柿單寧特征功能基團與金屬離子作用的計算分析*

劉智高 陳濤 胡朝浩 王殿輝 王仲民? 李桂銀

1) (桂林電子科技大學材料科學與工程學院, 桂林 541004)

2) (桂林電子科技大學電子工程與自動化學院, 桂林 541004)

3) (桂林電子科技大學生命與環境科學學院, 桂林 541004)

1 引 言

柿單寧是柿子中特有的一種多酚物質, 其重復單元中含有多個活性基團(酚羥基)[1], 可以與多種金屬離子形成較穩定的螯合物[2,3].因而柿單寧在吸附廢水中的貴重金屬, 以及處理土壤里金屬離子等方面有著得天獨厚的優勢[4,5].由于不同金屬離子的電子結構不一致, 柿單寧吸附金屬離子所形成的復合物結構存在較大差異.因此柿單寧在溶液中吸附金屬離子是一個相當復雜的反應過程[6], 可能涉及的機理包括螯合作用[7]、靜電吸引[8]、離子交換[9]和氧化還原反應[10]等.Yi等[10]研究了在硝酸體系中柿粉甲醛樹脂對鈀的吸附, 證實其吸附機理是以絡合反應為主, 同時伴隨著氧化還原反應.

由于實驗手段的限制, 通過實驗來確定金屬離子與柿單寧相互作用的本質仍存在困難.同時柿單寧的精確結構仍未知曉, 理論計算也難以對其進行研究.近年來, Li等[11]鑒定出柿單寧末端結構由表兒茶素(epicatechin, EC)、表沒食子兒茶素(epigallocatechin, EGC)、表兒茶素沒食子酸酯(epicatechin gallate, ECG)、表沒食子兒茶素沒食子酸酯(epigallocatechin gallate, EGCG)構成, 如圖1所示.由于柿單寧末端結構中EGCG的含量最多, 因此通過量子化學方法來研究EGCG與金屬離子的相互關系, 成為研究柿單寧吸附機理的橋梁.江騰等[12]研究了EGCG與Zn2+的相互作用,通過實驗和理論計算最終確定了反應位點.王曉巍等[13]則通過密度泛函分析了兒茶素及其相關金屬化合物的結構和反應活性.以上的研究僅僅探索了形成的金屬復合物構型, 缺乏對相互作用本質的闡述.當金屬離子與EGCG相互作用時, 到底是螯合機理占優勢(形成螯合鍵)還是主要靠靜電作用相互吸引, 到目前為止還缺乏系統的理論研究.

圖1 柿單寧末端結構四種單體結構示意圖 (a) 表兒茶素; (b) 表沒食子兒茶素; (c) 表兒茶素沒食子酸酯; (d) 表沒食子兒茶素沒食子酸酯Fig.1.Structures of four monomers in the terminal structure of persimmon tannin: (a) EC; (b) EGC; (c) ECG; (d) EGCG.

密度泛函理論[14](density functional thoery,DFT)是將能量看作體系粒子密度的泛函, 它把求解N個粒子系統的3N自由度問題, 簡化為3個自由度的密度問題, 從而簡化計算.經過幾十年的發展, 密度泛函理論在有機分子以及更復雜的體系方面都有著廣泛的應用, 其方法適用于過渡金屬絡合物以及金屬化合物的計算.密度泛函理論有許多種方法, 其中最常用的方法就是B3LYP[15-17](Becke的三參數方法[18]與Lee-Yang-Parr的相關函數[19]相結合), 它將交換泛函定義為Hartree-Fock、局域和梯度修正交換項的線性組合, 從而得到較為精確的解.

本文通過DFT中的B3LYP方法研究EGCG與金屬離子的相互作用, 選取了Ag+, Hg2+, Cu2+,Fe2+, In3+, Al3+和Au3+七種常見的金屬離子與EG CG進行復合.通過分析這些金屬復合物的構型、Mayer鍵級、自然布居、結合能、以及弱相互作用的研究[20,21]等方面來討論EGCG在水溶液中與金屬離子復合的主要作用, 為柿單寧在吸附貴重金屬的應用提供理論依據.

2 理論與計算方法

2.1 計算方法

本文中主要使用B3LYP結合DFT-D3色散校正的方法, 即B3LYP-D3方法[22].對于Ag, Hg,Cu, Fe, In, Al和Au等金屬原子, 采用Lanl2dz基組; 而對于H, C和O等原子, 結構優化采用的是6-311G (d, p)基組, 計算單點能則采用的是更精確的6-311+G (d, p)基組.計算過程中添加了溶劑為水的SMD溶劑化模型.文中所有復合物的幾何結構均通過頻率計算, 確認為局域能量最小點, 即所有結構均不存在虛頻.所有計算在Gaussian 09程序包上完成[23].對于EGCG與金屬離子弱相互作用的研究, 是利用約化密度梯度(reduced density gradient, RDG)函數方法[24,25].RDG函數是描述均勻電子分布偏差的實空間函數, 表達式為

其中ρ表示電子密度.弱相互作用通過實空間中相應區域形成梯度等值面進行表示[21,25].

2.2 EGCG模型選擇

如圖2(a)所示, EGCG被分為A環、B環、C環和D環, 而EGCG與金屬離子反應主要發生在B環3', 4'的酚羥基, 以及D環4", 5"的酚羥基上[12].由于溶液的pH不同, 且不同的金屬離子所帶電荷量也不一致, 所以EGCG與金屬離子的螯合方式有很多種.Navarro等[26]通過測定B和D環上1H核自旋弛豫時間鑒別了EGCG與金屬的結合位點, 證實了D環比B環具有更高的配位能力,且D環在配位過程中占主導作用.由于吸附反應發生在溶液中, EGCG易發生去質子化反應, 即脫去質子形成陰離子.我們統一以Inoue等在文獻[27]中的方式構造模型, 即D環4"O, 5"O與金屬離子1∶1發生反應, 形成EGCG-金屬復合物, 其結構模型圖如圖2(b)所示.

圖2 (a) EGCG結構圖; (b) EGCG-金屬復合物結構模型圖Fig.2.(a) Structure of EGCG; (b) structure model diagram of EGCG-metal complex.

3 結果與討論

3.1 EGCG-金屬復合物的構型及鍵長

構建好的復合物模型利用Gaussian軟件進行結構優化, 得到了各自最穩定的結構, 列在圖3中.通過對比不難發現, ECGC-Ag+, EGCG-Hg2+和EGCG-Fe2+復合物的形成對整體結構沒有什么影響, 同時Fe2+離子與D環的4"O, 5"O形成了一個五元環, 而EGCG-Ag+與EGCG-Hg2+復合物則未形成.不同的是, EGCG與Cu2+, In3+, Al3+和Au3+這四種離子復合后使得EGCG的D環發生折疊向B環靠近, 例如圖3(c)展現的EGCG-Cu2+復合物(D環折疊與B環類平行, 而Cu2+離子在兩個環之間, 形成“腔狀結構”[28]).由此, 推斷這類“腔狀結構”復合物中, 不僅D環的4"O, 5"O與金屬離子存在相互作用關系, 由于B環與D環形成堆積, 因此兩者可能也存在相互作用.圖3(e)—(g)中的EGCG-In3+, EGCG-Al3+, EGCG-Au3+復合物結構與圖3(c)相似.此外圖3(c)和圖3(d)中形成了明顯的螯合鍵, 而其他金屬復合物則沒有.

圖3 EGCG-金屬復合物的幾何構型圖 (a) EGCG-Ag+; (b) EGCG-Hg2+; (c) EGCG-Cu2+; (d) EGCG-Fe2+; (e) EGCG-In3+;(f) EGCG-Al3+; (g) EGCG-Au3+Fig.3.Geometric diagrams of EGCG-metal complexes: (a) EGCG-Ag+; (b) EGCG-Hg2+; (c) EGCG-Cu2+; (d) EGCG-Fe2+;(e) EGCG-In3+; (f) EGCG-Al3+; (g) EGCG-Au3+.

還計算了金屬離子與EGCG中D環4"O, 5"O形成的復合鍵鍵長.通過表1中的數據看出, Cu2+,Fe2+離子與EGCG之間形成的鍵長較短(分別為復合鍵4"O—Cu: 1.941 ?; 5"O—Cu: 1.916 ?; 4"O—Fe: 1.926 ?; 5"O—Fe: 1.893 ?), 因此Cu2+, Fe2+離子與EGCG形成的復合鍵較穩定(螯合作用較強).而像Ag+, Hg2+離子和最近的酚羥基氧原子距離分別為2.302 ?和2.333 ?, 雖然Hg2+離子與EGCG之間可能存在較強的相互作用關系, 但由于二者的距離較遠, 螯合作用較弱.對于EGCGIn3+, EGCG-Al3+和EGCG-Au3+復合物, 與EGCGFe2+復合物對比, 可以明顯地看出這類的“腔狀結構”復合物的復合鍵更長, 螯合作用自然也是最弱的.

表1 EGCG-金屬復合物的復合鍵鍵長Table 1.Composite bond lengths of the EGCGmetal complexes.

3.2 EGCG-金屬復合物的Mayer鍵級

判斷原子間是否成鍵, 光從Gaussview中觀察幾何構型和計算相連鍵長是遠遠不夠的, 因此我們還計算了金屬復合物的Mayer鍵級[29].Mayer鍵級是基于量子化學計算產生的波函數計算的, 從物理意義上可以理解為原子間共享的電子對數.因此對于單/雙/三重鍵, Mayer鍵級應比較接近1.0/2.0/3.0, 而沒有或幾乎沒有成鍵的原子間Mayer鍵級應當接近0.一般情況下, Mayer鍵級小于0.5, 都被稱為弱成鍵.對應下面的表2中, 唯有EGCGCu2+和EGCG-Fe2+復合物形成的Mayer鍵級超過了0.5, 即形成的螯合鍵作用較強.尤其是EGCG與Fe2+離子的復合, 形成的復合鍵Mayer鍵級分別為4"O—Fe鍵級0.594, 5"O—Fe鍵級0.748.而其他金屬離子與EGCG中D環4"O, 5"O形成的復合鍵鍵級則較小, 可能僅僅形成了弱的復合鍵,即螯合作用較弱.通過表2還可以發現, In3+離子與EGCG復合形成的鍵級是最小的(4"O—In的Mayer鍵級僅為0.0742, 5"O—In的Mayer鍵級為0.1183), 可能與復合物中金屬離子與EGCG距離較遠有關, 這也導致了EGCG-In3+復合物的形成幾乎不存在螯合作用.

表2 EGCG-金屬復合物中復合鍵的Mayer鍵級Table 2.The Mayer bond orders of composite bond in the EGCG-metal complexes.

3.3 EGCG-金屬復合物的自然布居分析

既然說金屬離子與EGCG在溶液中存在靜電吸引作用, 那么自然就要觀察它反應前后的電荷變化.因此, 考察復合物部分原子的自然布居分析 (natural population analysis, NPA)十分必要[30].NPA是NBO分析中的核心組成部分, 復合物形成前后原子電荷的變化只能反映整個原子的電子得失, 而利用NPA分析則可以得知每個原子軌道的電子得失.Ag+和Hg2+離子在復合前分別帶1,2個單位正電荷; 與EGCG的復合后, 通過表3可以看出Ag+和Hg2+離子分別轉移0.22和0.29個單位正電荷, 這僅僅有少量的電荷轉移, 歸結其原因是螯合作用較弱, 主要依靠靜電作用吸附.而Fe2+和Cu2+離子與EGCG復合后, 構型中金屬離子與EGCG距離較近且形成了螯合鍵, 由于靜電作用依然存在, Fe2+和Cu2+離子上的電子仍然有部分的轉移.EGCG-In3+, EGCG-Al3+和EGCGAu3+復合物的自然電荷分布則較為特別, 由于它們形成了“腔狀結構”, EGCG的B環與D環對In3+, Al3+和Au3+離子都有較強的相互作用.這導致這些金屬離子都轉移了大部分的電荷, 分別是In3+離子轉移了1.92個單位正電荷, Al3+離子轉移了2.13個單位正電荷, 而Au3+離子也轉移了2.13個單位正電荷, 因此可以判斷EGCG對In3+,Al3+和Au3+這三種金屬離子的吸附明顯是靜電吸引作用主導的.

表3 EGCG-金屬復合物中復合原子的自然布居分析Table 3.Natural population analysis of composite atoms in the EGCG-metal complexes.

3.4 EGCG-金屬復合物的結合能

金屬離子與EGCG之間結合能的大小, 決定了形成的金屬復合物是否穩定.同時也能比較帶電量相同的金屬復合物結合能, 判斷出這些金屬離子與EGCG的復合是靜電吸引主導, 還是螯合作用主導.分別計算這七種金屬離子與EGCG吸附后的結合能, 結果如圖4所示.

圖4 EGCG-金屬復合物的結合能Fig.4.Binding energies of EGCG-metal complexes.

對比不同金屬復合物的結合能, 我們發現復合物的結合能與金屬離子所帶電荷量有所聯系.一般來說, 金屬離子所帶的電荷量越大, 越容易進行電荷轉移, 其金屬復合物的結合能越低; 而對于帶電量相同的金屬離子, EGCG與其反應的結合能越低, 形成的復合物也就越穩定.

由圖4可以看出, Ag+離子與EGCG的結合能只有—103.6 kJ/mol, 是七種復合物中結合能最高的.對比帶電量均為正二價的金屬離子, Hg2+離子與EGCG的結合能是—135.3 kJ/mol, 高于成鍵的鍵能, 這也證實EGCG-Hg2+復合物中沒有形成螯合鍵.EGCG-Fe2+復合物( ΔE=-2 25kJ/mol )由于成鍵, 結合能自然是遠低于EGCG-Hg2+.而EGCG復合Cu2+離子的結合能為—223.1 kJ/mol,略高于其復合Fe2+離子的結合能.觀察兩者結構和鍵級, 總結其原因是: Cu2+離子與EGCG復合形成了螯合鍵, 但是由于鍵級較小導致螯合作用小于EGCG-Fe2+復合物; 盡管EGCG-Cu2+結構中還出現的芳環堆積作用, 但其結合能與EGCGFe2+復合物相比也還是存在差距.

隨后觀察正三價的金屬離子與EGCG復合后的結合能, 發現同為“腔狀結構”的EGCG-In3+與EGCG-Al3+, EGCG-Au3+復合物結合能差異較大.EGCG-In3+復合物的結合能為—701.2 kJ/mol, 而EGCG-Al3+和EGCG-Au3+結合能分別是—1379.5和—1417.7 kJ/mol.根據前面幾方面的考察, 歸結原因是EGCG-In3+復合物中, In3+離子與EGCG距離較遠導致靜電吸引作用較弱, 雖然也存在芳環堆積作用, 但整體的吸附能力遠小于EGCGAu3+復合物.而In3+, Al3+和Au3+離子與EGCG之間的吸附應該都是靜電作用與芳環堆積作用共同主導.

3.5 EGCG-金屬復合物的弱相互作用

Johnson等[24]提出了一種可視化研究弱相互作用的方法, 稱為RDG或NCI方法.這種方法不僅可以指出哪里存在弱相互作用, 還能可視化地了解弱相互作用的強度與類型.其中將原子間弱相互作用的強弱用色彩加以區分, 即被設為藍 ＞ 綠 ＞紅.藍色區域代表相互作用強度較強, 最常見的就是氫鍵和鹵鍵等作用.綠色區域說明相互作用強度很弱, 范德瓦耳斯作用區域符合這個特征.紅色區域則為位阻效應區域, 對應的是環中周圍原子間的互斥效應.為了考察金屬離子與EGCG的相互作用, 采用Multiwfn[31]+VMD[32]軟件繪制了這幾種金屬復合物的RDG函數等值面圖(圖5), 用來判斷是否存在弱相互作用.

圖5 EGCG-金屬復合物的RDG函數等值面圖 (a) EGCG-Ag+; (b) EGCG-Hg2+; (c) EGCG-Cu2+; (d) EGCG-Fe2+;(e) EGCG-In3+; (f) EGCG-Al3+; (g) EGCG-Au3+Fig.5.RDG function isosurface diagrams of EGCG-metal complexes: (a) EGCG-Ag+; (b) EGCG-Hg2+; (c) EGCG-Cu2+; (d) EGCGFe2+; (e) EGCG-In3+; (f) EGCG-Al3+; (g) EGCG-Au3+.

通過觀察發現, 在圖5(a)和圖5(b)中, 復合后的結構沒有發生明顯的變化且金屬離子與D環4"O, 5"O之間都形成了明顯的藍色等值面, 這表明了EGCG與金屬離子兩者之間存在較強的弱作用(即存在靜電吸引作用).同時圖5(c)中的Cu2+離子與EGCG的螯合鍵之間也形成了藍色的等值面, 這是因為EGCG-Cu2+復合物中螯合作用強度一般, 導致兩者間仍存在靜電吸引; 并且B環與D環之間還呈現了小量的黃綠色等值面, 證實還存在小量芳環堆積作用.而圖5(d)中Fe2+離子與EGCG中D環4"O, 5"O形成的螯合鍵之間并沒有任何顏色的等值面(即沒有弱作用存在), 這也反映了EGCG-Fe2+復合物主要以螯合鍵的形式復合在一起.此外, 圖5(e)—(g)中不僅金屬離子與D環4"O, 5"O之間存在藍色等值面, B環與D環之間還呈現了大面積的黃綠色等值面(即存在芳環堆積作用).當然如果仔細對比圖5(e)與圖5(g)可以看出, In3+離子與D環4"O, 5"O之間的等勢面呈現的是淡綠色, 而EGCG-Au3+復合物中的等勢面則是深藍色, 這也從側面展示了Au3+離子與EGCG之間的靜電吸引作用更強.

4 結 論

通過分析這些ECGC-金屬復合物的構型、Mayer鍵級、自然布居、結合能、以及弱相互作用的研究等方面, 發現EGCG-Fe2+復合物主要以螯合鍵的形式吸附在一起.而在EGCG-Ag+和EGCG-Hg2+復合物中, 金屬離子與D環4"O, 5"O之間則主要是通過靜電吸引作用吸附到一起.由于In3+, Al3+和Au3+離子與EGCG形成了“腔狀結構”的金屬復合物, 因此這三種金屬離子與D環4"O, 5"O之間不僅存在靜電吸引, 還存在芳環堆積作用, 二者共同作用使得這類金屬復合物更加穩定.Cu2+離子與EGCG的復合則同時存在著螯合作用、靜電吸引作用和芳環堆積作用.結合能計算分析顯示, 金屬離子所帶電荷量越多, 越容易進行電荷轉移; 而對于帶電量相同的金屬離子,EGCG與其反應的結合能越低, 形成的復合物也就越穩定.以上結論有利于理解EGCG與不同金屬離子的相互作用關系, 這些結果將為進一步探究柿單寧吸附金屬離子的機理提供啟示.