縮酮席夫堿類陰離子識別的量子化學研究

梁秋群， 劉 崢， 梁楚欣 ， 魏 席， 張淑芬,2

(1. 桂林理工大學化學與生物工程學院 電磁化學功能物質廣西區重點實驗室，桂林 541004； 2. 大連理工大學精細化工重點實驗室，大連 116024)

1 引 言

隨著經濟與科學技術的發展，陰離子在醫藥、生命科學、環境保護、農業生產和工業催化等領域的研究有著愈來愈重要的影響，因此陰離子識別技術與陰離子受體的設計合成，有著廣闊的發展前景[1,2]. 但是高效、高選擇性的陰離子受體的合成，目前仍然存在盲目性，這是因為在設計陰離子受體結構時，一方面要考慮與客體分子的結合部位及發射信號部位的設計，另一方面還要考慮受體與客體分子結合過程，其構象的變化，要與客體分子結構相匹配，只有這樣才能設計出高選擇性、高靈敏度的陰離子識別劑[3,4].

進入新世紀以來，尤其是近十年以來，隨著量子化學理論與計算機科技的迅猛發展，整個化學學科都受益良多，并發生著深刻的變化[5-9]. 在超分子化學領域，量子化學的計算結果，可以給出主客體間的相互作用信息，如模擬受體分子與陰離子間的結合方式，計算受體分子與陰離子結合物的構象信息，電荷分布，前線軌道能量和結合能等信息，為新型陰離子受體的設計與合成提供理論指導等[10].

本文利用高斯軟件，采用一種常用的密度泛函(Density Functional Theory，DFT)B3LYP，在LANL2DZ水平基組上[11,12]，對自制具有縮酮結構的陰離子受體R3-1，R3-2和R3-3及它們與陰離子結合物進行了結構與頻率的優化. 從空間結構、電荷分布、結合能等方面，研究了三種受體分子結構性質的差異、陰離子識別過程中受體分子構象的變化以及主客體間的超分子作用.將量子化計算結果與實驗結果進行對比分析，進一步探究受體分子對陰離子的識別機理，為新型陰離子受體分子的設計與合成提供量子化理論基礎.

2 計算模型與方法

(1)用ChemBio Office2010中的ChemDraw畫出三種陰離子受體的分子式，在 Chem3D中打開已經畫好的分子式，用MMFF94程序包優化其鍵長和鍵角.

(2)將優化好的陰離子受體分子構象保存為gjf格式，導入GaussView5.0，分子構象采用笛卡爾坐標系，采用Gaussian03程序包中的密度泛函理論(DFT)在B3LYP/LANL2DZ基組下進行幾何優化和頻率分析[12,13]，得到在基態下分子穩定的構象、紅外光譜、凈電荷分布與能量信息.

(3)將計算得到的受體分子與離子穩定構象導入GaussView5.0，采用Gaussian03程序包中的密度泛函理論(DFT)在B3LYP/LANL2DZ基組下，對主客體結合物進行幾何優化和頻率分析，得到結合物的穩定構象、凈電荷分布與能量信息.

3 結果與討論

3.1 陰離子受體的合成及陰離子識別評價

3.1.1陰離子受體的合成

本文以1,10-鄰菲羅啉為起始原料，經濃硫酸/濃硝酸混酸氧化，生成1,10-鄰菲羅啉-5,6-二酮；而后在對甲苯磺酸催化下，分別與苯肼、4-硝基苯肼和2,4-二硝基苯肼，反應生成三種縮酮席夫堿陰離子受體R3-1、R3-2和R3-3.

陰離子受體R3-1～R3-3的合成路線Synthetic routes of anions receptors R3-1～R3-3

3.1.2陰離子識別評價

在10 mL濃度為2×10-5mol/L的R3-1或R3-2或R3-3乙腈溶液中，加入100 μL濃度為2×10-2mol/L的各陰離子的四丁基氟銨鹽乙腈溶液([A]/[R]=10)，測定溶液的紫外-可見吸收光譜，并與三種陰離子受體的吸收光譜圖作對比，其中[A]表示陰離子(anion)的濃度；[R]表示受體(receptor)的濃度.實驗結果見圖1、圖2、圖3.實驗結果表明，在濃度為2×10-5mol/L受體分子的乙腈溶液，加入陰離子前后，溶液吸收光譜中吸收峰的位置與強度發生了變化，可實現對陰離子的識別甚至是定量的分析.三種受體分子中R3-3的識別效果最佳，對陰離子識別靈敏度高低順序為R3-3 > R3-2 > R3-1.當加入陰離子后，圖3顯示，受體分子R3-3原480 nm處的吸收峰減弱或者消失，同時在580 nm處有新的吸收峰出現，且該峰的強度隨加入陰離子的類別或濃度的不同而改變，加入相同量的各類陰離子對應的吸收峰強度順序是：F-> AcO-≈ OH-> H2PO4-.

圖1 R3-1及加入不同陰離子的紫外-可見吸收光譜([A]/[R]=10)Fig. 1 UV-vis absorption spectra of R3-1 upon addition of anions ([A]/[R]=10)

圖2 R3-2及加入不同陰離子的紫外-可見吸收光譜([A]/[R]=10)Fig. 2 UV-vis absorption spectra of R3-2 upon addition of anions([A]/[R]=10)

圖3 R3-3及加入不同陰離子的紫外-可見吸收光譜([A]/[R]=10)Fig. 3 UV-vis absorption spectra of R3-3 upon addition of anions([A]/[R]=10)

3.2 受體分子的量子化學計算

采用量子化學密度泛函理論，在B3LYP/LANL2DZ基組下對受體分子、陰離子及受體分子和陰離子的結合物可能存在的構象，進行幾何優化和頻率優化，得到基態下能量最低的穩定構象[14].

3.2.1構象分析

陰離子受體分子的穩定構象如圖4所示.

圖4 陰離子受體分子的穩定構象Fig. 4 The structures of anion receptors

陰離子受體分子的結構參數見表1.

由圖4及表1，我們發現，陰離子受體R3-1、R3-2和R3-3的穩定構象極為相似. 但因受體R3-2和R3-3分子中有吸電子基團-NO2的存在，苯環與鄰菲羅啉核的橋鏈(-NH-N=)發生一定的扭曲，導致R3-2和R3-3分子的共平面性比R3-1較差，如在受體分子R3-1中，二面角∠C7-C8-C9-N16=179.8825°，∠C20-C19-C18-N17=179.9844°，而在R3-2中，這兩個二面角分別為179.8079°和179.9755°，再到R3-3中，這兩個二面角分別為-179.0493°和175.6782°.

表1 陰離子受體分子的結構參數

受體分子由1,10-鄰菲羅啉-5,6-二酮和(硝基)苯肼反應得到，反應新生成的鍵是C9和N16間的C=N鍵，研究該鍵對深入探究這一體系中三個受體性質的關系，有著重要的意義. 在三個受體分子中，C=N鍵的長度分別為1.3472、1.3397和1.3216 ?，受體分子R3-3的C=N鍵長最短，該鍵斷裂需要的能量更大，也就最穩定，這是因為R3-3的苯環一端，含兩個硝基-NO2取代基，使整個分子的負電荷中心向苯環端偏移，降低了C=N附近的電子密度[15]. 與R3-3相比，R3-2和R3-1的穩定性則要差一些，這與本文3.1.2節得到的結論相互佐證.

硝基的存在，還對亞氨基N-H的鍵長及強度也有一定的影響，由表1可知，受體分子R3-1、R3-2和R3-3的N-H鍵長分別為1.4143、1.3403和1.0316 ?，即分子內硝基的存在使N-H鍵鍵長變短.較短的N-H鍵易通過氫鍵，將陰離子牢牢束縛在受體周圍，并將信號傳遞給受體的信號部[16].

3.2.2紅外光譜

經B3LYP/LANL2DZ基組下進行幾何和頻率優化后，得到的三種陰離子受體分子的紅外譜圖如圖5所示.

圖5 陰離子受體計算紅外光譜(左)和實測紅外光譜(右) Fig. 5 Optimized IR spectra of anion receptors

在陰離子R3-1～R3-3的計算紅外光譜圖中，均在1450 cm-1和1650 cm-1附近出現強烈的振動峰，分別對應受體分子中的羰基C=O和席夫堿特征官能團C=N雙鍵，且與受體分子的紅外光譜基本相似，證明選用B3LYP/LANL2DZ基組用于模擬計算縮酮席夫堿陰離子受體結構參數具有較高的準確性.

3.3 受體分子與陰離子結合物的量子化計算

采用量子化學密度泛函理論，在B3LYP/LANL2DZ基組下對受體分子和F-結合物可能存在的構象，進行幾何優化和頻率優化，得到基態下能量最低的穩定構象. 陰離子受體分子與F-結合物的穩定構象如圖6所示.

陰離子受體分子和F-結合物的結構參數見表2.

由圖6及表2，我們發現，陰離子受體分子的陰離子結合位點位于亞氨基-NH-部，受體分子和F-間通過氫鍵相互作用(N-H…F-)，此時受體分子內一些化學鍵的鍵長與鍵角發生改變，分子結構扭曲加劇，共平面性變差. 結合后，受體分子的C=N鍵分別變長了0.0204、0.0140和0.0200 ?，相互作用后R3-1、R3-2和R3-3的C=N鍵長分別為1.3676、1.3537 ?和1.3416 ?.

此外，結合物中N-N鍵與N-C鍵(苯環)都變短，表明受體分子與陰離子間確實發生了較強的相互作用，削弱了亞氨基N-H的成鍵能力，N-H鍵的鍵長也由原來的1.4143、1.3403和1.0316 ?，分別增長為1.5479、1.5622和1.5804 ?.受體分子R3-1、R3-2和R3-3和F-間形成氫鍵，氫鍵的鍵長依次為1.0234、1.0169和1.0111 ?，即隨著苯環端硝基的增加，氫鍵鍵長依次變短，主客體間的結合作用依次增強[17].

3.4 凈電荷分布

受體分子和結合物中主要原子的靜電荷分布見表3.

圖6 陰離子受體分子與F-結合物的穩定構象Fig. 6 The structures of anion receptors /F- complexes

表2 陰離子受體分子與F-結合物的結構參數

表3 受體分子與結合物中原子的靜電荷

由表3可以看出，受體分子R3-1、R3-2和R3-3中，席夫堿C=N(C9，N16)的負電荷密度依次減小，C=N鍵的負電荷密度越小，穩定性越好，電荷分布分析結果與構象分析及實驗結果相符. 當F-加入并分別與3種受體分子結合后，F-的凈電荷由原來的-1，變為-0.559、-0.550和-0.543，即有一部分負電荷由陰離子轉移到受體分子中，且轉移的電荷量為R3-3 > R3-2 > R3-1.受體分子中，陰離子的結合位點為亞氨基(NH)，由上表可以發現，當受體分子與F-的結合后，亞氨基的負電荷密度明顯減小，其中N17由原來的-0.405、-0.409和-0.413變為-0.322、-0.311和-0.290，亞氨基氫N-H(H30、H33和H36)也由原來的0.380、0.385和0.388變為0.503、0.502和0.502，原因是受體分子和F-結合后，亞氨基發生極化，負電荷密度減小，更有利于F-的結合.

另外，在受體分子與陰離子結合物中，鄰菲羅啉一側的橋頭碳(C9)負電荷密度較受體分子降低，而(硝基)苯肼一側的橋頭碳(C18)負電荷密度則升高，可能的原因是，F-的加入促進了受體分子中電子向分子的負電荷中心，即(硝基)苯肼部遷移，尤其當苯環上連有吸電子基團時，這種現象更加明顯[18].

3.5 能量分析

經量子化學計算，受體分子、陰離子及受體分子與陰離子結合物的能量(單位：Hartree)見表4. 其中，Ecom為受體分子與陰離子結合物的能量，ΔE=Ecom- (ER+EA)為結合物與基態主客體總能量的差值，即受體分子和陰離子結合過程釋放的能量，稱之為結合能[19,20].

表4 結合物形成過程中的能量變化(Harrtree)

由表4，可以發現一些規律：(Ⅰ)同種陰離子受體分子與陰離子結合能的絕對值大小順序為：F-> AcO-> H2PO4-，即F-最容易被識別，AcO-次之，H2PO4-再次；(Ⅱ)同種陰離子與受體分子結合能的絕對值大小順序為：R3-3 > R3-2 > R3-1，即三種受體分子中，R3-3對陰離子的的識別效果最佳，R3-2次之，R3-1再次. 本節結論和構象分析及凈電荷分析結論一致，也可以與3.1.2實驗結果相互佐證.

4 結 論

本文利用密度泛函理論，在B3LYP/LANL2DZ水平基組下，對本文合成的三種縮酮席夫堿陰離子受體分子R3-1，R3-2和R3-3，以及受體分子和F-的結合物進行量子化學計算，結果表明，F-通過氫鍵與受體分子的亞氨基相互結合.結合后，受體分子結構扭曲，C=N鍵拉長. 受體分子R3-1、R3-2和R3-3和F-間形成氫鍵，氫鍵的鍵長依次為1.0234、1.0169和1.0111 ?，即隨著苯環端硝基的增加，氫鍵鍵長依次變短，主客體間的結合作用依次增強.能量分析表明，考察的三種陰離子中，F-與受體分子的配合能力最強；受體分子中，R3-3對陰離子的識別效果最佳.計算模擬結果，與實驗情況基本一致.