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分子激发态非绝热反应动力学的研究,是化学动力学、光化学、光物理、光生物、大气化学,以及理论化学等领域都广泛关注的重要基础前沿课题。激发态分子的化学反应要比基态复杂得多,往往涉及多个电子态势能面的参与,实际的反应过程是非绝热的。非绝热效应在激发态反应中普遍存在,从气相中的小分子到溶液中的生物大分子,非绝热效应对激发态分子化学反应的复杂过程以及激发态分子的物理化学性质都起着关键的影响作用。本论文围绕这一课题,以光激发核酸碱基分子的[2+2]环加成反应以及苯甲酸分子的光解离反应为例,采用时间分辨傅里叶变换红外吸收光谱(TR-FTIR)和紫外-可见瞬态吸收光谱等互为补充的时间分辨光谱技术,以量子化学计算配合光谱实验,研究凝聚相体系中激发态分子的光化学反应的非绝热动力学和复杂的反应机理。论文工作包括两大部分:
一、光激发核酸碱基分子的[2+2]环加成反应研究
脱氧核糖核酸(DNA)是基因信息表达、存储和传递的载体,核糖核酸(RNA)在蛋白质合成过程中起着重要作用,核酸(DNA、RNA)是生命的最基本物质。机体组织中的DNA和RNA却容易受到紫外光损伤。核酸的嘧啶碱基在紫外光激发下发生[2+2]环加成生成环丁烷嘧啶二聚体(CPD)是导致DNA、RNA光损伤的一类重要反应,同时也是激发态非绝热效应参与的生物分子光化学反应的一类典型体系。反应可能涉及到激发1ππ*、1nπ*、3ππ*以及基电子态So态等多个电子态的参与,非绝热效应直接影响到反应发生的途径。
以往研究CPD反应机理的信息主要是通过检测反应物猝火动力学或用稳态方法探测产物获得的,这是由于反应产物CPD的吸收波长很短(～220 nm),该反应产物的生成难以用相对普及的紫外-可见瞬态吸收光谱来实时探测。我们采用对CPD的羰基官能团敏感的TR-FTIR吸收光谱技术,选择嘧啶碱基及其衍生物分子与环戊烯为模型反应体系,实时检测到266nm激发下一系列嘧啶碱基的[2+2]环加成反应产物CPD生成的动力学,光谱分析定量得到其量子产率分别为0.91%(尿嘧啶.环戊烯)、0.41%(胸腺嘧啶.环戊烯)、5.4%(氮杂尿嘧啶-环戊烯);同时结合激光闪光光解(LFP)实验,测量这些反应中三重态碱基的猝灭动力学,得到速率常数分别为kuracil=1.5×109 M-1 S-1,kthymine=0.6×109 M-1 S-1和kazauracil=0.3×109 M-1 S-1。实验结果显示尽管三重态猝灭很快,但是生成环加成产物的量子产率却很低,说明物理猝灭是三重态失活过程中极具竞争的途径,只有一小部分三重态分子发生了光化学反应导致了CPD损伤。
进一步通过量化计算,揭示了通过三重态T1发生的非绝热反应途径和双自由基分步反应机理(在T1上C=C双键的两个α-C原子先成键生成一个双自由基中间体,在中间体附近通过T1/S0的势能面交叉点系间窜越到S0态,在S0态上另外两个β-C原子再成键生成最终产物CPD)。计算结果显示,T1/S0势能面交叉点的能量比三重态双自由基仅高出8-10 kcal/mol,大大降低了反应势垒,使得环加成反应更容易发生。另一方面,T1/S0势能面交叉点的存在,也使得中间体易于回到反应起始物,导致仅有少部分双自由基中间体会反应生成环加成产物,在机理上解释了产物量子产率很低的实验现象,也从三重态反应的角度进一步说明了核酸光稳定性的原因之所在。
初步研究了硫代嘧啶碱基的光化学反应。从实验和理论计算两方面说明4-硫代尿嘧啶的最低三重态涉及C=C键和C=S键的激发,因此除了通常C=C键的[2+2]环加成反应造成CPD光损伤外,还可以发生C=S键加成造成(6-4)光损伤。研究发现激发态电子结构的改变,导致了硫代嘧啶碱基的光化学反应不同于常规碱基。红外光谱实验得到了归属为4-硫代尿嘧啶发生C=C键、C=S键环加成产物的两个红外吸收峰,为今后研究另一类重要的(6-4)光损伤的反应提供了基础。
这部分工作采用互为补充的TR-FTIR和激光闪光光解的时间分辨光谱技术,通过实时检测环加成产物生成动力学、量子产率以及三重态猝灭动力学,结合量子化学计算,研究了嘧啶碱基分子及氮杂、硫代等取代碱基分子在紫外光激发下发生的[2+2]环加成反应的机理和动力学,揭示了通过三重态T1发生的非绝热反应途径和双自由基分步反应机理,说明T1/S0势能面交叉的存在导致了反应发生的非绝热反应途径,并降低势垒促进了反应,同时探讨了由于取代效应造成的取代碱基分子的电子结构改变等因素导致的反应活性和反应机理的改变。我们的研究结果可望为理解DNA光损伤的分子反应机制提供基本的理论参考,在预防由紫外线辐射后诱发的皮肤老化、皮肤癌等相关领域也具有重要的现实意义。
二、苯甲酸分子的光解离反应研究
苯甲酸(C6H5COOH)是羧基直接与苯环碳原子相连的最简单芳香羧酸,是研究芳香羧酸性质和脂肪酸区别的重要模型分子。利用超快和纳秒时间分辨红外吸收光谱研究了溶液中的苯甲酸分子分别在267 nm和193 nm下的光解动力学,结合这两种时间分辨红外吸收光谱技术,使得我们可以在飞秒到微秒的时间尺度上,既可以探测光解产物,又可以探测反应中间态,获得动力学时间常数和量子产率,进而揭示光解反应机理。
实验发现,溶液中267 nm激光光解苯甲酸,主要快速生成苯甲酸的T1态,其量子产率约为0.65,时间常数为4.4±0.5 ps。从飞秒到微秒时间范围内都只观测到T1态而没有光解产物,截然不同于气相光解的实验结果,说明溶液中向溶剂分子的超快振动弛豫使得激发态(S2和T2态)分子迅速失活,一方面光解被抑制,另一方面失活的分子被布居到S2/T2/T1势能面交叉区域,因而主要快速弛豫到T1态。溶液中,大部分激发态分子会被迅速弛豫到T1态,并且由于T1势能面上高的解离势垒而处于一个相对稳定的势阱中。
在更高能量的193nm激光激发下,观测到苯甲酸发生了光解,主要产生COOH自由基和极少量的T1态分子。说明在高的激发能量下,光解过程比振动弛豫将能量传递给溶剂的过程速度要快,因此激发态分子主要发生了C-C键断裂,只有小部分弛豫到低的电子态。有趣的是,虽然193 nm光子提供的能量足够克服S1和T2势能面上C-O键解离的势垒,但实验结果显示只发生了在T1势能面上的C-C键解离,这是因为只有布居到较长寿命T1态(0.1μs)的分子能够发生光解反应,而布居到S1和T2态等寿命很短的电子态上(S1→T1～4 ps,S1→S0～1.9 ps,T2→+T1～0.5 ps)的分子由于迅速向低能级弛豫,而来不及发生解离反应。
这些结果说明溶剂分子在激发态分子弛豫过程中起着重要的作用,从而导致了气相和液相光解反应的不同。溶剂分子的协助改变了激发态弛豫路径,使得苯甲酸从初始激发的S3或S2态迅速(～4 ps内)布居到T1态。长寿命的T1态分子可发生C-C键的断裂,而中间态S1和T2态分子寿命太短,以至于来不及发生光解反应就弛豫到更低的电子态。可见,溶液中分子在高电子激发态上很难发生光解反应,而在寿命相对较长的T1态上能够发生光解反应。在这里,决定液相中光化学反应的结果的不是高电子态,而是最低能量三重态T1。
我们实验上观测到的苯甲酸分子T1态的超快形成速率,证实了S2/S1、S2/T2、S1/T1和S1/T2等势能面交叉的存在。同时测得的高达0.65的T1态量子产率,也很好说明了激发态分子主要弛豫到T1态,即能量弛豫的主要通道是布居到三重态势能面,揭示了三重态的生成是影响苯甲酸在溶液中光物理光化学反应过程的关键因素。