题目：5-甲基胞嘧啶与BH3及OH自由基反应的理论研究

摘要 胞嘧啶及其甲基化衍生物存在于许多生物体系中，大量的实验结果表明，这些衍生物在DNA链上对抑制基因表达、维持染色体结构、X染色体失活、基因印记及肿瘤的发生等有着重要影响。甲基化衍生物的合成中，含硼化合物被广泛用作催化剂。而且，这类衍生物在DNA链上的去甲基化或去氨基生成胞嘧啶或胸腺嘧啶将引发基因突变，导致人类发生许多病变。因此，为了理解5-甲基胞嘧啶在生物环境中的反应机理，本论文采用量子化学从头算和密度泛函方法，分别对5-甲基胞嘧啶与BH3形成复合物的稳定结构以及异构体之间的相互转化、与OH自由基加成、抽氢、甲基氢取代以及异构体之间的相互转化机理进行了理论研究。研究内容包括如下两个部分：
一、利用B3LYP/6-311+G(d)及MP2/6-311+G(d)计算方法，研究了5-甲基胞嘧啶与BH3形成复合物结构和稳定性、复合物间异构化反应。在考虑基组重叠误差校正基础上，讨论了结合能及变形能等信息，并用自然键轨道分析法探讨了其相互作用情况。
　二、采用密度泛函B3LYP/6-31++G(d,p)//B3LYP/6-31G(d,p)双水平计算方法，研究了OH自由基与5-甲基胞嘧啶的加成、抽氢、甲基H取代反应以及产物间的异构化机理。
通过对上述两类体系的系统研究，主要结论如下:
(1) 5-甲基胞嘧啶(5-MeC)和胞嘧啶(C)与BH3形成复合物及复合物间异构化反应的计算分别得到6种稳定结构及4个异构化过渡态。其中BH3与5-MeC(或C)中N3，O2及N4直接相连形成的结构较其它复合物稳定。5-MeC-BH3(或C-BH3)各复合物间可通过BH3与5-MeC(或C)不同部位结合直接生成，也可通过BH3整体迁移实现相互转化。5-MeC-BH3各复合物稳定性及相互异构化以及能垒与相应的C-BH3复合物基本一致，表明甲基化对胞嘧啶性质的影响不大。
(2) 复合物的稳定化能分别与电荷转移量和BH3变形能近似呈线性关系。
(3) OH与5-甲基胞嘧啶首先形成反应复合物，从反应复合物出发，在N3，C4，C5，C6位置发生加成反应，活化能分别为80.96，63.41，0.00和0.30 kJ/mol，加成产物相对稳定性顺序为P4(C6)>P3(C5)>P2(C4)>P1(N3)，其中产物P3既可以由OH在C5位置直接加成生成，也可通过OH自由基整体迁移实现P2向P3的异构转化，因此在C5和C6位置加成的产物是反应的主要通道。
(4) OH抽取5-甲基胞嘧啶上H14、H10、H9和H11反应通道中，所需活化能均很小，但抽取甲基H形成产物P8的稳定性高于其它抽氢产物(P5、P6和P7)，且其它抽氢产物均可向甲基抽氢产物P8转化。与OH和胞嘧啶反应时优先抽取氨基H的结论不同，这主要是甲基修饰胞嘧啶后，-NH2被保护，OH优先抽取甲基上的H。
(5) 在OH与5-MeC甲基位置之间可能发生的抽氢(R8)、异侧取代(R9)及同侧取代(R10)三个反应中，只有R8是放热反应放出116.2 kJ/mol能量，且R8的势垒为负值(相对于反应物)，其它两个反应(R9和R10)需越过164.98和230.41 kJ/mol势垒。因此，无论从热力学还是动力学因素考虑，直接抽取H的反应是最容易进行的。