石 杨,刘俊渤,唐珊珊,靳瑞发

(1. 吉林农业大学 资源与环境学院,长春 130118; 2. 赤峰学院 化学化工学院,内蒙古 赤峰 024000)

沙丁胺醇与不同功能单体分子的印迹作用

石 杨1,刘俊渤1,唐珊珊1,靳瑞发2

(1. 吉林农业大学 资源与环境学院,长春 130118; 2. 赤峰学院 化学化工学院,内蒙古 赤峰 024000)

采用密度泛函理论(DFT)的LC-WPBE方法,以沙丁胺醇(SAL)为模板分子,甲基丙烯酸(MAA)、 丙烯酰胺(AM)和4-乙烯基吡啶(4-VP)为单一功能单体,MAA和AM为混合功能单体,模拟SAL与单一功能单体和混合功能单体分子印迹聚合物(MIPs)自组装体系的构型,并讨论其稳定复合物的成键作用位点及数目、 自然键轨道(NBO)电荷的转移、 结合能及溶剂化能,以及SAL与功能单体间相互作用的原理. 计算结果表明,SAL与功能单体间均通过氢键形成分子结构互补的有序排列复合物,单体中MAA与SAL模板分子间的相互作用更强,且在印迹比例为1∶4,以乙腈(ACN)为溶剂时,复合物能量最低,电荷的转移趋势最大. 基于计算结果,采用沉淀聚合法制备不同印迹比例沙丁胺醇分子印迹聚合物(SAL-MIPs),结果表明,印迹比例1∶4时制备的聚合物吸附量最大,实验结果与计算结果相符.

沙丁胺醇； 分子印迹； 功能单体； 计算模拟； 制备

分子印迹聚合物(molecular imprinting polymers,MIPs)是通过分子印迹技术合成的对特定目标分子(模板分子)及其结构类似物具有特异性识别和选择性吸附的聚合物. 在固相萃取、 分离识别及化学传感器等领域[1-3]应用广泛. 为了使制备的MIPs对模板分子具有更好的选择识别性[4-5],研究人员通过计算机辅助模拟从分子水平上探讨了分子印迹识别作用原理,并通过计算模拟了模板分子与功能单体的结合能筛选功能单体和印迹比例[6-8]等.

沙丁胺醇(salbutamol,SAL)是一种选择性的β2-受体激动剂,该药物可促进肌肉组织的生长[9],若添加在饲料中,可提高动物机体的瘦肉率,但对人体危害较大[10],可采用以SAL为模板分子的沙丁胺醇分子印迹聚合物(SAL-MIPs)为新型萃取吸附剂对样品中SAL进行检测[11-12]. 目前,对SAL-MIPs的研究主要以甲基丙烯酸(MAA)为功能单体,对SAL模板分子与功能单体间相互作用原理缺乏系统的理论研究. 本文以SAL为模板分子,MAA、 丙烯酰胺(AM)和4-乙烯基吡啶(4-VP)为单一功能单体,MAA和AM为混合功能单体,从理论上研究SAL与不同功能单体形成稳定复合物时分子间相互作用的原理,从分子水平上选择优化合成SAL-MIPs的功能单体及印迹比例,并以理论为指导,采用沉淀聚合法制备不同比例的SAL-MIPs,考察其吸附性能.

1 计算方法

在6-31g(d,p)基组水平下,分别采用LC-WPBE,B3LYP,PBE1PBE,CAM-B3LYP,WB97XD和M062X 6种密度泛函理论(DFT)[13],借助Gaussian09程序的Revision A.02版[14]优化SAL分子构型,得到SAL最低能量无虚频的稳定分子构型,如图1所示.

图1 沙丁胺醇的结构Fig.1 Molecular structure of SAL

表1和表2列出了SAL的全优化几何构型参数及晶体数据库中[15]的沙丁胺醇结构参数. 由表1和表2可见,利用LC-WPBE方法计算得到的键长与键角更接近晶体数据库中的数值. 因此,本文采用该方法优化模板分子、 功能单体及其印迹聚合物的构型.

先优化SAL,MAA,AM,4-VP及其复合物的几何构型,在同基组无虚频下得到能量最低几何构型,并进行自然键轨道(NBO)电荷分析,再对得到的最佳构型复合物进一步探讨其氢键作用的活性位点、 键长和数目,以及模板分子与功能单体的印迹作用机理及其相互作用强弱. 采用Counterpoise(CP)方法[16]消除基组迭加误差(BSSE),计算其复合物的结合能为

其中: ΔEB为CP方法校正后的结合能；EC为稳定几何构型复合物的总能量；ET为SAL能量； ∑EF为印迹过程中功能单体的总能量. 通过比较SAL与各功能单体间的结合能大小优化最佳功能单体.

计算复合物的溶剂化能为

其中:ES为稳定几何构型在溶剂中的单点能;EV为稳定几何构型在真空中的单点能.

表1 采用B3LYP,PBE1,LC-WPBE,CAM-B3LYP,WB97XD和 M062X方法计算SAL所得的键长和实验数据(nm)Table 1 Bond length of SAL calculated at the B3LYP,PBE1,LC-WPBE,CAM-B3LYP,WB97XDand M062X levels and available experimental data (nm)

表2 采用B3LYP,PBE1,LC-WPBE,CAM-B3LYP,WB97XD和M062X方法计算SAL所得的键角和实验数据(°)Table 2 Bond angle of SAL calculated at the B3LYP,PBE1,LC-WPBE,CAM-B3LYP,WB97XDand M062X levels and available experimental data (°)

2 实 验

2.1仪器与试剂

KQ5200B型超声波清洗器(江苏省昆山仪器有限公司)； HH-S型恒温水浴锅(金坛市医疗仪器厂)； DZF-6030A型干燥箱(上海一恒科学仪器有限公司)； T6型新世纪紫外可见分光光度计(北京普析通用仪器有限公司).

SAL: 质量分数>99.79%(德尔塔生物技术有限公司)； MAA于0.099 MPa,65 ℃减压蒸馏除去阻聚剂,分析纯(天津市光复精细化工研究所)； AM： 化学纯(国药集团化学试剂有限公司)； 4-VP: 体积分数为96%(阿法埃莎(天津)化学有限公司)； 乙腈(ACN): 分析纯(天津市福晨化学试剂厂)； 二甲基丙烯酸乙二醇酯(EDMA): 分析纯(上海晶纯试剂有限公司)； 偶氮二异丁腈(AIBN): 先用2 mol/L的氢氧化钠溶液洗涤2～3次,再于0.099 MPa,110 ℃减压蒸馏,分析纯(天津光复精细化工研究所)； 甲醇和乙酸: 分析纯(北京化工厂).

2.2MIPs和非印迹聚合物(NIPs)的制备

取5份0.25 mmol的SAL分别加入圆底烧瓶中,超声溶于40 mL ACN中,再分别加入0.25,0.50,0.75,1.00,1.25 mmol的MAA超声混匀,静置24 h后加入一定量(n(功能单体)∶n(交联剂)=1∶5)的EDMA,50 mg的AIBN,再超声30 min,充氮脱氧,在氮气保护下密封,置于60 ℃水浴锅中反应24 h. 聚合完成后,冷却至室温,离心得到聚合产物,用V(乙酸)∶V(甲醇)=1∶9的溶液索氏提取至洗脱液中检测不到SAL为止,再用甲醇洗脱至中性,静置后于50 ℃真空干燥至恒重得到MIPs.

NIPs的制备过程除不加模板分子SAL外,其余过程与MIPs制备条件相同.

2.3不同印迹比例聚合物的结合性能

称取SAL-MIPs各20.0 mg,分别置于20 mL具塞三角瓶中,加入5 mL相同质量浓度的SAL-甲醇溶液,室温振荡20 h,取上清液用0.22 μm的滤头过滤,滤液用紫外分光光度计(λ=276 nm)测定SAL的游离质量浓度,根据结合前后质量浓度的变化计算聚合物对目标分子的结合量

其中:Q为印迹聚合物对SAL的吸附量(mg/g);ρ0和ρ分别为SAL的初始质量浓度和吸附后的质量浓度(mg/L);V为吸附溶剂的体积(mL);W为聚合物微球的质量(mg).

3 结果与讨论

3.1SAL与功能单体几何构型的优化

计算已优化SAL,MAA,AM和4-VP的分子几何构型和NBO电荷. SAL与MAA,AM,4-VP的质子给体和受体NBO电荷如图2所示. 由图2可见: SAL的质子给体为H11,H16,H23,H25,质子受体为O10,O15,O22,N24； MAA的质子给体为H12,质子受体为O10； AM的质子给体为H10,质子受体为O6； 4-VP的质子给体为H10,质子受体为N6.

图2 SAL和功能单体的优化结构Fig.2 Optimized structures of SAL and monomers

3.2SAL与功能单体相互作用及本质

根据SAL,MAA,AM和4-VP分子构型优化的结果,分别构建SAL与MAA,AM,4-VP单一功能单体,以及SAL与MAA和AM混合功能单体形成的复合物几何构型,并通过模拟筛选出最稳定复合物的几何构型. 通过比较SAL模板分子与不同功能单体间形成稳定复合物几何构型的氢键数目及作用位点,探讨SAL与不同功能单体分子印迹的相互作用强弱及印迹作用原理.

模拟计算时,分别对SAL与功能单体间不同印迹比例的模型进行模拟研究. 计算结果表明： 当SAL与MAA和AM的印迹比例为1∶5,与4-VP的印迹比例为1∶4,与MAA和AM混合单体的印迹比例为1∶5时,由于功能单体过量导致非选择的结合位点增加及自身缔合,使其与模板分子间的空间位阻增大,选择性结合位点变少,复合物的稳定性降低. 计算优化后得到的稳定复合物几何构型如图3所示. 由图3可见,稳定复合物构型中模板分子与功能单体间均通过氢键相互作用,其作用位点取决于SAL与功能单体的空间几何构型. SAL与不同功能单体形成稳定复合物的最佳印迹比例、 氢键数目、 键长及其作用活性位点列于表3. 由表3可见,SAL与MAA和AM的最佳印迹比例为1∶4,与4-VP的最佳印迹比例为1∶3,与混合功能单体的最佳印迹比例为1∶2∶2. MIPs制备过程中,印迹比例对其MIPs选择吸附能力影响较大. 同一模板分子的有效印迹比例越大,MIPs对模板分子的选择吸附能力越强.

此外,SAL与MAA和混合单体间形成的氢键数目较多,所形成的各复合物的氢键键长均在氢键键长范围内[17-19],复合物1大于复合物4中的氢键相互作用强度. 因此模板分子与功能单体相互作用强弱的顺序为MAA>MAA+AM>AM>4-VP.

图3 沙丁胺醇和不同功能单体的复合物构型Fig.3 Models of complexes formed from SAL and each of different monomers

表3 模板分子和功能单体间相互作用所得参数Table 3 Relevant parameters of the molecular imprinting interaction system oftemplate molecule and each of functional monomer molecules

3.3NBO电荷分析

氢键形成过程中成键原子的电荷转移导致电子重组[20],为比较印迹分子与功能单体原子间相互作用的本质与强弱,探讨了复合物NBO电荷转移的趋势与大小,各聚合物的电子转移位点及数目列于表4.

表4 反应前后SAL的NBO电荷数值*Table 4 NBO charges of the action sites in SAL before and after interaction

由表4可见,SAL与不同功能单体相互作用后,形成复合物1～4时所转移的电荷总数分别为0.257,0.227,0.163和0.236. 即MAA与SAL形成稳定复合物时产生了较高的电荷转移总趋势,二者间的相互作用更强.

3.4结合能

采用LC-WPBE/6-31g(d,p)方法计算SAL与功能单体形成稳定复合物的结合能,结果列于表5. 由表5可见,ΔEB(1)的结合能绝对值最大,为194.177 kJ/mol. 因此,SAL与MAA形成MIPs时降低的能量最大,二者间产生的印迹作用力最强,形成的MIPs最稳定.

表5 采用LC-WPBE/6-31g(d,p)基组计算所得复合物的结合能Table 5 Binding energies of the complexes calculated at the LC-WPBE/6-31g(d,p) level

3.5溶剂化能

以SAL为模板分子,MAA为功能单体,计算其稳定复合物(印迹比例1∶4)在ACN中的溶剂化能和介电常数(ε),ΔE由式(2)计算得到,结果列于表6.

表6 复合物1在ACN中的溶剂化能和介电常数(ε)Table 6 Solvation energies and dielectric constant (ε) of complex 1 in ACN

由表6可见,以ACN为溶剂时,计算所得的溶剂化能为-54.494 kJ/mol,即SAL的稳定复合物与ACN的相互作用强度较小. 由于溶剂会干扰SAL与功能单体分子间的相互作用,二者间是相互竞争的关系[21],因此所得溶剂化能越小越好.

3.6SAL-MIPs的吸附性

图4 不同比例和不同功能单体MIPs的吸附性Fig.4 Adsorption capacities of MIPs in different imprinting ratios and different functional monome

以SAL为模板分子,采用沉淀聚合法制备不同功能单体和不同印迹比例的SAL-MIPs,实验中SAL的甲醇溶液初始质量浓度为100 mg/L. 以AM和4-VP为功能单体时,聚合物粒径较大且大小不均匀； 以MAA为单一功能单体与MAA和AM为混合功能单体时,生成的聚合物为规则的球形,微球粒径均一且分布较窄. 由MAA和混合功能单体制备聚合物的吸附量如图4所示. 由图4可见: 以MAA为功能单体时,随着印迹比例的增大,SAL-MIPs的吸附量逐渐增大,印迹比例为1∶4时吸附量达到最大,之后开始降低; 印迹比例为1∶2∶2时,以混合功能单体制备聚合物明显小于以MAA为功能单体制备聚合物的吸附性,即MAA比混合功能单体更适合制备SAL-MIPs. 实验结果与理论计算结果一致.

综上所述,本文采用量子化学DFT理论考察了模板分子与功能单体相互作用的本质、 作用活性位点、 成键数目、 结合能、 溶剂化能及其印迹作用原理,通过计算模拟得到了合成MIPs的最佳功能单体及最佳印迹比例.

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(责任编辑： 单 凝)

MolecularImprintedInteractionbetweenSalbutamolandEachofDifferentFunctionalMonomers

SHI Yang1,LIU Junbo1,TANG Shanshan1,JIN Ruifa2
(1.CollegeofResourcesandEnvironment,JilinAgriculturalUniversity,Changchun130118,China; 2.CollegeofChemistryandChemicalEngineering,ChifengUniversity,Chifeng024000,
InnerMongoliaAutonomousRegion,China)

SAL was taken as a template,methacrylic acid (MAA),acrylamide (AM),and 4-vinyl pyridine (4-VP) were taken as single functional monomers,MAA and AM were taken as hybrid functional monomers. Density functional theory (DFT) at the LC-WPBE level was used to investigate the geometry configuration optimization,the action sites,the natural bond orbital (NBO) charges,the binding energies of the imprinted molecule,and the solvation energy. The mechanisms between salbutamol and each of different functional monomers were discussed. The results show that SAL interacted with the functional monomers by hydrogen bonds,and they were matchable in steric structure and chemical groups,resulting in ordered compounds. The interaction between SAL and MAA is the strongest. The polymer with a ratio of SAL-MAA (1∶4) in acetonitrile (ACN) had the lowest binding energy and the maximum charge transfer trend. Under the guidance of calculation results,the SAL-MIPs were synthesized by the precipitation polymerization. The results indicate that when the ratio of SAL-MAA is 1∶4,the SAL-MIPs have the maximum adsorption capacity,and the conclusion of experiment is consistent with the results of calculation.

salbutamol; molecular imprinting; functional monomer; computer simulation; preparation

2013-11-26.

石 杨(1988—),男,汉族,硕士研究生,从事沙丁胺醇分子印迹材料制备与理论计算的研究,E-mail: 366148398@qq.com. 通信作者： 刘俊渤(1964—),女,汉族,硕士,教授,从事纳米材料设计、 合成与应用的研究,E-mail: liujb@mail.ccut.edu.cn.

国家自然科学基金(批准号： 21302062)、 吉林省自然科学基金(批准号： 201215180)和吉林省科技发展计划项目(批准号： 20130206099SF).

O641.3

A

1671-5489(2014)05-1059-08