磷酸酯類單體與氧化鋯間化學(xué)反應(yīng)模型的建立及作用機(jī)制

盧枳岑 謝海峰 章非敏 張懷勤 陳晨

1.南京醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)院修復(fù)科；2.南京醫(yī)科大學(xué)口腔疾病研究江蘇省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.南京醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)院牙體牙髓科，南京 210029

磷酸酯類單體與氧化鋯間化學(xué)反應(yīng)模型的建立及作用機(jī)制

盧枳岑1,2謝海峰1,2章非敏1,2張懷勤1,2陳晨2,3

1.南京醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)院修復(fù)科；2.南京醫(yī)科大學(xué)口腔疾病研究江蘇省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.南京醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)院牙體牙髓科，南京 210029

目的 對(duì)磷酸酯單體10-甲基丙烯酰氧癸二氫磷酸酯（MDP）提高四方相氧化鋯與樹(shù)脂間化學(xué)粘接的作用機(jī)制進(jìn)行解釋。方法分別構(gòu)建MDP、四方相氧化鋯陶瓷晶體以及兩者反應(yīng)的數(shù)字模型，采用熱力學(xué)方法對(duì)MDP分子與四方相氧化鋯晶體簇相互作用的吉布斯自由能和平衡常數(shù)進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果MDP與四方相氧化鋯晶體簇可能發(fā)生單配位形式和雙配位形式的結(jié)合，其吉布斯自由能分別為-147.761和-158.073 kJ·mol-1，說(shuō)明MDP能夠與四方相氧化鋯晶體發(fā)生化學(xué)結(jié)合，平衡常數(shù)較高（4.95×1027）的雙配位結(jié)合形式較平衡常數(shù)較低（7.72×1025）的單配位結(jié)合形式更為穩(wěn)定。結(jié)論MDP能夠通過(guò)與四方相氧化鋯陶瓷以雙配位形式發(fā)生化學(xué)結(jié)合來(lái)提高其與樹(shù)脂的粘接強(qiáng)度。

量子化學(xué)； 反應(yīng)機(jī)制； 氧化鋯； 粘接； 磷酸酯單體； 底涂劑

氧化釔穩(wěn)定四方相氧化鋯（Yttria-stabilized tetragonal zirconia polycrystals，Y-TZP）陶瓷是口腔冠、橋修復(fù)體制作最常用的材料之一。由于Y-TZP陶瓷化學(xué)惰性高，硅烷化等常規(guī)提高陶瓷粘接的方法對(duì)其無(wú)效[1-3]。磷酸酯單體10-甲基丙烯酰氧癸二氫磷酸酯（10-methacryloyloxydecyl dihydrogen phosphate，MDP）的問(wèn)世實(shí)現(xiàn)了通過(guò)簡(jiǎn)單的操作來(lái)提高Y-TZP陶瓷粘接的目的，因此獲得了臨床上的極大關(guān)注。盡管當(dāng)前普遍認(rèn)為MDP之所以能與特殊性質(zhì)的氧化鋯表面形成化學(xué)結(jié)合是因?yàn)槠渲辛姿峄鶊F(tuán)的作用[3-5]，然而目前仍無(wú)法直接從理論上解釋其具體機(jī)制。對(duì)于機(jī)制了解的缺乏極大地限制了具有更好性能的磷酸酯單體的開(kāi)發(fā)。對(duì)于解決這樣的問(wèn)題，量子化學(xué)方法具有先天的優(yōu)勢(shì)，其可在電子水平上對(duì)不同分子間形成化學(xué)鍵的穩(wěn)定性進(jìn)行精細(xì)的理論研究，直接論證化學(xué)鍵的穩(wěn)定性，分析反應(yīng)過(guò)程，這是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)表征方法所難以替代和無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。本課題組在之前關(guān)于包含MDP的處理劑對(duì)牙科氧化鋯陶瓷與樹(shù)脂粘接性能影響的研究中，曾運(yùn)用量子化學(xué)方法評(píng)價(jià)pH環(huán)境在其中發(fā)揮的作用[6]。由于類似方法在牙科粘接領(lǐng)域的應(yīng)用較少，為了介紹該方法，并為今后類似研究提供可以借鑒的實(shí)驗(yàn)資料，本研究詳細(xì)描述通過(guò)量子化學(xué)的方法模擬氧化鋯與MDP結(jié)合時(shí)界面上的可能化學(xué)反應(yīng)，并對(duì)反應(yīng)機(jī)制加以理論闡釋。

1 材料和方法

Y-TZP中氧化鋯的晶型為四方相，雖然其中摻雜氧化釔作為穩(wěn)定相，但牙科Y-TZP含量通常介于3%～5%，對(duì)四方相氧化鋯的晶胞參數(shù)改變不大，因此無(wú)需考慮摻雜的情況。根據(jù)ICSD數(shù)據(jù)庫(kù)的晶體結(jié)構(gòu)信息和MDP分子式結(jié)構(gòu)，用Gaussview軟件（Gaussian公司，美國(guó)）分別構(gòu)建四方相氧化鋯晶體和MDP的數(shù)字模型并進(jìn)行優(yōu)化。

由于MDP調(diào)節(jié)Y-TZP是發(fā)生在界面的反應(yīng)，并且實(shí)際中四方相氧化鋯陶瓷的表面結(jié)構(gòu)可能不完整，因此需要將建立的四方相氧化鋯晶體數(shù)字模型切割出多種原子排列的氧化鋯表面來(lái)研究MDP分子與晶面可能的作用位點(diǎn)。切割晶面時(shí)人為的暴露鋯原子，因?yàn)橹挥袖喸颖┞兜木娌趴赡芘cMDP分子發(fā)生作用。由于直接對(duì)氧化鋯表面模型進(jìn)行計(jì)算會(huì)導(dǎo)致龐大的數(shù)據(jù)體系而無(wú)法實(shí)現(xiàn)，但氧化鋯是一個(gè)周期性晶體，可以通過(guò)從確定表面的數(shù)字模型切割出一個(gè)小的中性重復(fù)單元（Zr4O8）作為后續(xù)計(jì)算用的簇模型。為了能夠以切割出的模型代替整體并保證結(jié)果的正確性，這個(gè)簇模型需要擁有大部分氧化鋯晶體的特征，包括：中性金屬氧化物簇；大小適中，可以用于采用“從頭計(jì)算法”；在幾何構(gòu)型優(yōu)化后，氧化鋯簇構(gòu)型基本穩(wěn)定。

關(guān)于計(jì)算配體與金屬氧化物的相互作用有數(shù)種算法。當(dāng)前實(shí)驗(yàn)中，MDP分子與Zr4O8簇的相互作用使用分層計(jì)算（our own N-layered integrated molecular orbital+molecular mechanics，ONIOM）方法進(jìn)行研究，此種方法可以處理較大體系的運(yùn)算。密度泛函理論（density functional theory，DFT）算法和分子動(dòng)力學(xué)（molecular mechanics，MM）算法分別用來(lái)處理高精度和低精度計(jì)算。DFT算法使用了B3LYP密度泛函優(yōu)化MDP分子磷酸基團(tuán)的幾何結(jié)構(gòu)和計(jì)算其熱力學(xué)數(shù)據(jù)。碳、磷、氧和氫原子使用了6-311+ G(d,p)基組，其中碳、磷、氧和氫原子都加上極化函數(shù)，而只有碳、磷、氧原子加上彌散函數(shù)。對(duì)于電子數(shù)較多的鋯原子，LanL2DZ基組描述價(jià)層電子和內(nèi)層電子以及相關(guān)的相對(duì)論效應(yīng)贗勢(shì)。MM算法使用了UFF力場(chǎng)來(lái)進(jìn)行脂鏈和含雙鍵尾基的幾何構(gòu)型優(yōu)化和熱力學(xué)數(shù)據(jù)的計(jì)算。因?yàn)閹缀蝺?yōu)化可能會(huì)改變初始結(jié)構(gòu)，所以本研究在優(yōu)化時(shí)固定氧化鋯單元的位置來(lái)最大程度確保四方相氧化鋯晶體表面的特性。溶劑效應(yīng)使用積分方程極化連續(xù)介質(zhì)模型（integral equation formal polarization continuum model，IEF-PCM）。以上所有計(jì)算均通過(guò)Gaussian 09軟件（Gaussian公司，美國(guó)）完成。

2 結(jié)果

圖1和2分別為建立的MDP分子與四方相氧化鋯晶體模型。根據(jù)模型，MDP分子的磷酸基團(tuán)中，兩個(gè)羥基氧的距離大約為2.5 ?（1 ?=100 nm），氧化鋯晶面上鋯原子的距離3.6～6.4 ?不等，氧化鋯晶面上的鋯原子距離決定了MDP分子與氧化鋯晶體形成配位鍵可能通過(guò)“雙配位”或“單配位”兩種反應(yīng)通道實(shí)現(xiàn)（圖3）。當(dāng)鋯原子之間的距離較小時(shí)，磷酸基團(tuán)上的兩個(gè)羥基氧的孤對(duì)電子軌道與鋯原子上的空軌道有效重疊，形成雙配位，反之則形成單配位。圖4為優(yōu)化后的符合計(jì)算要求的中性重復(fù)單元金屬氧化物簇Zr4O8簇模型，優(yōu)化后的MDP分子在Zr4O8晶體簇表面吸附的模型見(jiàn)圖5。

圖1 建立的MDP分子模型Fig1 The model of MDP molecule

圖2 建立的四方相氧化鋯晶體模型Fig2 The model of tetragonal zirconium dioxide crystals

圖3 MDP分子與氧化鋯晶體可能形成的配位鍵形式（優(yōu)化前）Fig3 Possible coordinate configurations between MDP and zirconium dioxide (before optimization)

圖4 優(yōu)化后的符合計(jì)算要求的中性重復(fù)單元金屬氧化物簇Zr4O8簇模型Fig4 The model of Zr4O8cluster structure after optimization by Gaussian

根據(jù)可能的兩條反應(yīng)通道，MDP與Zr4O8晶體簇作用的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程如下方兩個(gè)公式所示，解離為公式1，配位為公式2。其中，R為MDP分子中除磷酸基團(tuán)以外的部分，OP（OH）2為MDP的磷酸基團(tuán)，aq為溶液，兩種配位方式都適用公式2。

對(duì)以上方程的吉布斯自由能和反應(yīng)平衡常數(shù)的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1～3。

圖5 優(yōu)化后的MDP分子在Zr4O8晶體簇表面吸附的模型Fig5 The model of Zr4O8cluster attached with MDP molecule after optimization

表1 反應(yīng)通路公式1的熱力學(xué)數(shù)據(jù)Tab1 Thermodynamic data of formula 1

表2 反應(yīng)通路公式2的熱力學(xué)數(shù)據(jù)（雙配位形式）Tab2 Thermodynamic data of formula 2 (double coordinate configuration)

表3 反應(yīng)通路公式2的熱力學(xué)數(shù)據(jù)（單配位形式）Tab3 Thermodynamic data of formula 2 (single coordinate configuration)

綜合公式（1）和（2）可以看出，MDP與Zr4O8晶體簇發(fā)生雙配位結(jié)合反應(yīng)的綜合吉布斯自由能ΔG= ΔG1+ΔG2=-158.073 kJ·mol-1，而發(fā)生單配位形式結(jié)合的吉布斯自由能ΔG=ΔG1+ΔG3=-147.761 kJ·mol-1，這兩種反應(yīng)途徑吉布斯自由能數(shù)值前的負(fù)號(hào)說(shuō)明反應(yīng)均能夠正向自發(fā)發(fā)生。發(fā)生單配位形式結(jié)合的平衡常數(shù)7.72×1025小于發(fā)生雙配位結(jié)合形式的平衡常數(shù)4.95×1027，說(shuō)明雙配位比單配位形式更為穩(wěn)定。

3 討論

MDP是一種雙性功能分子，其調(diào)節(jié)Y-TZP陶瓷與樹(shù)脂粘結(jié)性能的作用類似于硅烷在增強(qiáng)玻璃基陶瓷與樹(shù)脂粘接性能中所扮演的角色。通常認(rèn)為，MDP一端的磷酸基團(tuán)可與氧化鋯表面的“O-Zr-O”之間形成共價(jià)鍵，而另一端的“C=C”可與聚合前樹(shù)脂水門汀基質(zhì)中的“C=C”發(fā)生加聚反應(yīng)，從而達(dá)到提高氧化鋯陶瓷與樹(shù)脂粘接性能的目的[3-5]。多年來(lái)陸續(xù)有研究[7-9]利用紅外光譜、X線光電子能譜分析等多種界面的表征分析手段來(lái)分析Y-TZP陶瓷表面經(jīng)過(guò)MDP調(diào)節(jié)后的化學(xué)鍵變化，然而都未能直接證明新生成的化學(xué)鍵到底是什么，一直到2012年，Chen等[10]通過(guò)飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜首次發(fā)現(xiàn)了包含MDP的涂底劑Z-Prime Plus（Bisco公司，美國(guó)）與Y-TZP陶瓷表面接觸后出現(xiàn)“P-O-Zr”鍵，支持了MDP中應(yīng)是磷酸基團(tuán)能夠與氧化鋯發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的推測(cè)。然而，尚未有其他實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛑苯訖z測(cè)到該化學(xué)鍵的形成，也沒(méi)有其他包含MDP的產(chǎn)品被檢測(cè)出能夠與氧化鋯陶瓷間形成該鍵，因此，單純依靠這一報(bào)道無(wú)法證實(shí)MDP與氧化鋯間確實(shí)發(fā)生了預(yù)想的反應(yīng)。另外，常溫下磷酸并不會(huì)與Y-TZP陶瓷發(fā)生反應(yīng)[11]，這說(shuō)明脫離MDP整體分子結(jié)構(gòu)時(shí)，僅依靠磷酸基團(tuán)是不具備調(diào)節(jié)Y-TZP陶瓷的化學(xué)活性的。可見(jiàn)，MDP分子中的其他結(jié)構(gòu)對(duì)于磷酸基團(tuán)活性的發(fā)揮也具有不可缺少的作用。以上問(wèn)題顯然單純依靠?jī)x器檢測(cè)反應(yīng)產(chǎn)物是難以解釋的，必須予以理論證實(shí)。明確磷酸酯單體中分子結(jié)構(gòu)影響磷酸基團(tuán)的化學(xué)活性的方式有助于設(shè)計(jì)和更好地改進(jìn)磷酸酯單體的分子結(jié)構(gòu)，使其在臨床上發(fā)揮最佳性能，對(duì)于磷酸酯單體的研發(fā)具有十分重要的理論意義，因而了解磷酸酯單體與氧化鋯陶瓷最基本的反應(yīng)機(jī)理是必要的。

基于量子化學(xué)的原理，可以通過(guò)模擬各個(gè)原子之間的距離與周圍的電子來(lái)判斷原子間成鍵與否，并通過(guò)以基態(tài)密度為變量，將體系能量最小化之后得到基態(tài)能量。本研究采用了量子化學(xué)方法對(duì)MDP與四方相氧化鋯陶瓷化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生的可能性及如果反應(yīng)發(fā)生的條件下所形成的化學(xué)鍵進(jìn)行了解釋和分析。鋯原子有空電子軌道，MDP分子磷酸基團(tuán)中的羥基氧有孤對(duì)電子，這是二者產(chǎn)生配位連接的充分條件。MDP中存在的末端磷酸基團(tuán)可以與一個(gè)或多個(gè)鋯原子結(jié)合，而這取決于晶體表面鋯原子的距離大小。如果晶面幾個(gè)鋯原子距離適當(dāng)，配位則較為穩(wěn)定，反應(yīng)可能發(fā)生；反之，如果幾個(gè)鋯原子距離過(guò)大，此時(shí)氧原子就不可能與多個(gè)鋯原子發(fā)生結(jié)合。根據(jù)建立的四方相氧化鋯晶體表面鋯原子間的距離和MDP分子的數(shù)字模型可以初步判斷，MDP分子只可能采取“雙配位”或“單配位”形式與氧化鋯晶體形成配位鍵。為了進(jìn)一步明確究竟這兩種配位鍵中何者更為穩(wěn)定，即究竟MDP與氧化鋯發(fā)生化學(xué)結(jié)合時(shí)會(huì)以形成哪一種化學(xué)鍵為主，本實(shí)驗(yàn)對(duì)兩種化學(xué)反應(yīng)通道的吉布斯自由能和平衡常數(shù)進(jìn)行了相應(yīng)計(jì)算。根據(jù)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)應(yīng)MDP解離的公式1的平衡常數(shù)比單純的磷酸一二級(jí)電離常數(shù)小，其原因可能是由于計(jì)算的精度偏差和MDP分子中脂鏈的推電子作用而導(dǎo)致磷原子的電子密度增加，酸性降低，同時(shí)，由于計(jì)算結(jié)果哈特里（Hartree）是一個(gè)很大的能量單位，即使很小的差別也會(huì)造成能量計(jì)算的較大誤差，但綜合來(lái)講，對(duì)于判斷當(dāng)前反應(yīng)的趨勢(shì)是準(zhǔn)確的，而想要定量的說(shuō)明反應(yīng)的強(qiáng)度則需進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算。公式2在計(jì)算時(shí)認(rèn)為是在氣固界面反應(yīng)，因?yàn)榱姿峄鶊F(tuán)接近二氧化鋯晶面時(shí)溶劑化作用不如在液相顯著，并且此時(shí)疏水的脂鏈接觸液相，因此本實(shí)驗(yàn)并沒(méi)有考慮溶劑化效應(yīng)，這使得計(jì)算的結(jié)果比實(shí)際磷酸與金屬的配位結(jié)合常數(shù)偏大，如果考慮溶劑化效應(yīng)，則體系需克服靜電力做功，導(dǎo)致吉布斯自由能更正，從而使平衡常數(shù)減小，盡管如此，但由于變化幅度很小，因此并不影響計(jì)算的結(jié)論。

根據(jù)熱力學(xué)計(jì)算的最終結(jié)果，MDP與氧化鋯晶體間雙配位形式的化學(xué)鍵較單配位形式更為穩(wěn)定，說(shuō)明MDP調(diào)節(jié)Y-TZP陶瓷表面應(yīng)以形成雙配位為主要形式。在這一作用機(jī)制的基礎(chǔ)上，今后的研究重點(diǎn)將放在改善磷酸酯單體分子結(jié)構(gòu)或?qū)ふ夷軌蛟鰪?qiáng)Zr-O-P鍵強(qiáng)度的途徑上，以獲得能夠進(jìn)一步提高YTZP陶瓷與樹(shù)脂粘接性能的磷酸酯單體。除此以外，所設(shè)計(jì)的氧化鋯晶體模型還可用于與其他粘結(jié)劑在接觸面的反應(yīng)的量子化學(xué)定性計(jì)算，在理論的支持下可以有效簡(jiǎn)化其他實(shí)驗(yàn)的工作量，并提供必要的指導(dǎo)作用。

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（本文編輯 李彩）

Establishment and mechanisms of chemical interaction between phosphate monomer and zirconia model

Lu Zhicen1,2, Xie Haifeng1,2, Zhang Feimin1,2, Zhang Huaiqin1,2, Chen Chen2,3. (1. Dept. of Prosthetics, Affiliated Hospital of Stomatology, Nanjing Medical University, Nanjing 210029, China; 2. Jiangsu Key Laboratory of Oral Diseases, Nanjing Medical University, Nanjing 210029, China; 3. Dept. of Conservative Dentistry and Endodontics, Affiliated Hospital of Stomatology, Nanjing Medical University, Nanjing 210029, China)

Objective To analyze chemical mechanism of bonding improvement of zirconia via 10-methacryloyloxydecyl dihydrogen phosphate (MDP) conditioning.MethodsVarious models were created for tetragonal zirconia crystals, molecular MDP, and MDP complex, and tetragonal zirconia crystal. Thermodynamic methods were used to analyze configuration between MDP and tetragonal zirconia crystal through calculation of their Gibbs free energy values and equilibrium constants. Results Two potential configurations (double- and single-coordinate) may occur between MDP and ZrO2crystal clusters. Thermodynamic calculations showed that -147.761 and -158.073 kJ·mol-1Gibbs free energy were required to form single- and double-coordinate configurations; their negative signs indicate that reactions for both configurations can occur. Equilibrium constant for singlecoordinate configuration was 7.72×1025, which was less than that of double-coordinate configuration (4.95×1027), suggesting that the latter was more stable.ConclusionMDP can spontaneously establish a double-coordinate configuration with zirconia.

quantum chemistry; reaction mechanism; zirconia; bonding; phosphate monomer; primer

R 783.1

A

10.7518/hxkq.2017.02.007

Supported by: The National Natural Science Foundation of China (81400539); Priority Academic Program Development of Jiangsu Higher Education Institutions (2014-37); Natural Science Foundation of Jiangsu Province (BK20150998, BK20140913); Natural Science Foundation for Jiangsu Higher Education Institutions (15KJB320003). Correspondence: Chen Chen, E-mail: ccchicy@njmu.edu.cn.

2016-07-16；

2016-10-8

國(guó)家自然科學(xué)基金（81400539）；江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目（2014-37）；江蘇省自然科學(xué)基金（BK20150998，BK20140913）；江蘇省高校自然科學(xué)基金（15KJB320003）

盧枳岑，碩士，E-mail：fjlzc92@163.com

陳晨，副主任醫(yī)師，博士，E-mail：ccchicy@njmu.edu. cn