螺旋手性SWCNT尺寸對布洛芬 分子旋光異構限域的影響

王 艷, 王佐成, 楊曉翠, 佟 華

(1. 白城師范學院 土木工程學院, 吉林 白城 137000； 2. 白城師范學院 物理與電子信息學院, 吉林 白城 137000)

布洛芬(ibuprofen, Ibu)是一種消炎鎮痛藥, 根據其分子構象以及對偏振光振動面的不同旋轉方向, 分為左旋布洛芬(S-Ibu)和右旋布洛芬(R-Ibu). Ibu具有抗炎、 止痛和解熱等作用, 其右旋體具有較好的藥理活性, 療效和安全性優于外消旋體和左旋體[1], 在生命體內R-Ibu可以緩慢地異構為S-Ibu[2-3]. 由于Ibu具有重要的作用, 因此， 人們對其進行了廣泛研究： 文獻[4]研究表明, 在脂肪酶的催化作用下, 有機溶劑中Ibu分子會發生選擇性手性對映體的酯化； 文獻[5]進行了外消旋布洛芬的動力學拆分模擬及R-Ibu和S-Ibu的手性拆分實驗, 產率較高; 文獻[6-8]的密度泛函理論研究表明, 裸環境下通過羰基、 羧基、 羰基與α-甲基聯合以及羧基與苯環聯合作為質子遷移的媒介， 可實現Ibu分子的旋光異構反應, 水分子簇對Ibu分子的質子遷移異構有較好的催化作用； 文獻[9]給出了扶椅型單壁碳納米管(SWCNT)對Ibu分子旋光異構決速步驟能壘影響的一般規律. 本文用量子力學與分子力學組合的ONIOM(our ownn-layered integrated molecule orbit and molecule mechanics)方法, 考察Ibu分子限域在不同尺寸的螺旋手性SWCNT內的旋光異構.

1 模型的選取與計算方法

Ibu分子的線度為1.007 9 nm × 0.388 1 nm. 理論計算表明： 當納米管的直徑小于0.677 7 nm時, Ibu分子與納米管已成鍵, 表現為納米管對Ibu分子的化學吸附作用； 當納米管直徑大于0.882 9 nm時, 納米管的空間限域效應消失, 故取螺旋手性納米管SWCNT(6,4),SWCNT(7,4)和SWCNT(8,5)為納米限域環境, 其直徑分別為0.677 7,0.749 7,0.882 9 nm. 為保證納米孔道的限域效應, 納米管長度取為2.500 nm, 模型截斷處的碳用氫飽和.

采用量子力學與分子力學組合的ONIOM方法[10]考察Ibu分子限域在不同尺寸的螺旋手性SWCNT內的旋光異構. 將螺旋手性納米管與底物分子體系分為兩層： 底物設為量子力學計算區域, 為更好處理底物分子與螺旋手性納米管之間的弱相互作用, 用CAM(Coulomb-attenuated hybrid exchange-correlation functional)結合密度泛函理論的長程校正泛函CAM-B3LYP[11]方法, 基組選用6-31+G(d,p)； 螺旋手性納米管設為分子力學區域, 用處理弱相互作用的UFF(universal force field)力場[12], 優化反應物、 中間體和過渡態[13]. 為得到高水平的勢能面, 量子力學區域用多體微擾理論的MP2[14]方法, 選用6-311++G(3df,2pd)基組計算體系單點能, 利用Gtotal=Gtc+ESP計算總自由能, 其中Gtc和ESP分別為Gibbs自由能熱校正和單點能. 對過渡態進行內稟反應坐標(IRC)計算[15], 以驗證過渡態的可靠性. 限域在SWCNT(8,5)內的S-Ibu包結物體系記為S-Ibu@SWCNT(8,5), 其他體系表示方法類似. 計算均由Gaussian 09軟件[16]完成.

2 結果與討論

優化的S-Ibu與R-Ibu分子構象如圖1所示. 由圖1(A)和(C)可見, 手性C(12C)上的質子由紙面外遷移至紙面里, 即可實現S-Ibu分子旋光異構.

優化的S-Ibu分子限域在SWCNT(6,4),SWCNT(7,4),SWCNT(8,5)內的包結物S-Ibu@SWCNT(6,4),S-Ibu@SWCNT(7,4),S-Ibu@SWCNT(8,5)分別如圖2～圖4所示. 由圖2和圖3可見，S-Ibu在SWCNT(6,4)和SWCNT(7,4)內的形變較大. Ibu@SWCNT(6,4)的鍵角4C—12C—17C為151.490°, 二面角16C-4C-12C-17C為95.610°, 相對于裸環境中的109.430°和123.590°顯著改變. 表明S-Ibu在SWCNT(6,4)內的異構與裸環境下的異構差別較大.

圖1 S型與R型Ibu分子的構象Fig.1 Conformations of S- and R-type Ibu molecules

2.1 S-Ibu分子限域在SWCNT(6,4)內的旋光異構

S-Ibu限域在SWCNT(6,4)內的旋光異構過程如圖2所示, 反應過程的Gibbs自由能剖面如圖5所示.

首先,S-Ibu@SWCNT(6,4)經質子在羧基內遷移的包結物過渡態S-TS1@SWCNT(6,4), 異構成第一中間體包結物S-INT1@SWCNT(6,4). 在該過程中, 33H由30O遷移至31O, 使12C上的質子32H向30O遷移成為可能. 從S-Ibu@SWCNT(6,4)到S-TS1@SWCNT(6,4)過程, 30O—33H鍵長由0.097 07 nm增至0.126 20 nm, 鍵斷裂, 拉伸幅度較小； 活性中心二面角12C-17C-30O-31O從-155.150°變為-153.570°, 骨架結構基本未變. 因此,S-TS1@SWCNT(6,4)產生的能壘較低, 為97.51 kJ/mol. 遠小于裸反應的126.80 kJ/mol[8], 表明SWCNT(6,4)對質子在羧基內的遷移具有較好的催化作用.

其次,S-INT1@SWCNT(6,4)經羧基異構的過渡態包結物S-TS2@SWCNT(6,4), 異構成第二中間體包結物S-INT2@SWCNT(6,4), 二面角33H-31O-17C-30O從6.270°變為-137.000°, 33H繞17C—31O鍵軸由羧基內側旋轉至外側, 完成羧基從順式平面結構向反式平面結構的異構. 從S-INT1@SWCNT(6,4)到S-TS2@SWCNT(6,4)過程, 二面角33H-31O-17C-30O從6.270°變為124.830°, 活性中心二面角12C-17C-30O-31O從152.490°變為-146.950°, 骨架結構形變較小. 主要是羥基旋轉的過渡態S-TS2@SWCNT(6,4)產生的能壘較低, 為59.52 kJ/mol.

再次,S-INT2@SWCNT(6,4)經質子32H從12C向30O遷移的過渡態TS3@SWCNT(6,4), 異構成中間體包結物INT3@SWCNT(6,4). 從S-INT2@SWCNT(6,4)到TS3@SWCNT(6,4)過程, 12C—32H鍵長由0.105 95 nm增至0.158 35 nm, 鍵斷裂, 拉伸了0.052 40 nm, 約為第一基元反應C—H鍵拉伸幅度的2倍； 反應中心骨架二面角16C-12C-4C-17C從104.980°變為129.410°, 骨架形變較明顯. 該過程包括一個化學鍵較大的伸長、 斷裂與較明顯骨架形變, 需要較高的能量. 過渡態TS3@SWCNT(6,4)產生了247.95 kJ/mol能壘, 遠低于裸反應的287.10 kJ/mol[8], 表明SWCNT(6,4)對質子從手性碳向羰基氧遷移具有較好的催化作用. 從S-INT2@SWCNT(6,4)到INT3@SWCNT(6,4)過程, 偶極矩由5.468變為2.369 2, 電荷分離程度減弱, 導致體系能量減小, 構象變穩定； 結構分析表明, INT3的羧基、 手性碳、α-甲基與苯環骨架原子形成了大π鍵, 也導致體系變穩定： 這兩方面的原因導致包結物INT3@SWCNT(6,4)的能量較低. 但α-C由sp3雜化變為sp2雜化, 從滿配到非滿配狀態, 使INT3@SWCNT(6,4)的能量不會很低. 其與S-Ibu@SWCNT(6,4)的相對能量為51.36 kJ/mol, 遠低于裸反應的141.90 kJ/mol[8].

最后, INT3@SWCNT(6,4)經33H從質子化的31O向α-甲基碳(16C)遷移與24H從16C向12C協同遷移的過渡態TS4@SWCNT(6,4), 實現33H向16C與24H向12C的遷移, 異構成產物包結物P_R-Ibu@SWCNT(6,4). 從INT3@SWCNT(6,4)到TS4@SWCNT(6,4)過程, 31O—33H和16C—24H的鍵長分別由0.096 18,0.107 28 nm增至0.138 52,0.116 57 nm, 拉伸幅度分別為0.042 34,0.009 29 nm. 兩個化學鍵的拉伸和斷裂需要較高的能量, 因此TS4@SWCNT(6,4)產生了227.26 kJ/mol的能壘, 但遠小于該基元反應的裸反應能壘315.10 kJ/mol[8].

若將納米管及其內部分子視為一個包結物分子, 則其異構可視為氣相反應, 決速步驟能壘應采用內稟能壘. 由圖5可見：S-Ibu限域在SWCNT(6,4)內的旋光異構經過4個基元反應, 決速步驟為第三基元反應, 決速步驟能壘為247.95 kJ/mol, 低于單體優勢反應的決速步驟能壘[8], 表明螺旋手性SWCNT(6,4)對限域其中的S-Ibu分子的旋光異構具有較好的催化作用.

2.2 S-Ibu分子限域在SWCNT(7,4)內的旋光異構

限域在SWCNT(7,4)內的S-Ibu分子旋光異構過程如圖3所示, 反應過程的Gibbs自由能剖面如圖5所示.

圖3 S-Ibu限域在SWCNT(7,4)內的旋光異構過程Fig.3 Optical isomerism process of S-Ibu confined in SWCNT(7,4)

第一基元反應與S-Ibu限域在SWCNT(6,4)內的第一基元反應類似,S-Ibu@SWCNT(7,4)經S-TS1@SWCNT(7,4), 實現33H從30O向31O的遷移, 異構成S-INT1@SWCNT(7,4). 從S-Ibu@SWCNT(7,4)到S-TS1@SWCNT(7,4)過程, 30O—33H鍵長由0.097 01 nm增至0.127 66 nm, 鍵斷裂, 拉伸幅度0.030 65 nm, 大于S-Ibu限域在SWCNT(6,4)內的情形, 產生的能壘較高, 為106.41 kJ/mol, 小于裸反應的126.80 kJ/mol[8], 表明SWCNT(7,4)對質子在羧基內的遷移仍具有一定的催化作用.

第二基元反應與S-Ibu限域在SWCNT(6,4)內的第三基元反應類似,S-INT1@SWCNT(7,4)經過渡態TS2@SWCNT(7,4), 異構成羧基質子化的中間體包結物INT2@SWCNT(7,4), 實現了質子32H從12C向30O的遷移, 32H在紙面里, 33H在紙面外. 從S-INT1@SWCNT(7,4)到TS2@SWCNT(7,4)過程, 12C—32H的鍵長由0.105 02 nm增至0.167 93 nm, 鍵斷裂, 拉伸幅度為0.062 91 nm, 大于限域在SWCNT(6,4)內的情形, 因此TS2@SWCNT(7,4)大于TS3@SWCNT(6,4)產生的能壘, 為273.83 kJ/mol. INT2在SWCNT(7,4)與INT3在SWCNT(6,4)內的構象不同, INT2的骨架原子未形成大π鍵. 因此, INT2@SWCNT(7,4)的體系不穩定, 在勢能面較高的位置上, 相對于S-Ibu@SWCNT(7,4)能量為156.70 kJ/mol.

第三基元反應為INT2@SWCNT(7,4)經過渡態TS3@SWCNT(7,4), 實現了質子化羧基的32H在紙面里向12C的遷移, 異構成右旋的產物包結物P_R-Ibu@SWCNT(7,4), 完成旋光異構. 從INT2@SWCNT(7,4)到TS3@SWCNT(7,4)過程, 30O—32H的鍵長由0.096 62 nm增至0.106 22 nm, 拉伸幅度為0.009 60 nm, 同時, 羧基右視逆時針旋轉. 鍵長拉伸幅度較小， 與骨架旋轉需要的能量較小, TS3@SWCNT(7,4)產生的能壘為135.21 kJ/mol.

由圖5可見：S_Ibu限域在SWCNT(7,4)內的旋光異構經過3個基元反應, 將包結物分子的異構視為氣相反應, 決速步驟為第二基元, 決速步驟能壘為273.83 kJ/mol, 略低于單體旋光異構反應的決速步驟能壘[8], 表明螺旋手性SWCNT(7,4)對限域其中的S-Ibu分子旋光異構有一定的催化作用.

2.3 S-Ibu分子限域在SWCNT(8,5)內的旋光異構

限域在SWCNT(8,5)內S-Ibu的旋光異構過程如圖4所示, 反應過程的Gibbs自由能剖面如圖5所示.

圖4 S-Ibu限域在SWCNT(8,5)內的旋光異構過程Fig.4 Optical isomerism process of S-Ibu confined in SWCNT(8,5)

圖5 S-Ibu限域在不同尺寸SWCNT內旋光異構反應的Gibbs自由能勢能面Fig.5 Potential energy surfaces of Gibbs free energies of optical isomerism reaction of S-Ibu confined in different siza of SWCNT

首先,S-Ibu@SWCNT(8,5)經質子在羧基內遷移的包結物過渡態S-TS1@SWCNT(8,5), 異構成第一中間體S-INT1@SWCNT(8,5). 從S-Ibu@SWCNT(8,5)到S-TS1@SWCNT(8,5)過程, 30O—33H的鍵長由0.097 08 nm增至0.129 74 nm, 鍵斷裂, 拉伸幅度為0.032 66 nm, 大于S-Ibu限域在SWCNT(7,4)內的情形. 因此,S-TS1@SWCNT(8,5)大于S-TS1@SWCNT(7,4)產生的能壘, 為126.44 kJ/mol, 與裸環境下基本相同, 表明SWCNT(8,5)的限域對S-Ibu羧基內質子遷移異構的影響已消失.

其次,S-INT1@SWCNT(8,5)經羧基異構的過渡態S-TS2@SWCNT(8,5), 異構成第二中間體S-INT2@SWCNT(8,5), 二面角33H-31O-17C-30O由-3.700°變為175.940°, 33H繞17C—31O鍵軸由羧基內側旋轉至外側, 完成羧基由順式平面結構向反式平面結構的異構. 由S-INT1@SWCNT(8,5)到S-TS2@SWCNT(8,5)過程, 二面角33H-31O-17C-30O由-3.700°變為-98.040°, 小于S-INT1限域在SWCNT(6,4)內的情形, 因此能壘也較低, 為47.21 kJ/mol.

再次,S-INT2@SWCNT(8,5)經質子32H由12C向30O遷移的過渡態TS3@SWCNT(8,5), 異構成中間體INT3@SWCNT(8,5). 由S-INT2@SWCNT(8,5)到TS3@SWCNT(8,5)過程, 12C—32H鍵長由0.108 65 nm增至0.159 11 nm, 鍵斷裂, 拉伸幅度為0.050 46 nm. 結構分析表明, 反應中心骨架二面角和鍵角均發生變化, 骨架形變較明顯. 該過程包括一個化學鍵較大的伸長、 斷裂與較明顯的骨架形變, 需要較高的能量, 過渡態TS3@SWCNT(8,5)產生了292.30 kJ/mol能壘, 與裸反應基本相同, 進一步說明SWCNT(8,5)的限域對S-Ibu質子遷移異構的影響已消失.

最后, 第四基元反應存在兩個分路徑a和b： a路徑的過渡態a_TS4@SWCNT(8,5)與TS3@SWCNT(7,4)類似, 33H由質子化羧基向12C遷移, 產物為a_P_R-Ibu@SWCNT(8,5), 能壘為171.55 kJ/mol； b路徑的過渡態b_TS4@SWCNT(8,5)與TS4@SWCNT(6,4)類似, 32H由質子化30O向16C遷移與26H從16C向12C協同遷移, 產物為b_P_R-Ibu@SWCNT(8,5), 能壘為287.83 kJ/mol, 與裸反應基本相同.

由圖5可見：S-Ibu限域在SWCNT(8,5)內旋光異構反應有兩個通道, 均經過4個基元反應, 前3個基元反應為公共通道. 將包結物的異構視為氣相反應, 決速步驟均為第三基元反應, 決速步驟能壘為292.30 kJ/mol, 與裸反應的決速步驟能壘287.10 kJ/mol[8]基本相同, 表明SWCNT(8,5)對限域其中的S-Ibu分子旋光異構沒有催化作用. 由于b通道過渡態b_TS4@SWCNT(8,5)產生的能壘287.83 kJ/mol與292.30 kJ/mol基本相同, 因此b通道有兩個能壘. 在a和b兩個通道的競爭中, a通道具有優勢.

2.4 S-Ibu分子限域在螺旋手性納米溶劑環境旋光異構的總包能壘

限域在納米管內的化學反應, 由于底物分子與納米管的距離為納米級, 因此可將反應視為在納米溶劑環境下進行. 每個基元反應放出的熱量會迅速被納米管吸收, 因此決速步驟能壘應采用總包能累(表觀能壘)表示. 由圖5可見,S-Ibu分子限域在SWCNT(6,4),SWCNT(7,4),SWCNT(8,5)內, 旋光異構反應的總包能壘分別為278.96,291.91,325.88 kJ/mol, 表明S-Ibu在SWCNT(6,4)內較易發生旋光異構, 較小孔徑的螺旋手性SWCNT對S-Ibu旋光異構的限域催化作用明顯.

3 結 論

1) 螺旋手性單壁碳納米管的直徑越小, 限域在其中的布洛芬分子形變越明顯.

2) 勢能面研究表明： 當Ibu分子限域在SWCNT(6,4),SWCNT(7,4),SWCNT(8,5)內時, 旋光異構決速步驟內稟能壘分別為247.95,273.83,292.24 kJ/mol, 均來自質子由手性C向羰基O遷移的過渡態; 孔徑較小的螺旋手性SWCNT對S-Ibu分子內氫遷移反應的催化作用明顯.

3) 當Ibu分子限域在SWCNT(6,4)，SWCNT(7,4)，SWCNT(8,5)內時, 旋光異構過程的總包能壘分別為278.96,291.91,325.88 kJ/mol, 表明S-Ibu的旋光異構易在較小孔徑的SWCNT內實現.