多取代苯胺溶解度和電離常數(shù)的單參數(shù)預測

王 炎，裴詩恩，葉余原，黃恩玲

（臺州學院， 浙江 臺州 318000）

?

多取代苯胺溶解度和電離常數(shù)的單參數(shù)預測

王 炎，裴詩恩，葉余原，黃恩玲

（臺州學院， 浙江 臺州 318000）

摘 要：采用DFT理論方法與基組B3LYP/3-21+G，模擬了 10 種單取代苯胺分子的骨架結構。計算了其苯胺環(huán)上氮和氫原子的自然軌道電荷（NBO）和密立根電荷（Mul）值。結果發(fā)現(xiàn)，該電荷值與其實驗溶解度系數(shù)（pKs）和實驗電離平衡常數(shù)（pKa）值間有好的單參數(shù)關聯(lián)性。另外還計算了10 個多取代基的苯胺分子的氮和氫原子的自然軌道電荷和密立根電荷參數(shù)，使用擬合出的兩線性方程， 結果顯示新方法預測值與ACD/Labs方法得到的多取代苯胺分子的pKa/pKs值接近。

關 鍵 詞：密度泛函理論；苯 胺；原子電荷

酸堿性和溶解度是分子非常重要的物理化學性質之一，通常用 pKa值和pKs值來表示。但由于受其穩(wěn)定性等諸多因素的制約，從實驗上準確測定一些分子的 pKa值和pKs值仍有一定的困難。從密度泛函理論方法和計算上尋找有效和可靠的預測酸堿性和溶解度的方法仍然是目前文獻上活躍的課題［1-4］。本文試圖把該方法應用于苯胺分子體系，預測單取代和多取代苯胺的pKa值和pKs值。

1 計算方法

本課題首先構建了已知實驗 pKa、pKs值的單取代苯胺的分子結構模型（10個），使用Gaussion 09W/View 計算軟件，在 DFT/B3LYP/3-21+G 水平和基組下， 優(yōu)化其分子結構。然后計算其相對應的取代苯環(huán)上N和H原子的密立根原子電荷（Mul）值，原子核靜電勢電荷（ESP）值和自然原子軌道電荷（NBO）值（見圖1）。

2 結果和討論

2.1 苯環(huán)上氮、氫原子的自然軌道電荷值

用已知實驗pKa值和pKs值的10個苯胺及單取代苯胺分子作為練訓集，模擬計算出三種方法的與N和H原子電荷值，結果見表 1 所示。用Original 7.5軟件，分別作了10個取代分子苯胺環(huán)上氮和兩個氫原子的 NBO 電荷值與其實驗pKa和pKs值之間6個關聯(lián)式圖（省略）（Y1=-105.85-152.52X1，R1=-0.808）。其單參數(shù)相關關系式數(shù)據(jù)見表1所示。

圖1 苯胺及多取代苯胺（R-C6H5）分子結構Fig.1 Aniline R-C6H5molecular structure

2.2 苯環(huán)上氮、氫原子的靜電勢電荷值

作為訓練集的已知實驗pKa值和pKs值的10個苯胺分子及其取代苯胺分子，模擬了其原子電荷計算結果見表2 所示。然后作了取代苯胺環(huán)上 N 和2個H原子的原子核靜電勢原子電荷參數(shù)（ESP）與其實驗pKa和pKs值之間6個關聯(lián)圖（省略）。其單參數(shù)相關關系式如表2。

表1 10個取代苯胺分子中N、H原子自然原子軌道電荷值（NBO）及其pKa、pKs實驗值Table 1 10 substituted anilines of N/H atomic natural charges（NBO）and the experimental values of pKa/pKs

表2 10種取代苯胺氮/氫原子靜點勢（ESP）電荷值及其pKa/pKs實驗值Table 2 For 10 Substituted anilines of N/H atomic ESP charge sand experimental values of pKa/pKs

2.3 苯環(huán)上氮、氫原子的密立根電荷值

使用已知實驗pKa值和pKs值的10個苯胺分子及其取代苯胺分子，作為練習集的計算結果見表3所示。分別作了取代苯胺環(huán)上N和2個H原子的Mulliken原子電荷參數(shù)與其實驗pKa和pKs值之間6個關聯(lián)圖（Y2=103.870-268.742X2； R2=0.713）。數(shù)據(jù)見表3所示。

表3 10種取代苯胺氮、氫原子Mulliken電荷及其pKa、pKs實驗值Table 3 For 10 Substituted anilines of N/H atomic Mulliken charges（MUL），and experimental values of pKa/pKs

2.4 三種電荷預測方法與ACD軟件預測的比較

用前述兩條單變量參數(shù)方程，本文又檢測了10種未知多取代苯胺的 pKa和 pKs值，與ACD-Labs 6.0軟件預報值進行了對比（見圖2和表 4）。結果顯示，兩者預報的模擬結果還是非常接近的，相關系數(shù)R值在-0.77～-0.92 之間［5］，符合較好。

圖2 新方法預測的苯胺和甲基苯胺NBO電荷值Fig.2 The NBO charges of C6H5-NH2and CH3-C6H5-NH2molecular with new methods

表4 10種未知pKa/pKs值的取代苯胺 NBO和Mulliken原子電荷數(shù)及其 ACD/Labs 預測的pka/pks值對比Table 4 Comparison with unknown pKa/pKsvalues to 10 substituted anilines NBO/ Mulliken parameters with ACD -Labs 6.0 forecasted the pka/pksvalues

3 結 論

（1）用高斯 09W 計算軟件，采用密度泛函方法與基組DFT/B3LYP/3-21+G， 優(yōu)化了10種苯胺及其單或者多取代苯胺分子骨架結構，擬合結果顯示，取代苯胺分子環(huán)上N/H原子的自然原子軌道電荷值（NBO）和擬合的密立根電荷值（Mul）與其實驗分子電離平衡常數(shù)pKa值和水中實驗溶解度常數(shù)（pKs）間，顯示均存在較好的單參數(shù)關聯(lián)性：

（2）擬合計算了10 個未知電離平衡常數(shù)pKa值和未知 水中實驗溶解度pKs值的多取代苯胺化合物的自然原子軌道電荷（NBO）和密立根電荷參數(shù)（Mul），融入擬合出的兩線性單參數(shù)方程，發(fā)現(xiàn)與現(xiàn)在的計算軟件ACD/Labs 預報得到的 10 種多取代苯胺分子的pKa/pKs預報值間，會達到比較接近值（關聯(lián)常數(shù)R= -0.770～-0.920 之間）。

參考文獻：

［1］祁正興. 用從頭算量化參數(shù)預測吡啶類化合物的 pKa值［J］. 青海師專學報，2006（5）：77 -80.

［2］肖乾芬， 戴玄吏， 王曉棟，等. 取代苯對人體細胞的定量結構-遺傳毒性研究［J］. 中國環(huán)境科學， 2005， 23（1）：18-22.

［3］范強，閆華，金燕仙，等. 單參數(shù)法估算取代苯胺的pKb值 ［J］. 單參數(shù)法估算取代苯胺的pKb值， 2014， 43（2）：165-167.

［4］汪志鵬，吳俊勇，陳丹，等. 用自然原子軌道電荷估測取代吡啶的pKa值［J］. 當代化工， 2014， 43 （4）：162-164.

［5］費寧燁，許威慧，鄭靖達，等. 單參數(shù)法估算取代吡啶的電離常數(shù)和分配系數(shù)［J］. 廣州化工， 2013，41（19）：91-92.

Theoretical Prediction of the Solubility and Ionization Constants of Aniline

WANG Yan， PEI Shi-En， YE Yu-Yuan， HUANG En-Ling
（Taizhou University， Zhejiang Taizhou 318000，China）

Abstract:Using Gaussion 09W software， the molecular structures of 10 kinds of aniline and its substituted aniline were simulated by using density functional method； Atomic charge NBO and Mulliken charge Mul of N and H atoms on aniline ring of polysubstituted aniline compounds were calculated. The results show that the charge has good single parameter correlation with experimental solubility coefficient pKs and experimental ionization equilibrium constant pKa.Quantified NBO/ Mulliken parameters were used to calculate unknown pKavalue and unknown pKs value， two linear fitting of substitution of single parameter equation was carried out. The results show that and pKa/pKspredictive values obtained by the new method are close to those obtained by popular software ACD labs 6.0.

Key words:Density functional theory； Benzene amine； Atomic charge

中圖分類號：O 644.32

文獻標識碼：A

文章編號：1671-0460（2016）02-0229-02

基金項目：國家級大學生創(chuàng)新訓練計劃項目，項目號：201510350015。

收稿日期：2015-11-05

作者簡介：王 炎（1993-），杭州建德人，研究方向：從事計算工作。

通訊作者：王恩玲（1993-），女，研究方向：化學教育。指導教師：葉余原老師。