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胞嘧啶的结构研究

通过分析铜X射线的完整三维衍射数据,确定并精制了嘧啶胞嘧啶C4H5N3O的晶体结构。晶体为斜方晶系,空间群为P21212;晶胞尺寸为a = 13.041, b = 9.494,c = 3.815 A.对于所有13个原子和8个较重原子的各个各向同性温度因子的位置参数的细化是通过最小二乘法。对于观察到的非零重量的反射,最终的R指数是0.061。

平面分子以氨基形式存在,其中一个氢原子与N(1)成键,没有一个与N(3)成键。氨基氮原子与其他分子的羰基氧原子有两个氢键,它们的键长分别为2.98和3.03 A。此外,N(1)与相邻分子N(3)在距离为2.84 a处形成氢键。

无水胞嘧啶(I)晶体结构的测定是核酸相关化合物结构研究项目的一部分。做这项工作的原因是发现由9-甲基腺嘌呤的等摩尔混合物组成的晶体表现出与Watson和Crick提出的脱氧核糖核酸不同的氢键配对。胞嘧啶和鸟嘌呤是脱氧核糖核酸中的另一对互补碱基,只有在胞嘧啶的N(3)或鸟嘌呤的N(7)上存在互变异构作用,才有可能形成类似的配对。Marsh、 Bierstedt 和Eichhorn发现了胞嘧啶-5-乙酸晶体确实含有这样的互变异构物。此外,Langridge和 Rich推导出了一种需要N(3)一半时间质子化的聚胞苷酸的结构。因此,研究胞嘧啶本身的晶体似乎很重要。不出所料,我们发现该分子以正常形式存在。Jeffrey和Kinoshita对胞嘧啶一水合物的晶体结构进行了仔细的测定,我们将利用这个机会比较两种结构中胞嘧啶分子的热运动的几何形状和热运动模式。

胞嘧啶的分子结构图

胞嘧啶结构的测定

这个实验的结构是从考虑填充和氢键发展起来的,假设分子是氨基形式的,注意短c轴阻止了(001)投影中原子的重叠。这种初始排列通过电子密度投影和随后的傅里叶和最小二乘方法的二维细化得到了证实。合成结果表明,除了C(5)、C(6)、N(8)(两个峰)附近预期位置的峰外,第五个峰清楚地表明有一个氢原子与N(1)成键;没有迹象表明有一个质子与N(3)成键。在N(3)-C(4)键的N(3)附近,只存在一个任意结果的假峰。在包含氢位置的情况下,调整重原子各向异性温度因子的四个最小二乘循环,将R降至0.089,完成二维细化。最终电子密度投影如图所示。

 

胞嘧啶电子密度投影

胞嘧啶分子的几何形状

胞嘧啶分子很小,但很明显是非平面的。六个环原子与其最佳平面的偏差具有重要意义(平面A,表5),0-007 A的最大偏差仅为标准偏差的三倍。然而,非环原子O(7)和N(8)都被轻微地移到环平面的一侧。在胞嘧啶一水合物中,平面性的偏差更大,该环是屈曲非环状的,而非环原子位于环的相对面(离环的最佳平面远得多)。

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胞嘧啶的热运动模式

胞嘧啶的热运动如图5所示,其中三个赤道椭圆(即由一对主轴定义的椭圆)既平行于分子平面又垂直于分子平面。基于jeffrey&kinoshita(1963)的参数,对应的胞嘧啶一水合物温度运动的表示如图5所示。虽然在两种胞嘧啶结构中的晶格振动有明显的差异,但具有相对较大的平移幅度平行于c和胞嘧啶一水合物沿b相对较小的幅度-分子运动的一般模式在两种结构中惊人地相似, 一点也不怀疑它的真实性最大的振幅是平面外的,相对值不仅表明关于平面轴的刚体运动,而且还表明分子沿着其中心C(2)·····C(4)轴的屈曲或C(2)-O(7)和C(4)-N(8)键的简单弯曲。平面内的运动,可以充分描述为刚体振动与振荡的中心附近C(2)和N(3)。这种振动的振幅似乎是大约2°。


由热运动主轴定义的椭圆,垂直(b)和平行(a和c)分子平面。

上部:胞嘧啶,本研究

下部:胞嘧啶一水合物,Jeffrey&Kinoshita


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