一、引言

嘧啶核苷酸碱基从态到基态(S0)的超快电子弛豫，能快速将激发能散发到周围环境，对DNA和RNA的光稳定性至关重要。此前研究发现尿嘧啶（Ura）和胸腺嘧啶（Thy）电子弛豫过程中会形成基态扭曲中间体，但胞嘧啶（Cyt）及其衍生物是否存在类似中间体尚不明确。同时，溶剂对该中间体形成的影响机制也有待深入探究。

二、核心思路

能否通过红外时间分辨吸收光谱（IR-TAS）结合量子化学计算，明确胞苷（Cyd）等嘧啶核苷酸碱基衍生物中扭曲中间体的存在，并揭示溶剂性质对中间体形成的调控规律？

研究围绕三个关键问题展开：

1. 胞嘧啶衍生物电子弛豫过程中是否存在扭曲中间体？
2. 不同类型溶剂（质子溶剂、非质子溶剂）如何影响扭曲中间体的形成与转化？
3. 扭曲中间体的光谱特征及形成机制是否具有普适性？

作者首次系统探究了水、甲醇、乙腈三种溶剂对尿嘧啶、胸腺嘧啶、胞苷扭曲中间体形成的影响，为理解嘧啶核苷酸碱基的光物理特性提供了新视角。

三、研究方法

1. 材料与样品制备：选取尿嘧啶、胸腺嘧啶、胞苷为研究对象，制备氘代衍生物（DUra、DThy、DCyd）以适应光谱测试需求，分别配置在重水（D2O）、氘代甲醇（CD3OD）、氘代乙腈(CD3CN)三种溶剂体系中。
2. 光谱测试技术：采用IR-TAS技术，激发波长267 nm，探测范围1300-1800 cm⁻¹，记录不同延迟时间的瞬态红外光谱，结合全局拟合分析（GloTarAn、KOALA软件）提取动力学参数。

3. 理论计算方法：使用Gaussian 16程序，基于密度泛函理论（DFT）和含时密度泛函理论（TD-DFT），结合极化连续介质模型（PCM）和显式溶剂分子模型，计算扭曲中间体的几何结构、红外光谱及能量水平。

4. 数据分析手段：通过衰减相关差谱（DADS）和物种相关谱（SAS）解析瞬态物种，利用动力学拟合获取中间体的寿命（τ）和量子产率（QY）。

四、核心亮点

亮点1｜明确胞苷扭曲中间体的存在及光谱标识

在水溶液中，胞苷在1581 cm⁻¹处出现特征红外吸收峰，量子化学计算证实该峰对应(C4-ND₂)伸缩振动的蓝移信号，是扭曲中间体的专属标识。该中间体具有扭曲的(C5=C6)键结构，与尿嘧啶、胸腺嘧啶的扭曲中间体形成共同结构基序，表明嘧啶核苷酸碱基的扭曲中间体形成具有普适性。

亮点2｜溶剂类型调控中间体形成效率

- 质子溶剂（水、甲醇）：促进扭曲中间体形成，胞苷在水中的中间体量子产率为0.25，甲醇中提升至0.33，且寿命从44 ps延长至160 ps。

- 非质子溶剂（乙腈）：显著抑制扭曲中间体形成，尿嘧啶在乙腈中未检测到明显的扭曲中间体信号，胸腺嘧啶仅出现微弱特征峰，而三重态(³ππ^*)量子产率大幅提升（尿嘧啶达0.46）。

亮点3｜揭示中间体形成的动力学机制

扭曲中间体通过¹ππ^*态经乙烯基锥形交叉点的超快内转换直接生成，形成时间小于1 ps。质子溶剂中¹nπ^*态能量不稳定，促进¹ππ^*态向基态扭曲中间体转化；非质子溶剂中¹nπ^*态能量较低，更易发生系间窜越形成三重态。

亮点4｜阐明取代基与溶剂的协同效应

- 甲基取代（胸腺嘧啶）：增加空间位阻，延长中间体寿命（水中达300 ps以上），且在乙腈中仍能少量形成中间体。

- 氨基取代（胞苷）：无明显蓝移(C=O)伸缩峰，需通过(C4-ND₂)伸缩峰识别中间体，溶剂效应对其寿命影响显著。

五、机制分析

基于实验与计算结果，嘧啶核苷酸碱基电子弛豫及中间体形成机制如下：

1. 光照激发：分子被激发至¹ππ^*态，激发能约3.7 eV。
2. 路径分支：

   - 质子溶剂中：¹nπ^*态不稳定，¹ππ^*态通过乙烯基锥形交叉点快速内转换至基态，核轨迹分叉形成平面基态和扭曲中间体。

   - 非质子溶剂中：¹nπ^*态能量稳定，成为关键中间态，部分通过系间窜越生成三重态，抑制扭曲中间体形成。

3. 中间体转化：扭曲中间体通过振动冷却（10 ps内）达到热平衡，随后缓慢异构化回到平面基态，寿命受溶剂氢键作用和空间位阻调控。

六、总结

本研究首次证实所有嘧啶核苷酸碱基及其衍生物均能形成具有扭曲(C5=C6)键的基态中间体，明确了不同溶剂对中间体形成的调控规律。

文案&审核：小H

编辑：小W

文章链接：https://doi.org/10.1021/jacs.5c08293