英语原文共 11 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

离子液体的生物溶解性质：水合1-乙基-3-甲基咪唑醋酸酯中甲基化碱基的分子动力学模拟

Sathish Dasari和Bhabani S.Mallik

印度海得拉巴理工学院化学系，坎迪，Sangareddy 502285，Telangana，India

摘要

通过经典分子动力学模拟方法，使用多状态贝内特接受比法，计算了纯和水合1-乙基-3-甲基咪唑醋酸酯、[Emim][Ac]、离子液体和纯水中甲基化碱基的溶剂化自由能。将计算得到的纯水溶剂化自由能与以往的实验和理论结果进行了比较，结果一致。我们观察到甲基化碱基在纯离子液体中的溶剂化自由能比在纯水中的溶剂化自由能大，并且随着水在离子液体中摩尔分数的变化，溶剂化自由能逐渐减小。比较库仑和范德华对溶剂化自由能的贡献，静电对所有碱基的贡献都大于后者。为了获得原子细节并解释溶剂化机理，我们计算了阳离子与碱基的径向分布函数（rdf）、空间分布函数（sdf）和堆积角分布。从RDFs和SDFs中，我们发现离子液体中的醋酸盐阴离子与碱基中的胺氢原子形成了强氢键。这些氢键是库仑对溶剂化自由能贡献的主要部分。阳离子向碱基的堆积主要是由于范德华对溶剂化自由能的贡献。

导言

碱基是含氮的杂环芳烃生物分子，是DNA的主要组成部分。他们参与各种非键合相互作用，如静电、范德华、疏水性和pi;-pi;堆积。

它们被用于许多应用领域，如分子疗法、仿生学、配位聚合物、电子学和光子学^[1-3]。它们也被用于农业和化学工业^[4]。尿嘧啶及其衍生物被用作抗癌和抗病毒药物^[5,6]。尽管它们的应用范围很广，但它们在水中的溶解性很差。另一方面，可以使用离子液体（ILs）等替代溶剂来增强这些分子的溶解度.ILs由具有独特分子结构的有机阳离子、有机阴离子和无机阴离子组成，因其独特的溶剂化能力而受到人们的青睐。这些结构域既包括带电结构域，也包括疏水结构域，这会影响溶质的溶解度。与其它溶剂相比，难溶分子晶体1,3,5-三氨基-2,4,6-三硝基苯在四甲基氟化铵含水离子液体中的溶解度增加^[7]。在1-乙基-3-甲基咪唑醋酸酯中，[Emim][Ac]和1-丁基-3-甲基咪唑醋酸酯，以及[Bmim][Ac]发现和水溶液相比，碱基的溶解度显著增加，^[8,9]。在这些体系中，离子液体的醋酸酯阴离子和碱基的胺基之间的氢键是溶解机制的主要因素。咪唑阳离子的芳香氢原子也与碱基的羰基氧原子和环氮原子形成弱氢键。Norman等人利用中子衍射技术研究了尿嘧啶在[Emim][Ac]中不同溶剂/溶质比下的溶剂化结构^[10]。这些离子液体是粘性的，并且随着碱基的加入，粘度进一步增加，这影响了溶剂对更多碱基的溶解能力。加入助溶剂以克服这一问题；在离子液体中加入适量的水，不会影响碱基的溶解度，但所得混合物的粘度会显著降低^[11]。在许多应用中，助溶剂改变了影响难溶化合物溶解度的分子间作用。溶剂对特定溶质的溶剂化性质可以通过评估热力学量、溶剂化自由能来理解。溶剂化自由能和特定溶剂的溶解性质之间的联系可以通过研究分子水平来理解。

一些研究报道了药物^[12-16]、氨基酸类似物^[17-21]、核酸碱基^[22-30]和其他有机分子^[13,31-34]在不同溶剂中的溶剂化自由能。这些方法包括自由能微扰^[35]、热力学积分^[36]、Bennett和多状态Bennett接受比（MBAR）^[37,38]以及基于量子力学（QM）^[39-40]的经典模型^[41]。碱基参与各种非键相互作用，如静电作用、范德华作用、疏水作用和pi;-pi;堆积作用。中性和离子共溶剂的存在会影响这些相互作用。最近，Jumbri等人利用Bennett接受比计算了咪唑基溴离子液体中母体碱基的溶剂化自由能随阳离子烷基链长度的变化方法^[30]。他们发现在离子液体中，碱基的溶剂化自由能比在纯水中更为负。极性碱基更倾向于与ILs的短烷基链进行溶剂化反应，极性较小的碱基在ILs的长烷基链中表现出较好的溶解性。与水溶液相比，水合离子液体中DNA双链的稳定性提高^[42]。对DNA的直接化学修饰称为DNA甲基化。这种甲基化过程可以影响许多生物相关过程的动力学。甲基化碱基可以作为研究化学修饰生物分子溶剂化动力学的简单模型。到目前为止，还没有关于纯离子液体和水合离子液体中甲基化碱基的溶剂化自由能的研究。了解甲基化碱基在纯离子液体和水合离子液体中的热力学和溶剂化机理对于提高和调节它们的溶解度是非常必要的。在这项研究中，我们报道了甲基化碱基在纯和水合离子液体[Emim][Ac]中的溶剂化自由能随水的摩尔分数的变化。研究了碱基在离子液体中的溶解度随水摩尔分数的变化规律。在我们的研究中，N9氮原子在腺嘌呤和鸟嘌呤中甲基化；N1氮原子在胸腺嘧啶、胞嘧啶和尿嘧啶中甲基化。这些氮原子与DNA中的脱氧核糖糖相连，因此甲基化的碱基代表了DNA中碱基的模拟，这可能有助于我们理解DNA在水合离子液体中的稳定性。除了结构性质外，还计算了库仑和范德华对溶剂化自由能的贡献，以量化这些核酸酶溶解度的主要相互作用。我们利用质量中心（COM）以及原子-原子径向分布函数和空间分布函数（SDF）研究了溶质和溶剂分子之间的相互作用。计算了Emim阳离子与碱基堆积角的概率分布，为阳离子与碱基的堆积提供了信息。本工作的目的是从热力学角度了解甲基化碱基在IL中的溶剂化和溶解度，以及IL阴阳离子与碱基在原子水平上的库仑和范德华作用。从这些贡献可以明显看出，阳离子与甲基化碱基的堆积也决定了碱基在离子液体中的溶解度。我们选择这种离子液体是因为它对碱基有很好的溶解性。尽管它是粘性的，但是众所周知，向离子液体中加入适量的水可以降低离子液体的粘度而不影响溶解性。实验得到了不同水摩尔分数的纯碱在离子液体中的溶解度数据。通过了解溶质和溶剂之间的关键相互作用，我们可以设计出无毒、可生物降解的氨基酸型离子液体（表一）。

表1。本工作中使用的摩尔分数以及每个摩尔分数中阳离子、阴离子和水分子的数量

结果与讨论

溶剂化自由能是描述溶质在特定溶剂中溶解度的热力学量。我们计算了纯水、纯IL和各种水合IL摩尔分数中甲基化碱基的数量。得到的甲基化碱基在纯水中的溶剂化自由能值如表2所示。为了验证我们所用方法所得结果的可靠性，还列出了以前方法和实验的结果，包括相似模型的结果。溶剂化自由能的实验值仅适用于甲基化腺嘌呤和甲基化腺嘌呤的比较胸腺嘧啶在这两种基础上，我们计算的溶剂化自由能被高估了sim;1 kcal mol^minus;1，与实验结果相比^[43]。我们的报道的溶剂化自由能值与以前用AM1/SM2方法计算的值接近^[23]。甲基化自由能值除外腺嘌呤结果定性地与先前用QM/分子力学（MM）方法计算的溶剂化自由能一致，但有相同的基础^[44]。在在所有的碱基中，间鸟嘌呤具有更多的负溶剂化自由能（minus;22.6 kcal mol^minus;1），而间胸腺嘧啶和胞壁嘧啶具有更少且几乎相似的值（minus;13.4和minus;13.9 kcal mol^minus;1）。结果表明：间鸟嘌呤gt;间胞嘧啶gt;间腺嘌呤gt;间尿嘧啶gt;间胸腺嘧啶。这一趋势表明，与其他碱基相比，间鸟嘌呤更易溶于纯水，而间胸腺嘧啶则不易溶于纯水。从先前的研究来看，极性较低的碱与其他碱相比具有较低的溶解度^[30]。早期研究中发现的纯碱在水中的溶剂化自由能的趋势是：鸟嘌呤gt;胞嘧啶gt;胸腺嘧啶gt;尿嘧啶gt;腺嘌呤碱基^[30]。鸟嘌呤，胞嘧啶和尿嘧啶，在溶剂化自由能方面也有类似的趋势，腺嘌呤和胸腺嘧啶的甲基化改变了模式（图1）。

纯水和水合离子液体中甲基化碱基的溶剂化自由能随水摩尔分数和纯水摩尔分数的变化如图2所示。溶剂化自由能值的收敛性如支持信息图S1所示。溶剂化自由能的标准偏差在所有摩尔分数的所有碱基的1 kcal mol^minus;1范围内，如支持信息所示（表S2）。与水相比，所有甲基化的碱基在纯离子液体中表现出更多的负溶剂化自由能；这与先前关于纯咪唑基离子液体中母体碱基的溶剂化自由能的研究一致^[30]。碱基是极性的，更易溶于极性大于水的离子液体。纯离子液体中碱基的溶剂化自由能趋势与纯水中碱基的值相似：m-鸟嘌呤gt;m-胞嘧啶gt;m-腺嘌呤gt;m-尿嘧啶gt;m-胸腺嘧啶。纯离子液体和纯水中碱基自由能的差异也遵循同样的趋势。这一趋势是基于甲基化碱基上可获得的极化物的数量。间鸟嘌呤在所有碱基中有更多的极性位点：NH₂、NH和C=O基团。胞嘧啶含有一个NH₂和C=O基团；腺嘌呤含有一个NH₂基团；胸腺嘧啶和尿嘧啶各含有一个NH和两个C=O基团。尽管间腺嘌呤只有一个NH₂基团，但它比间尿嘧啶和间胸腺嘧啶更具极性，因为它还有三个未经修饰的氮环原子，可以形成极性相互作用。m-鸟嘌呤和m-胞嘧啶也分别有两个和一个未经修饰的氮环原子。虽然m-尿嘧啶和m-尿嘧啶具有相同数量和类型的极性基团，但m-尿嘧啶具有稍微更多的负溶剂化自由能。

其原因是胸腺嘧啶中的一个甲基靠近C=O基团，这阻止了C=O基团与溶剂分子的相互作用，而m-尿嘧啶中的C=O基团附近没有可以与溶剂分子自由相互作用的甲基。与水相比，离子液体中的醋酸盐阴离子是良好的氢键受体，是与碱基相互作用的主要实体。它们与碱基的氨基形成氢键。Emim阳离子具有酸性氢原子，可与C=O基团和未经修饰的核碱氮环原子形成氢键。这些极性位点与溶剂分子的相互作用将在下面的段落中明确讨论。随着水摩尔分数的变化，从纯离子液体到纯水，所有碱基的溶剂化自由能都增加。在间鸟嘌呤的情况下，溶剂化自由能随摩尔分数的变化而稳定增加。对于剩余的碱基，溶剂化自由能增加到Xw=0.4；然而，从Xw=0.4到0.8，溶剂化自由能的变化不太显著，然后在Xw=0.8之后，值突然变化。

表2。溶剂化自由能（kcal molminus;1)甲基化碱基在纯水中的应用

图1。甲基化碱基和离子液体离子的模型。（A） m-腺嘌呤、（B）m-鸟嘌呤、（C）m-胸腺嘧啶、（D）m-胞嘧啶、（E）m-尿嘧啶、（F）EMIM阳离子、（G）醋酸盐阴离子。颜色方案如下：白色氢，青色碳，蓝色氮，红色氧。

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[260152]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

您可能感兴趣的文章

• 由可聚合阳离子表面活性剂和4-苯偶氮苯甲酸组成 的光流变可逆胶束外文翻译资料
• 酶处理对棉织物的物理化学性质和染色特性的影响外文翻译资料
• 商陆浆果天然染料对羊毛织物的染色研究外文翻译资料
• 在掺杂银的Zn0/gC3N4复合催化剂的协同作用下高效催化降解室 内甲醛外文翻译资料
• 中国典型工业园区印染废水中超细纤维的产生、去除和释放外文翻译资料
• 枝状分子合成方法在碳炭黑表面接枝化聚氨基胺外文翻译资料
• 复杂的纳米级胶态分散体通过原位形成稳定的水包油采摘乳剂来提高采收率外文翻译资料
• 树枝状大分子合成方法将超支化聚(氨 基胺)接枝到炭黑表面.上外文翻译资料
• 利用纳米镍颗粒辅助聚合物驱提高原油采收率的有效途径外文翻译资料
• 棉织物的防水性能溶胶-凝胶法整理外文翻译资料