烟碱-水分子团簇NCT-(H2O)n(n=1～3)的理论研究

2019-04-19管清梅王芳芳

阜阳师范大学学报(自然科学版) 2019年1期

管清梅，张琳，王芳芳

（1.阜阳师范学院化学与材料工程学院，安徽阜阳 236037；2.济南大学化学化工学院，山东济南 250022）

烟碱（nicotine，NCT）不仅在香烟致癌的过程中起重要作用，而且是吸烟成瘾的最主要物质。对烟碱与人体内生物大分子的相互作用，对预防和治疗癌症相关药物的开发和研制具有重要的意义，已成为当前理论和实验的研究热点之一。在正常的人体环境中，蛋白质和核酸等大分子与体内的环境水分子形成较强的分子间相互作用，使之具有特殊的生物活性。而在烟碱致病的人体内，烟碱与蛋白质的作用过程中，环境水分子也起到不可忽视的作用。因此，在分子水平上探究水分子与烟碱的相互作用具有非常重要的实际意义[1-3]。目前，对于烟碱-水体系的理论研究报道较少，本文对烟碱-水分子团簇（NCT-(H2O)n(n=1～3）进行理论计算，为研究烟碱与生物大分子在人体环境中的相互作用提供有力的理论参考。

1 计算方法

用GaussView做出烟碱、水以及（NCT-(H2O)n(n=1～3）团簇的初始构型，利用Gaussian03W 程序[4]，在B3LYP/6-311+G(d,p)水平下对其进行全优化，找到其在势能面上可能存在的稳定构型[5]。所得团簇结构均无虚频，即烟碱-水团簇均对应其势能面上的能量极小点[5]。在MP2/6-311+G(d,p)水平下对稳定构型进行能量分析，加入基组重叠校正（BSSE校正），得到分子总能量、相对能量和总结合能。

2 结果与讨论

2.1 几何结构

在B3LYP/6-311+G(d,p)水平下对烟碱单体（NCT）和烟碱-水分子团簇 NCT-(H2O)n(n=1～3)进行全优化，得到其低能几何构型。图1给出了烟碱单体低能几何结构及其全原子标号。烟碱分子是由一个吡啶环和1-甲基吡咯烷相连而成，其中吡啶环中的N原子标号为6，吡咯烷环中的N原子标号为22。NCT-(H2O)n(n=1～3)低能几何结构分别列于图2和图3中。可以看出，水分子与烟碱中的N原子之间结合紧密，形成较强烈的分子间氢键相互作用。烟碱、水单体和NCT-(H2O)n(n=1～3)团簇的部分键长参数见表1和表2[5]。

由表1可见，与烟碱单体的几何参数相比，团簇中与N6原子相关的N-C键长变化不大，在0.000 4 nm以内；与N22原子相关的N-C键长变化稍大，最大增加0.001 9 nm。与单体水相比，团簇中水分子的部分O-H键长增加明显，如团簇NCT-(H2O)1的a构型，水分子的一个O-H键长为0.098 3 nm，比单体水增长0.002 1 nm，这归根于该水分子与吡咯烷环中的N22形成了分子间较强氢键相互作用[6]，N22…HW 氢键长为 0.193 3 nm。再如团簇NCT-(H2O)2的b构型，水分子与吡咯烷环中的N22形成了分子间氢键，N22…HW氢键长为0.191 3 nm，参与该氢键的O-H键长为0.099 5 nm；同时两个水分子间也形成分子间氢键，OW…HW氢键长为0.184 5 nm，参与该氢键的O-H键长为0.097 6 nm；第二个水中的氧原子与吡咯烷环中的H18间的距离为0.248 8 nm，这样形成烟碱与两个水分子的八元环，有助于团簇结构的稳定。NCT-(H2O)3的4种稳定构型都因分子间氢键形成环状结构，参与氢键的O-H键长增长而未参与O-H键长均未发生改变。这种分子间强烈的相互作用对分子电荷以及化学键的转动具有一定的影响[5]。

图1 全优化后烟碱（NCT）的几何构型及原子标号

图2 NCT-(H2O)n(n=1,2)的低能几何构型/nm

图3 NCT-(H2O)3的低能几何构型/nm

表1 全优化的NCT-(H2O)n(n=1-2)的部分键长和氢键长/nm

2.2 原子电荷

烟碱和水分子形成团簇过程中不仅几何参数发生变化，同时各原子所带电荷也发生重排[7-8]。全优化烟碱、水单体及NCT-(H2O)n(n=1～3）的部分原子电荷列于表3和表4。表中给出的部分原子电荷与单体相差较大，如C11、部分的N6和N22以及水中氧、氢原子。如表3NCT-(H2O)2团簇的三种结构中C11的电荷分别为-0.390 e，-0.279 e和-0.707 e，比单体中C11都有较大的增大或减小；N22的电荷分别为-0.169 e，-0.232 e和-0.007e，比单体中N22的-0.004 e更负；而团簇中氧原子电荷比单体水更负，分别为-0.592 e，-0.630 e，-0.652 e，-0.552 e，-0.615 e 和-0.602 e。同时部分水中的氢原子电荷比单体水中更正。经分析这些原子大多位于烟碱与水分子结合部位以及吡咯烷环与吡啶环的连接部位。表中数据说明，烟碱与水分子形成团簇时分子中的原子电荷进行了重新排布，即发生了极化。极化产生的原因是烟碱与水分子间以及水分子之间形成了较强烈的分子间氢键，使得（NCT-(H2O)n(n=1～3）团簇的能量更低，结构更稳定。

表2 全优化的NCT-(H2O)n(n=3)的部分键长和氢键长/nm

2.3 偶极矩

偶极矩是衡量分子电荷布居的重要物理量，可用来判断分子的空间构型。分子的偶极矩越大，表示分子的极性越大，分子的对称性就越小[5-8]。表5中给出了团簇（NCT-(H2O)n(n=1～3）低能几何构型的偶极矩。对比NCT单体的偶极矩2.719 D，各烟碱-水分子团簇的偶极矩有增有减，说明水分子加入后团簇的对称性变化不一。对于NCT-(H2O)1，a构型偶极矩为2.529 D，小于单体NCT，对称性增强；而b构型偶极矩为5.382 D，对称性有明显的降低。从图2中也明显可以看出，a构型中水分子与吡咯烷环中的N22形成氢键相互作用，使得团簇的对称性增强；而b构型中，吡啶环中的N6与水形成分子间氢键，对称性降低。同样，从表5中数据可见，对于NCT-(H2O)2三种构型的偶极矩顺序为b＜c＜a，其中b的偶极矩最小，为1.357 D，极性最小。这是因为b构型中吡咯烷环中的N22与水形成氢键相互作用，而两个水之间也形成分子间氢键[8]，并与吡咯烷中的H18形成环状结构，使团簇的对称性增强。NCT-(H2O)3团簇的4种构型的偶极矩顺序为的d＜c＜a＜b，d构型的偶极矩最小为0.778 D。这是因为吡咯烷环中的N22原子与三个水分子依次“手拉手”通过分子间氢键形成环状结构，体系对称性增强[9]。

表3 全优化的烟碱、水单体以及NCT-(H2O)n(n=1，2)的部分原子电荷分布/e

表4 全优化的烟碱、水单体以及NCT-(H2O)3的部分原子电荷分布/e

2.4 能量分析

在MP2/6-311+G(d,p)//B3LYP/6-311+G(d,p)水平下，进行BSSE校正，计算得到NCT-(H2O)n(n=1～3）低能构型的总能量，相对能量和总结合能，列于表6中。从表6中数据可以看出，对于NCT-(H2O)1团簇总能量 a＜b，二者相差 8.93 kJ·mol-1；NCT-(H2O)2团簇的总能量顺序为 b＜c＜a；NCT-(H2O)3团簇的总能量顺序为 d＜b＜a＜c；均与结合能大小顺序一致。实验结果证明，团簇的总能量越低，结合能越大，团簇越稳定[8-10]。NCT-(H2O)1团簇，a构型稳定，结合能为-33.93 kJ·mol-1；NCT-(H2O)2团簇，b 构型最稳定，结合能为-70.34 kJ·mol-1；而 NCT-(H2O)3团簇，d 构型最稳定，结合能为-107.24 kJ·mol-1。NCT-(H2O)n(n=1～3）低能构型的结合能均为负值且随水分子数目的增多而增大；说明烟碱分子与水分子结合过程中均释放出一定能量，使体系总能量降低，更稳定，这是因为烟碱与水分子以及水分子之间形成较强烈的分子间氢键相互作用[7-9]，并且形成环状氢键的团簇结合能更大。

3 小结

在MP2/6-311+G(d,p)//B3LYP/6-311+G(d,p)水平下，对烟碱、水分子和NCT-(H2O)n(n=1～3）团簇进行理论计算，得到NCT-(H2O)n(n=1～3）团簇的9种低能稳定构型。从团簇结构和能量两方面探讨烟碱与水分子的相互作用，得到各构型的原子电荷布居、偶极矩、总能量、相对能量和总结合能。结果表明，烟碱与水分子形成强烈的分子间氢键相互作用，更易形成环状氢键结构，使分子电荷重排，对称性改变，并且形成环状氢键的团簇结合能更大。从总能量和结合能分析，团簇中NCT-(H2O)1a、NCT-(H2O)2b和 NCT-(H2O)3d分别为最稳定构型。