EXPERIMENTAL AND THEORETICAL INVESTIGATIONS OF THE EXCITED STATE DYNAMICS OF CYTOSINE’S TAUTOMER. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (Msc Thesis) MSc_Thesis -Ahmed Saidykhan.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 29 December 2026. Download (2MB)

Arabic Abstract

تم دراسة تأثير الرقم الهيدروجيني )pH )على ديناميكيات الحالة المثارة للسيتوسين باستخدام مطيافية امتصاص األشعة فوق البنفسجية والمرئية، ومطيافية الفلورسنت، وتحليل عمر الحالة المثارة في المحاليل المائية )⁵⁻10 موالر( عند درجة حرارة الغرفة. من المعروف أن السيتوسين يوجد في األوساط المائية بشكل أساسي كشكلين مترابطين - أمينو-أوكسو وأمينو-هيدرو بينما يكون شكل اإليمينو أقل كثافة بكثير. في ظل ظروف حمضية أو قاعدية عالية، تخضع هذه المترابطات ال ضافة البروتون أو نزع البروتون، على الرغم من أن األنواع المترابطة المحددة المشاركة في هذه العمليات لم يتم توضيحها بالكامل. توضح دراستنا أن المترابط األميني-أوكسو هو النوع المشارك بشكل أساسي في كل من البروتون )في الظروف الحمضية( ونزع البروتون )في الظروف القا عدية(. تمت مقارنة أطياف األشعة فوق البنفسجية-المرئية التجريبية باألطياف اإللكترونية النظرية التي تم الحصول عليها من الحسابات الميكانيكية الكموية لتأكيد هوية المترابط الذي يخضع لهذه التحوالت. في أطياف األشعة فوق البنفسجية المرئية للسيتوسين، لوحظت تغيرات ملحوظة في شدة النطاق والتحوالت الطيفية في المحاليل الحمضية )درجة الحموضة 6.0-4.0( والمحاليل القاعدية )درجة الحموضة 13.0-12.0(. في الوسط الحمضي، لوحظت نقطة إيزوسبستيك بالقرب من 258 نانومتر، مما يدل على تحول متبادل واضح بين نوعين. في الوسط القاعدي، تم تحديد نقطتين إيزوسبستيك عند 274 نانومتر و302 نانومتر. تعكس هذه المالحظات زيادات ونقصانًا متناظرين في االمتصاص على جانبي نطاقات االمتصاص أثناء اضافة البروتون ونزع البروتون. في المقابل، أظهر السيتيدين )سيتوزين ُمستبدل بسكر الريبوز عند 1N )نقطة إيزوسبستيك فقط في المحلول الحمضي، حوالي 266 نانومتر، ولم تُالحظ أي نقطة إيزوسبستيك في المحلول القاعدي. يشير هذا إلى أن وجود بديل الريبوز عند 1N يمنع نزع البروتون في هذا الموقع. وبالتالي، يُمنع تكوين األنواع األنيونية عند 1N في السيتيدين، على عكس السيتوسين. تدعم هذه النتائج استنتاج أن شكل األمينو-أوكسو هو التوتومر الذي يخضع للبروتونات عند 3N وإزالة البروتونات عند 1N. قدّم التحليل لة لس ّ الطيفي الفلوري تأكيدًا إضافيًا لألنواع المعنية، واستُخدمت قياسات عمر نانوثانية زمنية ُمحل ير ديناميكيات الحالة الثالثية ُ لألشكال جريت الحسابات النظرية باستخدام ُمزالة البروتونات. أ ال 0 Gaussian مع نظرية الكثافة الوظيفية )DFT )ُمبروتونة وال عند مستوى (p,d(G/6-311+LYP3B لتحسين الهندسة والتنبؤ بأطياف االمتصاص اإللكتروني، مما يسمح بالمقارنة المباشرة مع نتائج األشعة فوق البنفسجية والمرئية التجريبية.

English Abstract

The effect of pH on the excited-state dynamics of cytosine was investigated using UV-Vis absorption spectroscopy, fluorescence spectroscopy, and lifetime analysis in aqueous solutions (10⁻⁵ M) at room temperature. In aqueous media, cytosine is known to exist primarily as two tautomeric forms—amino-oxo and amino-hydro—while the imino form is much less populated. Under highly acidic or basic conditions, these tautomers undergo protonation or deprotonation, although the specific tautomeric species involved in these processes has not been fully clarified. Our study demonstrates that the amino-oxo tautomer is the species primarily involved in both protonation (under acidic conditions) and deprotonation (under basic conditions). Experimental UV-vis spectra were compared with theoretical electronic spectra obtained from quantum-mechanical calculations to confirm the identity of the tautomer undergoing these transformations. In the UV-vis spectra of cytosine, noticeable changes in band intensities and spectral shifts were observed in acidic solutions (pH 4.0–6.0) and in basic solutions (pH 12.0–13.0). In the acidic medium, an isosbestic point was observed near 258 nm, indicating a clean interconversion between two species. In the basic medium, two isosbestic points at 274 nm and 302 nm were identified. These observations reflect corresponding increases and decreases in absorbance on either side of the absorption bands during protonation and deprotonation. In contrast, cytidine (cytosine substituted with a ribose sugar at N1) exhibited an isosbestic point only in acidic solution, around 266 nm, and no isosbestic point was observed in basic solution. This suggests that the presence of the ribose substituent at N1 inhibits deprotonation at this site. Consequently, formation of the anionic species at N1 is prevented in cytidine, unlike in cytosine. These results further support the conclusion that the amino-oxo form is the tautomer that undergoes protonation at N3 and deprotonation at N1. Fluorescence spectroscopy provided additional confirmation of the species involved, and nanosecond time-resolved lifetime measurements were used to probe the triplet-state dynamics of the protonated and deprotonated forms. Theoretical calculations were carried out using Gaussian 06 with density functional theory (DFT) at the B3LYP/6-311+G(d,p) level for geometry optimization and prediction of electronic absorption spectra, allowing direct comparison with the experimental UV-vis results.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemistry
Department:	College of Chemicals and Materials > Chemistry
Committee Advisor:	Morsy, Dr. Mohamed A.
Committee Members:	Al-Saadi, Dr. Abdulaziz A. and Musa, Dr. Musa M.
Depositing User:	AHMED SAIDYKHAN (g202304290)
Date Deposited:	30 Dec 2025 04:39
Last Modified:	30 Dec 2025 04:39
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143942