煙堿-水分子團簇NCT-(H2O)n(n=1～3)的理論研究

管清梅，張 琳，王芳芳

（1.阜陽師范學(xué)院 化學(xué)與材料工程學(xué)院，安徽 阜陽 236037；2.濟南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，山東 濟南 250022）

煙堿（nicotine，NCT）不僅在香煙致癌的過程中起重要作用，而且是吸煙成癮的最主要物質(zhì)。對煙堿與人體內(nèi)生物大分子的相互作用，對預(yù)防和治療癌癥相關(guān)藥物的開發(fā)和研制具有重要的意義，已成為當(dāng)前理論和實驗的研究熱點之一。在正常的人體環(huán)境中，蛋白質(zhì)和核酸等大分子與體內(nèi)的環(huán)境水分子形成較強的分子間相互作用，使之具有特殊的生物活性。而在煙堿致病的人體內(nèi)，煙堿與蛋白質(zhì)的作用過程中，環(huán)境水分子也起到不可忽視的作用。因此，在分子水平上探究水分子與煙堿的相互作用具有非常重要的實際意義[1-3]。目前，對于煙堿-水體系的理論研究報道較少，本文對煙堿-水分子團簇（NCT-(H2O)n(n=1～3）進行理論計算，為研究煙堿與生物大分子在人體環(huán)境中的相互作用提供有力的理論參考。

1 計算方法

用GaussView做出煙堿、水以及（NCT-(H2O)n(n=1～3）團簇的初始構(gòu)型，利用Gaussian03W 程序[4]，在B3LYP/6-311+G(d,p)水平下對其進行全優(yōu)化，找到其在勢能面上可能存在的穩(wěn)定構(gòu)型[5]。所得團簇結(jié)構(gòu)均無虛頻，即煙堿-水團簇均對應(yīng)其勢能面上的能量極小點[5]。在MP2/6-311+G(d,p)水平下對穩(wěn)定構(gòu)型進行能量分析，加入基組重疊校正（BSSE校正），得到分子總能量、相對能量和總結(jié)合能。

2 結(jié)果與討論

2.1 幾何結(jié)構(gòu)

在B3LYP/6-311+G(d,p)水平下對煙堿單體（NCT）和煙堿-水分子團簇 NCT-(H2O)n(n=1～3)進行全優(yōu)化，得到其低能幾何構(gòu)型。圖1給出了煙堿單體低能幾何結(jié)構(gòu)及其全原子標(biāo)號。煙堿分子是由一個吡啶環(huán)和1-甲基吡咯烷相連而成，其中吡啶環(huán)中的N原子標(biāo)號為6，吡咯烷環(huán)中的N原子標(biāo)號為22。NCT-(H2O)n(n=1～3)低能幾何結(jié)構(gòu)分別列于圖2和圖3中。可以看出，水分子與煙堿中的N原子之間結(jié)合緊密，形成較強烈的分子間氫鍵相互作用。煙堿、水單體和NCT-(H2O)n(n=1～3)團簇的部分鍵長參數(shù)見表1和表2[5]。

由表1可見，與煙堿單體的幾何參數(shù)相比，團簇中與N6原子相關(guān)的N-C鍵長變化不大，在0.000 4 nm以內(nèi)；與N22原子相關(guān)的N-C鍵長變化稍大，最大增加0.001 9 nm。與單體水相比，團簇中水分子的部分O-H鍵長增加明顯，如團簇NCT-(H2O)1的a構(gòu)型，水分子的一個O-H鍵長為0.098 3 nm，比單體水增長0.002 1 nm，這歸根于該水分子與吡咯烷環(huán)中的N22形成了分子間較強氫鍵相互作用[6]，N22…HW 氫鍵長為 0.193 3 nm。再如團簇NCT-(H2O)2的b構(gòu)型，水分子與吡咯烷環(huán)中的N22形成了分子間氫鍵，N22…HW氫鍵長為0.191 3 nm，參與該氫鍵的O-H鍵長為0.099 5 nm；同時兩個水分子間也形成分子間氫鍵，OW…HW氫鍵長為0.184 5 nm，參與該氫鍵的O-H鍵長為0.097 6 nm；第二個水中的氧原子與吡咯烷環(huán)中的H18間的距離為0.248 8 nm，這樣形成煙堿與兩個水分子的八元環(huán)，有助于團簇結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。NCT-(H2O)3的4種穩(wěn)定構(gòu)型都因分子間氫鍵形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)，參與氫鍵的O-H鍵長增長而未參與O-H鍵長均未發(fā)生改變。這種分子間強烈的相互作用對分子電荷以及化學(xué)鍵的轉(zhuǎn)動具有一定的影響[5]。

圖1 全優(yōu)化后煙堿（NCT）的幾何構(gòu)型及原子標(biāo)號

圖2 NCT-(H2O)n(n=1,2)的低能幾何構(gòu)型/nm

圖3 NCT-(H2O)3的低能幾何構(gòu)型/nm

表1 全優(yōu)化的NCT-(H2O)n(n=1-2)的部分鍵長和氫鍵長/nm

2.2 原子電荷

煙堿和水分子形成團簇過程中不僅幾何參數(shù)發(fā)生變化，同時各原子所帶電荷也發(fā)生重排[7-8]。全優(yōu)化煙堿、水單體及NCT-(H2O)n(n=1～3）的部分原子電荷列于表3和表4。表中給出的部分原子電荷與單體相差較大，如C11、部分的N6和N22以及水中氧、氫原子。如表3NCT-(H2O)2團簇的三種結(jié)構(gòu)中C11的電荷分別為-0.390 e，-0.279 e和-0.707 e，比單體中C11都有較大的增大或減??；N22的電荷分別為-0.169 e，-0.232 e和-0.007e，比單體中N22的-0.004 e更負(fù)；而團簇中氧原子電荷比單體水更負(fù)，分別為-0.592 e，-0.630 e，-0.652 e，-0.552 e，-0.615 e 和-0.602 e。同時部分水中的氫原子電荷比單體水中更正。經(jīng)分析這些原子大多位于煙堿與水分子結(jié)合部位以及吡咯烷環(huán)與吡啶環(huán)的連接部位。表中數(shù)據(jù)說明，煙堿與水分子形成團簇時分子中的原子電荷進行了重新排布，即發(fā)生了極化。極化產(chǎn)生的原因是煙堿與水分子間以及水分子之間形成了較強烈的分子間氫鍵，使得（NCT-(H2O)n(n=1～3）團簇的能量更低，結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。

表2 全優(yōu)化的NCT-(H2O)n(n=3)的部分鍵長和氫鍵長/nm

2.3 偶極矩

偶極矩是衡量分子電荷布居的重要物理量，可用來判斷分子的空間構(gòu)型。分子的偶極矩越大，表示分子的極性越大，分子的對稱性就越小[5-8]。表5中給出了團簇（NCT-(H2O)n(n=1～3）低能幾何構(gòu)型的偶極矩。對比NCT單體的偶極矩2.719 D，各煙堿-水分子團簇的偶極矩有增有減，說明水分子加入后團簇的對稱性變化不一。對于NCT-(H2O)1，a構(gòu)型偶極矩為2.529 D，小于單體NCT，對稱性增強；而b構(gòu)型偶極矩為5.382 D，對稱性有明顯的降低。從圖2中也明顯可以看出，a構(gòu)型中水分子與吡咯烷環(huán)中的N22形成氫鍵相互作用，使得團簇的對稱性增強；而b構(gòu)型中，吡啶環(huán)中的N6與水形成分子間氫鍵，對稱性降低。同樣，從表5中數(shù)據(jù)可見，對于NCT-(H2O)2三種構(gòu)型的偶極矩順序為b＜c＜a，其中b的偶極矩最小，為1.357 D，極性最小。這是因為b構(gòu)型中吡咯烷環(huán)中的N22與水形成氫鍵相互作用，而兩個水之間也形成分子間氫鍵[8]，并與吡咯烷中的H18形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)，使團簇的對稱性增強。NCT-(H2O)3團簇的4種構(gòu)型的偶極矩順序為的d＜c＜a＜b，d構(gòu)型的偶極矩最小為0.778 D。這是因為吡咯烷環(huán)中的N22原子與三個水分子依次“手拉手”通過分子間氫鍵形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)，體系對稱性增強[9]。

表3 全優(yōu)化的煙堿、水單體以及NCT-(H2O)n(n=1，2)的部分原子電荷分布/e

表4 全優(yōu)化的煙堿、水單體以及NCT-(H2O)3的部分原子電荷分布/e

2.4 能量分析

在MP2/6-311+G(d,p)//B3LYP/6-311+G(d,p)水平下，進行BSSE校正，計算得到NCT-(H2O)n(n=1～3）低能構(gòu)型的總能量，相對能量和總結(jié)合能，列于表6中。從表6中數(shù)據(jù)可以看出，對于NCT-(H2O)1團簇總能量 a＜b，二者相差 8.93 kJ·mol-1；NCT-(H2O)2團簇的總能量順序為 b＜c＜a；NCT-(H2O)3團簇的總能量順序為 d＜b＜a＜c；均與結(jié)合能大小順序一致。實驗結(jié)果證明，團簇的總能量越低，結(jié)合能越大，團簇越穩(wěn)定[8-10]。NCT-(H2O)1團簇，a構(gòu)型穩(wěn)定，結(jié)合能為-33.93 kJ·mol-1；NCT-(H2O)2團簇，b 構(gòu)型最穩(wěn)定，結(jié)合能為-70.34 kJ·mol-1；而 NCT-(H2O)3團簇，d 構(gòu)型最穩(wěn)定，結(jié)合能為-107.24 kJ·mol-1。NCT-(H2O)n(n=1～3）低能構(gòu)型的結(jié)合能均為負(fù)值且隨水分子數(shù)目的增多而增大；說明煙堿分子與水分子結(jié)合過程中均釋放出一定能量，使體系總能量降低，更穩(wěn)定，這是因為煙堿與水分子以及水分子之間形成較強烈的分子間氫鍵相互作用[7-9]，并且形成環(huán)狀氫鍵的團簇結(jié)合能更大。

3 小結(jié)

在MP2/6-311+G(d,p)//B3LYP/6-311+G(d,p)水平下，對煙堿、水分子和NCT-(H2O)n(n=1～3）團簇進行理論計算，得到NCT-(H2O)n(n=1～3）團簇的9種低能穩(wěn)定構(gòu)型。從團簇結(jié)構(gòu)和能量兩方面探討煙堿與水分子的相互作用，得到各構(gòu)型的原子電荷布居、偶極矩、總能量、相對能量和總結(jié)合能。結(jié)果表明，煙堿與水分子形成強烈的分子間氫鍵相互作用，更易形成環(huán)狀氫鍵結(jié)構(gòu)，使分子電荷重排，對稱性改變，并且形成環(huán)狀氫鍵的團簇結(jié)合能更大。從總能量和結(jié)合能分析，團簇中NCT-(H2O)1a、NCT-(H2O)2b和 NCT-(H2O)3d分別為最穩(wěn)定構(gòu)型。

表5 NCT-(H2O)n(n=1～3)低能構(gòu)型的偶極矩 μ/D

表6 NCT-(H2O)n(n=1-3)低能構(gòu)型的能量、相對能量和總結(jié)合能/kJ·mol-1