Квантово-химическое моделирование электронного возбуждения и релаксации в молекуле флуоресцентного зонда 4-диметиламинохалкона

• Автор: Сакович, Руслан Александрович
• Шифр специальности: 01.04.17
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 122 с. : ил.

Оглавление
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Ав 1Ы1ТЮ МЕТОДЫ КВАНТОВОЙ химии

1.2 Нестационарная теория функционала плотности

1.3 Исследование поверхности потенциальной энергии возбужденных состояний

1.4 Переходы в возбужденном состоянии

1.5 Молекулярная динамика

1.6 Обзор квантово-химических программных пакетов

1.7 Современные тенденции в расчетах возбужденных состояний органических флуорофоров

1.8 Теория Маркуса

1.9 Молекула 4-диметиламинохалкона в качестве флуоресцентного зонда
ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
2.1 ВЫБОР МЕТОДА ДЛЯ РАСЧЕТА ВОЗБУЖДЕННЫХ СОСТОЯНИЙ МОЛЕКУЛЫ ДМХ
2.2 РАСЧЕТ ИЗОЛИРОВАННОЙ МОЛЕКУЛЫ ФЛУОРЕСЦЕНТНОГО ЗОНДА ДМХ И ЕЕ КОМПЛЕКСОВ С МОЛЕКУЛАМИ ОКРУЖЕНИЯ
2.3 МОДЕЛИРОВАНИЕ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ДИНАМИКИ
ГЛАВА 3. ИЗОЛИРОВАННАЯ МОЛЕКУЛА ДМХ
3.1 Оценка структуры нижних электронно-возбужденных уровней
3.2 Поиск конформеров молекулы ДМХ в основном и возбужденных состояниях
3.3 Путь релаксации молекулы ДМХ после фотовозбуждения
3.4 Сравнение с экспериментальными данными
ГЛАВА 4. КОМПЛЕКСЫ ДМХ С МОЛЕКУЛАМИ ВОДЫ
4.1 Оценка структуры нижних электронно-возбужденных уровней
4.2 Проверка устойчивости поворота диметиаламиногруппы в комплексе ДМХ с МОЛЕКУЛОЙ воды, координированной по кислороду карбонильной группы
4.3 Механизм релаксации после фотовозбуждения
4.4 Энергии водородных связей между молекулами ДМХ и воды
ГЛАВА 5. МОДЕЛИРОВАНИЕ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ДИНАМИКИ ДМХ И ЕЕ КОМПЛЕКСОВ С МОЛЕКУЛАМИ ВОДЫ
5.1 Адиабатическая динамика изолированной молекулы ДМХ в вакууме
5.2 Неадиабатическая динамика изолированной молекулы ДМХ в вакууме
5.3 Неадиабатическая динамика молекулярных комплексов ДМХ и воды
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
ЛИТЕРАТУРА

Введение
Актуальность темы исследования. Флуоресцентные методы получили широкое распространение в медико-биологических исследованиях благодаря высокой чувствительности и простоте регистрации оптического сигнала. Из-за того, что немногие биологические молекулы обладают флуоресцентными свойствами, флуоресцирующие красители пришли на замену широко распространенным в 19 веке цитологическим и гистологическим красителям. Однако оказалось, что не все красители обладают «удобными» свойствами -флуоресценция многих флуорофоров изменялась в зависимости от методов приготовления препаратов, т.е. от окружения метки [1,2].
Также как и цветные (абсорбционные), флуоресцентные красители окрашивают исследуемые клетки и ткани с помощью двух различных подходов: 1) химическая реакция, т.е. образование химической ковалентной связи между меткой и определенными химическими группами биологической структуры (перекрывание молекулярных орбиталей); 2) физико-химическое межмолекулярное взаимодействие - в этом случае краситель связывается с объектом неспецифически, как правило, за счет межмолекулярных сил физической природы (индукционное, электростатическое и пр.). Именно по этому признаку в настоящее время принято разделять флуоресцентные красители на два основных класса: флуоресцентные метки и флуоресцентные зонды [1].
В первую группу попали те вещества, флуоресценция которых практически не реагировала на свойства окружения - их квантовый выход был близок к единице, что позволяло использовать минимальные концентрации метки (на два -три порядка ниже, чем в традиционных гисто- и цито-химических методах). Однако из-за ограниченности активных химических групп, входящих в состав биологических структур, оставалась ниша для использования второго класса соединений. Для этих флуоресцирующих красителей не требовалось проведения химической реакции. Их связывание определялось физическими механизмами и подбиралось исследователями эмпирически. По мере накопления

экспериментальных данных стало понятно, что распределение и изменение флуоресцентных свойств зондов можно использовать для оценки физикохимических свойств их окружения.
В 60-х годах 20 века делались многочисленные попытки установить связь между физико-химическими свойствами окружения и флуоресценцией зондов [3-5], и в этом направлении был достигнут значительный прогресс. Были предложены эмпирические и полуэмпирические модели, объясняющие спектральные сдвиги в спектрах флуоресценции красителей за счет сольватационного взаимодействия красителя с окружением. Предлагались специальные «шкалы растворителей», описывающие универсальные свойства флуоресценции красителей.
Так была выделена группа флуоресцирующих соединений, чувствительность которых к физико-химическим свойствам окружения оказалась максимальна. Эта группа характеризовалась общей структурой и механизмом флуоресцентного ответа - это были молекулы с пространственным разделением заряда. В их состав входили донорная и акцепторная субъединицы. В основном состоянии молекула обладала разделением заряда, т.е. дипольным моментом, но при фотовозбуждении происходил дополнительный внутримолекулярный перенос электронной плотности. Т.к. перенос заряда между донорной и акцепторной субъединицей зависит от диэлектрических свойств окружения, то это отражалось на оптических характеристиках флуоресцентных зондов [6,7].
Начиная с 1980-х годов, делались попытки объяснить флуоресцентные свойства молекул зондов, использовавшихся в биологии, медицине и химии, при помощи компьютерного моделирования свойств молекул - квантовой химии. В основу методов расчетов свойств молекул легли уравнения квантовой физики.
Цель работы заключается в теоретическом обосновании зависимости оптических параметров флуоресцентного зонда 4-диметиламинохалкона (ДМХ) в возбужденном состоянии от физико-химических свойств его окружения при

1.7 Современные тенденции в расчетах возбужденных состояний органических флуорофоров
Благодаря развитию вычислительной техники недавно появилась возможность рассчитывать возбужденные состояния больших органических молекул флуорофоров с помощью квантово-химических ab initio методов. На сегодняшний день в литературе присутствует не так много работ посвященных этой теме.
Так, в работе [70] исследовался внутримолекулярный перенос протона в возбужденных состояниях в молекулах, структурные формулы и условные названия которых, приведены на рисунке 2.

Рис. 2.
ВР(ОН)
Молекулы SA, ОНВА, НВТ, 10-HBQ и ВР(ОН)2.
Для расчета возбужденных состояний использовались методы ТБОБТ и Щ-СС2. Так же, в качестве эталона, был произведен расчет методом САБРТ2 для двух самых малых молекул (БА и ОНВА). Сравнение результатов, полученных методами ТББРТ и М-СС2, с экспериментальными значениями поглощения и флуоресценции, а так же с доступными результатами САБРТ2 показало, что эти