用自然原子軌道電荷估測取代吡啶的pKa值

（臺州學院醫藥化工學院， 浙江 臺州 316000）

用自然原子軌道電荷估測取代吡啶的pKa值

汪志鵬，吳俊勇，陳 丹，許威蕙，郭亞妮，鐘愛國

（臺州學院醫藥化工學院， 浙江 臺州 316000）

使用密度泛函理論(DFT) 和 B3LYP/3-21G 基組，優化了 24 種取代吡啶類分子結構，發現吡啶環上氮原子的自然原子軌道電荷 (NBO) 值與其實驗 pKa值之間存在良好的線性關系(R=-0.623 23)，比其原子核靜電勢電荷 (ESP) 值擬合的好。計算了12 種未知 pKa值的多取代吡啶化合物的 NBO 參數，代入擬合出的線性參數方程, 發現與流行軟件 ACD Lab 6.0 預測得到的多取代吡啶的 pKa值非常接近，最大偏差ΔpKa小于 ± 0.07, 新方法可以估測到pKa值小數點后3位數。

密度泛函理論方法；取代吡啶；自然原子軌道電荷；pKa

吡啶在工業上常用作變性劑、助染劑，以及合成一系列有用的衍生產品（包括藥品、消毒劑、染料等）的原料[1]。植物細胞中的生物堿都具有吡啶環結構[2,3]。吡啶類化合物的酸式電離常數值pKa是一個非常重要的物理化學參數[4,5]。通常它們的值可以通過實驗來測定。但實驗測定方法會有一定的局限性，由于吡啶類化合物還是易揮發的并且有劇毒。因此通過分子的結構-活性關系（QSAR）方法來對多取代吡啶類化合物pKa值進行預測研究（見圖1），建立具有pKa預測能力的較佳數學模型，這對于了解吡啶類化合物的藥理及毒理性質具有重要意義[6,7]。

圖1 取代吡啶的結構式及編號Fig.1 The structural formula of substituted Pyridine

1 計算方法

1.1 量化參數計算法

使用Gaussion 09W軟件,構建24個已知實驗pKa值的取代吡啶的分子結構模型，然后在DFT/B3LYP/3-21G 理論水平下，優化它們的結構，計算得到相對應的量化參數，分別記錄吡啶及其取代吡啶環上N原子上的靜電勢電荷（ESP）和自然原子軌道電荷（NBO）值。本文用Gaussian09計算，用 Multiwfn2.5進行數據處理，用 Gaussview5作圖。當電荷數值不標出單位時是電子電量。

1.2 回歸方程檢驗

選取12種未知的pKb值，不同取代基的吡啶類化合物，用Gaussion 09 W軟件優化計算其1號氮原子的NBO-N值，并將得到的氮原子的NBO值代入擬合得到的線性方程，計算未知取代吡啶物其pKa值，然后與最流行的ACD-Labs 6.0軟件直接預測pKa值進行比較，以此來檢驗該線性回歸方程的合理性。

2 結果與討論

2.1 吡啶環上N原子的ESP/NBO電荷值

模擬計算結果見表1所示。我們分別作了取代吡啶環上N 原子的 ESP/NBO 參數與其實驗 pKa值之間兩個關系圖，見圖2和圖3所示。由圖2和圖3比較可知：N原子上的ESP、NBO電荷值與pKa實驗值均呈負相關，相關系數R分別為-0.379 56，-0.681 51，相對標準偏差（SD）分別為0.787 89，0.623 23。

通過比較吡啶環N原子的自然原子軌道電荷值(NBO-N) 所計算關系式R 最大（-0.623 23），我們可以直觀地發現NBO與其實驗pKa的相關性好于ESP與其實驗pKa的相關性。因此，我們將采用NBO與pKa作圖所得的線性回歸方程（即Y=-10.13084-35. 46519×X）來預測未知取代吡啶類化合物的pKa值。

表1 計算的24種取代吡啶的氮原子相關電荷與實驗pKaTable 1 The correlation charges of N atom and pKa

2.2 對比預測12 種未知取代吡啶的pKa值

用上如圖3所得的較佳回歸線性方程，預測了12種未知取代吡啶的 pKa值, 并與業界最流行軟件 ACD-Labs 6.0 預測的值進行了比較（數據見表2所示）。通過比較發現，兩種方法求得的pKa的差值在允許范圍內波動。兩者預測結果非常接近，最大ΔpKa小于 ± 0.07。而我們的新方法卻可以精確到小數點后3位。

圖2 吡啶環上N原子ESP電荷與實驗pKb之間的關系Fig.2 The relation of experiment pKawith the ESP charges of the N atom

圖3 吡啶環N原子的NBO電荷與實驗pKb之間的關系Fig.3 The relation of experiment pKbwith the NBO charges of the N atom

電子密度ρ以及由它算出的電荷(NBO,ESP等)，其細節是反映客觀存在的。當然由于采用方法的水平、基組的大小，ρ及電荷反映客觀存在的精確水平是有差別的。我們進一步的研究知道，該預測方法所使用的自然原子軌道電荷 (NBO) 值與所使用的泛函和基組以及溶劑關系不大[3]。這預示著該方法可以使用分子的氣相優化數據乃至顏色(見圖4(a),吡啶分子的ESP-N電荷值為紅色；圖4(b)為吡啶分子的 NBO-N為藍色) 來估測更加復雜分子酸堿性。這為取代吡啶的分子設計提供了便利。

圖4 吡啶分子的原子電荷圖示Fig.4 Atomic charge of Pyridine molecules

表2 12種未知pKb值的取代吡啶NBO及軟件ACD-Labs 預測pKb值比較Table 2 Comparison of pKavalues of 12 kinds of unknown pKasubstituted pyridine obtained by the two methods

3 結 論

（1）通過 Gaussion 09W 軟件，使用密度泛方法 DFT/B3LYP/3-21G，優化了 24 種吡啶及其取代吡啶分子結構，發現吡啶環 N 原子的 NBO 電荷與其實驗pKa值的線性相關性較佳(Y=-10.13084-35. 46519×X，相關系數 R=-0.681 51。

（2）計算了12 個未知 pKa值取代吡啶的NBO值，代入擬合出較佳線性方程, 發現與ACD-Labs 6.0 軟件預測得到的12種取代吡啶分子pKa實驗值非常接近，最大偏差ΔpKa小于 ±0.07。

［1］祁正興. 用從頭算量化參數預測吡啶類化合物pKa值[J].青海師專學報(教育科學).2006,24:77-80.

［2］陳 紅,丁俊杰,丁曉,琴. 從頭計算研究水溶液中有機化合物的 pKa值[J]. 計算機與應用化學. 2007,24(5):580-582.

［3］Li, X., Robert, C.G. Application of quantum chemical descriptor in quantitative structure activity and structure propetty relationship[J]. J. Chem.inf. Comput. Sci., 2002,42:796-805.

［4］齊玉華, 張慶友, 羅操操, 等. 連接樹方法在吡啶類化合物 pKa 值預測中的應用[J].高等學校化學學報,2004,25(6):1100-1103.

［5］祁正興, 徐建華,于軍. 基于從頭算量化參數的 BPX 網絡模型在吡啶類化合物 pKa中的應用[J]. 青海師范大學學報(自然科學版). 2005,23:66-79.

［6］祁正興. 基于量化參數的吡啶類化合物pKa模型的構建[J]. 青海師范大學學報(自然科學版)，2008, 21(1):38-42.

［7］曾昭瓊. 有機化學[M]. 第四版. 北京: 高等教育出版社,2005.

圖5 重時空速對轉化率的影響Fig.5 Effect of WHSV on conversion

圖6 重時空速對汽柴油產率的影響Fig.6 Effect of WHSV on gasoline and diesel yields

3 結 論

⑴高酸原油的催化裂化脫酸率可達99%以上，原油基屬不會影響催化裂化的脫酸效果，但是會影響其催化裂化性能。

⑵石蠟基達爾原油直接催化裂化得到較高的汽油產率，但是柴油產率較低；環烷基的綏中原油重油轉化率較低，但是柴油產率較高。

⑶反應溫度和劑油比的改變對石蠟基的達爾原油的產物分布影響較大，而重時空速對環烷基的綏中原油的產物分布影響較大。

參考文獻：

［1］ Hsu C S, Dechert G J, Robbins W K, et al. Naphthenic Acids in Crude Oils Characterized by Mass Spectrometry [J]. Energy & Fuels, 2000, 14 (1): 217-223.

［2］ 傅曉欽，田松柏，侯栓弟，等. 蓬萊和蘇丹高酸原油中的石油酸結構組成研究[J]. 石油與天然氣化工，2007, 36 (6): 507-510.

［3］ Yépez O. Influence of different sulfur compounds on corrosion due to naphthenic acid[J]. Fuel, 2005, 84 (1): 97-104．

［4］ 田松柏，傅曉欽，汪燮卿，等. 一種加工高酸值原油的方法:中國,ZL200510051243.9[P].2005-03-03.

［5］ 汪燮卿，傅曉欽，田松柏，等. 高酸原油流化催化裂解脫羧酸技術的初步研究[J]. 當代石油石化，2006,14（10）：7-13．

［6］ 龍軍，毛安國，田松柏，等. 高酸原油直接催化脫酸裂化成套技術開發和工業應用[J]. 石油煉制與化工，2011, 42（3）：1-6．

［7］ 胡永慶，劉熠斌，蔡升，等. 環烷酸在酸性催化劑上的催化轉化研究[J]. 石油煉制與化工，2010, 41（9）：34-38．

［8］ Wang Z H, Tu Y S. Comparison of Carboxylic Acids in Some Crude Oils and Their Diesel Distillates and VGOs: Characterized by Negative-Ion Electrospray Ionization Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometry (Negative-Ion ESI FT-ICR MS)[J]. China Petroleum Processing and Petrochemical Technology, 2011, 13 (3): 8-15．

Forecasting pKaValues of the Substituted Pyridine by Natural Atomic Orbital Charges

WANG Zhi-peng，WU Jun-yong，CHEN Dan，XU Wei-hui，GUO Ya-ni，ZHONG Ai-Guo
（College of Chemical Engineering and Pharmacy, Taizhou University, Zhejiang Taizhou 317000，China）

The density functional theory DFT B3LYP/3-21G basis set were used to optimize the molecular structure of 24 kinds of pyridine and substituted pyridine, it’s found that the natural bond orbital (NBO) charge value of N atom on the pyridine ring has good linear relativity with its experimental pKb value, generally has better fitting result than its charge value of the electrostatic potential (ESP). NBO parameters of 12 substituted pyridine compounds with unknown pKb values were calculated, and they were substituted into the fitted linear parametric equation, it was found that the computed results were very close to substituted pyridine pKavalue predicted by the popular software ACD-Labs 6.0.

Density functional theory; Substituted pyridine; Natural atomic orbitals charge; PKa

O 644.32

： A

： 1671-0460（2014）02-0162-03

浙江省大學生科技創新項目（新苗人才計劃），項目號：2014326。

2014-01-05

汪志鵬（1992-），男，浙江常山人，臺州學院材料化學專業，現從事計算工作。

鐘愛國（1964-），男，教授，碩士，研究方向：計算化學。E-mail：zhongaiguo@tzcedu.cn。