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随着环境改善意识的日益增强，人们对绿色可持续技术的发展愈加重视。因此，学术界乃至整个人类社会都希望能够在社会经济发展和优美环境之间相互制衡的基础上，力求探索更加安全高效的生产过程，以获得绿色健康和环境友好的化学产品。
迄今为止，溴化咪唑类离子液体潜在的环境毒性机制仍尚不明确。对于离子液体-DNA作用体系，尤其是离子液体-碱基作用体系，尚无实验和理论研究。为了系统研究离子液体(ILs)与生物遗传基因间的相互作用，本论文基于前期研究，进一步通过量子化学方法计算探索水溶液中溴化咪唑类离子液体与五种碱基间作用机制。
本课题组前期已完成对离子液体与碱基作用体系的计算方法的筛选工作。本文借助混合溶剂化模型(PCM+wH2O)模拟生命水环境，采用M06-2X/6-311++G(2d,p)/PCM/water计算方法研究五种碱基(Adenine/Guanine/Cytosine/Thymine/Uracil)分别与溴化1-烷基-3-甲基咪唑类离子液体([Cnmim]Br,n=2,4,6,8,10)之间的相互作用体系，即G/A/C/T/U-wH2O-y[Cnmim]+-xBr-(w,y,x分别为显式水分子、阳离子和阴离子个数)，力求系统地从几何结构和能量学特征、谱学和电子结构性质方面，总结每种碱基与离子液体之间的相互作用模式及其作用强度，探索五种碱基与离子液体之间的相互作用规律。同时通过增加阳离子烷基链长，探索烃基效应对每种碱基作用影响的变化，隐式和显式溶剂效应也进行了对照分析。本工作为水溶液中溴化咪唑类离子液体与核酸碱基片段之间的分子作用机制研究提供一定基础。
本工作研究结果概述如下：
一、G/A/C/T/U五种碱基的分子表面静电势计算表明，各自存在5(3+2)/6(3+3)/5(4+1)/4(2+2)/4(2+2)个极值点(极大值+极小值)，分别对应静电势正值和负值区域，预示每种碱基与离子液体中的阴、阳离子和水分子的结合位点和饱和作用数。
二、在G/A/C/T/U-wH2O-y[Cnmim]+-xBr-水合作用体系中，五种碱基分别与离子液体阳离子作用形成三种典型模式，其稳定性和作用强弱顺序为：堆积模式＞垂直模式＞共平面模式，这种稳定性趋势并不依赖于阳离子烷基侧链长。
三、水溶液中离子液体作用于鸟嘌呤时，饱和作用结构的稳定性为G-4H2O-[Cnmim]+-Br--1＜G-3H2O-[Cnmim]+-2Br--1＜G-2H2O-2[Cnmim]+-2Br--1＜G-1H2O-2[Cnmim]+-3Br--1。单水合结构最稳定，π…π+堆积的平均距离在3.344～3.386?，体系结合能在-193.63～-187.11kJ/mol范围内。作用于腺嘌呤时，饱和结构的稳定性是A-5H2O-[Cnmim]+-Br--1＜A-4H2O-[Cnmim]+-2Br--1＜A-3H2O-2[Cnmi m]+-2Br--1＞A-2H2O-2[Cnmim]+-3Br--1＜A-1H2O-3[Cnmim]+-3Br--1，三水合结构最稳定，π…π+堆积的平均距离在3.311～3.378?，结合能在-199.87～-197.68k J/mol之间。两种嘌呤碱基与溴化咪唑类类离子液体饱和作用体系的稳定性是G-1H2O-2[Cnmim]+-3Br--1＜A-1H2O-3[Cnmim]+-3Br--1。
四、在水溶液中咪唑类离子液体作用于胞嘧啶时，饱和结构的稳定性高低顺序是C-4H2O-[Cnmim]+-Br--1＜C-3H2O-[Cnmim]+-2Br--1＜C-2H2O-[Cnmim]+-3Br--1＞C-1H2O-[Cnmim]+-4Br--1，二水合结构最稳定，π…π+堆积距离在3.301～3.338?，结合能在-155.87～-154.18kJ/mol范围内。对于胸腺嘧啶体系，饱和结构的稳定性：T-3H2O-[Cnmim]+-Br--1＜T-2H2O-[Cnmim]+-2Br--1＜T-1H2O-2[Cnmim]+-2Br--1，单水合结构最稳定，π…π+平均距离在3.385～3.405?，结合能在-150.03～-147.12kJ/mol之间。与尿嘧啶作用时，饱和结构的稳定性：U-3H2O-[Cnmim]+-Br--1＜U-2H2O-[Cnmim]+-2Br--1＜U-1H2O-2[Cnmim]+-2Br--1，单水合结构最稳定，π…π+平均距离在3.384～3.440?，结合能在-148.31～-146.26kJ/mol之间。可见三种嘧啶碱基与溴化咪唑类离子液体作用时的稳定性为U-1H2O-2[Cnmim]+-2Br--1＜T-1H2O-2[Cnmim]+-2Br--1＜C-2H2O-[Cnmim]+-3Br--1
五、水溶液中，五种碱基与溴化咪唑类离子液体作用体系的稳定性是U-1H2O-2[Cnmim]+-2Br--1＜T-1H2O-2[Cnmim]+-2Br--1＜C-2H2O-[Cnmim]+-3Br--1＜G-1H2O-2[Cnmim]+-3Br--1＜A-1H2O-3[Cnmim]+-3Br--1。
六、相对于水环境中的碱基，最稳定的G/A/C/T/U-wH2O-y[Cnmim]+-xBr-水饱和体系中，N-H-Br-氢键作用导致G/A/C/T/U中N-H伸缩振动频率向低波数端红移，但红外吸收强度有所增加。在π-π+堆积模式中碱基中的C=C或C=O双键的振动强度减弱。
七、通过电子拓扑结构分析，最稳定的G/A/C/T/U-wH2O-y[Cnmim]+-xBr-饱和体系中，碱基-阴离子、碱基-阳离子、阴离子-阳离子三个片段之间均以静电作用为主。其中，碱基与阴离子之间以N-H-Br-氢键相互作用为主，与阳离子之间主要是π-π+堆积作用，辅以C-H-O等弱氢键，阴阳离子之间的C-H…Br-氢键作用为水溶液中碱基与离子液体的作用体系提供额外的稳定性。
迄今为止，溴化咪唑类离子液体潜在的环境毒性机制仍尚不明确。对于离子液体-DNA作用体系，尤其是离子液体-碱基作用体系，尚无实验和理论研究。为了系统研究离子液体(ILs)与生物遗传基因间的相互作用，本论文基于前期研究，进一步通过量子化学方法计算探索水溶液中溴化咪唑类离子液体与五种碱基间作用机制。
本课题组前期已完成对离子液体与碱基作用体系的计算方法的筛选工作。本文借助混合溶剂化模型(PCM+wH2O)模拟生命水环境，采用M06-2X/6-311++G(2d,p)/PCM/water计算方法研究五种碱基(Adenine/Guanine/Cytosine/Thymine/Uracil)分别与溴化1-烷基-3-甲基咪唑类离子液体([Cnmim]Br,n=2,4,6,8,10)之间的相互作用体系，即G/A/C/T/U-wH2O-y[Cnmim]+-xBr-(w,y,x分别为显式水分子、阳离子和阴离子个数)，力求系统地从几何结构和能量学特征、谱学和电子结构性质方面，总结每种碱基与离子液体之间的相互作用模式及其作用强度，探索五种碱基与离子液体之间的相互作用规律。同时通过增加阳离子烷基链长，探索烃基效应对每种碱基作用影响的变化，隐式和显式溶剂效应也进行了对照分析。本工作为水溶液中溴化咪唑类离子液体与核酸碱基片段之间的分子作用机制研究提供一定基础。
本工作研究结果概述如下：
一、G/A/C/T/U五种碱基的分子表面静电势计算表明，各自存在5(3+2)/6(3+3)/5(4+1)/4(2+2)/4(2+2)个极值点(极大值+极小值)，分别对应静电势正值和负值区域，预示每种碱基与离子液体中的阴、阳离子和水分子的结合位点和饱和作用数。
二、在G/A/C/T/U-wH2O-y[Cnmim]+-xBr-水合作用体系中，五种碱基分别与离子液体阳离子作用形成三种典型模式，其稳定性和作用强弱顺序为：堆积模式＞垂直模式＞共平面模式，这种稳定性趋势并不依赖于阳离子烷基侧链长。
三、水溶液中离子液体作用于鸟嘌呤时，饱和作用结构的稳定性为G-4H2O-[Cnmim]+-Br--1＜G-3H2O-[Cnmim]+-2Br--1＜G-2H2O-2[Cnmim]+-2Br--1＜G-1H2O-2[Cnmim]+-3Br--1。单水合结构最稳定，π…π+堆积的平均距离在3.344～3.386?，体系结合能在-193.63～-187.11kJ/mol范围内。作用于腺嘌呤时，饱和结构的稳定性是A-5H2O-[Cnmim]+-Br--1＜A-4H2O-[Cnmim]+-2Br--1＜A-3H2O-2[Cnmi m]+-2Br--1＞A-2H2O-2[Cnmim]+-3Br--1＜A-1H2O-3[Cnmim]+-3Br--1，三水合结构最稳定，π…π+堆积的平均距离在3.311～3.378?，结合能在-199.87～-197.68k J/mol之间。两种嘌呤碱基与溴化咪唑类类离子液体饱和作用体系的稳定性是G-1H2O-2[Cnmim]+-3Br--1＜A-1H2O-3[Cnmim]+-3Br--1。
四、在水溶液中咪唑类离子液体作用于胞嘧啶时，饱和结构的稳定性高低顺序是C-4H2O-[Cnmim]+-Br--1＜C-3H2O-[Cnmim]+-2Br--1＜C-2H2O-[Cnmim]+-3Br--1＞C-1H2O-[Cnmim]+-4Br--1，二水合结构最稳定，π…π+堆积距离在3.301～3.338?，结合能在-155.87～-154.18kJ/mol范围内。对于胸腺嘧啶体系，饱和结构的稳定性：T-3H2O-[Cnmim]+-Br--1＜T-2H2O-[Cnmim]+-2Br--1＜T-1H2O-2[Cnmim]+-2Br--1，单水合结构最稳定，π…π+平均距离在3.385～3.405?，结合能在-150.03～-147.12kJ/mol之间。与尿嘧啶作用时，饱和结构的稳定性：U-3H2O-[Cnmim]+-Br--1＜U-2H2O-[Cnmim]+-2Br--1＜U-1H2O-2[Cnmim]+-2Br--1，单水合结构最稳定，π…π+平均距离在3.384～3.440?，结合能在-148.31～-146.26kJ/mol之间。可见三种嘧啶碱基与溴化咪唑类离子液体作用时的稳定性为U-1H2O-2[Cnmim]+-2Br--1＜T-1H2O-2[Cnmim]+-2Br--1＜C-2H2O-[Cnmim]+-3Br--1
五、水溶液中，五种碱基与溴化咪唑类离子液体作用体系的稳定性是U-1H2O-2[Cnmim]+-2Br--1＜T-1H2O-2[Cnmim]+-2Br--1＜C-2H2O-[Cnmim]+-3Br--1＜G-1H2O-2[Cnmim]+-3Br--1＜A-1H2O-3[Cnmim]+-3Br--1。
六、相对于水环境中的碱基，最稳定的G/A/C/T/U-wH2O-y[Cnmim]+-xBr-水饱和体系中，N-H-Br-氢键作用导致G/A/C/T/U中N-H伸缩振动频率向低波数端红移，但红外吸收强度有所增加。在π-π+堆积模式中碱基中的C=C或C=O双键的振动强度减弱。
七、通过电子拓扑结构分析，最稳定的G/A/C/T/U-wH2O-y[Cnmim]+-xBr-饱和体系中，碱基-阴离子、碱基-阳离子、阴离子-阳离子三个片段之间均以静电作用为主。其中，碱基与阴离子之间以N-H-Br-氢键相互作用为主，与阳离子之间主要是π-π+堆积作用，辅以C-H-O等弱氢键，阴阳离子之间的C-H…Br-氢键作用为水溶液中碱基与离子液体的作用体系提供额外的稳定性。