表面活性劑十八烷基磺酸鈉的Multiwfn研究*

張文馨，嚴 新，王清清，張齊齊，褚玉婷，陳 煜

(1 鹽城工學院，江蘇 鹽城 224051；2 南通市食品藥品監(jiān)督檢驗中心，江蘇 南通 226000)

1 十八烷基磺酸鈉的簡介

圖1 十八烷基磺酸鈉的分子結(jié)構(gòu)Fig.1 Thestructure of Sodium octadecyl sulfonate

十八烷基磺酸鈉是一種陽離子表面活性劑。分子式為C18H37NaO3S，分子量356.54，CAS號：13893-34-0。蒙脫石是一種粘土礦物常被用于重金屬離子和有機污染物的吸附。科學家研究表明，經(jīng)表面活性劑改性的蒙脫石，其吸附有機物的吸附量明顯高于未改性的蒙脫石[1-3]。本文采用量子化學計算方法，在Gaussian程序[4]中對十八烷基磺酸鈉進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并通過Multiwfn程序[5]進行波函數(shù)分析。本文對十八烷基磺酸鈉分子進行了原子電荷分析、靜電勢分析、盆分析、平均局部離子化能分析和電子定位函數(shù)分析，有助于大家更熟悉十八烷基磺酸鈉的分子結(jié)構(gòu)并找到其活性位點，為合成新型有效的吸附材料提供理論指導。

2 十八烷基磺酸鈉分子的微觀分析

2.1 Mulliken電荷分析

采用Gaussian 09 軟件，在B3LYP/6-31G*基礎(chǔ)上[6]對十八烷基磺酸鈉分子進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在輸出文件中得到各個原子的Mulliken 電荷，其數(shù)據(jù)見表1。從表1中我們可以看出，磺酸基團上三個氧原子(O57、O58和O59)帶較多的負電荷,分別是-0.47、-0.38和-0.38 hartree，說明磺酸基上的氧原子容易發(fā)生親核反應。除此之外，甲基上的碳原子(C1)帶正電荷(0.44hartree)，亞甲基上C原子所帶負電荷相差不大，基本在-0.25 hartree附近，靠近磺酸基團的亞甲基上C原子(C53)帶較多的負電荷(-0.49hartree)。這是因為磺酸基團吸電子能力較強，所以靠近磺酸基團的亞甲基上C原子帶較多負電荷。Na離子應該帶一個單位的正電荷，但因為磺酸基團的影響，導致Na上帶少量負電荷。

表1 十八烷基磺酸鈉分子中各個原子(除氫原子外)的電荷Table 1 Charge of each atom (except hydrogen) in Sodium octadecyl sulfonate (hartree)

2.2 靜電勢分析

圖2 十八烷基磺酸鈉分子的靜電勢圖Fig.2 The electrostatic diagram potential of Sodium octadecyl sulfonate

圖3 十八烷基磺酸鈉分子靜電勢在不同區(qū)間的分布Fig.3 Distribution of the electrostatic potential of Sodium octadecyl sulfonates in different intervals

靜電勢是指將單位正電荷從無窮遠處移到分子周圍空間某點處所做的功，將Gaussian程序計算后得到的十八烷基磺酸鈉的fch文件載入Multiwfn程序進行靜電勢分析，輸入主功能12，再通過計算得到十八烷基磺酸鈉分子表面的靜電勢，將計算結(jié)果在VMD程序中顯示[7]，其中顏色越深的區(qū)域越正或越負，白色的區(qū)域表示靜電勢在0附近[8]。從圖2中可以看出，在硫原子附近出現(xiàn)極大值，且靜電勢數(shù)值達到33.58 kcal/mol，這是因為氧原子半徑小，其電負性大于硫原子，導致硫原子靜電勢為正。而氧原子附近靜電勢出現(xiàn)極小值。另外碳鏈部分的靜電勢基本在零附近。圖3顯示不同靜電勢大小所占分子表面的面積，靜電勢主要分布在0～10 kcal/mol的區(qū)間里，說明分子表面靜電勢主要是正值，更容易發(fā)生親電反應。

2.3 十八烷基磺酸鈉分子靜電勢盆分析

使用Multiwfn程序的主功能17可以對十八烷基磺酸鈉分子進行靜電勢盆分析，首先輸入主功能17，再輸入1生成盆獲得極值點，再輸入靜電勢功能12，開始對十八烷基磺酸鈉分子進行靜電勢的盆分析計算，最后得到圖4。從圖4中可以看出，靜電勢分布在磺酸基團基附近，且集中在SO3Na附近，說明SO3Na上氧原子電子更易給出，容易與有機污染物發(fā)生反應。

圖4 十八烷基磺酸鈉分子的靜電勢盆分析Fig.4 Electrostatic potential basin analysis of Sodium octadecyl sulfonate

2.4 十八烷基磺酸鈉分子的平均局部離子化能(ALIE)分析

平均局部離子化能(ALIE)是一個對于考察分子親電反應位點、活性非常有用的量。在分子表面上，ALIE越小處，由于電子束縛得越弱，或者說電子活性越強，就越容易發(fā)生親電及自由基反應。通過定量分子表面分析算法，找出分子表面上ALIE最小的幾個點，就能判斷哪些原子最可能是反應活性位點[9]。從圖4中可以看出，S-ONa附近平均局部離子化能比較小，電子容易給出，碳鏈上碳原子的平均局部離子化能數(shù)值在10 eV左右，另外兩個S=O上的氧原子的平均離子局域化能較大，大約在11.71 eV左右，電子不易給出，易給出電子的是S-ONa上的電子。

圖5 十八烷基磺酸鈉分子的ALIE圖Fig.5 The ALIE diagram of Sodium octadecyl sulfonate

2.5 十八烷基磺酸鈉分子的電子定位函數(shù)(ELF)圖分析

在Multiwfn程序中輸入主功能4繪制平面圖，再輸入功能9繪制電子定位函數(shù)(ELF)圖。通過研究磺酸基團電子定位函數(shù)ELF圖，從圖6中可以看出，磺酸基團中S-O59的離域化程度大于S-O57，說明S-O單鍵上的氧的活性大于S=O雙鍵上的氧原子。

在延續(xù)性護理之后進行肢體運動功能的評分，總分為100分，得分60分到100分判定為恢復很好，得分40分到60分判定為恢復效果一般，得分40分以下判定為恢復效果不好，本次研究中的治療效果采用很好+一般的形式計算[4]。

圖6 十八烷基磺酸鈉分子的ELF圖Fig.6 The ELF diagram of Sodium octadecyl sulfonate

3 結(jié) 論

通過對十八烷基磺酸鈉分子的電荷分析、靜電勢分析、盆分析、平均局部離子化能(ALIE)分析和電子定位函數(shù)(ELF)分析，發(fā)現(xiàn)磺酸基團上氧原子帶較多的負電荷，硫原子靜電勢為正，氧原子靜電勢為負，中間亞甲基的靜電勢在零左右。通過平均離子局域化能分析發(fā)現(xiàn)S-ONa上的電子容易給出，且EIF圖表明S-ONa上的氧原子活性強，容易與有機污染物相互作用。