5.39343 | 2.69672 | 137.28218 |
سیتوزین | -6.18853 | -1.26230 | 4.92623 | 2.46311 | 150.30214 |
اوراسیل | -7.24675 | -1.68053 | 5.56622 | 2.78311 | 133.02063 |
3-3- بار الکتریکی اتمها
محاسبات بار الکتریکی اتمی مولیکن نقش مهمی به عنوان بار اتمها در ممان دوقطبی، قطبشپذیری مولکولی، ساختار الکترونی و بسیاری از خواص مربوط به سیستمهای مولکولی دارد [14]. توزیع بار مولیکن ترکیبات محاسبه شده با استفاده از روش DFT/B3LYP در جدول 4 آورده شده است. همانطور که در جدول 4 مشاهده میشود، در فاز گازی همه اتمهای هیدروژن بار الکتریکی مثبت دارند. بیشترین بار منفی تیمین، سیتوزین و اوراسیل به طور عمده در اتمN3 و بیشترین بار مثبت به ترتیب در اتم C9، C7 و C5 قرار دارد.
جدول 4. بار الکتریکی اتمها مربوط به ترکیبات تیمین، سیتوزین و اوراسیل با روش DFT/B3LYP و با مجموعه پایه 6-311G
روش و مجموعه پایه ( DFT/B3LYP/6-311G) | ||||||
فاز گاز | تیمین | سیتوزین | اوراسیل | |||
شماره | اتم | بار الکتریکی(e) | اتم | بار الکتریکی(e) | اتم | بار الکتریکی(e) |
1 | O | -0.58941 | O | -0.60016 | O | -0.60716 |
2 | O | -0.61315 | N | -0.60472 | O | -0.57684 |
3 | N | -0.62135 | N | -0.76034 | N | -0.62799 |
4 | N | -0.59052 | N | -0.53123 | N | -0.59419 |
5 | C | -0.14255 | C | 0.44439 | C | 0.77311 |
6 | C | 0.61524 | C | -0.40428 | C | 0.60838 |
7 | C | 0.05645 | C | 0.73989 | C | 0.06967 |
8 | C | -0.58375 | C | 0.11190 | C | -0.34428 |
9 | C | 0.77119 | H | 0.40655 | H | 0.42749 |
10 | H | 0.21080 | H | 0.21739 | H | 0.42011 |
11 | H | 0.42729 | H | 0.19399 | H | 0.23803 |
12 | H | 0.41887 | H | 0.39721 | H | 0.21368 |
13 | H | 0.22075 | H | 0.38940 |
|
|
14 | H | 0.22075 |
|
|
|
|
15 | H | 0.19939 |
|
|
|
|
بار کل |
| 0.00000 |
| 0.00000 |
| 0.00000 |
3-4- پتانسیل الکتریکی اتمها
پتانسیل الکتریکی تیمین، سیتوزین و اوراسیل با استفاده از روش DFT/B3LYP در جدول 5 آورده شده است. در فاز گازی، اتم O1 سیتوزین، اتمهای O1 و O2 تیمین و اوراسیل بیشترین پتانسیل الکتریکی را دارند.
جدول 5. پتانسیل الکتریکی اتمها مربوط به ترکیبات تیمین، سیتوزین و اوراسیل با روش DFT/B3LYP و با مجموعه پایه 6-311G
روش و مجموعه پایه | DFT/B3LYP/6-311G | |||||
فاز گاز | تیمین | سیتوزین | اوراسیل | |||
شماره | اتم | پتانسیل الکتریکی(e) | اتم | پتانسیل الکتریکی(e) | اتم | پتانسیل الکتریکی(e) |
1 | O | -22.39100 | O | -22.42052 | O | -22.38325 |
2 | O | -22.38833 | N | -18.32623 | O | -22.39039 |
3 | N | -18.33003 | N | -18.33049 | N | -18.32813 |
4 | N | -18.31394 | N | -18.41787 | N | -18.30856 |
5 | C | -14.73593 | C | -14.63837 | C | -14.59887 |
6 | C | -14.64226 | C | -14.76134 | C | -14.63840 |
7 | C | -14.69033 | C | -14.64487 | C | -14.68023 |
8 | C | -14.76375 | C | -14.72059 | C | -14.74383 |
9 | C | -14.60375 | H | -0.96963 | H | -0.97609 |
10 | H | -1.04054 | H | -1.07149 | H | -0.95677 |
11 | H | -0.97819 | H | -1.09148 | H | -1.06550 |
12 | H | -0.96161 | H | -0.96484 | H | -1.03355 |
13 | H | -1.10043 | H | -0.96074 |
|
|
14 | H | -1.10043 |
|
|
|
|
15 | H | -1.09540 |
|
|
|
|
نتیجهگیری
در این تحقیق محاسبات مربوط به بهینهسازی شکل مولکولی، بدست آوردن انرژی مینیمم، جرم مولکولی، ممان دوقطبی، قطبشپذیری، بار الکتریکی اتمها، پتانسیل الکتریکی اتمها، EHOMO، ELUMO، گاف انرژی، سختی کل، نرمی در ترکیبات تیمین، سیتوزین و اوراسیل در فاز گازی انجام شده است. محاسبات با روش DFT/B3LYP و با مجموعه پایه 6-311G انجام شده است. مطابق محاسبات، تغییرات میزان گاف انرژی و سختی ترکیبات در فاز گازی به ترتیب (سیتوزین > تیمین > اوراسیل)، قطبشپذیری (اوراسیل > سیتوزین > تیمین)، ممان دو قطبی (تیمین > اوراسیل > سیتوزین) است. ترتیب واکنشپذیری ترکیبات محاسبه شده با الکتروفیلها با توجه به مقادیر HOMO (اوراسیل > تیمین > سیتوزین) و ترتیب واکنشپذیری ترکیبات محاسبه شده با هسته دوستها با توجه به مقادیر LUMO، به ترتیب (سیتوزین > تیمین > اوراسیل) است. بیشترین بار منفی تیمین، سیتوزین و اوراسیل به طور عمده در اتمN3 و بیشترین بار مثبت به ترتیب در اتم C9، C7 و C5 قرار دارد. اتم O1 سیتوزین، اتمهای O1 و O2 تیمین و اوراسیل بیشترین پتانسیل الکتریکی را دارند.
مراجع
[1] اصول بیوشیمی لنینجر، تالیف آلبرت ال لنینگر، دیوید ال. نلسون و مایکل ام. کاکس، ترجمه رضا محمدی، ویرایش پنجم، جلد اول، ناشر آییژ، 1389.
[2] A. R. Sarkar, Sh. Mandal, Met Based Drugs. 7(3) (2000) 157-164.
[3] G. C. DAHER, B. E. HARRIS, R. B. DIASIO, Pharmac. Ther. 48 (1990) 189-222.
[4] M. J. Frisch, G. W. Trucks, H. B. Schlegel, G. E. Scuseria, M. A. Robb, J. R. Cheeseman, G. Scalmani, V. Barone, B. Mennucci, G. A. Petersson, H. Nakatsuji, M. Caricato, X. Li, H. P. Hratchian, A. F. Izmaylov, J. Bloino, G. Zheng, J. L. Sonnenberg, M. Hada, M. Ehara, K. Toyota, R. Fukuda, J. Hasegawa, M. Ishida, T. Nakajima, Y. Honda, O. Kitao, H. Nakai, T. Vreven, J.A. Montgomery, Jr., J. E. Peralta, F. Ogliaro, M. Bearpark, J. J. Heyd, E. Brothers, K. N. Kudin, V. N. Staroverov, R. Kobayashi, J. Normand, K. Raghavachari, A. Rendell, J. C. Burant, S. S. Iyengar, J. Tomasi, M. Cossi, N. Rega, J. M. Millam, M. Klene, J. E. Knox, J. B. Cross, V. Bakken, C. Adamo, J. Jaramillo, R. Gomperts, R. E. Stratmann, O. Yazyev, A. J. Austin, R. Cammi, C. Pomelli, J. W. Ochterski, R. L. Martin, K. Morokuma, V. G. Zakrzewski, G. A. Voth, P. Salvador, J. J. Dannenberg, S. Dapprich, A. D. Daniels, O. Farkas, J. B. Foresman, J. V. Ortiz, J. Cioslowski, D. J. Fox, Gaussian, Inc., Wallingford CT (2009).
[5] R. G. Parr, W. Yang, Density functional theory of atoms and molecules. Oxford, New York, (1989).
[6] A. D. Becke, J. Chem. Phys. 98 (1993) 5648.
[7] C. Lee, W. Yang, R. G. Parr, Phys. Rev. B. 37(2) (1988) 785.
[8] K. S. Vinod, S. Periandy, M. Govindarajan, Spectrochim. Acta. A, 136 (2015) 808.
[9] S. Sudha, M. Karabacak, M. Kurt, M. Cinar, N. Sundaraganesan, Spectrochim. Acta A, 84 (2011) 184.
[10] A. Rauk, Orbital Interaction Theory of Organic Chemistry, 2nd edn. John Wiley & Sons, New York, (2001) 34.
[11] R. G. Parr, R. G. Pearson, J. Am. Chem. Soc. 105 (1983) 7512.
[12] G. H. Liu, R. G. Parr, J. Am. Chem. Soc. 117 (1995) 3179.
[13] A. Öztürk Kiraz, Ö. Çelik, M. Değirmenci, J. Macromol. Sci. A. 56)6( (2019) 597.
[14] K. Carthigayan, S. Xavier, S. Periandy, Spectrochim. Acta. A, 142 (2015) 350.