从头算QTMF/MM非绝热动力学模拟和氮杂核酸碱基光化学反应机理研究

Nonadiabatic processes among potential energy surfaces of different electronic states play an important role in many areas of physics, chemistry, biology, and material. However, there are a lot of limitations for the currently used nonadiabatic dynamics methods. On the basis of the quantum-trajectory mean field (QTMF) method proposed by us for nonadiabatic dynamics simulation, the spin-orbit coupling interaction will be added into the effective Hamiltonian of the QTMF equation, which can be used to treat intersystem crossing process. Meanwhile, the combined QTMF and molecular mechanics (MM) scheme will be developed for dealing with the environmental effect. Finally the generalized QTMF/MM method is established for simulation of nonadiabatic processes. Together with high-accuracy electronic structure calculation, the developed QTMF/MM method will be used to explore photophysical processes and photochemical reactions of aza analogues of nucleic acid bases. More attentions will be paid for the hydrogen bond effect, the role of the ribose or deoxyribose group, the influence of solvent and DNA or RNA surroundings on the photochemical reaction mechanism, which is helpful for understanding the photochemistry properties of aza analogues of nucleic acid bases and designing chemotherapeutic agents with an excellent performance.

非绝热过程在物理、化学、生物和材料等领域中无处不在，且至关重要，但目前处理该过程的混合量子-经典的非绝热动力学方法都存在不足之处。在前期工作的基础上，本项目将拓展量子轨迹平均场（QTMF）方法，将旋轨耦合效应添加到体系的哈密顿算符中，使之可以描述非绝热的系间窜跃过程；同时将其与分子力学（MM）结合，以便处理复杂的环境效应；最终，建立广义的从头算QTMF/MM非绝热动力学方法并程序实现。在此基础上，应用QTMF/MM非绝热动力学模拟，结合高精度的电子结构计算，研究氮杂核酸碱基及其类似物的光化学反应机理，重点探讨氢键作用、核糖或脱氧核糖作用、溶剂效应以及DNA或RNA环境对其光物理过程和光化学反应的影响。本项目的成功实施不仅可以让我们更好地理解氮杂核酸碱基及其类似物的光化学反应机理，而且可以为设计疗效显著的光动力学治疗药物提供理论依据。

近期我们发展了一种基于量子测量思想且可以自洽处理原子核与电子关系的量子轨迹平均场(QTMF)方法，但是该方法只能用于模拟气相小分子的内转换过程。本项目中，我们将该方法拓展到了QM/MM级别（即QTMF/MM方法）且可以同时处理内转换和系间窜越过程（即QTSH方法）。前者可以处理基质隔离、溶液或蛋白等复杂环境中的光化学体系，后者可以处理包含重元素或者具有显著旋轨耦合效应的光化学体系。之后，我们利用QTMF/MM方法研究了乙腈溶液中噻吩酮体系的光诱导开环及后续的重排反应(ChemPhotoChem, 2019, 3, 897)，基本重现了时间分辨光谱的结果。之后，我们又利用可以同时处理内转换和系间窜越过程的QTSH方法再次研究噻吩酮体系光诱导的开环及后续重排过程(Phys. Chem. Chem. Phys. 2021, 23, 9867)，发现旋轨耦合效应对包含硫的噻吩酮体系显得尤为重要。此外，我们还研究了非天然的碲取代核酸碱基的激发态弛豫过程，发现碲取代核酸碱基具有非常短的三重态寿命，可能不是一种非常理想的光动力学治疗药物（J. Phys. Chem. A 2021, 125, 8816; Phys. Chem. Chem. Phys., 2021, 23, 12421）。基于以上研究，我们证实了QTMF/MM方法和QTSH方法是一种可靠且高效的非绝热动力学模拟方法。