吩嗪衍生物晶體結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)及其動(dòng)力學(xué)研究

薛 君

(中國(guó)海洋大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，山東 青島 266510)

晶體在不同的體系中會(huì)生長(zhǎng)成不同的幾何構(gòu)型，在不受抑制體系中自發(fā)地長(zhǎng)成對(duì)稱多面體，而在受抑制的生長(zhǎng)體系中生長(zhǎng)時(shí)，就會(huì)具有特殊的外形[1]?，F(xiàn)階段的晶體預(yù)測(cè)主要采用MD、kMC和連續(xù)模擬的組合，使用多尺度整合方法對(duì)晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行探究，但是這種方法沒有考慮溶劑的影響并且只適用于部分體系[3]。分子動(dòng)力學(xué)(MD)模擬提供了一種研究分子晶體生長(zhǎng)的有效方法，因?yàn)樗鼈儾粌H限于單一結(jié)構(gòu)，而是可以計(jì)算集合構(gòu)象的性質(zhì)，因此完全結(jié)合了熵的貢獻(xiàn)[4]。使用MD模擬作為基礎(chǔ)，允許探索更大的尺寸和更長(zhǎng)的時(shí)間長(zhǎng)度[5]。

本文將有機(jī)小分子體系從分子自組裝行為開始進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模擬，探究晶體生長(zhǎng)過程，并根據(jù)分子自組裝技術(shù)聚集形態(tài)進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)模擬，進(jìn)而探究分子自組裝技術(shù)與晶體結(jié)構(gòu)形成的機(jī)理。以2-苯基-1H-咪唑并[4，5-b]吩嗪(PND)為例[6]，對(duì)其進(jìn)行量子化學(xué)計(jì)算和動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算，將其放入搭建好的溶劑環(huán)境中，模擬出最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)進(jìn)行晶體預(yù)測(cè)，并和實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，進(jìn)而總結(jié)出進(jìn)行晶體預(yù)測(cè)的實(shí)驗(yàn)方法，有效對(duì)有機(jī)小分子自組裝晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 量子化學(xué)計(jì)算

搭建吩嗪分子結(jié)構(gòu)，由M06-2X / cc-PVDZ基組對(duì)PND分子進(jìn)行優(yōu)化和能量計(jì)算，得到幾何結(jié)構(gòu)的特征參數(shù)，如能量，偶極矩，HOMO和LUMO的電荷密度以分析分子的反應(yīng)活性位點(diǎn)，所有計(jì)算均在Gaussian09軟件中進(jìn)行。

1.2 分子動(dòng)力學(xué)模擬

由高斯優(yōu)化過的分子結(jié)構(gòu)引入MS軟件中使用Focite模塊對(duì)PND進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和MD模擬，分子構(gòu)型優(yōu)化選擇COMPASS力場(chǎng)，步數(shù)設(shè)置為500000步，使其達(dá)到能量最低的平衡狀態(tài)。動(dòng)力學(xué)模擬也是在COMPASS力場(chǎng)下進(jìn)行的，選擇 NPT系綜，模擬開始于積分步驟1fs，溫度設(shè)置為298K，壓力P = 1atm(常溫常壓條件)。

1.3 溶劑中的分子動(dòng)力學(xué)模擬

DMF溶劑盒子的密度設(shè)置為0.908，根據(jù)PND的分子量以及分子體積確定溶劑盒子的分子個(gè)數(shù)為1024，確保其不會(huì)產(chǎn)生分子離域現(xiàn)象，溶劑盒子c方向上的長(zhǎng)度為6nm，將PND小分子放入構(gòu)建好的溶劑盒子中進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算，選用Focite模塊中的COMPASS力場(chǎng)，NPT(恒溫恒壓)系綜，模擬開始于積分步驟1fs，步數(shù)設(shè)為500000步，溫度T = 298K(恒溫器設(shè)為Nose Themostat)，壓力P = 1atm。探究PND分子在溶劑中的自組裝行為。

1.4 晶體結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)

將DMF溶劑中的PND所得結(jié)果創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)組，對(duì)PND進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)。使用MS中的Polymorph模塊，選擇COMPASS力場(chǎng)，對(duì)PND1的S1，S2結(jié)構(gòu)進(jìn)行Prediction計(jì)算，選擇的空間群為P21/C，P-1，P212121， C2/C， P21和PBCA。

2 結(jié)果與討論

2.1 量子化學(xué)計(jì)算

由前線軌道理論可知，HOMO軌道的能級(jí)越高與失去電子的能力成正比；LUMO的能級(jí)與分子得到電子的能力成反比。圖1為PND分子的HOMO，LUMO 軌道圖，結(jié)合表1分子特征原子對(duì)軌道的貢獻(xiàn)，可以分析出分子的反應(yīng)活性位點(diǎn)。

圖1 PND分子的前線軌道分布圖

由圖1和表1可以看出，PND分子中最高占據(jù)軌道(HOMO)主要分布在N7、N10、N15和N17原子上，其中N7對(duì)HOMO貢獻(xiàn)最大達(dá)到5.26%，其余部分分布在 N10和N15原子上，但是貢獻(xiàn)率數(shù)值相差不大；最低空軌道主要分布在N7原子上，N10原子上也占有一定分布，但是N15和N17原子對(duì)LUMO軌道的貢獻(xiàn)相比較下就顯得很小了。結(jié)合表1中各個(gè)原子所帶的電荷可推測(cè)，PND分子中的氮原子都帶有負(fù)電荷，親核性能較強(qiáng)，其中N7和N10原子應(yīng)該為親核活性中心，由于PND中帶有活潑氫H30，所以極易形成N-H…N鍵，這是PND分子自組裝結(jié)構(gòu)形成的主要作用力機(jī)制。

表1 PND分子中N、O原子電荷分布和對(duì)前線軌道的貢獻(xiàn)

2.2 分子動(dòng)力學(xué)模擬

由量子化學(xué)計(jì)算結(jié)果可知，N17上有一個(gè)裸露的原子氫，所以極易與其分子內(nèi)的N7、N10以及N15形成N-H…N鍵，但是單從這幾個(gè)氮原子對(duì)HOMO、LUMO軌道的貢獻(xiàn)上不能確定H30會(huì)與哪一個(gè)氮原子成鍵，所以我們?cè)贛S軟件中構(gòu)建分子結(jié)構(gòu)時(shí)對(duì)分子可能產(chǎn)生的自組裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的猜想，并從空間以及成鍵上設(shè)計(jì)出了以下5種情況。

圖2 PND分子的自組裝假想模型

將這些假象模型在COMPASS立場(chǎng)下對(duì)分子進(jìn)行優(yōu)化后開始動(dòng)力學(xué)計(jì)算，得到五種結(jié)構(gòu)趨于最優(yōu)化的結(jié)果。結(jié)果顯示不同的假想模型在計(jì)算后在空間中趨于相似的層狀結(jié)構(gòu)。

表2 五種假想模型的能量變化

由表2中可以看出，五種假象模型的初始能量有一定的差異，但經(jīng)過分子優(yōu)化和動(dòng)力學(xué)計(jì)算之后最終能量相差不大，說明形成的最終結(jié)構(gòu)相似。逐個(gè)增加分子個(gè)數(shù)并對(duì)可能產(chǎn)生的自組裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行猜想，然后用同樣的方法對(duì)結(jié)構(gòu)能量最低化后進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算觀察結(jié)構(gòu)的空間構(gòu)型變化以及鍵長(zhǎng)鍵角等參數(shù)的變化，確定分子自組裝穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

由圖3可知，PND分子在真空中的自組裝趨于空間層狀重疊。從圖2中可以看出，初始放置時(shí)兩個(gè)PND分子存在一定的夾角并且氫鍵組合方式也不相同。當(dāng)體系達(dá)到平衡后，PND分子發(fā)生扭轉(zhuǎn)并且氫鍵鍵長(zhǎng)和鍵角也發(fā)生了明顯變化。分子自組裝結(jié)構(gòu)中的N17-H30…N7與N17-H30…N15氫鍵鍵角都趨向于180°，并且鍵長(zhǎng)長(zhǎng)度也有不同程度的增加，但仍在正常范圍內(nèi)，這也說明PND分子在真空中確實(shí)可以形成穩(wěn)定的分子自組裝結(jié)構(gòu)。

圖3 PND分子在真空中的自組裝結(jié)構(gòu)

2.3 溶劑中的分子動(dòng)力學(xué)模擬

由2.2結(jié)果可知，PND分子形成的N17-H30…N7氫鍵和N17-H30…N15形成的氫鍵強(qiáng)度相差不大，所以將兩個(gè)假想構(gòu)型S1、S2放置于DMF溶劑盒子中進(jìn)行多次動(dòng)力學(xué)模擬，S1是兩個(gè)PND分子通過N17-H30…N7氫鍵相連，再通過N17-H30…N15氫鍵連接另一個(gè)分子，S2是三個(gè)PND分子通過N17-H30…N15氫鍵形成的自組裝結(jié)構(gòu)。

圖4 PND分子的S1、S2結(jié)構(gòu)圖

由圖5可以看出，PND分子在溶劑環(huán)境中的排列方式與在真空中不同。S1結(jié)構(gòu)在DMF溶液中空間結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大的變化，π-核心與吩嗪基團(tuán)反平行排列，吩嗪基團(tuán)幾乎平行于π-表面，而另一側(cè)與π-表面相對(duì)應(yīng)，與實(shí)驗(yàn)所觀察到的結(jié)構(gòu)基本相符，這就為我們?cè)谙乱还?jié)的晶體結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)中提供了動(dòng)力組創(chuàng)建的依據(jù)。S2結(jié)構(gòu)在DMF溶液中的空間構(gòu)型趨近于真空中的結(jié)構(gòu)，但是其中一個(gè)氫鍵N17-H30…N15鍵長(zhǎng)為3.615?，屬于弱氫鍵作用。說明溶劑環(huán)境中的自組裝行為可能較真空環(huán)境差異較大，真空環(huán)境下的自組裝結(jié)構(gòu)只能為實(shí)際自組裝行為提供結(jié)構(gòu)參考。

圖5 PND在DMF溶劑中的自組裝結(jié)構(gòu)

2.4 晶體結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)

空間群是晶胞中全部對(duì)稱要素的組合。不同空間群晶體結(jié)構(gòu)如圖6所示。P21-C、C2-2和P2空間群都屬于單斜晶系，P212121和PBCA空間群屬于正交晶系，而P-1空間群屬于三斜晶系[7]。表3中顯示了各個(gè)空間群的占比，總能量以及電荷等參數(shù)，從表中可以看出，雖然PBCA空間群形成的晶體占比較小，但是其晶體結(jié)構(gòu)的能量最小，說明其形成的結(jié)構(gòu)最為穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)所得晶體為正交晶系，結(jié)構(gòu)初步吻合。

圖6 模擬所得不同空間群的晶體結(jié)構(gòu)

表3 模擬晶體各個(gè)空間群計(jì)算所得參數(shù)

將PBCA空間群形成的晶體結(jié)構(gòu)以及在CCDC結(jié)構(gòu)庫(kù)里查找到的PND晶體結(jié)構(gòu)在MS中，在其達(dá)到穩(wěn)定平衡狀態(tài)后進(jìn)行CASTEP計(jì)算，得到晶體結(jié)構(gòu)中氫鍵鍵長(zhǎng)和粒子分布如表4和表5，分別是實(shí)驗(yàn)晶體和模擬晶體的計(jì)算結(jié)果。分析數(shù)據(jù)可知，兩種晶體形成分子間氫鍵的位置大相同，模擬晶體中的分子間氫鍵長(zhǎng)度比實(shí)驗(yàn)晶體中略大一些，但數(shù)值相差不大。

表4 實(shí)驗(yàn)晶體氫鍵鍵長(zhǎng)和粒子數(shù)

表5 模擬晶體氫鍵鍵長(zhǎng)和粒子數(shù)

圖7中，上圖為在CCDC庫(kù)中引入的PND晶體結(jié)構(gòu)在MS中計(jì)算所得射線粉末衍射圖，下圖為預(yù)測(cè)PBCA空間群下的晶體結(jié)構(gòu)計(jì)算所得射線粉末衍射圖，兩圖進(jìn)行比較可以看出其特征峰位置基本重合，可以推測(cè)出兩者屬于同一種晶體，從而證明PND分子的晶體結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)方法是可行的。

圖7 CCDC數(shù)據(jù)庫(kù)中PND1晶體理論與預(yù)測(cè)X-射線粉末衍射圖

3 結(jié)論

利用DFT/MD方法對(duì)2-苯基-1H-咪唑并[4,5-b]吩嗪分子進(jìn)行自組裝模擬和晶體結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)，從分子層面研究了晶體生長(zhǎng)機(jī)理。模擬所得結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有良好的一致性，說明由分子自組裝行為進(jìn)而推測(cè)分子晶體結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)方法是可行的，為類似氫鍵驅(qū)動(dòng)的分子自組裝體系小分子晶體的結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)提供了一種新的方法。