ΕΘΝΙΚΟ ΚΑΙ ΚΑΠΟΔΙΣΤΡΙΑΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΤΟΜΕΑΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΣΤΕΡΕΑΣ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ Μελέτη των ενεργειών διέγερσης και ιονισμού τροποποιημένων ή μη βάσεων DNA από πρώτες αρχές Μόρφης Ανδρέας

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ I. ΣΚΟΠΟΣ II. ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ AB INITIO ΜΕΘΟΔΟΙ ΜΟΝΤΕΛΟ HÜCKEL III. ΕΝΕΡΓΕΙΕΣ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ ΚΑΙ ΙΟΝΙΣΜΟΥ ΠΥΡΙΜΙΔΙΝΕΣ κ' ΙΣΟΜΕΡΗ ΠΟΥΡΙΝΕΣ κ' ΙΣΟΜΕΡΗ ΑΛΛΕΣ ΕΤΕΡΟΚΥΚΛΙΚΕΣ ΕΝΩΣΕΙΣ IV. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

I. ΣΚΟΠΟΣ Υπολογίζουμε από πρώτες αρχές τη χαμηλότερη π-ενέργεια ιονισμού και τη χαμηλότερη ενέργεια διέγερσης που αντιστοιχεί σε π → π* μετάβαση επίπεδων ετεροκυκλικών μορίων 3 Βάσεις DNA (και ισομερή) Ιδιαίτερης βιολογικής σημασίας π-συζευγμένα ατομικά συστήματα με εκτεταμένες ηλεκτρονιακές καταστάσεις  Μεταφορά φορτίου στο DNA  Οργανικά ηλεκτρονικά

II. ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ Α) AB INITIO ΜΕΘΟΔΟΙ 1) Βελτιστοποίηση της γεωμετρίας 4 Υπολογίζουμε τη γεωμετρία ισορροπίας στις εσωτερικές συντεταγμένες του μορίου με τον αλγόριθμο ελαχιστοποίησης Berny (Gaussian 1 ) στο επίπεδο θεωρίας B3LYP/ G**  Έλεγχος σταθερότητας της γεωμετρίας  Γεωμετρία με/χωρίς περιορισμούς συμμετρίας 1 Gaussian 09, Revision D.01, M. J. Frisch et al., Gaussian, Inc., Wallingford CT (2009)

5 2β) Υπολογισμός ενεργειών ιονισμού Υπολογίζουμε τη χαμηλότερη ενέργεια ιονισμού που αντιστοιχεί σε π μοριακό τροχιακό στο επίπεδο θεωρίας IPCCSD/aug-cc-pVDZ (Nwchem 1 ) για τα επίπεδα μόρια T 1 < → Coupled Cluster μέθοδοι αξιόπιστες 2α) Υπολογισμός ενεργειών διέγερσης Υπολογίζουμε τη χαμηλότερη ενέργεια διέγερσης που αντιστοιχεί σε μετάβαση π → π* στο επίπεδο θεωρίας CREOMCCSD(T)/aug-cc-pVDZ (Nwchem 1 ) για τα επίπεδα μόρια 1 M. Valiev et al., Comput. Phys. Commun. 181, 1477 (2010) 2 T. J. Lee et al., Int. J. Quantum Chem., Quant. Chem. Symp., S23, (1989)

6 1 L.G.D. Hawke, G. Kalosakas, and C. Simserides, Mol. Phys. 107, 1755 (2009) Β) ΜΟΝΤΕΛΟ Hückel Με την ημι-εμπειρική μέθοδο Hückel υπολογίζουμε τις ιδιοενέργειες / ιδιοσυναρτήσεις π – μοριακών τροχιακών ως γραμμικό συνδυασμό ατομικών τροχιακών με παραμετροποίηση από την αναφορά [1] LUMO HOMO N-1 N EgEg N/2 + 1 N/2

7 III. ΕΝΕΡΓΕΙΕΣ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ κ' ΙΟΝΙΣΜΟΥ Βενζόλιο [D 6h ] HOMO (π) LUMO (π*) Bader charge analysis 1 1 G. Henkelman et al., Comput. Mater. Sci. 36, 354 (2006) 2 L.A. Chewter et al., J. Chem. Phys., 86, 4737 (1987) 3 A. Hiraya and K. Shobatake, J. Chem. Phys. 94, 7700 (1991) HOMO [eV] LUMO [eV] E g [eV] IP abinitio [eV] E abinitio [eV] IP exp 2 [eV] E exp 3 [eV]

8 ΑΠΛΕΣ ΕΤΕΡΟΚΥΚΛΙΚΕΣ ΕΝΩΣΕΙΣ 1 R. Gleiter et al., Helv. Chim. Acta 55, 255 (1972) 2 A. Bolovinos et al., J. Mol. Spect. 103, 240 (1984) 3 F. Halverson et al., J. Chem. Phys. 19, 711 (1951) 4 B.G. Ramsey, J. Org. Chem. 44, 2093 (1979) 5 D.S. Caswell et al., J. Am. Chem. Soc. 108, 6470 (1986) 6 D.L. Lichtenberger et al., lInorg. Chem. 27, 4488 (1988) 7 D.S. Noyce et al., J. Org. Chem. 20, 1681 (1955) Pyrimidine 1,3 * ** [C2v] Pyridazine 1,3 * ** [C2v] 1H-imidazole,4,5 ** [Cs] 1H-pyrazole 6,7 ** [Cs] Pyrazine 1,2 * ** [D2h] Pyrimidine HOMO

9 ΚΥΤΟΣΙΝΗ, ΘΥΜΙΝΗ, ΟΥΡΑΚΙΛΗ κ' ΙΣΟΜΕΡΗ 1 Hush and Cheung, Chem. Phys. Lett. 34, 11 (1975) 2 D. Voet et al., Biopolymers 1, 193 (1963) 3 J.P. Maier et al., Helv. Chim. Acta, 58, 1634 (1975) 4 T. Kubota, Bull. Chem. So. cJpn. 35, 946 (1962) Thymine 1,2 ** [Cs] Pyrazine, 1,4-dioxid 3,4 [D2h] 4(1H)-Pyrimidinone, 6-hydroxy- [C2v] Maleic hydrazide [C2v] Cytosine 1,2 [Cs] Uracil 1,2 ** [Cs]

10 ΠΟΥΡΙΝΗ κ' ΙΣΟΜΕΡΗ 1 Hush and Cheung, Chem. Phys. Lett. 34, 11 (1975) 2 Clark and Tinoco, JACS 87, 12 (1965) 9H-Purine 1,2 ** [Cs] 1H-1,2,3-Triazolo[4,5-b] pyridine** [Cs] [1,2,4]Triazolo[1,5-a] Pyrazine [Cs] [1,2,3]Triazolo[1,5-a] Pyrazine [Cs]

11 ΑΔΕΝΙΝΗ κ' ΙΣΟΜΕΡΗ 1 Hush and Cheung, Chem. Phys. Lett. 34, 11 (1975) 2 L.B. Clark et al., J. Phys. Chem. 69, 3615 (1965) 3 C. Santhosh et al., Spectrochimica Acta. 47A, 12, 1685 (1991) Adenine 1,2 [Cs] 2-Aminopurine,3 [Cs] 1H-Pyrazolo[3,4-d]pyrimidin- 4-amine [Cs] Pyrimido [5,4-e]-as-triazine, 1,2-dihydro- † [Cs] † E Cs – E C1 = 0.27eV !

12 ΓΟΥΑΝΙΝΗ κ' ΙΣΟΜΕΡΗ 1 Hush and Cheung, Chem. Phys. Lett. 34, 11 (1975) 2 D. Voet et al., Biopolymers 1, 193 (1963) Guanine 1,2 ** [Cs] 7-Amino-S-triazolo(1,5-a) pyrimidin-5(4H)-one [Cs] Pyrimido[5,4-e]-as-triazin- 5[6h]-one, 1,2-dihydro- † [Cs] 7H-imidazo[4,5-d]-v-triazin- 4-one, 6-methyl-** [Cs] † E Cs – E C1 = 0.39eV !

13 ΑΛΛΕΣ ΕΤΕΡΟΚΥΚΛΙΚΕΣ ΕΝΩΣΕΙΣ 1 B.G. Ramsey, J. Org. Chem. 44, 2093 (1979) 2 R.D. Gordon et al., Can. J. Chem. 48, 1722 (1970) 3 B. Kovac et al., J. Heterocyclic Chem. 17, 689 (1980) 4 E. Cane et al., J. Mol. Spectrosc. 155, 307 (1992) 5 K. Fuke et al., Chem. Phys. Lett. 108, 179 (1984) 6 P. Ilich, J. Mol. Struct. 354, 37 (1995) 1H-Benzimidazole 1,2 [Cs] 1H-indazol 3,4 [Cs] 1H-Pyrrolo[2,3-b]pyridine 5,6 [Cs] * η χαμηλότερη ενέργεια ιονισμού (δεν απεικονίζεται) δεν αντιστοιχεί σε π μοριακό τροχιακό ** η χαμηλότερη ενέργεια διέγερσης (δεν απεικονίζεται) δεν αντιστοιχεί σε μετάβαση π → π*

14 IV. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ  Οι Coupled cluster μέθοδοι παρέχουν καλή ακρίβεια με αντάλλαγμα το μεγάλο υπολογιστικό κόστος.  Το μοντέλο Hückel μπορεί να χρησιμοποιηθεί για μια προσεγγιστική εκτίμηση όταν δεν απαιτούνται ακριβή αποτελέσματα. Περαιτέρω βελτίωση είναι δυνατή με την εισαγωγή περισσότερων παραμέτρων. Όπως φαίνεται από τα αποτελέσματά μας:

15 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Τριμελής Επιτροπή Κ. Σιμσερίδης, Επικ. Καθηγητής (επιβλέπων) Γ. Τριμπέρης, Καθηγητής Γ. Παπαϊωάννου, Καθηγητής Συνεργάτες Μ. Μαντέλα, τελειόφοιτη Φυσικός Κ. Κακλαμάνης, τελειόφοιτος Φυσικός Μ. Θεοδωράκου, τελειόφοιτη Φυσικός Μ. Χατζηελευθερίου, τελειόφοιτη Φυσικός Κ. Λαμπρόπουλος, Φυσικός, μεταπτυχιακός φοιτητής Γ. Γεωργιάδης, Φυσικός, μεταπτυχιακός φοιτητής Μ. Τάσση, Δρ. Φυσικός, μεταδιδακτορική συνεργάτης