尿酸與水的氫鍵作用研究

樊星辰，吳玉星，寧 攀*，彭 鵬，翟翠萍*

(1. 河南大學(xué) 邁阿密學(xué)院,河南 開封 475004； 2. 河南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院,河南 開封 475004)

人體內(nèi)尿酸是嘌呤的最終代謝產(chǎn)物，一定含量的尿酸可起到保護(hù)組織細(xì)胞，提高人體抗氧化能力的作用。尿酸的濃度對(duì)人類健康至關(guān)重要，在醫(yī)學(xué)上可根據(jù)其含量進(jìn)行一些疾病的診斷，如痛風(fēng)、腎病和高尿酸血癥等[1]。鑒于其特殊的醫(yī)學(xué)參考價(jià)值，尿酸的檢測(cè)、分析及各類研究成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)，且與尿酸相關(guān)的研究大部分是在水溶液中進(jìn)行的。因此，其與水的相互作用是研究尿酸與其他混合體系的基礎(chǔ)，也引起了人們的關(guān)注。如CHANDRA等[2]使用密度泛函理論(DFT)，采用B3LYP/6-31++G(d,p)計(jì)算得到了二者在氣相中相互作用的穩(wěn)定構(gòu)型。發(fā)現(xiàn)尿酸中的羰基氧原子、亞氨基氫原子可分別與水中的氫、氧原子形成氫鍵；通過分析單體及復(fù)合物中亞氨基(尿酸)和羥基(水)的振動(dòng)頻率及各原子之間電荷的變化，認(rèn)為其所形成氫鍵復(fù)合物的穩(wěn)定性與尿酸中亞氨基的酸度及氧原子的質(zhì)子親和力有關(guān)。SAIGUSA課題組[3]使用不同的計(jì)算方法(DFT/B3LYP/6-311++G(d,p)、DFT/M06-2X/6-311++G(d,p)、CCSD(T)/6-311++G(d,p)、CCSD(T)/aug-cc-pVDZ、MP2/6-311++G(d,p)等)對(duì)尿酸的兩種異構(gòu)體(酮式和烯醇式)與水在氣相中所形成的復(fù)合物進(jìn)行了研究。結(jié)果表明其酮式結(jié)構(gòu)與水所形成的復(fù)合物相對(duì)穩(wěn)定；他們進(jìn)一步使用紫外-紅外雙共振光譜技術(shù)測(cè)試了尿酸及尿酸水合物的紅外光譜，并通過理論計(jì)算得到了尿酸-水復(fù)合物的紅外光譜，研究發(fā)現(xiàn)尿酸與水之間存在弱氫鍵作用。雖然人們對(duì)尿酸與水之間的相互作用已有一定的了解，但多是理論計(jì)算方面，相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究相對(duì)較少。此外，上述理論研究關(guān)注的是二者在氣相中的作用，而對(duì)其液相中的相關(guān)計(jì)算及其氫鍵性質(zhì)還有待進(jìn)一步研究。

在弱相互作用研究中，DFT中的ωB97XD方法也常用來研究分子間氫鍵。鑒于以上分析，本文使用實(shí)驗(yàn)(紫外-可見光譜、電化學(xué)循環(huán)伏安法)與量子化學(xué)計(jì)算(ωB97XD/6-311++G(d,p))相結(jié)合，深入研究水溶液中尿酸與水的相互作用及其作用的主要位點(diǎn)。并通過分子間原子理論(QTAIM)及自然鍵軌道分析(NBO)進(jìn)一步探討其相互作用的本質(zhì)。為尿酸與其他物質(zhì)混合體系在水溶液中的研究提供理論參考。

1 實(shí)驗(yàn)儀器試劑與理論計(jì)算方法

尿酸(生化試劑，99.9%，阿拉丁公司)；二次蒸餾水(實(shí)驗(yàn)室重蒸，使用前用高純氮?dú)獬?5分鐘)；UV-540紫外-可見分光光度計(jì)(Thermo Electron，美國)；CHI660E電化學(xué)工作站(上海辰華有限公司)。電化學(xué)測(cè)試使用三電極系統(tǒng)：玻碳電極(工作電極，使用前進(jìn)行預(yù)處理[4])，飽和甘汞電極(SCE，參比電極)，鉑絲電極(對(duì)電極)。實(shí)驗(yàn)溫度為室溫。

量子化學(xué)計(jì)算使用Gaussian 09[5]程序。在ωB97XD/6-311++G(d,p)水平上，優(yōu)化了尿酸、水及其復(fù)合物在氣相中的幾何結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，使用SMD 模型計(jì)算液相中尿酸-水的穩(wěn)定構(gòu)型。經(jīng)完全均衡校正法校正基組重疊誤差得到其相互作用能(ΔE)[6]；使用Multiwfn 3.3.9程序[7]進(jìn)行QTAIM分析；使用與DFT相同的方法和基組進(jìn)行NBO計(jì)算。

2 結(jié)果和討論

2.1 紫外吸收光譜圖

由于具有簡(jiǎn)便、快速的優(yōu)點(diǎn)，紫外-可見吸收光譜在分子間相互作用研究方面應(yīng)用廣泛[8]。圖1是尿酸在不同濃度尿酸水溶液中的紫外吸收光譜圖。圖1中出現(xiàn)了兩個(gè)紫外吸收峰[9]，且二者強(qiáng)度均隨溶液濃度的增大而發(fā)生藍(lán)移。根據(jù)文獻(xiàn)可知，287 nm處為尿酸六元環(huán)上與C=C相連C=O的n→π*躍遷吸收峰；233 nm處對(duì)應(yīng)的是六元環(huán)和五元環(huán)中兩個(gè)NH之間C=O的n→π*躍遷吸收峰。上述吸收峰發(fā)生藍(lán)移應(yīng)是兩個(gè)環(huán)上的羰基都可與水發(fā)生作用形成了氫鍵，阻礙了其電子躍遷所致[10]。

圖1 尿酸在水溶液中的紫外吸收光譜圖Fig.1 UV spectra of uric acid in H2O

2.2 循環(huán)伏安曲線

尿酸具有很好的電化學(xué)活性，因此，對(duì)該混合體系進(jìn)行了電化學(xué)測(cè)試，圖2為尿酸在不同濃度尿酸水溶液中的循環(huán)伏安(CV)曲線。從圖2可以看出，尿酸在水溶液中僅出現(xiàn)了一個(gè)氧化峰，對(duì)應(yīng)于尿酸五元環(huán)中NH的氧化過程[11]。此外，氧化峰的電位和電流均隨溶液濃度增大而變大。根據(jù)尿酸的結(jié)構(gòu)、電化學(xué)機(jī)理、紫外及CV結(jié)果，導(dǎo)致這一變化的原因應(yīng)為：水分子中的O與尿酸五元環(huán)中NH上的H形成了氫鍵，對(duì)它們(H16、H18，各原子的標(biāo)號(hào)見圖3)起到了保護(hù)作用，使其難以失去，即難以被氧化；同時(shí)，尿酸中C=O的O與水中的H也可形成氫鍵，導(dǎo)致C=O對(duì)相鄰NH中N的吸電子能力減弱，因而N-H鍵作用增強(qiáng)，N-H上的H難以離去。兩種作用共同導(dǎo)致尿酸的電氧化過程變得困難，氧化電位變大。

圖2 尿酸在水溶液中的循環(huán)伏安圖Fig.2 Cyclic voltammograms of uric acid in H2O

2.3 量子化學(xué)計(jì)算

量子化學(xué)計(jì)算常用來研究分子間氫鍵。本文進(jìn)一步采用DFT計(jì)算得到了尿酸與水在液相中穩(wěn)定的復(fù)合物構(gòu)型(圖3)，圖3中僅給出了O…H鍵長(zhǎng)小于2.72 ?(二者范德華半徑之和，H：1.20 ?；O：1.52 ?)[12]的數(shù)據(jù)。從圖3可以看出：尿酸中的H(H10、H14、H16、H18)、O(O11、O12、O19)可分別與水中的O、H形成氫鍵。與氣相中的尿酸-水復(fù)合物相比[2-3]，雖然液相中的作用位點(diǎn)與其相同，但二者構(gòu)型有所不同；且在氣相中，復(fù)合物d最穩(wěn)定，而在液相中，復(fù)合物a的ΔE最低，為最穩(wěn)定構(gòu)型。此外，構(gòu)型a中尿酸的兩個(gè)作用位點(diǎn)分別是O11和H18，與紫外吸收光譜和電化學(xué)結(jié)果相吻合。同時(shí)說明O11和H18應(yīng)為尿酸與水在液相中的主要作用位點(diǎn)，而氣相中的主要作用位點(diǎn)則是H14和H16[2-3]。從圖3還可以看出，構(gòu)型e的ΔE次之，是相對(duì)穩(wěn)定的構(gòu)型，且構(gòu)型e中N13-H14…O1的鍵長(zhǎng)最短，說明在尿酸與水所形成的氫鍵中，其氫鍵作用最強(qiáng)[13]。

圖3 尿酸-水復(fù)合物的優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Optimized geometry of uric acid-H2O complexes

QTAIM也常用來研究分子間氫鍵，并可進(jìn)一步分析氫鍵的強(qiáng)弱。在上述量化計(jì)算的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步通過QTAIM對(duì)液相中的尿酸-水復(fù)合物構(gòu)型進(jìn)行了電子密度拓?fù)浞治?，其拓?fù)鋮?shù)(ρ、2ρ和H)及氫鍵結(jié)合能EHB值(EHB≈ -223.08×ρBCP+0.742 3)[14]見表1。

表1 尿酸-水復(fù)合物中氫鍵的拓?fù)鋮?shù)和結(jié)合能

從表1可以看出，除構(gòu)型e中的N13-H14…O1外，其他鍵的ρ及2ρ值均在KOCH等[15]提出的氫鍵范圍(ρ：0.002～0.035 a.u.,2ρ：0.024～0.139 a.u.),且H>0,說明所形成的氫鍵較弱[16-17]。而構(gòu)型e中N13-H14…O1的H< 0,且ρ值最大,表明其作用相對(duì)較強(qiáng),與DFT結(jié)果一致。此外,所有氫鍵的結(jié)合能EHB均處于-2.5～-14.0 kcal/mol之間,證明混合體系中的氫鍵在本質(zhì)上都是弱氫鍵到中等強(qiáng)度氫鍵[14]。

本文進(jìn)一步對(duì)尿酸-水體系進(jìn)行了NBO分析。表2為六種復(fù)合物中電子的供體軌道、受體軌道及其相應(yīng)的二階穩(wěn)定化能(E(2)，kcal/mol)。分析表2中的E(2)值不難發(fā)現(xiàn)，O原子的孤對(duì)電子軌道與N-H或O-H的反鍵軌道之間存在相互作用，即氫鍵作用[18]，如：構(gòu)型a中O11的孤對(duì)電子軌道與O1-H3的反鍵軌道、O1的孤對(duì)電子軌道與N17-H18的反鍵軌道。眾所周知，E(2)值的大小與相互作用的強(qiáng)度有關(guān)，從表2還可以看出，構(gòu)型e中LP(2)O1→σ*N13-H14的E(2)值最大，說明其作用最強(qiáng)，這也與前面的DFT和QTAIM結(jié)果一致。

表2 尿酸-水復(fù)合物中的供電子軌道、 受電子軌道及二階穩(wěn)定化能

3 結(jié)論

利用實(shí)驗(yàn)與理論相結(jié)合研究了尿酸與水的相互作用。紫外光譜和循環(huán)伏安曲線結(jié)果表明二者之間存在分子間氫鍵，量子化學(xué)計(jì)算進(jìn)一步證明了氫鍵作用的存在及其作用位點(diǎn)。本研究可為研究尿酸與其他物質(zhì)的相互作用提供依據(jù)，也可為尿酸在水溶液中的檢測(cè)及其他研究提供基礎(chǔ)。