管清梅，張 琳，王芳芳

（1.阜陽(yáng)師范學(xué)院 化學(xué)與材料工程學(xué)院，安徽 阜陽(yáng) 236037；2.濟(jì)南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022）

煙堿（nicotine，NCT）不僅在香煙致癌的過程中起重要作用，而且是吸煙成癮的最主要物質(zhì)。對(duì)煙堿與人體內(nèi)生物大分子的相互作用，對(duì)預(yù)防和治療癌癥相關(guān)藥物的開發(fā)和研制具有重要的意義，已成為當(dāng)前理論和實(shí)驗(yàn)的研究熱點(diǎn)之一。在正常的人體環(huán)境中，蛋白質(zhì)和核酸等大分子與體內(nèi)的環(huán)境水分子形成較強(qiáng)的分子間相互作用，使之具有特殊的生物活性。而在煙堿致病的人體內(nèi)，煙堿與蛋白質(zhì)的作用過程中，環(huán)境水分子也起到不可忽視的作用。因此，在分子水平上探究水分子與煙堿的相互作用具有非常重要的實(shí)際意義[1-3]。目前，對(duì)于煙堿-水體系的理論研究報(bào)道較少，本文對(duì)煙堿-水分子團(tuán)簇（NCT-(H2O)n(n=1～3）進(jìn)行理論計(jì)算，為研究煙堿與生物大分子在人體環(huán)境中的相互作用提供有力的理論參考。

1 計(jì)算方法

用GaussView做出煙堿、水以及（NCT-(H2O)n(n=1～3）團(tuán)簇的初始構(gòu)型，利用Gaussian03W 程序[4]，在B3LYP/6-311+G(d,p)水平下對(duì)其進(jìn)行全優(yōu)化，找到其在勢(shì)能面上可能存在的穩(wěn)定構(gòu)型[5]。所得團(tuán)簇結(jié)構(gòu)均無虛頻，即煙堿-水團(tuán)簇均對(duì)應(yīng)其勢(shì)能面上的能量極小點(diǎn)[5]。在MP2/6-311+G(d,p)水平下對(duì)穩(wěn)定構(gòu)型進(jìn)行能量分析，加入基組重疊校正（BSSE校正），得到分子總能量、相對(duì)能量和總結(jié)合能。

2 結(jié)果與討論

2.1 幾何結(jié)構(gòu)

在B3LYP/6-311+G(d,p)水平下對(duì)煙堿單體（NCT）和煙堿-水分子團(tuán)簇 NCT-(H2O)n(n=1～3)進(jìn)行全優(yōu)化，得到其低能幾何構(gòu)型。圖1給出了煙堿單體低能幾何結(jié)構(gòu)及其全原子標(biāo)號(hào)。煙堿分子是由一個(gè)吡啶環(huán)和1-甲基吡咯烷相連而成，其中吡啶環(huán)中的N原子標(biāo)號(hào)為6，吡咯烷環(huán)中的N原子標(biāo)號(hào)為22。NCT-(H2O)n(n=1～3)低能幾何結(jié)構(gòu)分別列于圖2和圖3中。可以看出，水分子與煙堿中的N原子之間結(jié)合緊密，形成較強(qiáng)烈的分子間氫鍵相互作用。煙堿、水單體和NCT-(H2O)n(n=1～3)團(tuán)簇的部分鍵長(zhǎng)參數(shù)見表1和表2[5]。

由表1可見，與煙堿單體的幾何參數(shù)相比，團(tuán)簇中與N6原子相關(guān)的N-C鍵長(zhǎng)變化不大，在0.000 4 nm以內(nèi)；與N22原子相關(guān)的N-C鍵長(zhǎng)變化稍大，最大增加0.001 9 nm。與單體水相比，團(tuán)簇中水分子的部分O-H鍵長(zhǎng)增加明顯，如團(tuán)簇NCT-(H2O)1的a構(gòu)型，水分子的一個(gè)O-H鍵長(zhǎng)為0.098 3 nm，比單體水增長(zhǎng)0.002 1 nm，這歸根于該水分子與吡咯烷環(huán)中的N22形成了分子間較強(qiáng)氫鍵相互作用[6]，N22…HW 氫鍵長(zhǎng)為 0.193 3 nm。再如團(tuán)簇NCT-(H2O)2的b構(gòu)型，水分子與吡咯烷環(huán)中的N22形成了分子間氫鍵，N22…HW氫鍵長(zhǎng)為0.191 3 nm，參與該氫鍵的O-H鍵長(zhǎng)為0.099 5 nm；同時(shí)兩個(gè)水分子間也形成分子間氫鍵，OW…HW氫鍵長(zhǎng)為0.184 5 nm，參與該氫鍵的O-H鍵長(zhǎng)為0.097 6 nm；第二個(gè)水中的氧原子與吡咯烷環(huán)中的H18間的距離為0.248 8 nm，這樣形成煙堿與兩個(gè)水分子的八元環(huán)，有助于團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。NCT-(H2O)3的4種穩(wěn)定構(gòu)型都因分子間氫鍵形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)，參與氫鍵的O-H鍵長(zhǎng)增長(zhǎng)而未參與O-H鍵長(zhǎng)均未發(fā)生改變。這種分子間強(qiáng)烈的相互作用對(duì)分子電荷以及化學(xué)鍵的轉(zhuǎn)動(dòng)具有一定的影響[5]。

圖1 全優(yōu)化后煙堿（NCT）的幾何構(gòu)型及原子標(biāo)號(hào)

圖2 NCT-(H2O)n(n=1,2)的低能幾何構(gòu)型/nm

圖3 NCT-(H2O)3的低能幾何構(gòu)型/nm

表1 全優(yōu)化的NCT-(H2O)n(n=1-2)的部分鍵長(zhǎng)和氫鍵長(zhǎng)/nm

2.2 原子電荷

煙堿和水分子形成團(tuán)簇過程中不僅幾何參數(shù)發(fā)生變化，同時(shí)各原子所帶電荷也發(fā)生重排[7-8]。全優(yōu)化煙堿、水單體及NCT-(H2O)n(n=1～3）的部分原子電荷列于表3和表4。表中給出的部分原子電荷與單體相差較大，如C11、部分的N6和N22以及水中氧、氫原子。如表3NCT-(H2O)2團(tuán)簇的三種結(jié)構(gòu)中C11的電荷分別為-0.390 e，-0.279 e和-0.707 e，比單體中C11都有較大的增大或減??；N22的電荷分別為-0.169 e，-0.232 e和-0.007e，比單體中N22的-0.004 e更負(fù)；而團(tuán)簇中氧原子電荷比單體水更負(fù)，分別為-0.592 e，-0.630 e，-0.652 e，-0.552 e，-0.615 e 和-0.602 e。同時(shí)部分水中的氫原子電荷比單體水中更正。經(jīng)分析這些原子大多位于煙堿與水分子結(jié)合部位以及吡咯烷環(huán)與吡啶環(huán)的連接部位。表中數(shù)據(jù)說明，煙堿與水分子形成團(tuán)簇時(shí)分子中的原子電荷進(jìn)行了重新排布，即發(fā)生了極化。極化產(chǎn)生的原因是煙堿與水分子間以及水分子之間形成了較強(qiáng)烈的分子間氫鍵，使得（NCT-(H2O)n(n=1～3）團(tuán)簇的能量更低，結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。

表2 全優(yōu)化的NCT-(H2O)n(n=3)的部分鍵長(zhǎng)和氫鍵長(zhǎng)/nm

2.3 偶極矩

偶極矩是衡量分子電荷布居的重要物理量，可用來判斷分子的空間構(gòu)型。分子的偶極矩越大，表示分子的極性越大，分子的對(duì)稱性就越小[5-8]。表5中給出了團(tuán)簇（NCT-(H2O)n(n=1～3）低能幾何構(gòu)型的偶極矩。對(duì)比NCT單體的偶極矩2.719 D，各煙堿-水分子團(tuán)簇的偶極矩有增有減，說明水分子加入后團(tuán)簇的對(duì)稱性變化不一。對(duì)于NCT-(H2O)1，a構(gòu)型偶極矩為2.529 D，小于單體NCT，對(duì)稱性增強(qiáng)；而b構(gòu)型偶極矩為5.382 D，對(duì)稱性有明顯的降低。從圖2中也明顯可以看出，a構(gòu)型中水分子與吡咯烷環(huán)中的N22形成氫鍵相互作用，使得團(tuán)簇的對(duì)稱性增強(qiáng)；而b構(gòu)型中，吡啶環(huán)中的N6與水形成分子間氫鍵，對(duì)稱性降低。同樣，從表5中數(shù)據(jù)可見，對(duì)于NCT-(H2O)2三種構(gòu)型的偶極矩順序?yàn)閎＜c＜a，其中b的偶極矩最小，為1.357 D，極性最小。這是因?yàn)閎構(gòu)型中吡咯烷環(huán)中的N22與水形成氫鍵相互作用，而兩個(gè)水之間也形成分子間氫鍵[8]，并與吡咯烷中的H18形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)，使團(tuán)簇的對(duì)稱性增強(qiáng)。NCT-(H2O)3團(tuán)簇的4種構(gòu)型的偶極矩順序?yàn)榈膁＜c＜a＜b，d構(gòu)型的偶極矩最小為0.778 D。這是因?yàn)檫量┩榄h(huán)中的N22原子與三個(gè)水分子依次“手拉手”通過分子間氫鍵形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)，體系對(duì)稱性增強(qiáng)[9]。

表3 全優(yōu)化的煙堿、水單體以及NCT-(H2O)n(n=1，2)的部分原子電荷分布/e

表4 全優(yōu)化的煙堿、水單體以及NCT-(H2O)3的部分原子電荷分布/e

2.4 能量分析

在MP2/6-311+G(d,p)//B3LYP/6-311+G(d,p)水平下，進(jìn)行BSSE校正，計(jì)算得到NCT-(H2O)n(n=1～3）低能構(gòu)型的總能量，相對(duì)能量和總結(jié)合能，列于表6中。從表6中數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)于NCT-(H2O)1團(tuán)簇總能量 a＜b，二者相差 8.93 kJ·mol-1；NCT-(H2O)2團(tuán)簇的總能量順序?yàn)?b＜c＜a；NCT-(H2O)3團(tuán)簇的總能量順序?yàn)?d＜b＜a＜c；均與結(jié)合能大小順序一致。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，團(tuán)簇的總能量越低，結(jié)合能越大，團(tuán)簇越穩(wěn)定[8-10]。NCT-(H2O)1團(tuán)簇，a構(gòu)型穩(wěn)定，結(jié)合能為-33.93 kJ·mol-1；NCT-(H2O)2團(tuán)簇，b 構(gòu)型最穩(wěn)定，結(jié)合能為-70.34 kJ·mol-1；而 NCT-(H2O)3團(tuán)簇，d 構(gòu)型最穩(wěn)定，結(jié)合能為-107.24 kJ·mol-1。NCT-(H2O)n(n=1～3）低能構(gòu)型的結(jié)合能均為負(fù)值且隨水分子數(shù)目的增多而增大；說明煙堿分子與水分子結(jié)合過程中均釋放出一定能量，使體系總能量降低，更穩(wěn)定，這是因?yàn)闊焿A與水分子以及水分子之間形成較強(qiáng)烈的分子間氫鍵相互作用[7-9]，并且形成環(huán)狀氫鍵的團(tuán)簇結(jié)合能更大。

3 小結(jié)

在MP2/6-311+G(d,p)//B3LYP/6-311+G(d,p)水平下，對(duì)煙堿、水分子和NCT-(H2O)n(n=1～3）團(tuán)簇進(jìn)行理論計(jì)算，得到NCT-(H2O)n(n=1～3）團(tuán)簇的9種低能穩(wěn)定構(gòu)型。從團(tuán)簇結(jié)構(gòu)和能量?jī)煞矫嫣接憻焿A與水分子的相互作用，得到各構(gòu)型的原子電荷布居、偶極矩、總能量、相對(duì)能量和總結(jié)合能。結(jié)果表明，煙堿與水分子形成強(qiáng)烈的分子間氫鍵相互作用，更易形成環(huán)狀氫鍵結(jié)構(gòu)，使分子電荷重排，對(duì)稱性改變，并且形成環(huán)狀氫鍵的團(tuán)簇結(jié)合能更大。從總能量和結(jié)合能分析，團(tuán)簇中NCT-(H2O)1a、NCT-(H2O)2b和 NCT-(H2O)3d分別為最穩(wěn)定構(gòu)型。

表5 NCT-(H2O)n(n=1～3)低能構(gòu)型的偶極矩 μ/D

表6 NCT-(H2O)n(n=1-3)低能構(gòu)型的能量、相對(duì)能量和總結(jié)合能/kJ·mol-1