有机铜抗菌聚酯材料的设计及理论研究

张建飞，李晓军，余三川，王平，谢克锋，3

(1.甘肃省教育考试院，兰州 730010；2.宁波三邦超细纤维有限公司，浙江宁波 315000；3.兰州交通大学化学化工学院，兰州 730070)

为了减小细菌和真菌对人们健康的危害，抗菌纺织品开发对提高人们健康水平至关重要。目前使用较广的无机抗菌纤维是将银、铜、锌及它们的化合物作为抗菌剂，通过原位聚合、熔融共混纺丝和表面吸附改性等加工方法将抗菌剂添加到纤维中，从而制备出抗菌纤维[1]。银离子具有优良的抗菌性能，但是纳米银及银离子存在潜在的危险因素，2014年美国自然资源保护委员会开始限制纳米银在纺织品中的使用[2]。而另一种具有抗菌活性的金属离子——铜离子不会与人体中物质形成难容的沉淀，从而使多余铜离子可以通过新陈代谢排出体外[3]。铜离子杀菌是由于铜离子能够阻断腺嘌呤核苷三磷酸(ATP)的生成，从而破坏DNA的复制，同时铜离子产生的活性氧自由基可以破坏细菌的结构，从而抑制了细菌和真菌的繁殖[4]。

铜元素抗菌剂由于具有较低的成本和较好的抗菌性能，近年来越来越受到业界重视。Cady[5]通过静电涂层技术在棉织物上涂覆5 nm的铜纳米粒子薄膜使其具有高效的抗菌性能。通过引入柠檬酸，可有效地保护织物表面的纳米铜颗粒[6]。通过壳聚糖溶液氧化还原法可制备氧化铜/壳聚糖纳米复合材料[7]。Xu等[8]使用巯基乙酸作为粘结剂，使巯基乙酸与棉纤维表面的羟基通过酯化反应与棉织物共价连接，并通过配位键使纳米铜粒子固定在棉织物上。Xu等[9]还将L-半胱氨酸作为粘结剂应用在纳米铜颗粒抗菌整理中。陈丹等[10]以水合肼还原CuCl2制备纳米铜粒子。张文凤等[11]同样以水合肼还原CuCl2，用羧甲基壳聚糖和聚乙烯比咯烷酮修饰制备了花状纳米铜。Zhang等[12]制备了纳米铜改性聚丙烯腈纤维。

目前在市场上，美国卡普诺公司开发Cupron铜基抗菌纤维具有优异的抗菌效果，其是在纤维中通过共混纺丝加入氧化铜而制得[13]。聚对苯二甲酸乙二酯(PET)纤维由于没有侧链，一般情况下不能进行接枝改性来负载铜抗菌剂，大多通过与抗菌剂共混而制备抗菌纤维。为此，笔者设计了一系列与PET聚合单体(对苯二甲酸、乙二醇)结构相似及支链长度和官能团不同的有机铜抗菌剂分子，设计的有机铜抗菌剂结构由有机支链和螯合基团两部分组成：有机支链起到增加抗菌剂在PET纤维相容性的作用；螯合基团可以选用羧基、羟基、氨基和巯基等，螯合基团可以与铜离子形成螯合物，提高铜离子在纤维中的抗菌耐久性，并且可以调控铜离子的电荷，使铜离子带有更多的正电荷，增加其抗菌活性。利用分子动力学模拟研究有机铜抗菌剂在纤维中的相容性，并研究有机铜分子的官能团、取代基和分子结构对其在纤维中相容性影响的关键因素，进而在理论上筛选出稳定性好和与PET相容性好的有机铜抗菌剂分子，从而为实验室有机铜抗菌剂分子的开发提供指导。

1 计算方法

1.1 密度泛函方法

首先通过密度泛函方法优化所设计分子的结构，并计算其最优结构的键长、偶极矩及Mulliken电荷。密度泛函理论的计算是用Materials Studio软件中Dmol3模块完成的，采用的泛函为GGA，交互函数为BLYP[14-15]，基组为DNP。自洽场计算采用自旋极化的Kohn-Sham方程，在结构优化方面采用自旋多重性弛豫。结构优化采用全结构优化，没有任何分子对称性限制。能量、力和位移的收敛标准分别为1×10-5Ha，0.01 Ha/nm，和0.005 nm。

1.2 分子动力方法

采用分子动力学方法研究所设计的有机铜抗菌剂在PET纤维中的分散性。分子动力学模拟根据力、加速度以及质量三者之间的关系(即牛顿第二定律)研究整个体系内部原子的运动轨迹，通过每个原子的速度等物理量统计物理规律，得到压力、温度等宏观的物理量。分子动力学计算是用Materials Studio软件中Forcite模块完成的，采用的力场为COMPASS，系综为微正则系综(NVE)。

2 结果与讨论

2.1 有机铜抗菌剂稳定结构研究

设计了一系列有机铜抗菌剂分子，图1所示为PET结构单元和有机铜抗菌剂分子的结构。有机铜分子通过二元羧基、酚羟基、巯基和氨基与二价铜离子螯合配位来提高有机铜抗菌剂的热稳定性。结构PET-U为PET基本单元，由对苯二甲酸和乙二醇缩聚而成。根据相似相溶原理，设计了结构式为Cu-Ⅰ～Cu-ⅠV的4类有机铜抗菌剂，其支链杂原子X分别为O和N，总共设计了8种有机铜抗菌剂。

图1 PET结构单元和有机铜抗菌剂分子结构式(X选取为O，N)

通过密度泛函的方法计算所设计抗菌剂的最优结构，结果如图2所示。螯合物形成了张力较小的七元环和五元环结构。所有设计的抗菌剂与二价铜离子螯合均能形成螯合物结构，与二价铜离子所形成的配位键键长均在相应的键长范围之内，表明形成了牢固的配位键，进一步说明所设计有机铜抗菌剂具有稳定的结构。设计的支链呈锯齿状伸展，与PET具有相似的结构，可提高抗菌剂在PET中的分散性。

图2 PET结构单元和有机铜抗菌剂分子最优结构

表1为PET-U及设计的有机铜抗菌剂的分子长度、极性(偶极矩)、Cu离子的Mulliken电荷(QCu)和Cu与其配位杂原子(O，N，S)的键长(Cu-Y)。有机铜抗菌剂能否与PET相容，最主要的参数是分子极性，具有接近的极性，才能相容。结构表明邻苯二甲酸铜类(Cu-Ⅰ-O和Cu-Ⅰ-N)与PET基本单元的极性最接近，因而它们具有最好的相容性，这从表1中也可得到证明。二元酚羟基、巯基和氨基与二价铜离子螯合物(结构Cu-Ⅰ～Cu-ⅠV)的极性逐渐减少。这是因为它们的官能团分别是—O，—S和—NH，吸电子能力逐渐减弱，相应的电荷分离程度减弱，极性减小。邻苯二甲酸铜类中羧酸根具有最强的吸电子能力，从而极性最强。基于相似相溶原理，邻苯二甲酸铜类在PET中具有最好的相容性。

表1 有机铜抗菌剂分子特征参数

铜离子杀菌是由于铜离子能够阻断ATP的生成，从而破坏DNA的复制，同时铜离子产生的活性氧自由基可以破坏细菌的结构，从而抑制了细菌和真菌的繁殖。铜离子的氧化性越强，抗菌能力越强。二价铜离子与官能团配位过程中，官能团杂元素p轨道电子与Cu空的d轨道形成配位键，电子从杂原子转到铜原子，从而使Cu所带净电荷减少。表1列出设计的有机铜抗菌剂中Cu原子的QCu，即其所带的净电荷。由表1可以看出，有机铜抗菌剂Cu-Ⅰ～Cu-ⅠV中Cu原子的QCu依次减少，这是源于与Cu配位杂原子的影响，杂原子给电子能力越强，Cu原子的QCu越小，氧化性越低，抗菌性能越小。邻苯二甲酸铜类的Cu原子的QCu最大，说明其具有最好的抗菌活性。因此，邻苯二甲酸铜可作为PET潜在的高活性抗菌剂。

2.2 有机铜抗菌剂前线轨道研究

为了探索有机铜抗菌剂的稳定性，对其前线轨道进行了计算，分别计算最高占有轨道(HOMO)和最低未占轨道(LUMO)。受到能量的激发，电子可以从HOMO跃迁到LUMO，从而使分子进入高能量状态，降低了其稳定性。HOMO-LUMO能级差越小，电子越容易跃迁。一般电子通过吸收光子发生跃迁，从而在光照情况下，越不稳定。图3为有机铜抗菌剂分子前线轨道的分子轨道图。从图3可以看出HOMO和LUMO这两个分子轨道均主要分布在苯环及其相连的取代基周围，若受到光的激发，更加容易发生电子跃迁。表2同时列出HOMO及LUMO能级对应的能量，HOMO-LUMO能级差以及对应的吸收波长。由表2可看出，邻苯二甲酸铜的能级差为3.52～3.56 eV，对应的吸收波长为288～291 nm，吸收波长分布在紫外区。邻苯二甲酸铜在可见光区域不会发生电子跃迁，因而在可见光照射下具有很好的稳定性，不会发生降解。而抗菌剂Cu-ⅠⅠ和Cu-ⅠV两类对应的吸收波长分布在545～585 nm，对应为可见光区域，因而这两类抗菌剂在光照下会发生分解，稳定性较差。抗菌剂Cu-ⅠⅠⅠ对应的吸收波长分布在5 120～5 689 nm，为红外区域，由于其带隙更窄，所有电子也越容易跃迁，稳定性较差。从有机铜抗菌剂分子前线轨道能量计算结果表明，邻苯二甲酸铜类具有最好的光敏稳定性，可以作为潜在的抗菌剂应用于PET中。

图3 有机铜抗菌剂分子前线轨道

表2 有机铜抗菌剂分子前线轨道能量

2.3 有机铜抗菌剂热稳定性理论研究

有机铜抗菌剂需通过与PET共混熔融纺丝添加到PET纤维中。一般PET纺丝的温度为280～290℃。纺丝温度较高，绝大多数的有机化合物在此温度条件下会发生热分解，故笔者进而设计螯合物来提高抗菌剂稳定性，并通过分子动力学研究抗菌剂在573 K(300℃)的热稳定性。通过分子动力学模拟有机铜抗菌剂在573 K下运动10 ps后的结构如图4所示。由图4可以看出，相比于图2中有机铜抗菌剂分子最优结构，573 K下的结构发生了支链的弯曲，苯环区域结构基本保持不变，Cu离子配位键没有发生破坏。表3列出了有机铜抗菌剂分子在0 K和573 K下的Cu与杂原子(Cu-Y)之间的键长。与最优结构(0 K)相比，其键长在573 K时略微生长(0.01～0.02 nm)，但是还保持在生成的化学键的范围，结构没有发生解体。分子动力学结果表明，所设计的有机铜抗菌剂在573 K下均不会发生分解，只发生了支链的弯曲和化学键伸长。这是由于在较高的温度条件下，分子热运动增加，结构发生了一些键角和键长的变化，但是其化学结构没有发生破坏。因而，所设计的有机铜抗菌剂在573 K(300℃)下的理论热稳定性较好。

图4 有机铜抗菌剂573 K条件下10 ps分子动力学结构

表3 有机铜抗菌剂分子在0 K和573 K温度下的Cu-Y键长nm

2.4 有机铜抗菌剂在PET纤维中相容性分子动力学研究

通过分子动力学方法研究了有机铜抗菌剂在PET材料中的分散行为，通过模拟结果，计算了其形成能和内聚能密度。形成能Ec计算公式如式(1)所示。

式(1)中，Emix，EPET和ECu分别为有机铜抗菌剂分子和PET混合能量、PET和有机铜分子各自的能量。形成能负值越低，表示两者混合过程中放热越多，从而越容易相容。

内聚能密度是单位体积内1 mol凝聚体为克服分子间作用力汽化时所需要的能量，是评价分子间作用力大小的一个物理量，主要反映基团间的相互作用。一般来说，分子中所含基团的极性越大，分子间的作用力就越大，则相应的内聚能密度就越大，反之亦然。在高分子混合体系中，内聚能密度与其溶解度成正比。内聚能密度C计算公式如式(2)所示。

式中：Hv——摩尔蒸发热；

RT——汽化时所做的膨胀功；

Vm——摩尔体积。

表4列出设计的有机铜抗菌剂分子在PET的形成能及内聚能密度。表4计算结果表明邻苯二甲酸铜类(抗菌剂Cu-Ⅰ)具有最低的形成能负值和最大的内聚能密度。说明邻苯二甲酸铜在PET中具有最好的相容性。此结果与极性相似相溶结果一致。抗菌剂Cu-ⅠⅠ～Cu-ⅠV在PET中形成能负值较大，内聚能密度较小，相容性较差。

表4 有机铜抗菌剂分子在PET的形成能及内聚能密度

图5给出了邻苯二甲酸铜(图5c和图5d中的蓝色分子)在PET中298 K条件下10 ps分子动力学结果。图5a为其动力学温度随时间变化曲线，可以看出在298 K条件下1 ps以后，动力学温度随时间变化曲线的变化趋势减弱，趋于恒定。图5b为其动力学能量随时间变化曲线，动力学能量包括总能量及其分项，分项能量包括动力、势能和非键作用能三部分。图5b结果表明在模拟过程动力学变化较小，结构较稳定。图5c和图5d是动力学模拟过程中始态和终态的结构，始态结构包含30个聚合度为10的PET分子和3个邻苯二甲酸铜抗菌剂分子，结构由软件随机生成。对比始态和终态的结构发现，在289 K温度下分子热运动过程中邻苯二甲酸铜抗菌剂分子不会发生团聚，表明邻苯二甲酸铜抗菌剂分子在PET中相容性较好。

图5 邻苯二甲酸铜在PET中298 K条件下10 ps分子动力学结果

向PET中添加抗菌剂是在其熔融纺丝过程中加入，一般PET纺丝温度为280～290℃。为了研究邻苯二甲酸铜在PET高温下的运动行为，模拟了邻苯二甲酸铜在PET中573 K(300℃)和627 K(350℃)条件下10 ps分子动力学行为。终态的结果如图6所示，由图6可以看出，573 K和627 K(350℃)条件下邻苯二甲酸铜(蓝色)在PET中分散性良好，没有出现邻苯二甲酸铜的团聚。这进一步说明，邻苯二甲酸铜在PET中分散性良好，可以作为潜在抗菌剂应用于PET中。

图6 邻苯二甲酸铜在PET中于573 K和627 K条件下10 ps分子动力学结果

3 结论

采用密度泛函方法研究了设计的有机铜抗菌剂的结构、极性、Cu原子的Mulliken电荷及分子前线轨道。采用分子动力学方法研究了设计的有机铜抗菌剂的热稳定性及其在PET中的分散性。结果表明，邻苯二甲酸铜类分子与PET聚合单元极性相似，相容性较好；Cu原子的Mulliken正电荷最大，抗菌性能最好；HOMO-LUMO能级差较大，耐光照，不易发生光照分解；热稳定性好且与PET相容性较好。因此，邻苯二甲酸铜类分子可作为潜在的抗菌剂分子应用于PET中。