密度泛函理论方法研究铝-麦芽酚配合物的形态结构与水交换反应

张婧，董绍楠，侯晓霞，毕树平

南京大学化学化工学院，南京 210023

密度泛函理论方法研究铝-麦芽酚配合物的形态结构与水交换反应

张婧，董绍楠，侯晓霞，毕树平*

南京大学化学化工学院，南京 210023

铝-麦芽酚配合物；密度泛函理论；铝形态结构；水交换反应；致毒机制

Received14 January 2017accepted31 May 2017

Keywords: aluminium(III)-maltolate complexes; density functional theory (DFT); the structures and speciation of aluminium; water-exchange reaction; toxicity mechanism

铝具有很强的神经毒性，被认为是导致阿尔兹海默病等神经退行性疾病的重要因素之一，其毒性大小与铝化合物的种类及形态有关[1]。麦芽酚(maltolate，简写为ma)是一种广泛用于食品添加剂的天然产物[2]，易与水溶液中Al3+结合生成具有水溶性和脂溶性的电中性配合物[3]。铝-麦芽酚配合物在不同配比、pH等环境因素下具有多种形态，而Al3+的毒性与铝-麦芽酚配合物的赋存形态密切相关。麦芽酚配体增强了Al3+的膜通透性，进而提高了Al3+的生理活性和生物利用度[3]。Al3+进入细胞内作用于神经元、神经胶质细胞和DNA磷酸基团[3]等位点进而造成神经损伤[4]。国内外课题组[4-9]主要采用核磁共振、红外光谱、紫外光谱和质谱等实验方法对铝-麦芽酚体系进行研究，但由于现有实验条件的自身限制、准确解析和归属光谱的难度以及无法准确检测低浓度化合物的现状，使得这些研究难以区分铝-麦芽酚配合物的不同形态结构以及准确判断反应活性位点。量子化学计算方法为解决这一难题提供了新的思路[10]。本文采用密度泛函理论计算方法对铝-麦芽酚体系进行系统研究，主要工作从静态结构、动态水交换反应和不同铝形态与致毒机制的关联探讨3个方面进行：(1) 在超分子-极化连续(GP-SM-PCM)模型下优化铝-麦芽酚配合物静态结构得到键长、键角、NPA电荷和能量等参数，计算得到Al(ma)3配合物4种异构体的核磁共振、紫外和红外等光谱学数据并与文献实验值比较；(2) 模拟1∶1和1∶2铝-麦芽酚配合物各种可能位点的水交换反应，通过计算得到的相关结构-能量参数预测不同构型各位点的水交换速率，并与文献报道的实验值进行对比；(3) 探讨铝-麦芽酚配合物不同形态与转化以及水交换反应速率与Al3+生物有效性的关系和致毒机制。

1 原理与计算方法(Theory and calculation methods)

所有计算在Gaussian 03程序包中运行。所有结构均采用密度泛函理论(DFT)在B3LYP/6-311+G(d,p)基组水平下进行优化及频率计算。原子电荷由自然布居分析(NPA)得到，单点能采用MP2方法在相同基组水平下进行计算[10]。本文中所有构型的优化、频率和单点能计算均在0 K下进行，热力学计算在298.15 K和1 atm下进行。

图1 铝-麦芽酚配合物的10种可能静态构型Fig. 1 Ten possible static configurations of the Al-maltolate complexes

2 结果与讨论(Results and discussion)

2.1 铝-麦芽酚配合物的静态结构

图2为优化得到的1∶1、1∶2和1∶3铝-麦芽酚配合物10种静态构型。以赤道面左下角O原子为起点，逆时针编号1-4，赤道面上方O原子为编号5，下方O原子编号为6。计算所得的键长、键角、NPA电荷和能量等参数见表1，Al(ma)3配合物4种异构体的NMR、UV-vis、IR等数据和谱图分别见表2和3及图3和4。

(1)结构特征。以相同模型方法基组下优化得到的Al(H2O)63+团簇(Nm=12)为本底(Al-OH2键长1.916 Å)，铝-麦芽酚1∶1配合物的平均Al-OH2键长(1.923 Å)稍有拉长，其中配体邻位Al-OH2键长为1.947 Å，对位平均键长为1.899 Å，表明麦芽酚配体增加了邻位水分子的不稳定性，同时稳定了对位水分子。1∶2配合物3个cis结构的Al-OH2键长(1.906～1.914 Å)与本底Al-OH2键长相差不大，分析可能原因为配体对其邻位活化与对位钝化效应相互抵消。1∶2配合物2个trans结构的Al-OH2键长(1.946～1.948 Å)和Al(H2O)63+团簇的Al-OH2键长(1.916 Å)相比明显增加，说明配体的加入一定程度上增强了配位水分子反应活性，分析原因为配体的邻位活化效应。由于Al(ma)3具有水溶性[3]，故外层添加的6个水分子稳定在第二水化层并且与配位O原子形成氢键，4个构型的平均Al-O键长在1.934～1.939 Å之间，与Al(H2O)63+团簇相比增加了0.02 Å左右。通过分析1∶1、1∶2和1∶3铝-麦芽酚配合物不同形态结构的3个特征键角，发现所有形态均为六配位，其中赤道键角∠O1-Al-O2与∠O1-Al-O3在90°和175°左右，轴向键角∠O5-Al-O6在175°左右，构型为变形八面体。

(2)NPA电荷特征。如表1所示，随着配体数目的增加，铝-麦芽酚配合物的中心Al原子上正电荷逐渐减小(1.938 e→1.932 e→1.919 e)，其中trans构型的1∶2配合物比1∶1配合物减少了0.01 e，1∶3构型比1∶1构型减少了0.019 e。分析原因可能为，随着配体的加入体系形成了更大的共轭体系导致电荷进一步分散。

图2 铝-麦芽酚配合物优化得到的10种静态构型Fig. 2 The ten optimized static configurations of Al-maltolate complexes

表1 铝-麦芽酚配合物10种静态构型的结构、NPA电荷和能量参数Table 1 Structural parameters, NPA charges and energies for ten static configurations of Al-maltolate complexes

注：∠O1-Al-O2和∠O1-Al-O3为赤道键角；∠O5-Al-O6为轴向键角；a铝与螯合O的平均键长；b铝与配体麦芽酚中4-吡喃酮O的(平均)键长；c铝与麦芽酚中3-羟基O的(平均)键长；dAl-OH2平均键长；eAl-OH2(cis)的平均键长；fAl-OH2(trans)的平均键长；g螯合O的平均NPA电荷；h4-吡喃酮O的(平均)NPA电荷；i3-羟基O的(平均)NPA电荷；j配位H2O中O的平均NPA电荷。

Note: ∠O1-Al-O2and ∠O1-Al-O3are the equatorial bond angles; ∠O5-Al-O6is the axial bond angle;athe average Al-O bond length between Al and chelated O;bthe (average) Al-O bond length between Al and 4-pyronate O;cthe (average) Al-O bond length between Al and 3-oxy O;dthe average Al-OH2bond length;ethe average Al-OH2(cis) bond length;fthe average Al-OH2(trans) bond length;gthe average NPA charge of chelated O;hthe (average) NPA charge of 4-pyronate O;ithe (average) NPA charge of 3-oxy O;jthe average NPA charge of O in H2O.

图3 Al(ma)3配合物在水溶液中的紫外吸收光谱图Fig. 3 The UV spectrums of Al(ma)3 complexes in aqueous solution

(4)光谱学特征。由表2中27Al NMR和1H NMR数据可以看出，计算得到的化学位移与实验值基本一致，说明GP-SM-PCM模型适合用于处理铝-麦芽酚配合物体系。如表3以及图3所示，Al(ma)3的4种同分异构体计算得到的紫外最大吸收波长～ 300 nm，与实验值305 nm相符。根据图4所示红外光谱图，选取特征Al-O振动、配体环中C=C振动以及C-H振动进行对比，以Λ-fac-Al(ma)3为例，文献中Al-O最强振动发生在410 cm-1和445 cm-1处，理论计算得到的Al-O振动主要在423～462 cm-1之间，两者基本相符。

表2 1∶3铝-麦芽酚配合物的27Al NMR和1H NMR计算结果aTable 2 27Al NMR and 1H NMR shielding constants and chemical shifts (ppm) of Al(ma)3 a

注：a 27Al的Al(H2O)63+参比屏蔽常数为572.6 ppm (δ = 0 ppm)，1H的四甲基硅烷(TMS)参比屏蔽常数为32.0 ppm(δ = 0 ppm)；b实验中得到的27Al NMR数据无法区分4种异构体；c甲基中的H原子；d4-吡喃O相邻C原子上键合的H原子；e3-羰基O对位的C原子上键合的H原子。

Note:aReference shielding constants of Al(H2O)63+and tetramethyl silane (TMS) are 572.6 ppm (δ = 0 ppm) and 32.0 ppm (δ = 0 ppm) respectively;bThe isomers of Al(ma)3cannot be distinguished in the experiments;cH atom in the methyl group;dH atom is bonded to the C atom which is next to 4-pyronate oxygen;eH atom is in the para-position to 3-oxy oxygen.

表3 1∶3铝-麦芽酚配合物的紫外和红外计算结果Table 3 The calculated ultraviolet spectral data and infrared absorptions of Al(ma)3

注：a文献[8]中检测紫外光谱时溶剂为饱和正辛醇的水溶液；b吸光度ε的单位为(mol·L-1)-1·cm-1。

Note:aThe solvent is water saturated with n-octanol for UV in reference [8];bthe unit for ε is (mol·L-1)-1·cm-1.

图4 Al(ma)3配合物的红外光谱图Fig. 4 The IR spectrums of Al(ma)3 complexes

2.2 铝-麦芽酚配合物的水交换反应

表4 1∶1/1∶2铝-麦芽酚配合物水交换反应的结构参数(Å)Table 4 Structural parameters for the water-exchange reaction of 1:1/1:2 Al-maltolate complexes (Å)

注：aAl与配位水中O原子的键长；bAl与离去水中O原子的键长；cAl与配位水中O原子的平均键长；dAl与配体麦芽酚中4-吡喃酮O (表示为Op)的(平均)键长；eAl与配体麦芽酚中3-羟基O (表示为Oo)的(平均)键长；fAl-O键长总和；g△Σ(Al-Ligand) = Σ(Al-Ligand)transition state- Σ(Al-Ligand)reactant。

Note:aThe Al-O bond length between Al and the O atom of coordinated water molecules;bthe Al-O bond length between Al and the O atom of leaving water molecule;cthe average Al-OH2bond length;dthe (average) Al-O bond length between Al and 4-pyronate O (Op);ethe (average) Al-O bond length between Al and 3-oxy O (Oo);fthe sum of Al-O bond length;g△Σ(Al-Ligand) = Σ(Al-Ligand)transition state- Σ(Al-Ligand)reactant.

以铝-麦芽酚配合物1∶1构型离去水位于配体邻位(cis to ma)的水交换反应为例，反应物中离去水和中心Al原子的距离为2.040 Å，轴向键角∠O4-Al1-O5为175.7°，赤道键角∠O2-Al1-O3与∠O2-Al1-O6分别为174.9°和87.0°，为一具有八面体结构的六配位化合物。随着水交换反应的进行，水分子逐渐离去到达过渡态，此时Al-OL距离为2.815 Å，且该水分子上O原子与另一配位水分子上H原子形成氢键(1.961 Å)，虚频(-85.25 cm-1)下离去水分子在第一和第二水化层之间振动，水交换反应过程中轴向键角∠O4-Al1-O5基本不变化(175.7°→174.5°)，赤道键角∠O2-Al1-O3明显减小(174.9°→147.9°)，此时过渡态构型倾向于三角双锥结构。之后离去水分子进一步远离Al离子进入第二水化层形成五配位产物(Al-OL距离为3.872 Å)，此时轴向键角∠O4-Al1-O5变化很小(174.5°→173.9°)，赤道键角∠O2-Al1-O3与∠O2-Al1-O6分别变为117.7°和111.8°，产物为具有三角双锥结构的五配位配合物。8条水交换反应路径(A→H)的Δ∑(Al-Ligand)均为正值，说明铝-麦芽酚配合物1∶1/1∶2构型的水交换反应均属于解离活化机制[14]。

图5 1∶1/1∶2铝-麦芽酚配合物水交换反应过渡态构型图(离去水以白色标记)Fig. 5 The optimized transition state of the water exchange reaction for 1:1 and 1:2 Al-maltolate complexes (The leaving water molecules are white)

表5 1∶1/1∶2铝-麦芽酚配合物水交换反应的活化和反应能量参数Table 5 The active and reaction energies for the water-exchange reaction of 1:1/1:2 Al-maltolate complexes

表6 3种方法预测铝-麦芽酚配合物的水交换反应速率logkex (s-1)Table 6 The predicted log kex (s-1) of Al-maltolate complexes by three methods

2.3 铝-麦芽酚配合物毒性与其形态结构之间关系的机理分析

致谢：本文的数值计算在南京大学高性能计算中心的IBM刀片式集群机上完成。

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◆

InvestigationoftheConfigurationCharacteristicsandWater-ExchangeReactionsofAluminium(III)-MaltolateComplexesbyDensityFunctionalTheory

Zhang Jing, Dong Shaonan, Hou Xiaoxia, Bi Shuping*

School of Chemistry and Chemical Engineering, Nanjing University, Nanjing 210023, China

10.7524/AJE.1673-5897.20170114005

2017-01-14录用日期2017-05-31

1673-5897(2017)3-261-12

X171.5

A

毕树平(1961-)，男，分析化学博士，教授，博士生导师，主要从事环境分析化学和环境表界面电化学研究。

国家自然科学基金(No.21177054)

张婧(1991-)，女，硕士研究生，研究方向为环境分析化学，E-mail: april_91@126.com;

*通讯作者(Corresponding author)， E-mail: bisp@nju.edu.cn

张婧, 董绍楠, 侯晓霞, 等. 密度泛函理论方法研究铝-麦芽酚配合物的形态结构与水交换反应[J]. 生态毒理学报，2017, 12(3): 261-272

Zhang J, Dong S N, Hou X X, et al. Investigation of the configuration characteristics and water- exchange reactions of aluminium(III)-maltolate complexes by density functional theory [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2017, 12(3): 261-272 (in Chinese)