表面活性剂十八烷基磺酸钠的Multiwfn研究*

张文馨，严 新，王清清，张齐齐，褚玉婷，陈 煜

(1 盐城工学院，江苏 盐城 224051；2 南通市食品药品监督检验中心，江苏 南通 226000)

1 十八烷基磺酸钠的简介

图1 十八烷基磺酸钠的分子结构Fig.1 Thestructure of Sodium octadecyl sulfonate

十八烷基磺酸钠是一种阳离子表面活性剂。分子式为C18H37NaO3S，分子量356.54，CAS号：13893-34-0。蒙脱石是一种粘土矿物常被用于重金属离子和有机污染物的吸附。科学家研究表明，经表面活性剂改性的蒙脱石，其吸附有机物的吸附量明显高于未改性的蒙脱石[1-3]。本文采用量子化学计算方法，在Gaussian程序[4]中对十八烷基磺酸钠进行结构优化，并通过Multiwfn程序[5]进行波函数分析。本文对十八烷基磺酸钠分子进行了原子电荷分析、静电势分析、盆分析、平均局部离子化能分析和电子定位函数分析，有助于大家更熟悉十八烷基磺酸钠的分子结构并找到其活性位点，为合成新型有效的吸附材料提供理论指导。

2 十八烷基磺酸钠分子的微观分析

2.1 Mulliken电荷分析

采用Gaussian 09 软件，在B3LYP/6-31G*基础上[6]对十八烷基磺酸钠分子进行结构优化，在输出文件中得到各个原子的Mulliken 电荷，其数据见表1。从表1中我们可以看出，磺酸基团上三个氧原子(O57、O58和O59)带较多的负电荷,分别是-0.47、-0.38和-0.38 hartree，说明磺酸基上的氧原子容易发生亲核反应。除此之外，甲基上的碳原子(C1)带正电荷(0.44hartree)，亚甲基上C原子所带负电荷相差不大，基本在-0.25 hartree附近，靠近磺酸基团的亚甲基上C原子(C53)带较多的负电荷(-0.49hartree)。这是因为磺酸基团吸电子能力较强，所以靠近磺酸基团的亚甲基上C原子带较多负电荷。Na离子应该带一个单位的正电荷，但因为磺酸基团的影响，导致Na上带少量负电荷。

表1 十八烷基磺酸钠分子中各个原子(除氢原子外)的电荷Table 1 Charge of each atom (except hydrogen) in Sodium octadecyl sulfonate (hartree)

2.2 静电势分析

图2 十八烷基磺酸钠分子的静电势图Fig.2 The electrostatic diagram potential of Sodium octadecyl sulfonate

图3 十八烷基磺酸钠分子静电势在不同区间的分布Fig.3 Distribution of the electrostatic potential of Sodium octadecyl sulfonates in different intervals

静电势是指将单位正电荷从无穷远处移到分子周围空间某点处所做的功，将Gaussian程序计算后得到的十八烷基磺酸钠的fch文件载入Multiwfn程序进行静电势分析，输入主功能12，再通过计算得到十八烷基磺酸钠分子表面的静电势，将计算结果在VMD程序中显示[7]，其中颜色越深的区域越正或越负，白色的区域表示静电势在0附近[8]。从图2中可以看出，在硫原子附近出现极大值，且静电势数值达到33.58 kcal/mol，这是因为氧原子半径小，其电负性大于硫原子，导致硫原子静电势为正。而氧原子附近静电势出现极小值。另外碳链部分的静电势基本在零附近。图3显示不同静电势大小所占分子表面的面积，静电势主要分布在0～10 kcal/mol的区间里，说明分子表面静电势主要是正值，更容易发生亲电反应。

2.3 十八烷基磺酸钠分子静电势盆分析

使用Multiwfn程序的主功能17可以对十八烷基磺酸钠分子进行静电势盆分析，首先输入主功能17，再输入1生成盆获得极值点，再输入静电势功能12，开始对十八烷基磺酸钠分子进行静电势的盆分析计算，最后得到图4。从图4中可以看出，静电势分布在磺酸基团基附近，且集中在SO3Na附近，说明SO3Na上氧原子电子更易给出，容易与有机污染物发生反应。

图4 十八烷基磺酸钠分子的静电势盆分析Fig.4 Electrostatic potential basin analysis of Sodium octadecyl sulfonate

2.4 十八烷基磺酸钠分子的平均局部离子化能(ALIE)分析

平均局部离子化能(ALIE)是一个对于考察分子亲电反应位点、活性非常有用的量。在分子表面上，ALIE越小处，由于电子束缚得越弱，或者说电子活性越强，就越容易发生亲电及自由基反应。通过定量分子表面分析算法，找出分子表面上ALIE最小的几个点，就能判断哪些原子最可能是反应活性位点[9]。从图4中可以看出，S-ONa附近平均局部离子化能比较小，电子容易给出，碳链上碳原子的平均局部离子化能数值在10 eV左右，另外两个S=O上的氧原子的平均离子局域化能较大，大约在11.71 eV左右，电子不易给出，易给出电子的是S-ONa上的电子。

图5 十八烷基磺酸钠分子的ALIE图Fig.5 The ALIE diagram of Sodium octadecyl sulfonate

2.5 十八烷基磺酸钠分子的电子定位函数(ELF)图分析

在Multiwfn程序中输入主功能4绘制平面图，再输入功能9绘制电子定位函数(ELF)图。通过研究磺酸基团电子定位函数ELF图，从图6中可以看出，磺酸基团中S-O59的离域化程度大于S-O57，说明S-O单键上的氧的活性大于S=O双键上的氧原子。

在延续性护理之后进行肢体运动功能的评分，总分为100分，得分60分到100分判定为恢复很好，得分40分到60分判定为恢复效果一般，得分40分以下判定为恢复效果不好，本次研究中的治疗效果采用很好+一般的形式计算[4]。

图6 十八烷基磺酸钠分子的ELF图Fig.6 The ELF diagram of Sodium octadecyl sulfonate

3 结 论

通过对十八烷基磺酸钠分子的电荷分析、静电势分析、盆分析、平均局部离子化能(ALIE)分析和电子定位函数(ELF)分析，发现磺酸基团上氧原子带较多的负电荷，硫原子静电势为正，氧原子静电势为负，中间亚甲基的静电势在零左右。通过平均离子局域化能分析发现S-ONa上的电子容易给出，且EIF图表明S-ONa上的氧原子活性强，容易与有机污染物相互作用。