柿單寧特征功能基團(tuán)與金屬離子作用的計(jì)算分析*

劉智高 陳濤 胡朝浩 王殿輝 王仲民? 李桂銀

1) (桂林電子科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 桂林 541004)

2) (桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動化學(xué)院, 桂林 541004)

3) (桂林電子科技大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 桂林 541004)

1 引 言

柿單寧是柿子中特有的一種多酚物質(zhì), 其重復(fù)單元中含有多個活性基團(tuán)(酚羥基)[1], 可以與多種金屬離子形成較穩(wěn)定的螯合物[2,3].因而柿單寧在吸附廢水中的貴重金屬, 以及處理土壤里金屬離子等方面有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢[4,5].由于不同金屬離子的電子結(jié)構(gòu)不一致, 柿單寧吸附金屬離子所形成的復(fù)合物結(jié)構(gòu)存在較大差異.因此柿單寧在溶液中吸附金屬離子是一個相當(dāng)復(fù)雜的反應(yīng)過程[6], 可能涉及的機(jī)理包括螯合作用[7]、靜電吸引[8]、離子交換[9]和氧化還原反應(yīng)[10]等.Yi等[10]研究了在硝酸體系中柿粉甲醛樹脂對鈀的吸附, 證實(shí)其吸附機(jī)理是以絡(luò)合反應(yīng)為主, 同時(shí)伴隨著氧化還原反應(yīng).

由于實(shí)驗(yàn)手段的限制, 通過實(shí)驗(yàn)來確定金屬離子與柿單寧相互作用的本質(zhì)仍存在困難.同時(shí)柿單寧的精確結(jié)構(gòu)仍未知曉, 理論計(jì)算也難以對其進(jìn)行研究.近年來, Li等[11]鑒定出柿單寧末端結(jié)構(gòu)由表兒茶素(epicatechin, EC)、表沒食子兒茶素(epigallocatechin, EGC)、表兒茶素沒食子酸酯(epicatechin gallate, ECG)、表沒食子兒茶素沒食子酸酯(epigallocatechin gallate, EGCG)構(gòu)成, 如圖1所示.由于柿單寧末端結(jié)構(gòu)中EGCG的含量最多, 因此通過量子化學(xué)方法來研究EGCG與金屬離子的相互關(guān)系, 成為研究柿單寧吸附機(jī)理的橋梁.江騰等[12]研究了EGCG與Zn2+的相互作用,通過實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算最終確定了反應(yīng)位點(diǎn).王曉巍等[13]則通過密度泛函分析了兒茶素及其相關(guān)金屬化合物的結(jié)構(gòu)和反應(yīng)活性.以上的研究僅僅探索了形成的金屬復(fù)合物構(gòu)型, 缺乏對相互作用本質(zhì)的闡述.當(dāng)金屬離子與EGCG相互作用時(shí), 到底是螯合機(jī)理占優(yōu)勢(形成螯合鍵)還是主要靠靜電作用相互吸引, 到目前為止還缺乏系統(tǒng)的理論研究.

圖1 柿單寧末端結(jié)構(gòu)四種單體結(jié)構(gòu)示意圖 (a) 表兒茶素; (b) 表沒食子兒茶素; (c) 表兒茶素沒食子酸酯; (d) 表沒食子兒茶素沒食子酸酯Fig.1.Structures of four monomers in the terminal structure of persimmon tannin: (a) EC; (b) EGC; (c) ECG; (d) EGCG.

密度泛函理論[14](density functional thoery,DFT)是將能量看作體系粒子密度的泛函, 它把求解N個粒子系統(tǒng)的3N自由度問題, 簡化為3個自由度的密度問題, 從而簡化計(jì)算.經(jīng)過幾十年的發(fā)展, 密度泛函理論在有機(jī)分子以及更復(fù)雜的體系方面都有著廣泛的應(yīng)用, 其方法適用于過渡金屬絡(luò)合物以及金屬化合物的計(jì)算.密度泛函理論有許多種方法, 其中最常用的方法就是B3LYP[15-17](Becke的三參數(shù)方法[18]與Lee-Yang-Parr的相關(guān)函數(shù)[19]相結(jié)合), 它將交換泛函定義為Hartree-Fock、局域和梯度修正交換項(xiàng)的線性組合, 從而得到較為精確的解.

本文通過DFT中的B3LYP方法研究EGCG與金屬離子的相互作用, 選取了Ag+, Hg2+, Cu2+,Fe2+, In3+, Al3+和Au3+七種常見的金屬離子與EG CG進(jìn)行復(fù)合.通過分析這些金屬復(fù)合物的構(gòu)型、Mayer鍵級、自然布居、結(jié)合能、以及弱相互作用的研究[20,21]等方面來討論EGCG在水溶液中與金屬離子復(fù)合的主要作用, 為柿單寧在吸附貴重金屬的應(yīng)用提供理論依據(jù).

2 理論與計(jì)算方法

2.1 計(jì)算方法

本文中主要使用B3LYP結(jié)合DFT-D3色散校正的方法, 即B3LYP-D3方法[22].對于Ag, Hg,Cu, Fe, In, Al和Au等金屬原子, 采用Lanl2dz基組; 而對于H, C和O等原子, 結(jié)構(gòu)優(yōu)化采用的是6-311G (d, p)基組, 計(jì)算單點(diǎn)能則采用的是更精確的6-311+G (d, p)基組.計(jì)算過程中添加了溶劑為水的SMD溶劑化模型.文中所有復(fù)合物的幾何結(jié)構(gòu)均通過頻率計(jì)算, 確認(rèn)為局域能量最小點(diǎn), 即所有結(jié)構(gòu)均不存在虛頻.所有計(jì)算在Gaussian 09程序包上完成[23].對于EGCG與金屬離子弱相互作用的研究, 是利用約化密度梯度(reduced density gradient, RDG)函數(shù)方法[24,25].RDG函數(shù)是描述均勻電子分布偏差的實(shí)空間函數(shù), 表達(dá)式為

其中ρ表示電子密度.弱相互作用通過實(shí)空間中相應(yīng)區(qū)域形成梯度等值面進(jìn)行表示[21,25].

2.2 EGCG模型選擇

如圖2(a)所示, EGCG被分為A環(huán)、B環(huán)、C環(huán)和D環(huán), 而EGCG與金屬離子反應(yīng)主要發(fā)生在B環(huán)3', 4'的酚羥基, 以及D環(huán)4", 5"的酚羥基上[12].由于溶液的pH不同, 且不同的金屬離子所帶電荷量也不一致, 所以EGCG與金屬離子的螯合方式有很多種.Navarro等[26]通過測定B和D環(huán)上1H核自旋弛豫時(shí)間鑒別了EGCG與金屬的結(jié)合位點(diǎn), 證實(shí)了D環(huán)比B環(huán)具有更高的配位能力,且D環(huán)在配位過程中占主導(dǎo)作用.由于吸附反應(yīng)發(fā)生在溶液中, EGCG易發(fā)生去質(zhì)子化反應(yīng), 即脫去質(zhì)子形成陰離子.我們統(tǒng)一以Inoue等在文獻(xiàn)[27]中的方式構(gòu)造模型, 即D環(huán)4"O, 5"O與金屬離子1∶1發(fā)生反應(yīng), 形成EGCG-金屬復(fù)合物, 其結(jié)構(gòu)模型圖如圖2(b)所示.

圖2 (a) EGCG結(jié)構(gòu)圖; (b) EGCG-金屬復(fù)合物結(jié)構(gòu)模型圖Fig.2.(a) Structure of EGCG; (b) structure model diagram of EGCG-metal complex.

3 結(jié)果與討論

3.1 EGCG-金屬復(fù)合物的構(gòu)型及鍵長

構(gòu)建好的復(fù)合物模型利用Gaussian軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化, 得到了各自最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu), 列在圖3中.通過對比不難發(fā)現(xiàn), ECGC-Ag+, EGCG-Hg2+和EGCG-Fe2+復(fù)合物的形成對整體結(jié)構(gòu)沒有什么影響, 同時(shí)Fe2+離子與D環(huán)的4"O, 5"O形成了一個五元環(huán), 而EGCG-Ag+與EGCG-Hg2+復(fù)合物則未形成.不同的是, EGCG與Cu2+, In3+, Al3+和Au3+這四種離子復(fù)合后使得EGCG的D環(huán)發(fā)生折疊向B環(huán)靠近, 例如圖3(c)展現(xiàn)的EGCG-Cu2+復(fù)合物(D環(huán)折疊與B環(huán)類平行, 而Cu2+離子在兩個環(huán)之間, 形成“腔狀結(jié)構(gòu)”[28]).由此, 推斷這類“腔狀結(jié)構(gòu)”復(fù)合物中, 不僅D環(huán)的4"O, 5"O與金屬離子存在相互作用關(guān)系, 由于B環(huán)與D環(huán)形成堆積, 因此兩者可能也存在相互作用.圖3(e)—(g)中的EGCG-In3+, EGCG-Al3+, EGCG-Au3+復(fù)合物結(jié)構(gòu)與圖3(c)相似.此外圖3(c)和圖3(d)中形成了明顯的螯合鍵, 而其他金屬復(fù)合物則沒有.

圖3 EGCG-金屬復(fù)合物的幾何構(gòu)型圖 (a) EGCG-Ag+; (b) EGCG-Hg2+; (c) EGCG-Cu2+; (d) EGCG-Fe2+; (e) EGCG-In3+;(f) EGCG-Al3+; (g) EGCG-Au3+Fig.3.Geometric diagrams of EGCG-metal complexes: (a) EGCG-Ag+; (b) EGCG-Hg2+; (c) EGCG-Cu2+; (d) EGCG-Fe2+;(e) EGCG-In3+; (f) EGCG-Al3+; (g) EGCG-Au3+.

還計(jì)算了金屬離子與EGCG中D環(huán)4"O, 5"O形成的復(fù)合鍵鍵長.通過表1中的數(shù)據(jù)看出, Cu2+,Fe2+離子與EGCG之間形成的鍵長較短(分別為復(fù)合鍵4"O—Cu: 1.941 ?; 5"O—Cu: 1.916 ?; 4"O—Fe: 1.926 ?; 5"O—Fe: 1.893 ?), 因此Cu2+, Fe2+離子與EGCG形成的復(fù)合鍵較穩(wěn)定(螯合作用較強(qiáng)).而像Ag+, Hg2+離子和最近的酚羥基氧原子距離分別為2.302 ?和2.333 ?, 雖然Hg2+離子與EGCG之間可能存在較強(qiáng)的相互作用關(guān)系, 但由于二者的距離較遠(yuǎn), 螯合作用較弱.對于EGCGIn3+, EGCG-Al3+和EGCG-Au3+復(fù)合物, 與EGCGFe2+復(fù)合物對比, 可以明顯地看出這類的“腔狀結(jié)構(gòu)”復(fù)合物的復(fù)合鍵更長, 螯合作用自然也是最弱的.

表1 EGCG-金屬復(fù)合物的復(fù)合鍵鍵長Table 1.Composite bond lengths of the EGCGmetal complexes.

3.2 EGCG-金屬復(fù)合物的Mayer鍵級

判斷原子間是否成鍵, 光從Gaussview中觀察幾何構(gòu)型和計(jì)算相連鍵長是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的, 因此我們還計(jì)算了金屬復(fù)合物的Mayer鍵級[29].Mayer鍵級是基于量子化學(xué)計(jì)算產(chǎn)生的波函數(shù)計(jì)算的, 從物理意義上可以理解為原子間共享的電子對數(shù).因此對于單/雙/三重鍵, Mayer鍵級應(yīng)比較接近1.0/2.0/3.0, 而沒有或幾乎沒有成鍵的原子間Mayer鍵級應(yīng)當(dāng)接近0.一般情況下, Mayer鍵級小于0.5, 都被稱為弱成鍵.對應(yīng)下面的表2中, 唯有EGCGCu2+和EGCG-Fe2+復(fù)合物形成的Mayer鍵級超過了0.5, 即形成的螯合鍵作用較強(qiáng).尤其是EGCG與Fe2+離子的復(fù)合, 形成的復(fù)合鍵Mayer鍵級分別為4"O—Fe鍵級0.594, 5"O—Fe鍵級0.748.而其他金屬離子與EGCG中D環(huán)4"O, 5"O形成的復(fù)合鍵鍵級則較小, 可能僅僅形成了弱的復(fù)合鍵,即螯合作用較弱.通過表2還可以發(fā)現(xiàn), In3+離子與EGCG復(fù)合形成的鍵級是最小的(4"O—In的Mayer鍵級僅為0.0742, 5"O—In的Mayer鍵級為0.1183), 可能與復(fù)合物中金屬離子與EGCG距離較遠(yuǎn)有關(guān), 這也導(dǎo)致了EGCG-In3+復(fù)合物的形成幾乎不存在螯合作用.

表2 EGCG-金屬復(fù)合物中復(fù)合鍵的Mayer鍵級Table 2.The Mayer bond orders of composite bond in the EGCG-metal complexes.

3.3 EGCG-金屬復(fù)合物的自然布居分析

既然說金屬離子與EGCG在溶液中存在靜電吸引作用, 那么自然就要觀察它反應(yīng)前后的電荷變化.因此, 考察復(fù)合物部分原子的自然布居分析 (natural population analysis, NPA)十分必要[30].NPA是NBO分析中的核心組成部分, 復(fù)合物形成前后原子電荷的變化只能反映整個原子的電子得失, 而利用NPA分析則可以得知每個原子軌道的電子得失.Ag+和Hg2+離子在復(fù)合前分別帶1,2個單位正電荷; 與EGCG的復(fù)合后, 通過表3可以看出Ag+和Hg2+離子分別轉(zhuǎn)移0.22和0.29個單位正電荷, 這僅僅有少量的電荷轉(zhuǎn)移, 歸結(jié)其原因是螯合作用較弱, 主要依靠靜電作用吸附.而Fe2+和Cu2+離子與EGCG復(fù)合后, 構(gòu)型中金屬離子與EGCG距離較近且形成了螯合鍵, 由于靜電作用依然存在, Fe2+和Cu2+離子上的電子仍然有部分的轉(zhuǎn)移.EGCG-In3+, EGCG-Al3+和EGCGAu3+復(fù)合物的自然電荷分布則較為特別, 由于它們形成了“腔狀結(jié)構(gòu)”, EGCG的B環(huán)與D環(huán)對In3+, Al3+和Au3+離子都有較強(qiáng)的相互作用.這導(dǎo)致這些金屬離子都轉(zhuǎn)移了大部分的電荷, 分別是In3+離子轉(zhuǎn)移了1.92個單位正電荷, Al3+離子轉(zhuǎn)移了2.13個單位正電荷, 而Au3+離子也轉(zhuǎn)移了2.13個單位正電荷, 因此可以判斷EGCG對In3+,Al3+和Au3+這三種金屬離子的吸附明顯是靜電吸引作用主導(dǎo)的.

表3 EGCG-金屬復(fù)合物中復(fù)合原子的自然布居分析Table 3.Natural population analysis of composite atoms in the EGCG-metal complexes.

3.4 EGCG-金屬復(fù)合物的結(jié)合能

金屬離子與EGCG之間結(jié)合能的大小, 決定了形成的金屬復(fù)合物是否穩(wěn)定.同時(shí)也能比較帶電量相同的金屬復(fù)合物結(jié)合能, 判斷出這些金屬離子與EGCG的復(fù)合是靜電吸引主導(dǎo), 還是螯合作用主導(dǎo).分別計(jì)算這七種金屬離子與EGCG吸附后的結(jié)合能, 結(jié)果如圖4所示.

圖4 EGCG-金屬復(fù)合物的結(jié)合能Fig.4.Binding energies of EGCG-metal complexes.

對比不同金屬復(fù)合物的結(jié)合能, 我們發(fā)現(xiàn)復(fù)合物的結(jié)合能與金屬離子所帶電荷量有所聯(lián)系.一般來說, 金屬離子所帶的電荷量越大, 越容易進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移, 其金屬復(fù)合物的結(jié)合能越低; 而對于帶電量相同的金屬離子, EGCG與其反應(yīng)的結(jié)合能越低, 形成的復(fù)合物也就越穩(wěn)定.

由圖4可以看出, Ag+離子與EGCG的結(jié)合能只有—103.6 kJ/mol, 是七種復(fù)合物中結(jié)合能最高的.對比帶電量均為正二價(jià)的金屬離子, Hg2+離子與EGCG的結(jié)合能是—135.3 kJ/mol, 高于成鍵的鍵能, 這也證實(shí)EGCG-Hg2+復(fù)合物中沒有形成螯合鍵.EGCG-Fe2+復(fù)合物( ΔE=-2 25kJ/mol )由于成鍵, 結(jié)合能自然是遠(yuǎn)低于EGCG-Hg2+.而EGCG復(fù)合Cu2+離子的結(jié)合能為—223.1 kJ/mol,略高于其復(fù)合Fe2+離子的結(jié)合能.觀察兩者結(jié)構(gòu)和鍵級, 總結(jié)其原因是: Cu2+離子與EGCG復(fù)合形成了螯合鍵, 但是由于鍵級較小導(dǎo)致螯合作用小于EGCG-Fe2+復(fù)合物; 盡管EGCG-Cu2+結(jié)構(gòu)中還出現(xiàn)的芳環(huán)堆積作用, 但其結(jié)合能與EGCGFe2+復(fù)合物相比也還是存在差距.

隨后觀察正三價(jià)的金屬離子與EGCG復(fù)合后的結(jié)合能, 發(fā)現(xiàn)同為“腔狀結(jié)構(gòu)”的EGCG-In3+與EGCG-Al3+, EGCG-Au3+復(fù)合物結(jié)合能差異較大.EGCG-In3+復(fù)合物的結(jié)合能為—701.2 kJ/mol, 而EGCG-Al3+和EGCG-Au3+結(jié)合能分別是—1379.5和—1417.7 kJ/mol.根據(jù)前面幾方面的考察, 歸結(jié)原因是EGCG-In3+復(fù)合物中, In3+離子與EGCG距離較遠(yuǎn)導(dǎo)致靜電吸引作用較弱, 雖然也存在芳環(huán)堆積作用, 但整體的吸附能力遠(yuǎn)小于EGCGAu3+復(fù)合物.而In3+, Al3+和Au3+離子與EGCG之間的吸附應(yīng)該都是靜電作用與芳環(huán)堆積作用共同主導(dǎo).

3.5 EGCG-金屬復(fù)合物的弱相互作用

Johnson等[24]提出了一種可視化研究弱相互作用的方法, 稱為RDG或NCI方法.這種方法不僅可以指出哪里存在弱相互作用, 還能可視化地了解弱相互作用的強(qiáng)度與類型.其中將原子間弱相互作用的強(qiáng)弱用色彩加以區(qū)分, 即被設(shè)為藍(lán) ＞ 綠 ＞紅.藍(lán)色區(qū)域代表相互作用強(qiáng)度較強(qiáng), 最常見的就是氫鍵和鹵鍵等作用.綠色區(qū)域說明相互作用強(qiáng)度很弱, 范德瓦耳斯作用區(qū)域符合這個特征.紅色區(qū)域則為位阻效應(yīng)區(qū)域, 對應(yīng)的是環(huán)中周圍原子間的互斥效應(yīng).為了考察金屬離子與EGCG的相互作用, 采用Multiwfn[31]+VMD[32]軟件繪制了這幾種金屬復(fù)合物的RDG函數(shù)等值面圖(圖5), 用來判斷是否存在弱相互作用.

圖5 EGCG-金屬復(fù)合物的RDG函數(shù)等值面圖 (a) EGCG-Ag+; (b) EGCG-Hg2+; (c) EGCG-Cu2+; (d) EGCG-Fe2+;(e) EGCG-In3+; (f) EGCG-Al3+; (g) EGCG-Au3+Fig.5.RDG function isosurface diagrams of EGCG-metal complexes: (a) EGCG-Ag+; (b) EGCG-Hg2+; (c) EGCG-Cu2+; (d) EGCGFe2+; (e) EGCG-In3+; (f) EGCG-Al3+; (g) EGCG-Au3+.

通過觀察發(fā)現(xiàn), 在圖5(a)和圖5(b)中, 復(fù)合后的結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生明顯的變化且金屬離子與D環(huán)4"O, 5"O之間都形成了明顯的藍(lán)色等值面, 這表明了EGCG與金屬離子兩者之間存在較強(qiáng)的弱作用(即存在靜電吸引作用).同時(shí)圖5(c)中的Cu2+離子與EGCG的螯合鍵之間也形成了藍(lán)色的等值面, 這是因?yàn)镋GCG-Cu2+復(fù)合物中螯合作用強(qiáng)度一般, 導(dǎo)致兩者間仍存在靜電吸引; 并且B環(huán)與D環(huán)之間還呈現(xiàn)了小量的黃綠色等值面, 證實(shí)還存在小量芳環(huán)堆積作用.而圖5(d)中Fe2+離子與EGCG中D環(huán)4"O, 5"O形成的螯合鍵之間并沒有任何顏色的等值面(即沒有弱作用存在), 這也反映了EGCG-Fe2+復(fù)合物主要以螯合鍵的形式復(fù)合在一起.此外, 圖5(e)—(g)中不僅金屬離子與D環(huán)4"O, 5"O之間存在藍(lán)色等值面, B環(huán)與D環(huán)之間還呈現(xiàn)了大面積的黃綠色等值面(即存在芳環(huán)堆積作用).當(dāng)然如果仔細(xì)對比圖5(e)與圖5(g)可以看出, In3+離子與D環(huán)4"O, 5"O之間的等勢面呈現(xiàn)的是淡綠色, 而EGCG-Au3+復(fù)合物中的等勢面則是深藍(lán)色, 這也從側(cè)面展示了Au3+離子與EGCG之間的靜電吸引作用更強(qiáng).

4 結(jié) 論

通過分析這些ECGC-金屬復(fù)合物的構(gòu)型、Mayer鍵級、自然布居、結(jié)合能、以及弱相互作用的研究等方面, 發(fā)現(xiàn)EGCG-Fe2+復(fù)合物主要以螯合鍵的形式吸附在一起.而在EGCG-Ag+和EGCG-Hg2+復(fù)合物中, 金屬離子與D環(huán)4"O, 5"O之間則主要是通過靜電吸引作用吸附到一起.由于In3+, Al3+和Au3+離子與EGCG形成了“腔狀結(jié)構(gòu)”的金屬復(fù)合物, 因此這三種金屬離子與D環(huán)4"O, 5"O之間不僅存在靜電吸引, 還存在芳環(huán)堆積作用, 二者共同作用使得這類金屬復(fù)合物更加穩(wěn)定.Cu2+離子與EGCG的復(fù)合則同時(shí)存在著螯合作用、靜電吸引作用和芳環(huán)堆積作用.結(jié)合能計(jì)算分析顯示, 金屬離子所帶電荷量越多, 越容易進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移; 而對于帶電量相同的金屬離子,EGCG與其反應(yīng)的結(jié)合能越低, 形成的復(fù)合物也就越穩(wěn)定.以上結(jié)論有利于理解EGCG與不同金屬離子的相互作用關(guān)系, 這些結(jié)果將為進(jìn)一步探究柿單寧吸附金屬離子的機(jī)理提供啟示.