磷酸酯類單體與氧化鋯間化學反應模型的建立及作用機制

盧枳岑 謝海峰 章非敏 張懷勤 陳晨

1.南京醫(yī)科大學口腔醫(yī)院修復科；2.南京醫(yī)科大學口腔疾病研究江蘇省重點實驗室；3.南京醫(yī)科大學口腔醫(yī)院牙體牙髓科，南京 210029

磷酸酯類單體與氧化鋯間化學反應模型的建立及作用機制

盧枳岑1,2謝海峰1,2章非敏1,2張懷勤1,2陳晨2,3

1.南京醫(yī)科大學口腔醫(yī)院修復科；2.南京醫(yī)科大學口腔疾病研究江蘇省重點實驗室；3.南京醫(yī)科大學口腔醫(yī)院牙體牙髓科，南京 210029

目的 對磷酸酯單體10-甲基丙烯酰氧癸二氫磷酸酯（MDP）提高四方相氧化鋯與樹脂間化學粘接的作用機制進行解釋。方法分別構建MDP、四方相氧化鋯陶瓷晶體以及兩者反應的數(shù)字模型，采用熱力學方法對MDP分子與四方相氧化鋯晶體簇相互作用的吉布斯自由能和平衡常數(shù)進行計算。結果MDP與四方相氧化鋯晶體簇可能發(fā)生單配位形式和雙配位形式的結合，其吉布斯自由能分別為-147.761和-158.073 kJ·mol-1，說明MDP能夠與四方相氧化鋯晶體發(fā)生化學結合，平衡常數(shù)較高（4.95×1027）的雙配位結合形式較平衡常數(shù)較低（7.72×1025）的單配位結合形式更為穩(wěn)定。結論MDP能夠通過與四方相氧化鋯陶瓷以雙配位形式發(fā)生化學結合來提高其與樹脂的粘接強度。

量子化學； 反應機制； 氧化鋯； 粘接； 磷酸酯單體； 底涂劑

氧化釔穩(wěn)定四方相氧化鋯（Yttria-stabilized tetragonal zirconia polycrystals，Y-TZP）陶瓷是口腔冠、橋修復體制作最常用的材料之一。由于Y-TZP陶瓷化學惰性高，硅烷化等常規(guī)提高陶瓷粘接的方法對其無效[1-3]。磷酸酯單體10-甲基丙烯酰氧癸二氫磷酸酯（10-methacryloyloxydecyl dihydrogen phosphate，MDP）的問世實現(xiàn)了通過簡單的操作來提高Y-TZP陶瓷粘接的目的，因此獲得了臨床上的極大關注。盡管當前普遍認為MDP之所以能與特殊性質的氧化鋯表面形成化學結合是因為其中磷酸基團的作用[3-5]，然而目前仍無法直接從理論上解釋其具體機制。對于機制了解的缺乏極大地限制了具有更好性能的磷酸酯單體的開發(fā)。對于解決這樣的問題，量子化學方法具有先天的優(yōu)勢，其可在電子水平上對不同分子間形成化學鍵的穩(wěn)定性進行精細的理論研究，直接論證化學鍵的穩(wěn)定性，分析反應過程，這是傳統(tǒng)實驗表征方法所難以替代和無法實現(xiàn)的。本課題組在之前關于包含MDP的處理劑對牙科氧化鋯陶瓷與樹脂粘接性能影響的研究中，曾運用量子化學方法評價pH環(huán)境在其中發(fā)揮的作用[6]。由于類似方法在牙科粘接領域的應用較少，為了介紹該方法，并為今后類似研究提供可以借鑒的實驗資料，本研究詳細描述通過量子化學的方法模擬氧化鋯與MDP結合時界面上的可能化學反應，并對反應機制加以理論闡釋。

1 材料和方法

Y-TZP中氧化鋯的晶型為四方相，雖然其中摻雜氧化釔作為穩(wěn)定相，但牙科Y-TZP含量通常介于3%～5%，對四方相氧化鋯的晶胞參數(shù)改變不大，因此無需考慮摻雜的情況。根據(jù)ICSD數(shù)據(jù)庫的晶體結構信息和MDP分子式結構，用Gaussview軟件（Gaussian公司，美國）分別構建四方相氧化鋯晶體和MDP的數(shù)字模型并進行優(yōu)化。

由于MDP調節(jié)Y-TZP是發(fā)生在界面的反應，并且實際中四方相氧化鋯陶瓷的表面結構可能不完整，因此需要將建立的四方相氧化鋯晶體數(shù)字模型切割出多種原子排列的氧化鋯表面來研究MDP分子與晶面可能的作用位點。切割晶面時人為的暴露鋯原子，因為只有鋯原子暴露的晶面才可能與MDP分子發(fā)生作用。由于直接對氧化鋯表面模型進行計算會導致龐大的數(shù)據(jù)體系而無法實現(xiàn)，但氧化鋯是一個周期性晶體，可以通過從確定表面的數(shù)字模型切割出一個小的中性重復單元（Zr4O8）作為后續(xù)計算用的簇模型。為了能夠以切割出的模型代替整體并保證結果的正確性，這個簇模型需要擁有大部分氧化鋯晶體的特征，包括：中性金屬氧化物簇；大小適中，可以用于采用“從頭計算法”；在幾何構型優(yōu)化后，氧化鋯簇構型基本穩(wěn)定。

關于計算配體與金屬氧化物的相互作用有數(shù)種算法。當前實驗中，MDP分子與Zr4O8簇的相互作用使用分層計算（our own N-layered integrated molecular orbital+molecular mechanics，ONIOM）方法進行研究，此種方法可以處理較大體系的運算。密度泛函理論（density functional theory，DFT）算法和分子動力學（molecular mechanics，MM）算法分別用來處理高精度和低精度計算。DFT算法使用了B3LYP密度泛函優(yōu)化MDP分子磷酸基團的幾何結構和計算其熱力學數(shù)據(jù)。碳、磷、氧和氫原子使用了6-311+ G(d,p)基組，其中碳、磷、氧和氫原子都加上極化函數(shù)，而只有碳、磷、氧原子加上彌散函數(shù)。對于電子數(shù)較多的鋯原子，LanL2DZ基組描述價層電子和內層電子以及相關的相對論效應贗勢。MM算法使用了UFF力場來進行脂鏈和含雙鍵尾基的幾何構型優(yōu)化和熱力學數(shù)據(jù)的計算。因為幾何優(yōu)化可能會改變初始結構，所以本研究在優(yōu)化時固定氧化鋯單元的位置來最大程度確保四方相氧化鋯晶體表面的特性。溶劑效應使用積分方程極化連續(xù)介質模型（integral equation formal polarization continuum model，IEF-PCM）。以上所有計算均通過Gaussian 09軟件（Gaussian公司，美國）完成。

2 結果

圖1和2分別為建立的MDP分子與四方相氧化鋯晶體模型。根據(jù)模型，MDP分子的磷酸基團中，兩個羥基氧的距離大約為2.5 ?（1 ?=100 nm），氧化鋯晶面上鋯原子的距離3.6～6.4 ?不等，氧化鋯晶面上的鋯原子距離決定了MDP分子與氧化鋯晶體形成配位鍵可能通過“雙配位”或“單配位”兩種反應通道實現(xiàn)（圖3）。當鋯原子之間的距離較小時，磷酸基團上的兩個羥基氧的孤對電子軌道與鋯原子上的空軌道有效重疊，形成雙配位，反之則形成單配位。圖4為優(yōu)化后的符合計算要求的中性重復單元金屬氧化物簇Zr4O8簇模型，優(yōu)化后的MDP分子在Zr4O8晶體簇表面吸附的模型見圖5。

圖1 建立的MDP分子模型Fig1 The model of MDP molecule

圖2 建立的四方相氧化鋯晶體模型Fig2 The model of tetragonal zirconium dioxide crystals

圖3 MDP分子與氧化鋯晶體可能形成的配位鍵形式（優(yōu)化前）Fig3 Possible coordinate configurations between MDP and zirconium dioxide (before optimization)

圖4 優(yōu)化后的符合計算要求的中性重復單元金屬氧化物簇Zr4O8簇模型Fig4 The model of Zr4O8cluster structure after optimization by Gaussian

根據(jù)可能的兩條反應通道，MDP與Zr4O8晶體簇作用的化學反應過程如下方兩個公式所示，解離為公式1，配位為公式2。其中，R為MDP分子中除磷酸基團以外的部分，OP（OH）2為MDP的磷酸基團，aq為溶液，兩種配位方式都適用公式2。

對以上方程的吉布斯自由能和反應平衡常數(shù)的計算結果見表1～3。

圖5 優(yōu)化后的MDP分子在Zr4O8晶體簇表面吸附的模型Fig5 The model of Zr4O8cluster attached with MDP molecule after optimization

表1 反應通路公式1的熱力學數(shù)據(jù)Tab1 Thermodynamic data of formula 1

表2 反應通路公式2的熱力學數(shù)據(jù)（雙配位形式）Tab2 Thermodynamic data of formula 2 (double coordinate configuration)

表3 反應通路公式2的熱力學數(shù)據(jù)（單配位形式）Tab3 Thermodynamic data of formula 2 (single coordinate configuration)

綜合公式（1）和（2）可以看出，MDP與Zr4O8晶體簇發(fā)生雙配位結合反應的綜合吉布斯自由能ΔG= ΔG1+ΔG2=-158.073 kJ·mol-1，而發(fā)生單配位形式結合的吉布斯自由能ΔG=ΔG1+ΔG3=-147.761 kJ·mol-1，這兩種反應途徑吉布斯自由能數(shù)值前的負號說明反應均能夠正向自發(fā)發(fā)生。發(fā)生單配位形式結合的平衡常數(shù)7.72×1025小于發(fā)生雙配位結合形式的平衡常數(shù)4.95×1027，說明雙配位比單配位形式更為穩(wěn)定。

3 討論

MDP是一種雙性功能分子，其調節(jié)Y-TZP陶瓷與樹脂粘結性能的作用類似于硅烷在增強玻璃基陶瓷與樹脂粘接性能中所扮演的角色。通常認為，MDP一端的磷酸基團可與氧化鋯表面的“O-Zr-O”之間形成共價鍵，而另一端的“C=C”可與聚合前樹脂水門汀基質中的“C=C”發(fā)生加聚反應，從而達到提高氧化鋯陶瓷與樹脂粘接性能的目的[3-5]。多年來陸續(xù)有研究[7-9]利用紅外光譜、X線光電子能譜分析等多種界面的表征分析手段來分析Y-TZP陶瓷表面經(jīng)過MDP調節(jié)后的化學鍵變化，然而都未能直接證明新生成的化學鍵到底是什么，一直到2012年，Chen等[10]通過飛行時間二次離子質譜首次發(fā)現(xiàn)了包含MDP的涂底劑Z-Prime Plus（Bisco公司，美國）與Y-TZP陶瓷表面接觸后出現(xiàn)“P-O-Zr”鍵，支持了MDP中應是磷酸基團能夠與氧化鋯發(fā)生化學反應的推測。然而，尚未有其他實驗能夠直接檢測到該化學鍵的形成，也沒有其他包含MDP的產(chǎn)品被檢測出能夠與氧化鋯陶瓷間形成該鍵，因此，單純依靠這一報道無法證實MDP與氧化鋯間確實發(fā)生了預想的反應。另外，常溫下磷酸并不會與Y-TZP陶瓷發(fā)生反應[11]，這說明脫離MDP整體分子結構時，僅依靠磷酸基團是不具備調節(jié)Y-TZP陶瓷的化學活性的?？梢?，MDP分子中的其他結構對于磷酸基團活性的發(fā)揮也具有不可缺少的作用。以上問題顯然單純依靠儀器檢測反應產(chǎn)物是難以解釋的，必須予以理論證實。明確磷酸酯單體中分子結構影響磷酸基團的化學活性的方式有助于設計和更好地改進磷酸酯單體的分子結構，使其在臨床上發(fā)揮最佳性能，對于磷酸酯單體的研發(fā)具有十分重要的理論意義，因而了解磷酸酯單體與氧化鋯陶瓷最基本的反應機理是必要的。

基于量子化學的原理，可以通過模擬各個原子之間的距離與周圍的電子來判斷原子間成鍵與否，并通過以基態(tài)密度為變量，將體系能量最小化之后得到基態(tài)能量。本研究采用了量子化學方法對MDP與四方相氧化鋯陶瓷化學反應的發(fā)生的可能性及如果反應發(fā)生的條件下所形成的化學鍵進行了解釋和分析。鋯原子有空電子軌道，MDP分子磷酸基團中的羥基氧有孤對電子，這是二者產(chǎn)生配位連接的充分條件。MDP中存在的末端磷酸基團可以與一個或多個鋯原子結合，而這取決于晶體表面鋯原子的距離大小。如果晶面幾個鋯原子距離適當，配位則較為穩(wěn)定，反應可能發(fā)生；反之，如果幾個鋯原子距離過大，此時氧原子就不可能與多個鋯原子發(fā)生結合。根據(jù)建立的四方相氧化鋯晶體表面鋯原子間的距離和MDP分子的數(shù)字模型可以初步判斷，MDP分子只可能采取“雙配位”或“單配位”形式與氧化鋯晶體形成配位鍵。為了進一步明確究竟這兩種配位鍵中何者更為穩(wěn)定，即究竟MDP與氧化鋯發(fā)生化學結合時會以形成哪一種化學鍵為主，本實驗對兩種化學反應通道的吉布斯自由能和平衡常數(shù)進行了相應計算。根據(jù)結果可以發(fā)現(xiàn)，對應MDP解離的公式1的平衡常數(shù)比單純的磷酸一二級電離常數(shù)小，其原因可能是由于計算的精度偏差和MDP分子中脂鏈的推電子作用而導致磷原子的電子密度增加，酸性降低，同時，由于計算結果哈特里（Hartree）是一個很大的能量單位，即使很小的差別也會造成能量計算的較大誤差，但綜合來講，對于判斷當前反應的趨勢是準確的，而想要定量的說明反應的強度則需進行進一步計算。公式2在計算時認為是在氣固界面反應，因為磷酸基團接近二氧化鋯晶面時溶劑化作用不如在液相顯著，并且此時疏水的脂鏈接觸液相，因此本實驗并沒有考慮溶劑化效應，這使得計算的結果比實際磷酸與金屬的配位結合常數(shù)偏大，如果考慮溶劑化效應，則體系需克服靜電力做功，導致吉布斯自由能更正，從而使平衡常數(shù)減小，盡管如此，但由于變化幅度很小，因此并不影響計算的結論。

根據(jù)熱力學計算的最終結果，MDP與氧化鋯晶體間雙配位形式的化學鍵較單配位形式更為穩(wěn)定，說明MDP調節(jié)Y-TZP陶瓷表面應以形成雙配位為主要形式。在這一作用機制的基礎上，今后的研究重點將放在改善磷酸酯單體分子結構或尋找能夠增強Zr-O-P鍵強度的途徑上，以獲得能夠進一步提高YTZP陶瓷與樹脂粘接性能的磷酸酯單體。除此以外，所設計的氧化鋯晶體模型還可用于與其他粘結劑在接觸面的反應的量子化學定性計算，在理論的支持下可以有效簡化其他實驗的工作量，并提供必要的指導作用。

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（本文編輯 李彩）

Establishment and mechanisms of chemical interaction between phosphate monomer and zirconia model

Lu Zhicen1,2, Xie Haifeng1,2, Zhang Feimin1,2, Zhang Huaiqin1,2, Chen Chen2,3. (1. Dept. of Prosthetics, Affiliated Hospital of Stomatology, Nanjing Medical University, Nanjing 210029, China; 2. Jiangsu Key Laboratory of Oral Diseases, Nanjing Medical University, Nanjing 210029, China; 3. Dept. of Conservative Dentistry and Endodontics, Affiliated Hospital of Stomatology, Nanjing Medical University, Nanjing 210029, China)

Objective To analyze chemical mechanism of bonding improvement of zirconia via 10-methacryloyloxydecyl dihydrogen phosphate (MDP) conditioning.MethodsVarious models were created for tetragonal zirconia crystals, molecular MDP, and MDP complex, and tetragonal zirconia crystal. Thermodynamic methods were used to analyze configuration between MDP and tetragonal zirconia crystal through calculation of their Gibbs free energy values and equilibrium constants. Results Two potential configurations (double- and single-coordinate) may occur between MDP and ZrO2crystal clusters. Thermodynamic calculations showed that -147.761 and -158.073 kJ·mol-1Gibbs free energy were required to form single- and double-coordinate configurations; their negative signs indicate that reactions for both configurations can occur. Equilibrium constant for singlecoordinate configuration was 7.72×1025, which was less than that of double-coordinate configuration (4.95×1027), suggesting that the latter was more stable.ConclusionMDP can spontaneously establish a double-coordinate configuration with zirconia.

quantum chemistry; reaction mechanism; zirconia; bonding; phosphate monomer; primer

R 783.1

A

10.7518/hxkq.2017.02.007

Supported by: The National Natural Science Foundation of China (81400539); Priority Academic Program Development of Jiangsu Higher Education Institutions (2014-37); Natural Science Foundation of Jiangsu Province (BK20150998, BK20140913); Natural Science Foundation for Jiangsu Higher Education Institutions (15KJB320003). Correspondence: Chen Chen, E-mail: ccchicy@njmu.edu.cn.

2016-07-16；

2016-10-8

國家自然科學基金（81400539）；江蘇高校優(yōu)勢學科建設工程資助項目（2014-37）；江蘇省自然科學基金（BK20150998，BK20140913）；江蘇省高校自然科學基金（15KJB320003）

盧枳岑，碩士，E-mail：fjlzc92@163.com

陳晨，副主任醫(yī)師，博士，E-mail：ccchicy@njmu.edu. cn