鈾酰-(6′-(1H-吡唑-1-硫代羰基)-[2,2′-聯(lián)吡啶]-6-基)(5-甲氧基-1H-吡唑-1-基)甲硫酮對手性丙溴磷絡(luò)合分離的理論研究

劉林峰,聶長明

(南華大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院,湖南 衡陽 421001)

0 引 言

有機(jī)磷手性農(nóng)藥在過去數(shù)十年里被廣泛應(yīng)用于害蟲防治，滅蟲機(jī)理是使生物體內(nèi)的乙酰膽堿酯酶磷酸化，從而失去分解乙酰膽堿的能力[9-10]。圖1中的R/S-丙溴磷(R/S-profenofos,R/S-PFFs)是一種常見的有機(jī)磷手性農(nóng)藥。手性丙溴磷農(nóng)藥的R/S構(gòu)型對人體的生物毒性大為不同，識別和分離手性丙溴磷農(nóng)藥對環(huán)境保護(hù)和食品安全有著重要作用[11]。

目前含不對稱的硫代酰胺配體的鈾酰絡(luò)合物及其對手性丙溴磷農(nóng)藥的分子識別和分離未見報道。受上述啟發(fā)本文從理論上設(shè)計了一種新穎的硫代酰胺配體(6′-(1H-吡唑-1-硫代羰基)-(2,2′-聯(lián)吡啶)-6-基)(5-甲氧基-1H-吡唑-1-基)甲硫酮(6′-(1H-pyrazole-1-carbonothioyl)-[2,2′-bipyridin]-6-yl)(5-methoxy-1H-pyrazol-1-yl)methanethione(PMMT)，將配體PMMT與鈾酰配位絡(luò)合構(gòu)建Uranyl-PMMT受體(如圖1)，再用受體識別和分離手性R/S-丙溴磷對映異構(gòu)體，從理論上探討了這種含不對稱硫代酰胺配體對丙溴磷對映異構(gòu)體絡(luò)合能力與選擇性，揭示了受體對R/S-PFFs對映異構(gòu)體識別和分離的本質(zhì)。

圖1 R/S-丙溴磷和Uranyl-PMMT的化學(xué)結(jié)構(gòu)式

1 計算方法

在gaussian 16軟件[12]中使用BP86[13]泛函對配體及其絡(luò)合物進(jìn)行了優(yōu)化?？紤]到相對論效應(yīng)對錒系元素d軌道和f軌道的間接影響十分顯著，用小核標(biāo)量相對論有效核勢(scalar-relativistic effective core potentials，RECPs，60 core electrons)來描述鈾原子的相對論效應(yīng)，并用相應(yīng)的ECP60MWB[14]基組來描述鈾原子，對于其他輕原子則采用def2-SVP基組來描述。

本文計算了配體在氣相中的表面靜電勢(electrostatic potential,ESP)，并在此基礎(chǔ)上分析了受體-客體配合物的幾何結(jié)構(gòu)。通過Multiwfn[15]與VMD軟件[16]的結(jié)合，獲取了受體-客體配合物的定域化軌道指示函數(shù)圖(localized orbital locator,LOL)、紅外光譜圖和前線分子軌道。然后在Multiwfn軟件中使用分子中的原子量子理論(quantum theory of atoms in molecules,QTAIM)對受體-客體配合物進(jìn)行了電子密度拓?fù)浞治?。在BP86/def2-TZVP/RECP水平上計算了所有化合物的氣相單點(diǎn)能，再采用SMD[17]溶劑模型來評估其在水和有機(jī)溶劑中的溶劑效應(yīng)。

2 結(jié)果與討論

2.1 配體的表面靜電勢

靜電勢被廣泛使用于考察分子間靜電相互作用和預(yù)測反應(yīng)位點(diǎn)[18-19]。圖2展示了PMMT配體的表面靜電勢圖，紅色區(qū)域具有親電活性，靜電勢為正值，帶負(fù)電荷的微粒容易靠近。藍(lán)色區(qū)域具有親核活性，靜電勢為負(fù)值，與帶正電荷的微粒有較強(qiáng)的相互作用。由圖2可知所有配體的靜電勢負(fù)值主要出現(xiàn)在S和N原子上，說明這些位點(diǎn)有較強(qiáng)與鈾酰離子配位的能力。配體PMMT最負(fù)的靜電勢值位于其空腔內(nèi)，說明PMMT的硫和氮原子電子密度大，給電子能力強(qiáng)，因此，鈾酰離子更傾向于填充到配體的空腔中。

圖2 PMMT的表面靜電勢圖

2.2 受體及其配合物的結(jié)構(gòu)

在BP86/def2-SVP/RECP級別上優(yōu)化了受體及其配合物的結(jié)構(gòu)，所有優(yōu)化后的配合物力與位移均收斂且沒有虛頻，說明配合物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定是局部勢能面的能量最低點(diǎn)。配體PMMT含有多個供體原子，只有其連二吡啶上的兩個吡啶氮和兩個硫代甲硫酰基上的硫原子能與鈾酰配位形成穩(wěn)定的受體，由于鈾酰最穩(wěn)定的配位數(shù)是5，受體還有一個配位活性點(diǎn)可以與客體的配位原子配位從而對丙溴磷對映異構(gòu)體進(jìn)行識別分離。手性客體R/S-丙溴磷中的磷?；?客體含有6個供電子體，只有磷?；跖c受體配位收斂)可以與受體Uranyl-PMMT發(fā)生絡(luò)合作用而形成5配位的配合物R/S-PFF-Uranyl-PMMTs，圖3展示了受體及其配合物名字。

圖3 BP86/def2-SVP/RECP水平下優(yōu)化的受體和受體-客體絡(luò)合物的結(jié)構(gòu)模型

表1給出了受體與受體-客體配合物的鍵長、鍵角和二面角的計算結(jié)果。結(jié)果表明，配合物中U—S、U—N、U—O1和U—O2的鍵長基本都大于配位前受體的鍵長?？赡苁怯捎谑荏w與客體配位形成了U—O3配位鍵，降低了其他配位鍵的強(qiáng)度。同時由于硫的有效原子半徑比較大，U—N鍵和U—O鍵明顯短于U—S鍵?？傮w上來說，S型配合物的鍵長比R型的鍵長要短，表明Uranyl-PMMT受體對客體S-丙溴磷有更強(qiáng)的配位能力。鈾酰離子的鍵角是180°，但在R-型和S-型的配合物中O1—U—O2的平均鍵角分別為176.73°和175.93°，說明鈾酰離子鍵角發(fā)生了輕微扭曲。而所有配合物中的S1—U—S2的鍵角明顯大于配位前，表明受體與客體配位后空間結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化。對比二面角C1—N1—C5—C6、N1—C5—C6—S1、S1—U—N2—N1的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)S型絡(luò)合物的二面角比R型絡(luò)合物的偏轉(zhuǎn)角度更大一些，這可能導(dǎo)致受體與S型丙溴磷絡(luò)合時的空間位阻比與R-PFF絡(luò)合時更小，所以S型配位絡(luò)合物的鍵長比R型的鍵長要短。

表1 受體及其配合物的計算幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.3 Mayer鍵級、分子中原子量子理論分析

Mayer鍵級(mayer bond order,MBO)是衡量化學(xué)鍵相對強(qiáng)弱的參數(shù)，鍵級越大，鍵越穩(wěn)定。從物理上可以理解為原子間共享的電子對數(shù)，在BP86/BS-I/RECP級別上計算了所有配合物的Mayer鍵級，部分關(guān)鍵數(shù)據(jù)如表2所示。由表2可以看出U—N1和U—N2的MBO值在0.38～0.40之間，說明他們的共價性較低，并且在R和S型配合物中基本保持不變，表明N1，N2兩個配位原子對手性R/S-PFF的分離影響不大。U—S1的MBO值比U—S2的MBO值要大，表明U—S1鍵的共價組分更高?？腕w的P—O3鍵MBO值都明顯減小，說明受體對客體有明顯的配位和識別作用，且S型絡(luò)合物的P—O3鍵減小得稍多一些，表明受體對S型丙溴磷的絡(luò)合識別能力更強(qiáng)。U—O3配位鍵的MBO值較大在0.65左右，共價組分較高，且PMMT的S型絡(luò)合物MBO數(shù)值比R型絡(luò)合物要大，說明Uranyl-PMMT能有效地區(qū)分丙溴磷對映異構(gòu)體，且Uranyl-PMMT對S-丙溴磷異構(gòu)體的配位能力更強(qiáng)。

表2 計算的客體及其絡(luò)合物的部分Mayer鍵級

為了評估受體-客體絡(luò)合物五個配位鍵的共價性，在Multiwfn中使用QTAIM方法對配位鍵進(jìn)行了電子密度拓?fù)浞治觥IM(atoms in molecule)理論中BCP(bond critical,鍵臨界點(diǎn))上的電子密度(ρ)和它的拉普拉斯(2ρ)可以用來考察相應(yīng)化學(xué)鍵的性質(zhì)和強(qiáng)度。一般情況下，BCP上的ρ值>0.2 a.u.且2ρ<0時被認(rèn)為是典型的共價鍵，當(dāng)BCP上的ρ值<0.1 a.u.且2ρ>0則是離子鍵。受體-客體配合物U—S,U—N和U—O3鍵BCP處的電子密度(ρ)和拉普拉斯(2ρ)列于表3。ρ和2ρ的值表明U—S,U—N和U—O3鍵是弱的共價相互作用。受體的U—S鍵和U—N鍵在與客體配位后共價性明顯變小。受體-客體絡(luò)合物的U—S1鍵BCP處的ρ值比U—S2鍵處的ρ值略大，表明PMMT的U—S1鍵具有更大的共價性。此外，S型的絡(luò)合物ρ值比R型的ρ值大，說明S型絡(luò)合物的共價性更高，這與Mayer鍵級的結(jié)果一致。

表3 受體-客體絡(luò)合物配位鍵BCPs處的計算拓?fù)湫再|(zhì)/分別代表ρ和2ρ的值

Table 3 Calculated topological properties at BCPs of receptor-guest complexes coordination bonds (單位：a.u.)

表3 受體-客體絡(luò)合物配位鍵BCPs處的計算拓?fù)湫再|(zhì)/分別代表ρ和2ρ的值

絡(luò)合物U-S1U-S2U-N1U-N2U-O3Uranyl-PMMT0.053/0.0890.051/0.0870.063/0.1700.058/0.167-R-PFF-Uranyl-PMMT0.046/0.0810.042/0.0830.056/0.1580.052/0.1490.059/0.225S-PFF-Uranyl-PMMT0.050/0.0830.047/0.0840.057/0.1640.052/0.1520.068/0.282

2.4 紅外光譜分析

表4 客體，受體以及受體-客體絡(luò)合物的主要紅外數(shù)據(jù)

圖4 受體及其絡(luò)合物的紅外光譜圖

2.5 軌道分析

前線軌道理論是由日本化學(xué)家福本謙一教授提出的一種化學(xué)理論，其認(rèn)為最高占據(jù)分子軌道(highest occupied molecular orbital,HOMO)和最低未占據(jù)分子軌道(lowest unoccupied molecular orbital,LUMO)是決定一個體系發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的關(guān)鍵。最高占據(jù)軌道上的電子所受束縛最小，最容易發(fā)生躍遷；最低未占據(jù)軌道的能量最低，最容易接納電子。HOMO-LUMO能隙越大，說明電子基態(tài)穩(wěn)定性越強(qiáng)。通過計算得到了受體和配合物的前線分子軌道能量ELUMO和EHOMO以及能隙ΔEL-H(ELUMO-EHOMO)如圖5所示，Uranyl-PMMT受體的能隙ΔEL-H分別為2.65 eV，他們與R/S-丙溴磷配位后能隙ΔEL-H變大了，揭示了Uranyl-PMMT與客體配位后基態(tài)電子穩(wěn)定性得到提升。總體來說，S-PFF-Uranyl-PMMT的ΔEL-H比R-PFF-Uranyl-PMMT大，說明受體更容易與S型丙溴磷形成穩(wěn)定配合物。

圖5 受體及其配合物的前線分子軌道和軌道能量

定域化軌道函數(shù)(LOL)可以顯示分子不同部分的動能密度差異。原子周圍的等值面數(shù)額越高，其電子局定域化越強(qiáng)。圖6顯示了受體-客體絡(luò)合物的定域化軌道函數(shù)圖，可以明顯看出受體-客體絡(luò)合物配位鍵中間的成鍵區(qū)域。U原子與五個配位原子之間的高定域性區(qū)域非常弱，被認(rèn)為具有弱共價性。U和S1之間的LOL值大于U和S2之間的LOL值，這表明受體與客體配位時S1原子起著更大的作用。觀察圖6可知，S1、S2、N1、N2和O3原子與U原子形成了配位鍵，其中S型絡(luò)合物U—S鍵的LOL值比R型絡(luò)合物的要大，說明受體與S型丙溴磷的配位更加穩(wěn)定。

圖6 受體-客體絡(luò)合物的定域化軌道函數(shù)圖

2.6 配合物的熱力學(xué)性質(zhì)

在此次研究中使用化學(xué)方程式：受體+R/S-PFFs→受體-R/S-PFFs來計算配體的熱力學(xué)性質(zhì)[20]。表5給出了R-PFF-Uranyl-PMMT和S-PFF-Uranyl-PMMT受體-客體絡(luò)合物在真空、水和有機(jī)溶劑中的Gibbs自由能變。表中的數(shù)據(jù)由以下公式計算得出：

表5 受體-客體絡(luò)合物的吉布斯自由能變ΔG(kJ/mol)及其對映選擇性系數(shù)

G=Ggas+Gsol+Gc

(1)

ΔG=(GAB-GA-GB)×627.51

(2)

式(1)中，Ggas為物質(zhì)在1.01×102kPa氣相下的自由能，Gsol是物質(zhì)的溶解自由能，Gc是物質(zhì)在標(biāo)準(zhǔn)狀況下由1.01×102kPa下的濃度向1 mol/L濃度轉(zhuǎn)變時對應(yīng)的自由能變(7.917 kJ/mol)。G表示為受體、客體和受體-客體絡(luò)合物在溶劑環(huán)境下標(biāo)況(298.15 K、1 mol/L)時的自由能。

式(2)中，GAB，GA和GB分別為配合物，受體和R/S-丙溴磷的自由能，ΔG表示整個反應(yīng)體系的吉布斯自由能變，單位為kJ/mol。627.51為單位換算時需要乘的數(shù)值。

R-PFF-Uranyl-PMMT和S-PFF-Uranyl-PMMT絡(luò)合物的ΔG值均為負(fù)值，表明所有受體對客體均具有顯著的絡(luò)合能力。并且同一受體在不同溶劑中的ΔG也明顯不同，受體-客體絡(luò)合物在甲苯中的ΔG最負(fù)，說明受體在甲苯中與R/S-丙溴磷的結(jié)合能力最好。受體-客體絡(luò)合物在真空中的ΔG最負(fù)，表明受體與客體在真空中的結(jié)合能最大，反應(yīng)最容易發(fā)生。通過對比所有絡(luò)合物的ΔG發(fā)現(xiàn)，S-PFF-Uranyl-PMMT的ΔG總體上比R-PFF-Uranyl-PMMT的ΔG要稍微大一些，揭示了Uranyl-PMMT與S型丙溴磷的結(jié)合能更強(qiáng)。

在此次研究的分離體系中，根據(jù)不同構(gòu)型絡(luò)合物之間的吉布斯自由能變可以算出受體對手性R/S-丙溴磷的對映選擇性系數(shù)。計算公式如下：

(3)

(4)

ΔΔGS/R表示S型絡(luò)合物和R型絡(luò)合物之間的吉布斯自由能差；KR和KS分別表示Uranyl-PMMT對R-PFF和S-PFF分子的識別系數(shù)；R為氣體摩爾常數(shù)，T=298.15 K。

由表5可知，所有F值均大于90%，表明受體對R/S-PFFs具有良好的分離能力。所有配合物在真空中的F值最小，說明受體在真空中對R/S-PFFs的選擇分離能力最弱。受體-客體配合物在水中的F值最大，這表明使用水作為溶劑對R/S-PFFs具有較高的選擇性。受體-客體配合物在甲苯中對R/S-PFF的選擇性最低，但考慮到配體在甲苯中的結(jié)合能較大，甲苯依然是萃取溶劑的選擇之一。S-PFF-Uranyl-PMMT的F值比R-PFF-Uranyl-PMMT的要大一些，表明了受體對S型客體的識別和分離能力比R型客體更強(qiáng)。

3 結(jié) 論

本文從理論上研究Uranyl-PMMT對R/S-丙溴磷的絡(luò)合作用及對映選擇性識別能力?；诿芏确汉碚撚嬎懔耸荏w、客體及受體-客體絡(luò)合物的Mayer鍵級、AIM拓?fù)湫再|(zhì)、定域化軌道指示函數(shù)(LOL)、前線分子軌道、紅外光譜和吉布斯自由能變。研究結(jié)果表明，PMMT可與鈾酰離子形成穩(wěn)定的不對稱受體，且對S型丙溴磷有更強(qiáng)的絡(luò)合能力。熱力學(xué)性質(zhì)研究進(jìn)一步表明，在標(biāo)準(zhǔn)狀況(298.15 K、1.01×102kPa)下，受體與客體在水、乙醇、正辛醇、丙酮和甲苯中都能自發(fā)地發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)。Uranyl-PMMT在以上4種有機(jī)溶劑中對映選擇性系數(shù)均超過90%，尤其在極性的水、乙醇和丙酮中，Uranyl-PMMT對手性丙溴磷的對映選擇性系數(shù)均在99%以上。