用Hartree-Fock法預(yù)測取代苯亞硒酸的pKa值

張夢陽，裴詩恩，蘇凌峰，劉喜靈，徐娉婷，劉詩詠

（臺州學(xué)院，浙江 椒江 318000）

用Hartree-Fock法預(yù)測取代苯亞硒酸的pKa值

張夢陽，裴詩恩，蘇凌峰，劉喜靈，徐娉婷，劉詩詠

（臺州學(xué)院，浙江 椒江 318000）

采用Gaussion View 軟件用Hartree-Fock方法及STO-3G基組優(yōu)化13種已知pKa實(shí)驗(yàn)值的單取代苯亞硒酸化合物，得到它們的Mulliken電荷和NBO電荷，以羥基上的H1、O1原子及Se原子的Mulliken、NBO電荷分別對pKa實(shí)驗(yàn)值做圖，得到6個線性擬合方程，通過比較它們的相關(guān)性大小，R的絕對值越大，相關(guān)性越好,選出擬合效果最好的線性回歸方程。再選取13種未知pKa實(shí)驗(yàn)值的單取代和多取代苯亞硒酸化合物，算出各自的電荷，用該線性回歸方程計算其pKa值。結(jié)果表明，用O1原子的Mulliken電荷值與其實(shí)驗(yàn)pKa值的線性回歸方程，來預(yù)測未知取代苯亞硒酸的pKa值具有良好的預(yù)測效果。

量化參數(shù)；Mulliken電荷；NBO電荷；pKa值

硒是人體必需的微量元素之一，被人們尊稱為“生命的火種”，享有“抗癌之王”、“心臟守護(hù)神”、“天然解毒劑”之稱。1817年，瑞士化學(xué)家Berzdlius第一個發(fā)現(xiàn)了元素硒，并將其命名為Selenium。20世紀(jì)70年代，美國學(xué)者J. T. Rotruck等發(fā)現(xiàn)了硒是谷胱甘肽過氧化物酶的必要組成成分[1-3]。至今為止，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)約20余種含硒和含硒蛋白，人們對硒的生理功能方面的研究不斷深入。成人日安全攝入硒量為50 ～200μg，界限中毒量為800μg；硒有著保護(hù)遺傳物質(zhì)不受致癌物質(zhì)的影響，預(yù)防癌變，抗氧化、抗衰老，解毒排毒，提高人體免疫力的作用。人體內(nèi)的自由基會使機(jī)體受到氧化損傷，它會促使脂質(zhì)發(fā)生氧化反應(yīng)，使體內(nèi)的脂類化合物發(fā)生變質(zhì)，并放出更多的自由基，使細(xì)胞膜的磷脂不飽和化，導(dǎo)致細(xì)胞膜變質(zhì)，細(xì)胞變性。許多活性氧和自由基引起的疾病與缺硒有關(guān)，如克山病、惡性腫瘤、心血管疾病、視力下降或損傷、自身免疫性疾病、免疫缺陷疾病、動脈粥樣硬化、甲狀腺疾病、糖尿病、肝病、關(guān)節(jié)炎、腎衰、白內(nèi)障、炎癥、矽肺、哮喘性支氣管炎、部分相關(guān)不孕不育癥、皮膚病、某些有毒金屬中毒、脂質(zhì)過氧化損傷、衰老過程等等，由此可見，缺硒的危害極大。機(jī)體內(nèi)很多抗氧化體系都含有硒：抗氧化酶類—含硒酶，如谷胱甘肽過氧化物酶，在血漿和細(xì)胞中含量很高，是人體內(nèi)重要的抗氧化酶，1 mol的谷胱甘肽過氧化物酶中含有4克硒，它可以催化自由基過氧化氫使其變成無害的水，消除自由基的氧化作用；非酶化合物—硒蛋白，它具有抗氧化作用，與其他酶共同作用，增強(qiáng)機(jī)體的免疫能力，拮抗有毒金屬元素；非酶自由基清除劑：輔酶Q，它對心臟的生理功能起著重要作用，硒是其合成的必要組分。

硒對致癌性很強(qiáng)的黃曲霉素的清除功能很強(qiáng)，人們稱其為抗誘變劑。中國有72% 的縣市缺硒或低硒，如江蘇、浙江、安徽等地都是嚴(yán)重缺硒的地區(qū)。21世紀(jì)以來，科學(xué)家越來越重視硒在抗癌和預(yù)防多種慢性疾病方面的作用。1983年至1991年這13年以來，美國亞利桑那大學(xué)癌癥中心的克拉克教授進(jìn)行了“硒防癌實(shí)驗(yàn)”，發(fā)現(xiàn)人體硒含量與癌癥的死亡率高低密切相關(guān)[4-6]。近期有研究表明，有機(jī)硒的防癌效果優(yōu)于無機(jī)硒，目前研究硒制劑的發(fā)展趨勢是開發(fā)和應(yīng)用有機(jī)硒。朱雨秋、劉超美等制備了15種芐基硒氰化合物，對其抑制小鼠白血病腫瘤細(xì)胞和人肺腺癌細(xì)胞生長的能力進(jìn)行了研究比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些化合物對癌細(xì)胞的生長具有明顯的抑制作用。另外，鄭時龍和胥佩菱設(shè)計并合成了十一個取代苯亞硒酸化合物，并進(jìn)行了抑制小鼠艾氏腹水癌實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其中兩種有較強(qiáng)的活性，遠(yuǎn)高于無機(jī)硒。

在此采用量子化學(xué)方法，利用計算機(jī)及高斯軟件對苯亞硒酸的pKa進(jìn)行預(yù)測。本文在Hartree-Fock/STO-3G 水平上對各取代苯亞硒酸化合物分子進(jìn)行計算，將得到的電荷值與pKa的實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行線性回歸，選擇相關(guān)性最好的回歸方程，用其預(yù)測單取代和多取代苯亞硒酸的pKa值(圖1)。

圖1 單（多）取代苯亞硒酸的結(jié)構(gòu)式和分子編號Fig.1 The formula structural of one and multi-substituted bezene seleninic acid

1 計算方法

1.1 原子電荷計算

利用 Gaussion 09 W 軟件包和 Gaussion View 5.0 軟件搭建模型，用 opt 方法優(yōu)化 13 種已知實(shí)驗(yàn)值的單取代苯亞硒酸化合物的分子構(gòu)型，在Hartree-Fock(HF) 方法，采用STO-3G基組對分子進(jìn)行計算，得到13種單取代苯亞硒酸化合物的Mulliken電荷值和NBO電荷值。

1.2 回歸方程的參數(shù)檢驗(yàn)

分別以計算所得電荷Mulliken（H1）、NBO（H2）、Mulliken（O1）、NBO（O2）、Mulliken（Se1）、NBO（Se2）這六種電荷值為橫坐標(biāo)，均以pKa實(shí)驗(yàn)值為縱坐標(biāo)，利用Origin 7.5作圖軟件做圖，進(jìn)行線性擬合得到六個線性回歸方程，并得到六個相關(guān)系數(shù)R 。通過比較六者的相關(guān)性，即R 的絕對值越大，相關(guān)性越好，反之，則越差，據(jù)此選出擬合效果最好的線性回歸方程。重復(fù)1.1中步驟，算出另外選取的13種單取代和多取代苯亞硒酸的化合物的Mulliken電荷值和NBO電荷值，將對應(yīng)的電荷值代入1.2中比較所得的擬合效果最好的線性回歸方程，算出其pKa值，結(jié)合電子效應(yīng)分析其預(yù)測的合理性。

2 結(jié)果和討論

在模擬實(shí)驗(yàn)中，列出了相關(guān)原子電荷參數(shù)，其中包括硒羧基團(tuán)上原子的密立根電荷(H1，O1，Se1)、自然原子軌道電荷值(H2，O2，Se2). 13種已知單取代苯胺分子實(shí)驗(yàn)值數(shù)據(jù)見表1所示。

表1 13種單取代苯硒酸原子相關(guān)電荷計算值Table 1 The charges of H, O and Se atoms for 13 entry

2.1 硒羧基密立根原子電荷與其實(shí)驗(yàn)pKa值關(guān)系

模擬實(shí)驗(yàn)中，我們已測得H1原子的Mulliken電荷值，見表1，運(yùn)用Origin7.5軟件將其與它們的pKa實(shí)驗(yàn)值作圖，并經(jīng)行線性擬合，得到圖2。

圖 2（略） 所表示的是 H1 原子的 Mulliken電荷 與 pKa實(shí)驗(yàn)值的相關(guān)性，擬合所得直線的線性回歸方程為 Y1=40.16589-170.10526X，相關(guān)系數(shù)R1=-0.87931，SD=0.15018，R的絕對值越接近1，說明相關(guān)性越好，此處只有0.87931，說明H1原子的Mulliken電荷與pKa實(shí)驗(yàn)值的相關(guān)性不是很好。

用相同方法，我們測得O1原子的Mulliken電荷值，見表1，運(yùn)用Origin軟件將其與它們的pKa實(shí)驗(yàn)值作圖，并經(jīng)行線性擬合，得到圖3（略）。

圖 3 所表示的是 O1 原子的 Mulliken 電荷與 pKa 實(shí)驗(yàn)值的相關(guān)性，擬合所得直線的線性回歸方程為Y2=-40.71081-143.11448X，相關(guān)系數(shù)R2= - 0.92494，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差SD=0.11987，R 的絕對值為 0.92494，較接近1，說明 O1 原子的 Mulliken電荷與 pKa實(shí)驗(yàn)值的相關(guān)性較好。

實(shí)驗(yàn)中我們測得Se原子的Mulliken電荷值，運(yùn)用Origin7.5 軟件將其與它們的pKa實(shí)驗(yàn)值作圖，并經(jīng)行線性擬合，得到圖4（略）。。

圖4（略）所表示的是Se原子的Mulliken電荷與pKa實(shí)驗(yàn)值的相關(guān)性，擬合所得直線的線性回歸方程為Y3=24.11668-42.03382X，相關(guān)系數(shù)R3=-0.87837，SD=0.15073，R的絕對值為0.87837，R3小于R2，說明Se原子的Mulliken電荷與pKa實(shí)驗(yàn)值的相關(guān)性沒有O1原子的Mulliken電荷與pKa實(shí)驗(yàn)值的相關(guān)性好。

2.2 硒羧基自然原子電荷與其實(shí)驗(yàn)pKa值關(guān)系

實(shí)驗(yàn)中我們測得O1原子的NBO電荷值，見表1，運(yùn)用Origin軟件將其與它們的pKa實(shí)驗(yàn)值作圖，并經(jīng)行線性擬合，得到圖5（略）。圖 5 所表示的是 H1 原子的 NBO 電荷 與 pKa實(shí)驗(yàn)值的相關(guān)性，擬合所得直線的線性回歸方程為Y4=44.52753-182.35632X，相關(guān)系數(shù)R4=-0.90208，SD=0.1361，R的絕對值為0.90208，較接近1，說明H1原子的NBO電荷與pKa實(shí)驗(yàn)值的相關(guān)性較好，但無O1原子的Mulliken電荷與pKa實(shí)驗(yàn)值的相關(guān)性好。實(shí)驗(yàn)中測得O1 原子的NBO電荷值，見表1，運(yùn)用Origin軟件將其與它們的pKa實(shí)驗(yàn)值作圖，并經(jīng)行線性擬合，得到圖6（略）。。圖 6 所表示的是O1 原子的 NBO 電荷 與 pKa實(shí)驗(yàn)值的相關(guān)性，擬合所得直線的線性回歸方程為Y5=-45.81248-152.85433X，相關(guān)系數(shù)R5=-0.91358，SD=0.12824，R的絕對值為0.91358，R5小于R2，說明O1原子的NBO電荷與pKa實(shí)驗(yàn)值的相關(guān)性沒有O1原子的Mulliken電荷與pKa實(shí)驗(yàn)值的相關(guān)性好。實(shí)驗(yàn)中我們測得Se原子的NBO電荷值，見表1，運(yùn)用Origin軟件將其與它們的pKa實(shí)驗(yàn)值作圖，并進(jìn)行線性擬合，得到圖7（略）。圖 7 所表示的是Se原子的NBO電荷與 pKa實(shí)驗(yàn)值的相關(guān)性，擬合所得線性回歸方程為 Y6=27.2529-46.39869X，相關(guān)系數(shù)R6=-0.85916，SD=0.16137，R 的絕對值為0.85916，R4小于 R2，說明Se 原子的NBO電荷與pKa實(shí)驗(yàn)值的相關(guān)性較差。

綜上所得，｜R2｜＞｜R5｜＞｜R4｜＞｜R1｜＞｜R3｜＞｜R6｜,所以 O1 原子的Mulliken電荷與pKa實(shí)驗(yàn)值的相關(guān)性最好，下面采用其線性回歸方程為: Y2=-40.71081-143.11448X來預(yù)測其他未知pKa實(shí)驗(yàn)值得單取代和多取代苯硒酸pKa值。

2.3 預(yù)測多取代苯亞硒酸的pKa值方法的比較

將所選的13種未知pKa實(shí)驗(yàn)值的單取代與多取代苯亞硒酸用opt進(jìn)行構(gòu)型優(yōu)化，用Hartree-Fock (HF)方法，采用STO-3G基組對分子進(jìn)行計算，得到13種單取代和多取代苯亞硒酸化合物的O1原子的Mulliken電荷值。將Mulliken電荷數(shù)據(jù)分別代入已選定的線性回歸方程Y2=-40.71081-143.11448X中，計算得到相應(yīng)化合物的pKa值，見表2。

表2 新方法及軟件ACD-Labs預(yù)測的pKa值比較Table 2 The unknown 13 compounds predicted by ACD

3 結(jié) 論

（1）通過對已知實(shí)驗(yàn)pKa值的苯亞硒酸取代物的Mulliken電荷和NBO電荷的計算，研究其與實(shí)驗(yàn)pKa值的關(guān)系，最終發(fā)現(xiàn)O1原子的Mulliken電荷值與pKa值的相關(guān)性要遠(yuǎn)好于其他五種電荷和pKa值的相關(guān)性，它的相關(guān)系數(shù)絕對值達(dá)到0.924494，與1最接近。

（2）結(jié)合基團(tuán)的電子效應(yīng)，吸電子基團(tuán)能增強(qiáng)有機(jī)酸的酸性，而推電子基團(tuán)則剛好相反，吸電子基團(tuán)越多，酸性越強(qiáng)，推電子基團(tuán)越多，酸性越弱。以上涉及基團(tuán)的吸電子能力：NO2＞F＞Cl＞Br＞OCH3＞H，推電子能力：CH3CH2＞CH3＞H，據(jù)此可初步推斷出上述13種未知pKa值的化合物中，2，3，4-三硝基苯亞硒酸的酸性應(yīng)該最強(qiáng)，其次是2,3-二硝基苯亞硒酸，最弱的應(yīng)是2,3,4-三甲基苯亞硒酸，這些結(jié)論與論文中的ACD軟件預(yù)測的結(jié)果基本相符。

［1］龍 威. 理論研究中的量子化學(xué)計算方法[J]. 河南師范大學(xué)學(xué)報，2010,6(3)：43-47.

［2］章宏凱.密度泛函方法與Hartree-Fock方法[J].許昌師專學(xué)報，1996,6(15,2):13-18.

［3］徐光憲,黎樂民,王德民.量子化學(xué)中冊[M].科學(xué)出版社，1985.

［4］周宏偉,周歌,鄭文旭,等.量子化學(xué)計算中基組效應(yīng)對幾何結(jié)構(gòu)和性質(zhì)影響的研究[J].化學(xué)研究與應(yīng)用,2014,21(3):65-68.

［5］陳兆星,李勤瑜,許旋. 5-[2′2-氟-4′-溴-苯甲亞胺]-8-羥基喹啉鋁的量子化學(xué)研究[J]. 高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報,2007, 28(2):338-341.

［6］曾榮英 ,唐文清,鄺代治,等. (μ2-L1)- (μ2-L2) -羰基合三鋨電子光譜的含時從頭計算[J]. 光譜學(xué)與光譜分析,2007, 27(7):1271-1275.

Prediction of p KaValue of Substituted Benzeneseleninic Acid by Hartree-Fock Method

ZHANG Meng-yang , PEI Shi-en, SU Ling-feng, LIU Xi-ling, XV Ping-ting, LIU Shi-yong
（College of Taizhou University, Zhejiang Jiaojiang 318000，China）

The Gaussion View was used to optimize the 13 monosubstituted bezene seleninic acids with known exp.pKavalues by using Hartree-Fock method and STO-3G× pop=(nbo),their Mulliken charge and NBO charge were obtained. Using Mulliken charge or NBO charge of H1 atoms,O1 atoms and Se atoms on the oxhydryl and pKa values, their relation diagrams were drawn, and 6 linear fitting equations were obtained. Through comparing their correlation levels (the greater the R value, the better the correlation), the best quantum chemical equation was determined. Then13 monosubstituted or polysubtituted bezene seleninic acids with unknown pKa values were chosen, and their charges were calculated, and the best equation was used to calculate their pKa values. The results show that this method can well predict the pKaof monosubstituted or polysubtituted bezene seleninic acids.

Quantum chemical calculation; Mulliken charge ; NBO charge; pKa

O 644.32

： A

： 1671-0460（2015）11-2546-03

國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項(xiàng)目，項(xiàng)目號：201510350015。

2015-06-28

張夢陽（1993-），男，內(nèi)蒙古包頭人，現(xiàn)從事生物計算工作。 E-mail:905083574@qq.com。

劉詩詠（1978-），男，博士，研究方向：生物化學(xué)。