用Hartree—Fock法预测取代苯亚硒酸的pKa值

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摘 要：采用Gaussion View 软件用Hartree-Fock方法及STO-3G基组优化13种已知pKa实验值的单取代苯亚硒酸化合物，得到它们的Mulliken电荷和NBO电荷，以羟基上的H1、O1原子及Se原子的Mulliken、NBO电荷分别对pKa实验值做图，得到6个线性拟合方程，通过比较它们的相关性大小，R的绝对值越大，相关性越好，选出拟合效果最好的线性回归方程。再选取13种未知pKa实验值的单取代和多取代苯亚硒酸化合物，算出各自的电荷，用该线性回归方程计算其pKa值。结果表明，用O1原子的Mulliken电荷值与其实验pKa值的线性回归方程，来预测未知取代苯亚硒酸的pKa值具有良好的预测效果。

关 键 词：量化参数；Mulliken电荷；NBO电荷；pKa值

中图分类号：O 644.32 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2015）11-2546-03

Prediction of pKa Value of Substituted Benzeneseleninic

Acid by Hartree-Fock Method

ZHANG Meng-yang ， PEI Shi-en， SU Ling-feng， LIU Xi-ling， XV Ping-ting， LIU Shi-yong

（College of Taizhou University， Zhejiang Jiaojiang 318000，China）

Abstract： The Gaussion View was used to optimize the 13 monosubstituted bezene seleninic acids with known exp.pKa values by using Hartree-Fock method and STO-3G× pop=（nbo），their Mulliken charge and NBO charge were obtained. Using Mulliken charge or NBO charge of H1 atoms，O1 atoms and Se atoms on the oxhydryl and pKa values， their relation diagrams were drawn， and 6 linear fitting equations were obtained. Through comparing their correlation levels （the greater the R value， the better the correlation）， the best quantum chemical equation was determined. Then13 monosubstituted or polysubtituted bezene seleninic acids with unknown pKa values were chosen， and their charges were calculated， and the best equation was used to calculate their pKa values. The results show that this method can well predict the pKa of monosubstituted or polysubtituted bezene seleninic acids.

Key words： Quantum chemical calculation； Mulliken charge ； NBO charge； pKa

硒是人体必需的微量元素之一，被人们尊称为“生命的火种”，享有“抗癌之王”、“心脏守护神”、“天然解毒剂”之称。1817年，瑞士化学家Berzdlius第一个发现了元素硒，并将其命名为Selenium。20世纪70年代，美国学者J. T. Rotruck等发现了硒是谷胱甘肽过氧化物酶的必要组成成分[1-3]。至今为止，已经发现约20余种含硒和含硒蛋白，人们对硒的生理功能方面的研究不断深入。成人日安全摄入硒量为50 ～200μg，界限中毒量为800μg；硒有着保护遗传物质不受致癌物质的影响，预防癌变，抗氧化、抗衰老，解毒排毒，提高人体免疫力的作用。人体内的自由基会使机体受到氧化损伤，它会促使脂质发生氧化反应，使体内的脂类化合物发生变质，并放出更多的自由基，使细胞膜的磷脂不饱和化，导致细胞膜变质，细胞变性。许多活性氧和自由基引起的疾病与缺硒有关，如克山病、恶性肿瘤、心血管疾病、视力下降或损伤、自身免疫性疾病、免疫缺陷疾病、动脉粥样硬化、甲状腺疾病、糖尿病、肝病、关节炎、肾衰、白内障、炎症、矽肺、哮喘性支气管炎、部分相关不孕不育症、皮肤病、某些有毒金属中毒、脂质过氧化损伤、衰老过程等等，由此可见，缺硒的危害极大。机体内很多抗氧化体系都含有硒：抗氧化酶类—含硒酶，如谷胱甘肽过氧化物酶，在血浆和细胞中含量很高，是人体内重要的抗氧化酶，1 mol的谷胱甘肽过氧化物酶中含有4克硒，它可以催化自由基过氧化氢使其变成无害的水，消除自由基的氧化作用；非酶化合物—硒蛋白，它具有抗氧化作用，与其他酶共同作用，增强机体的免疫能力，拮抗有毒金属元素；非酶自由基清除剂：辅酶Q，它对心脏的生理功能起着重要作用，硒是其合成的必要组分。

硒对致癌性很强的黄曲霉素的清除功能很强，人们称其为抗诱变剂。中国有72% 的县市缺硒或低硒，如江苏、浙江、安徽等地都是严重缺硒的地区。21世纪以来，科学家越来越重视硒在抗癌和预防多种慢性疾病方面的作用。1983年至1991年这13年以来，美国亚利桑那大学癌症中心的克拉克教授进行了“硒防癌实验”，发现人体硒含量与癌症的死亡率高低密切相关[4-6]。近期有研究表明，有机硒的防癌效果优于无机硒，目前研究硒制剂的发展趋势是开发和应用有机硒。朱雨秋、刘超美等制备了15种苄基硒氰化合物，对其抑制小鼠白血病肿瘤细胞和人肺腺癌细胞生长的能力进行了研究比较，结果发现这些化合物对癌细胞的生长具有明显的抑制作用。另外，郑时龙和胥佩菱设计并合成了十一个取代苯亚硒酸化合物，并进行了抑制小鼠艾氏腹水癌实验，发现其中两种有较强的活性，远高于无机硒。

在此采用量子化学方法，利用计算机及高斯软件对苯亚硒酸的pKa 进行预测。本文在 Hartree-Fock/STO-3G 水平上对各取代苯亚硒酸化合物分子进行计算，将得到的电荷值与pKa的实验值进行线性回归，选择相关性最好的回归方程，用其预测单取代和多取代苯亚硒酸的pKa值（图1）。

1 计算方法

1.1 原子电荷计算

利用 Gaussion 09 W 软件包和 Gaussion View 5.0 软件搭建模型，用 opt 方法优化 13 种已知实验值的单取代苯亚硒酸化合物的分子构型，在 Hartree-Fock（HF） 方法，采用STO-3G基组对分子进行计算，得到13种单取代苯亚硒酸化合物的Mulliken电荷值和NBO电荷值。

1.2 回归方程的参数检验

分别以计算所得电荷Mulliken（H1）、NBO（H2）、Mulliken（O1）、NBO（O2）、Mulliken（Se1）、NBO（Se2）这六种电荷值为横坐标，均以pKa实验值为纵坐标，利用Origin 7.5作图软件做图，进行线性拟合得到六个线性回归方程，并得到六个相关系数R 。通过比较六者的相关性，即R 的绝对值越大，相关性越好，反之，则越差，据此选出拟合效果最好的线性回归方程。重复1.1中步骤，算出另外选取的13种单取代和多取代苯亚硒酸的化合物的Mulliken电荷值和NBO电荷值，将对应的电荷值代入1.2中比较所得的拟合效果最好的线性回归方程，算出其pKa值，结合电子效应分析其预测的合理性。

2 结果和讨论

在模拟实验中，列出了相关原子电荷参数，其中包括硒羧基团上原子的密立根电荷（H1，O1，Se1）、自然原子轨道电荷值（H2，O2，Se2）. 13种已知单取代苯胺分子实验值数据见表1所示。

2.1 硒羧基密立根原子电荷与其实验pKa值关系

模拟实验中，我们已测得H1原子的Mulliken电荷值，见表1，运用Origin7.5软件将其与它们的pKa实验值作图，并经行线性拟合，得到图2。

图 2（略） 所表示的是 H1 原子的 Mulliken 电荷 与 pKa 实验值的相关性，拟合所得直线的线性回归方程为 Y1=40.16589-170.10526X，相关系数R1=-0.87931，SD=0.15018，R的绝对值越接近1，说明相关性越好，此处只有0.87931，说明H1原子的Mulliken电荷与pKa实验值的相关性不是很好。

用相同方法，我们测得O1原子的Mulliken电荷值，见表1，运用Origin软件将其与它们的pKa实验值作图，并经行线性拟合，得到图3（略）。

图 3 所表示的是 O1 原子的 Mulliken 电荷 与 pKa 实验值的相关性，拟合所得直线的线性回归方程为Y2=-40.71081-143.11448X，相关系数R2= - 0.92494，相对标准偏差SD=0.11987，R 的绝对值为 0.92494，较接近1，说明 O1 原子的 Mulliken 电荷与 pKa实验值的相关性较好。

实验中我们测得Se原子的Mulliken电荷值，运用Origin7.5 软件将其与它们的pKa实验值作图，并经行线性拟合，得到图4（略）。。

图4（略）所表示的是Se原子的Mulliken电荷与pKa实验值的相关性，拟合所得直线的线性回归方程为Y3=24.11668-42.03382X，相关系数R3=-0.87837，SD=0.15073，R的绝对值为0.87837，R3小于R2，说明Se原子的Mulliken电荷与pKa实验值的相关性没有O1原子的Mulliken电荷与pKa实验值的相关性好。

2.2 硒羧基自然原子电荷与其实验pKa值关系

实验中我们测得O1原子的NBO电荷值，见表1，运用Origin软件将其与它们的pKa实验值作图，并经行线性拟合，得到图5（略）。图 5 所表示的是 H1 原子的 NBO 电荷 与 pKa 实验值的相关性，拟合所得直线的线性回归方程为Y4=44.52753-182.35632X，相关系数R4=-0.90208，SD=0.1361，R的绝对值为0.90208，较接近1，说明H1原子的NBO电荷与pKa实验值的相关性较好，但无O1原子的Mulliken电荷与pKa实验值的相关性好。实验中测得O1 原子的NBO电荷值，见表1，运用Origin软件将其与它们的pKa实验值作图，并经行线性拟合，得到图6（略）。。图 6 所表示的是O1 原子的 NBO 电荷 与 pKa 实验值的相关性，拟合所得直线的线性回归方程为Y5=-45.81248-152.85433X，相关系数R5=-0.91358，SD=0.12824，R的绝对值为0.91358，R5小于R2 ，说明O1原子的NBO电荷与pKa实验值的相关性没有O1原子的Mulliken电荷与pKa实验值的相关性好。实验中我们测得Se原子的NBO电荷值，见表1，运用Origin软件将其与它们的pKa实验值作图，并进行线性拟合，得到图7（略）。图 7 所表示的是Se原子的NBO电荷与 pKa 实验值的相关性，拟合所得线性回归方程为 Y6=27.2529-46.39869X，相关系数R6=-0.85916，SD=0.16137，R 的绝对值为0.85916，R4 小于 R2，说明Se 原子的NBO电荷与pKa实验值的相关性较差。

综上所得，"R2|>|R5|>|R4|>|R1|>|R3|>|R6|，所以 O1 原子的Mulliken电荷与pKa实验值的相关性最好，下面采用其线性回归方程为： Y2=-40.71081-143.11448X来预测其他未知pKa实验值得单取代和多取代苯硒酸pKa值。

2.3 预测多取代苯亚硒酸的pKa值方法的比较

将所选的13种未知pKa实验值的单取代与多取代苯亚硒酸用opt进行构型优化，用Hartree-Fock （HF）方法，采用STO-3G基组对分子进行计算，得到13种单取代和多取代苯亚硒酸化合物的O1原子的Mulliken电荷值。将Mulliken电荷数据分别代入已选定的线性回归方程Y2=-40.71081-143.11448X中，计算得到相应化合物的pKa值，见表2。

3 结 论

（1）通过对已知实验pKa值的苯亚硒酸取代物的Mulliken电荷和NBO电荷的计算，研究其与实验pKa值的关系，最终发现O1原子的Mulliken电荷值与pKa值的相关性要远好于其他五种电荷和pKa值的相关性，它的相关系数绝对值达到0.924494，与1最接近。

（2）结合基团的电子效应，吸电子基团能增强有机酸的酸性，而推电子基团则刚好相反，吸电子基团越多，酸性越强，推电子基团越多，酸性越弱。以上涉及基团的吸电子能力：NO2 >F>Cl>Br>OCH3>H，推电子能力：CH3CH2>CH3>H，据此可初步推断出上述13种未知pKa值的化合物中，2，3，4-三硝基苯亚硒酸的酸性应该最强，其次是2，3-二硝基苯亚硒酸，最弱的应是2，3，4-三甲基苯亚硒酸，这些结论与论文中的ACD软件预测的结果基本相符。

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