用自然原子轨道电荷估测取代吡啶的pKa值

（台州学院医药化工学院， 浙江 台州 316000）

用自然原子轨道电荷估测取代吡啶的pKa值

汪志鹏，吴俊勇，陈 丹，许威蕙，郭亚妮，钟爱国

（台州学院医药化工学院， 浙江 台州 316000）

使用密度泛函理论(DFT) 和 B3LYP/3-21G 基组，优化了 24 种取代吡啶类分子结构，发现吡啶环上氮原子的自然原子轨道电荷 (NBO) 值与其实验 pKa值之间存在良好的线性关系(R=-0.623 23)，比其原子核静电势电荷 (ESP) 值拟合的好。计算了12 种未知 pKa值的多取代吡啶化合物的 NBO 参数，代入拟合出的线性参数方程, 发现与流行软件 ACD Lab 6.0 预测得到的多取代吡啶的 pKa值非常接近，最大偏差ΔpKa小于 ± 0.07, 新方法可以估测到pKa值小数点后3位数。

密度泛函理论方法；取代吡啶；自然原子轨道电荷；pKa

吡啶在工业上常用作变性剂、助染剂，以及合成一系列有用的衍生产品（包括药品、消毒剂、染料等）的原料[1]。植物细胞中的生物碱都具有吡啶环结构[2,3]。吡啶类化合物的酸式电离常数值pKa是一个非常重要的物理化学参数[4,5]。通常它们的值可以通过实验来测定。但实验测定方法会有一定的局限性，由于吡啶类化合物还是易挥发的并且有剧毒。因此通过分子的结构-活性关系（QSAR）方法来对多取代吡啶类化合物pKa值进行预测研究（见图1），建立具有pKa预测能力的较佳数学模型，这对于了解吡啶类化合物的药理及毒理性质具有重要意义[6,7]。

图1 取代吡啶的结构式及编号Fig.1 The structural formula of substituted Pyridine

1 计算方法

1.1 量化参数计算法

使用Gaussion 09W软件,构建24个已知实验pKa值的取代吡啶的分子结构模型，然后在DFT/B3LYP/3-21G 理论水平下，优化它们的结构，计算得到相对应的量化参数，分别记录吡啶及其取代吡啶环上N原子上的静电势电荷（ESP）和自然原子轨道电荷（NBO）值。本文用Gaussian09计算，用 Multiwfn2.5进行数据处理，用 Gaussview5作图。当电荷数值不标出单位时是电子电量。

1.2 回归方程检验

选取12种未知的pKb值，不同取代基的吡啶类化合物，用Gaussion 09 W软件优化计算其1号氮原子的NBO-N值，并将得到的氮原子的NBO值代入拟合得到的线性方程，计算未知取代吡啶物其pKa值，然后与最流行的ACD-Labs 6.0软件直接预测pKa值进行比较，以此来检验该线性回归方程的合理性。

2 结果与讨论

2.1 吡啶环上N原子的ESP/NBO电荷值

模拟计算结果见表1所示。我们分别作了取代吡啶环上N 原子的 ESP/NBO 参数与其实验 pKa值之间两个关系图，见图2和图3所示。由图2和图3比较可知：N原子上的ESP、NBO电荷值与pKa实验值均呈负相关，相关系数R分别为-0.379 56，-0.681 51，相对标准偏差（SD）分别为0.787 89，0.623 23。

通过比较吡啶环N原子的自然原子轨道电荷值(NBO-N) 所计算关系式R 最大（-0.623 23），我们可以直观地发现NBO与其实验pKa的相关性好于ESP与其实验pKa的相关性。因此，我们将采用NBO与pKa作图所得的线性回归方程（即Y=-10.13084-35. 46519×X）来预测未知取代吡啶类化合物的pKa值。

表1 计算的24种取代吡啶的氮原子相关电荷与实验pKaTable 1 The correlation charges of N atom and pKa

2.2 对比预测12 种未知取代吡啶的pKa值

用上如图3所得的较佳回归线性方程，预测了12种未知取代吡啶的 pKa值, 并与业界最流行软件 ACD-Labs 6.0 预测的值进行了比较（数据见表2所示）。通过比较发现，两种方法求得的pKa的差值在允许范围内波动。两者预测结果非常接近，最大ΔpKa小于 ± 0.07。而我们的新方法却可以精确到小数点后3位。

图2 吡啶环上N原子ESP电荷与实验pKb之间的关系Fig.2 The relation of experiment pKawith the ESP charges of the N atom

图3 吡啶环N原子的NBO电荷与实验pKb之间的关系Fig.3 The relation of experiment pKbwith the NBO charges of the N atom

电子密度ρ以及由它算出的电荷(NBO,ESP等)，其细节是反映客观存在的。当然由于采用方法的水平、基组的大小，ρ及电荷反映客观存在的精确水平是有差别的。我们进一步的研究知道，该预测方法所使用的自然原子轨道电荷 (NBO) 值与所使用的泛函和基组以及溶剂关系不大[3]。这预示着该方法可以使用分子的气相优化数据乃至颜色(见图4(a),吡啶分子的ESP-N电荷值为红色；图4(b)为吡啶分子的 NBO-N为蓝色) 来估测更加复杂分子酸碱性。这为取代吡啶的分子设计提供了便利。

图4 吡啶分子的原子电荷图示Fig.4 Atomic charge of Pyridine molecules

表2 12种未知pKb值的取代吡啶NBO及软件ACD-Labs 预测pKb值比较Table 2 Comparison of pKavalues of 12 kinds of unknown pKasubstituted pyridine obtained by the two methods

3 结 论

（1）通过 Gaussion 09W 软件，使用密度泛方法 DFT/B3LYP/3-21G，优化了 24 种吡啶及其取代吡啶分子结构，发现吡啶环 N 原子的 NBO 电荷与其实验pKa值的线性相关性较佳(Y=-10.13084-35. 46519×X，相关系数 R=-0.681 51。

（2）计算了12 个未知 pKa值取代吡啶的NBO值，代入拟合出较佳线性方程, 发现与ACD-Labs 6.0 软件预测得到的12种取代吡啶分子pKa实验值非常接近，最大偏差ΔpKa小于 ±0.07。

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图5 重时空速对转化率的影响Fig.5 Effect of WHSV on conversion

图6 重时空速对汽柴油产率的影响Fig.6 Effect of WHSV on gasoline and diesel yields

3 结 论

⑴高酸原油的催化裂化脱酸率可达99%以上，原油基属不会影响催化裂化的脱酸效果，但是会影响其催化裂化性能。

⑵石蜡基达尔原油直接催化裂化得到较高的汽油产率，但是柴油产率较低；环烷基的绥中原油重油转化率较低，但是柴油产率较高。

⑶反应温度和剂油比的改变对石蜡基的达尔原油的产物分布影响较大，而重时空速对环烷基的绥中原油的产物分布影响较大。

参考文献：

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Forecasting pKaValues of the Substituted Pyridine by Natural Atomic Orbital Charges

WANG Zhi-peng，WU Jun-yong，CHEN Dan，XU Wei-hui，GUO Ya-ni，ZHONG Ai-Guo
（College of Chemical Engineering and Pharmacy, Taizhou University, Zhejiang Taizhou 317000，China）

The density functional theory DFT B3LYP/3-21G basis set were used to optimize the molecular structure of 24 kinds of pyridine and substituted pyridine, it’s found that the natural bond orbital (NBO) charge value of N atom on the pyridine ring has good linear relativity with its experimental pKb value, generally has better fitting result than its charge value of the electrostatic potential (ESP). NBO parameters of 12 substituted pyridine compounds with unknown pKb values were calculated, and they were substituted into the fitted linear parametric equation, it was found that the computed results were very close to substituted pyridine pKavalue predicted by the popular software ACD-Labs 6.0.

Density functional theory; Substituted pyridine; Natural atomic orbitals charge; PKa

O 644.32

： A

： 1671-0460（2014）02-0162-03

浙江省大学生科技创新项目（新苗人才计划），项目号：2014326。

2014-01-05

汪志鹏（1992-），男，浙江常山人，台州学院材料化学专业，现从事计算工作。

钟爱国（1964-），男，教授，硕士，研究方向：计算化学。E-mail：zhongaiguo@tzcedu.cn。