羥基吡啶酮衍生物用作文物硫鐵化合物脫除螯合劑的分析

劉東坡，鄭幼明

(浙江省博物館，浙江杭州 310007)

0 引 言

海相地層出土或海洋打撈出水的文物尤其是大型古代沉船如我國打撈出水的南海Ⅰ號、華光礁Ⅰ號、小白礁Ⅰ號，瑞典打撈出水的Vasa號，英國打撈出水的Mary Rose號等沉船都含有大量的鹽分。這些鹽分尤其是難溶鹽造成的潛在危害逐漸引起了人們的重視[1-5]。

為降低硫鐵化合物對文物的危害，一些螯合劑被用來與硫鐵化合物進(jìn)行絡(luò)合反應(yīng)以達(dá)到對其進(jìn)行脫除的目的。張治國等[7]對寧波小白礁清代沉船中的硫鐵化合物進(jìn)行分析并通過實(shí)驗(yàn)篩選出0.01 mol/L EDTA-2Na/0.1 mol/L H2O2復(fù)合脫除劑對沉船木構(gòu)件的黃鐵礦進(jìn)行脫除，Gunnar等[8]將絡(luò)合劑乙二胺-N，N′-雙(2-羥基-4-甲基苯基乙酸)(EDDHMA)在pH值約為11的NaOH水溶液中進(jìn)行溶解以去除硫鐵化合物。

為了確保文物尤其是出土出水脆弱有機(jī)質(zhì)地文物的安全，硫鐵化合物的脫除適宜在溫和的條件下進(jìn)行，因此，一些人體金屬離子解毒劑有可能是硫鐵化合物脫除的比較理想的螯合劑[9-11]，其中主要用于治療人體內(nèi)的Fe過載的羥基吡啶酮類化合物(HOPO)是最常用的一類螯合劑，它具有O，O-供體的配體結(jié)構(gòu)。

本研究探討羥基吡啶酮對硫鐵化合物脫除反應(yīng)的可行性，同時(shí)根據(jù)羥基吡啶酮容易發(fā)生環(huán)取代反應(yīng)生成具有不同官能團(tuán)的功能化衍生物的性質(zhì)，使用Gaussian09軟件，在B3LYP/6-31G*水平上對羥基吡啶酮功能化衍生物分子進(jìn)行幾何結(jié)構(gòu)全優(yōu)化，并進(jìn)行頻率和分子軌道計(jì)算。基于優(yōu)化所得結(jié)構(gòu)，在相同水平下進(jìn)行了Hirshfled原子電荷計(jì)算和相應(yīng)的Fukui函數(shù)計(jì)算。在羥基吡啶酮脫除硫鐵化合物可行性研究以及羥基吡啶酮衍生物分子計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，以期篩選出一種更優(yōu)的可以脫除出土出水文物硫鐵化合物的螯合劑。

1 羥基吡啶酮脫除硫鐵化合物的可行性研究

1.1 脫除螯合劑與硫鐵化合物的選擇

羥基吡啶酮(HOPO)作為具有內(nèi)環(huán)α-羥基酮的(O，O)螯合基團(tuán)的N-雜環(huán)化合物，主要有三種結(jié)構(gòu)：1-羥基-2-吡啶酮，3-羥基-2-吡啶酮和3-羥基-4-吡啶酮(3，4-HOPO)。三種結(jié)構(gòu)中，3-羥基-4-吡啶酮穩(wěn)定且在溫和條件下即可以與Fe離子進(jìn)行反應(yīng)。

3-羥基-4-吡啶酮的二甲基取代化合物1，2-二甲基-3-羥基-4-吡啶酮是常用的治療β地中海貧血患者的去鐵酮的有效成分，它可以在溫和條件下與Fe元素進(jìn)行絡(luò)合反應(yīng)而將其從人體內(nèi)去除。出土出水文物中的硫鐵化合物存在不同的形態(tài)，常見的有硫鐵礦(FeS)、黃鐵礦(FeS2)、硫復(fù)鐵礦(Fe3S4)等，其中黃鐵礦(FeS2)、硫復(fù)鐵礦(Fe3S4)等硫鐵化合物可以由硫鐵礦(FeS)在不同的條件下轉(zhuǎn)化得到。因此，選擇1，2-二甲基-3-羥基-4-吡啶酮作為脫除絡(luò)合劑，硫鐵礦(FeS)為目標(biāo)硫鐵化合物，研究羥基吡啶酮脫除硫鐵化合物的可行性。

1.2 材料、試劑與分析方法

實(shí)驗(yàn)所需脫除絡(luò)合劑1，2-二甲基-3-羥基-4-吡啶酮，由薩恩化學(xué)技術(shù)(上海)有限公司提供，分析純；所需硫鐵化合物為硫鐵礦(硫化亞鐵，F(xiàn)eS)，由上海泰坦化學(xué)有限公司提供，分析純；實(shí)驗(yàn)用水為自制去離子水；采用ICAP6000全譜直讀型臺式ICP光譜儀分析Fe元素含量。

1.3 實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果

稱取1，2-二甲基-3-羥基-4-吡啶酮，用新制去離子水配置成濃度為0.01 mol/L的脫除絡(luò)合劑溶液，用IKA粉碎機(jī)將塊狀硫化亞鐵粉碎成細(xì)微顆粒，備用。

移取100 mL 0.01 mol/L 1，2-二甲基-3-羥基-4-吡啶酮脫除絡(luò)合劑溶液于具塞錐形瓶中，水浴中恒溫至50 ℃，稱取0.879 1 g(0.01 mol)硫化亞鐵細(xì)微顆粒，加入到經(jīng)恒溫的脫除絡(luò)合劑溶液中。分別移取t=0，1，2，3，4，5 h時(shí)的反應(yīng)溶液2 mL分析Fe元素濃度。在同樣條件下移取100 mL去離子水于具塞錐形瓶中，水浴中恒溫至50 ℃，稱取0.879 1 g(0.01 mol)硫化亞鐵細(xì)微顆粒，加入到經(jīng)恒溫的去離子水中。分別移取t=0，1，2，3，4，5 h時(shí)的反應(yīng)溶液2 mL分析Fe元素濃度。結(jié)果如圖1所示。

圖1 Fe元素濃度分析Fig.1 Analysis of Fe concentration

在50 ℃時(shí)，1，2-二甲基-3-羥基-4-吡啶酮與硫化亞鐵具有良好的反應(yīng)活性。反應(yīng)1 h時(shí)溶液中Fe元素濃度已經(jīng)達(dá)到158 mg/kg，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，1，2-二甲基-3-羥基-4-吡啶酮與硫化亞鐵的反應(yīng)仍在進(jìn)行，反應(yīng)進(jìn)行5 h后，溶液中Fe元素的濃度為214 mg/kg。

反應(yīng)可以在溫和的條件下進(jìn)行，不需要強(qiáng)酸性，強(qiáng)堿性或者氧化性環(huán)境。用新制去離子水配置的0.01 mol/L 1，2-二甲基-3-羥基-4-吡啶酮脫除絡(luò)合劑溶液的pH約為6.4，接近中性，不需要用酸或堿調(diào)節(jié)反應(yīng)溶液pH。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，作為羥基吡啶酮(3-羥基-4-吡啶酮，3，4-HOPO)的二甲基取代化合物，1，2-二甲基-3-羥基-4-吡啶酮在較為溫和的條件下即與硫化亞鐵具有良好的反應(yīng)活性，可以用于文物中硫化亞鐵等硫鐵化合物的脫除。

2 羥基吡啶酮衍生物分子計(jì)算

2.1 羥基吡啶酮衍生物分子結(jié)構(gòu)

3-羥基-4-吡啶酮不僅能夠發(fā)生二甲基取代生成具有硫鐵化合物脫除活性的1，2-二甲基-3-羥基-4-吡啶酮，而且也可以很容易地進(jìn)行官能團(tuán)修飾生成其他衍生物，從而能夠調(diào)節(jié)一些重要的物理化學(xué)性質(zhì)而實(shí)現(xiàn)功能化。

不同結(jié)構(gòu)的羥基吡啶酮進(jìn)行功能修飾時(shí)的反應(yīng)活性位不同，其中3-羥基-4-吡啶酮(結(jié)構(gòu)式如圖2所示)發(fā)生環(huán)取代反應(yīng)生成不同官能團(tuán)的功能化衍生物時(shí)，官能團(tuán)化在N1位比C2位更容易，而C5和C6較為困難一些。

圖2 3-羥基-4-吡啶酮結(jié)構(gòu)式Fig.2 Structural formula of 3-hydroxy-4-pyridone

3-羥基-4-吡啶酮的N1連接的烷基羧酸、烷基芳胺等非肽類基團(tuán)的功能化衍生物的溶液研究和生物測定表明N原子上非肽類功能化衍生物對配體的螯合能力影響輕微[12-15]。因此，3-羥基-4-吡啶酮的功能化衍生物主要是在N1進(jìn)行氨羧化。從合成功能化衍生物的起始原料的易得程度出發(fā)，3-羥基-4-吡啶酮的氨羧化采用兩種方式：一種是直接氨羧化即只在N1位進(jìn)行氨羧化；一種是在C2位甲基化的基礎(chǔ)上再在N1位進(jìn)行氨羧化。

因此進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)計(jì)算分析的羥基吡啶酮分子結(jié)構(gòu)包括3-羥基-4-吡啶酮、1，2-二甲基-3-羥基-4-吡啶酮以及3-羥基-4-吡啶酮的氨羧化衍生物分子。

2.2 分子計(jì)算方法

使用Gaussian09軟件，在B3LYP/6-31G*水平上對3-羥基-4-吡啶酮、1，2-二甲基-3-羥基-4-吡啶酮以及3-羥基-4-吡啶酮的氨羧化衍生物分子進(jìn)行了幾何結(jié)構(gòu)全優(yōu)化，并進(jìn)行頻率和分子軌道計(jì)算。基于優(yōu)化所得結(jié)構(gòu)，在相同水平下進(jìn)行了Hirshfled原子電荷計(jì)算和相應(yīng)的Fukui函數(shù)計(jì)算。

3 結(jié)果與分析

3.1 3-羥基-4-吡啶酮與1，2-二甲基-3-羥基-4-吡啶酮

3-羥基-4-吡啶酮與1，2-二甲基-3-羥基-4-吡啶酮的分子軌道能級、Hirshfled原子電荷和Fukui函數(shù)如表1所示。

表1 3-羥基-4-吡啶酮與1，2-二甲基-3-羥基-4-吡啶酮的計(jì)算結(jié)果Table 1 Calculation results of 3-hydroxy-4-pyridone and 1，2-dimethyl-3-hydroxy-4-pyridone

對于羥基吡啶酮來說，配體氧原子上電荷密度增加，將增加配體氧原子的堿度，增強(qiáng)配體原子的配位螯合能力[16]。計(jì)算結(jié)果顯示，與3-羥基-4-吡啶酮分子相比，1，2-二甲基-3-羥基-4-吡啶酮分子中最高已占分子軌道能級有明顯正移，雖然羥基氧原子上Hirshfeld原子電荷略有降低，但羰基氧原子上Hirshfeld原子電荷明顯升高，基于Hirshfeld電荷的Fukui函數(shù)顯示絡(luò)合反應(yīng)的活性位點(diǎn)在羥基氧和羰基氧原子上。

1，2-二甲基-3-羥基-4-吡啶酮分子中最高已占分子軌道能級與3-羥基-4-吡啶酮相比，正移0.115 eV，1，2-二甲基-3-羥基-4-吡啶酮在溫和的條件下即可與FeS具有良好的反應(yīng)活性，這可能與分子中最高已占分子軌道能級正移以及配體氧原子上Hirshfeld原子電荷升高有關(guān)。分子軌道能級正移，羰基氧原子上Hirshfeld原子電荷升高，有利于配體氧原子與中心原子Fe形成穩(wěn)定配合物。1，2-二甲基-3-羥基-4-吡啶酮前線分子軌道如圖3所示。

圖3 1，2-二甲基-3-羥基-4-吡啶酮的前線分子軌道Fig.3 Frontier molecular orbitals of 1，2-dimethyl-3-hydroxy-4-pyridone

3.2 3-羥基-4-吡啶酮直接氨羧化衍生物

3-羥基-4-吡啶酮直接氨羧化即是在其N1位分別與α-氨基乙酸基(AA)、α-氨基丙酸基(AP)、α-氨基丁酸基(AB)和α-氨基戊酸基(AV)四種基團(tuán)進(jìn)行取代反應(yīng)。氨羧化生成的四種功能化衍生物的分子軌道能級、Hirshfled原子電荷和Fukui函數(shù)如表2所示。

表2 3-羥基-4-吡啶酮直接氨羧化衍生物計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of direct amino carboxylation derivatives of 3-hydroxy-4-pyridone

由計(jì)算結(jié)果可知，基于Hirshfeld原子電荷的Fukui函數(shù)表明雜環(huán)氧原子比羧基氧原子更容易向中心原子Fe提供配位原子，是絡(luò)合反應(yīng)中與金屬離子進(jìn)行反應(yīng)的主要配位原子。與3-羥基-4-吡啶酮相比，雜環(huán)N原子進(jìn)行氨羧化反應(yīng)生成的四種α氨基羧酸基衍生物中，含偶數(shù)碳的α氨基羧酸基如α-氨基乙酸基(AA)和α-氨基丁酸基(AB)將使最高已占分子軌道能級正移，其中α-氨基丁酸基(AB)正移最多，約0.183 1 eV，含奇數(shù)碳的α氨基羧酸基如α-氨基丙酸基(AP)和α-氨基戊酸基(AV)將使最高已占分子軌道能級負(fù)移。隨著碳原子數(shù)增加，配體氧原子上Hirshfeld原子電荷逐漸增加，其中α-氨基戊酸基取代后的衍生物N-(α-氨基戊酸基)-3-羥基-4-吡啶酮(3，4-HOPO-AV)分子中，氧原子上Hirshfeld原子電荷達(dá)到最大，但其最高已占分子軌道能級存在負(fù)移；而α-氨基丁酸基取代后的衍生物N-(α-氨基丁酸基)-3-羥基-4-吡啶酮(3，4-HOPO-AB)分子中，雖然Hirshfeld原子電荷要小于α-氨基戊酸基取代后的衍生物，但由于最高已占分子軌道能級與3-羥基-4-吡啶酮和1，2-二甲基-3-羥基-4-吡啶酮相比均存在明顯正移，易于向中心原子Fe提供配體原子，可能是比1，2-二甲基-3-羥基-4-吡啶酮更為有效的硫鐵化合物絡(luò)合脫除劑。N-(α-氨基丁酸基)-3-羥基-4-吡啶酮(3，4-HOPO-AB)的前線分子軌道如圖4所示。

圖4 N-(α-氨基丁酸基)-3-羥基-4-吡啶酮前線分子軌道Fig.4 Frontier molecular orbitals of N-(α- aminobutyryl)-3-hydroxy-4-pyridone

3.3 3-羥基-4-吡啶酮甲基化氨羧化衍生物

3-羥基-4-吡啶酮甲基化氨羧化即在C2位甲基化(Me)，在N1位分別與α-氨基乙酸基(AA)、α-氨基丙酸基(AP)、α-氨基丁酸基(AB)和α-氨基戊酸基(AV)四種基團(tuán)進(jìn)行取代反應(yīng)。甲基化氨羧化生成的四種功能化衍生物的分子軌道能級、Hirshfled原子電荷和Fukui函數(shù)如表3所示。

表3 3-羥基-4-吡啶酮甲基化氨羧化衍生物計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculation results of 3-hydroxy-4-pyridone methylated amino carboxylated derivatives

(續(xù)表3)

由計(jì)算結(jié)果可知，基于Hirshfeld原子電荷的Fukui函數(shù)表明雜環(huán)氧原子比羧基氧原子更容易向中心原子Fe提供配位原子，是絡(luò)合反應(yīng)中與金屬離子進(jìn)行反應(yīng)的主要配位原子。與3-羥基-4-吡啶酮相比，四種甲基化氨羧化衍生物中除了N-(α-氨基乙酸基)-2-甲基-3-羥基-4-吡啶酮(3，4-HOPO-AA-Me)外，最高已占分子軌道能級均發(fā)生正移。其中N-(α-氨基戊酸基)-2-甲基-3-羥基-4-吡啶酮(3，4-HOPO-AV-Me)最高已占分子軌道能級與3-羥基-4-吡啶酮相比約正移0.121 6 eV，而與1，2-二甲基-3-羥基-4-吡啶酮相比僅正移約0.006 6 eV。Amelia等[17]制備了一系列的N取代的不同側(cè)鏈的含α-氨基羧酸基的3-羥基-4-吡啶酮衍生物并研究了對金屬離子的螯合能力，發(fā)現(xiàn)鳥氨酸衍生物是最好的金屬脫附劑，并且表現(xiàn)出最高的金屬螯合效率。3-羥基-4-吡啶酮鳥氨酸衍生物即是3-羥基-4-吡啶酮分子中的C2甲基化且N1原子與α氨基戊酸基反應(yīng)生成的甲基化氨羧化合物N-(α-氨基戊酸基)-2-甲基-3-羥基-4-吡啶酮。四種甲基化氨羧化衍生物中，N-(α-氨基戊酸基)-2-甲基-3-羥基-4-吡啶酮(3，4-HOPO-AV-Me)分子中羥基氧原子和羰基氧原子上Hirshfeld原子電荷達(dá)到最大，而且高于3-羥基-4-吡啶酮，稍高于N-(α-氨基丁酸基)-3-羥基-4-吡啶酮(3，4-HOPO-AB)，但最高已占分子軌道能級要明顯低于N-(α-氨基丁酸基)-3-羥基-4-吡啶酮(3，4-HOPO-AB)。因此，N-(α-氨基戊酸基)-2-甲基-3-羥基-4-吡啶酮(3，4-HOPO-AV-Me)與硫鐵化合物的絡(luò)合脫除能力可能不及N-(α-氨基丁酸基)-3-羥基-4-吡啶酮(3，4-HOPO-AB)。N-(α-氨基戊酸)-2-甲基-3-羥基-4-吡啶酮的前線分子軌道如圖5所示。

圖5 N-(α-氨基戊酸基)-2-甲基-3-羥基-4-吡啶酮的前線分子軌道Fig.5 Frontier molecular orbitals of N-(α- aminovaleryl)-2-methyl-3-hydroxy-4-pyridone

4 結(jié) 論

1，2-二甲基-3-羥基-4-吡啶酮與硫化亞鐵在溫和條件具有良好的反應(yīng)活性證明了羥基吡啶酮作為硫鐵化合物脫除絡(luò)合劑的可行性。在此可行性實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，采用Gaussian09軟件，在B3LYP/6-31G*水平上對1，2-二甲基-3-羥基-4-吡啶酮、3-羥基-4-吡啶酮以及3-羥基-4-吡啶酮不同的氨羧化衍生物分子進(jìn)行了幾何結(jié)構(gòu)全優(yōu)化并進(jìn)行頻率和分子軌道計(jì)算?；趦?yōu)化所得結(jié)構(gòu)，在相同水平下進(jìn)行了Hirshfled原子電荷計(jì)算和相應(yīng)的Fukui函數(shù)計(jì)算。分析結(jié)果表明，羥基吡啶酮的氨羧化衍生物N-(α-氨基丁酸基)-3-羥基-4-吡啶酮可能是一種潛在的比1，2-二甲基-3-羥基-4-吡啶酮更為有效的出土出水文物硫鐵化合物絡(luò)合脫除劑。