Keggin型多钼氧酸盐有机衍生物的电子性质与抗病毒活性的密度泛函理论研究

司艳玲，于海玲，赵欣宇，赵成爱，康立娟

（吉林农业大学资源与环境学院，吉林长春 130118）

Keggin型多钼氧酸盐有机衍生物的电子性质与抗病毒活性的密度泛函理论研究

司艳玲，于海玲，赵欣宇，赵成爱，康立娟

（吉林农业大学资源与环境学院，吉林长春 130118）

运用密度泛函理论（DFT）方法研究了Keggin型多酸化合物（C5H13N2O2）2（H3O）PMo12O40，（C5H14N2O2）2SiMo12O40和（C5H14N2O2）2GeMo12O40的几何结构、氧化还原性质.根据多酸化合物对肿瘤细胞的抗病毒活性与其氧化还原能力的关系，比较了目标化合物的活性大小，设计了中心原子为As，Sb和Sn的上述钼酸有机衍生物，从理论上预测其具有抗病毒活性.结果表明：改变中心原子P，Si和Ge对其氧化还原能力有显著影响；（C5H13N2O2）2（H3O）AsMo12O40，（C5H13N2O2）2（H3O）Sb Mo12O40和（C5H14N2O2）2Sn Mo12O40的抗病毒活性依次增强.

多金属氧酸盐；密度泛函理论；抗病毒活性

自从1826年，J.Berzerius成功制备出第一个有文字记载的杂多酸12－钼磷酸铵（NH4）3PMo12O40·nH2O以来［1］，越来越多的化学工作者投身于多酸这一领域的研究中［2－3］.近年来，多酸化学发展极为迅速，在功能材料、无机药物化学等方面的研究和应用已有突破性进展.今天的多酸化学已跻身于药物化学中的抗艾滋病、抗肿瘤抗病毒研究.作为药物，多酸的开发研究具有诱人的前景：（1）种类繁多；（2）合成方法成熟；（3）市场巨大.

多金属氧酸盐的抗病毒活性的研究始于20世纪70年代初，法国科学家首先发现12－钨硅酸［SiW12O40］4－能够抑制鼠的白血病和肉瘤病毒［4］.之后相继发现［BW12O40］5－和［P2W18O62］6－等在体外表现出抗病毒活性.20世纪80年代，人们发现了有代表性的杂多化合物（NH4）17Na［NaSb9W21O86］· 14H2O（HPA－23）具有抑制艾滋病毒逆转录酶的作用［5］.20世纪90年代以来，美、日、法等国都开展了广泛的研究，目前已发现几种化合物具有抗艾滋病毒HIV－1的作用.PM－104是第一个报道的同多钼酸盐［6］.美国的C.L.Hill报道了含铌多金属氧酸盐能抑制HIV－1的蛋白酶活性［7］.东北师范大学多酸化学研究所合成了（C5H13N2O2）2（H3O）PMo12O40，（C5H14N2O2）2Si Mo12O40和（C5H14N2O2）2Ge Mo12O40系列Keggin型多酸化合物［8］.实验初步表明，此系列化学物对人宫颈癌细胞具有抑制作用.

本文运用DFT方法系统地研究了这一系列Keggin型多酸化合物的几何结构和氧化还原性质，以期揭示其抗病毒活性机制.具体研究体系如下：（C5H13N2O2）2（H3O）PMo12O40（体系1），（C5H14N2O2）2Si Mo12O40（体系2），（C5H14N2O2）2Ge Mo12O40（体系3），（C5H13N2O2）2（H3O）As Mo12O40（体系4），（C5H13N2O2）2（H3O）Sb Mo12O40（体系5）和（C5H14N2O2）2Sn Mo12O40（体系6）.

1 计算方法

本文所有计算均采用ADF2006.01程序中的DFT方法［9－10］.相关泛函采用Vosko－Wilk－Nusair（VWN）参数化的局域密度近似（LDA）［11］.交换和相关泛函分别运用Beck梯度校正和Perdew非局域校正［12－13］.使用3－zeta加极化（TZP）Slater型基组函数描述所有元素的价电子，对金属原子采取冻核近似（Mo：3d；Ge：3d；As：3d；Sb：4d；Sn：4d）.相对论效应采用零阶正则近似（ZORA）［14］.此外，计算积分精度的参数为6.0.

2 结果与讨论

2.1 几何结构

Keggin型阴离子由12个配原子M形成的八面体和中心X原子形成的四面体构成.12个八面体分成4组，每3个八面体通过共边相连形成三金属簇，4组三金属簇通过共顶点相连形成笼型结构，中心四面体位于笼的中心，四面体的4个顶点与三金属簇的共顶点相连.根据O原子的成键情况将O原子分为3类，它们分别为中心四面体氧（Oa）、桥氧（Ob和Oc）和端氧（Ot）.其中桥氧分为不同三金属簇间的桥氧（Ob）和同一三金属簇中的桥氧（Oc）.图1给出了体系1，2和3的计算模型.

体系1，2和3的部分优化键长以及体系1键长的实验值列于表1.由表1数据可以看出，体系1键长的计算值与实验值吻合得很好.这表明我们所采用的计算方法是可靠的.对于体系1－3优化键长来说，中心原子P（Si，Ge）—Oa键长依次增长，这主要是因为离子半径rGeⅣ（0.053 nm）＞rSiⅣ（0.042 nm）＞rPⅤ（0.035 nm）.3个体系中Mo—Oa键长依次缩短，使得整个Keggin笼型结构的尺寸基本保持不变.

此外，表1还给出了体系1的单电子还原态的键长.我们知道大多数多金属氧酸盐能够接受一个或多个电子还原过程且发生结构扭曲［15］.单电子还原的体系1与体系1之间的几何结构差异非常小.体系的特殊稳定性可能是其在抗病毒活性方面独具魅力的主要原因.

图1 体系1，2，和3计算模型

表1 体系1－3部分优化键长和体系1部分实验数据nm

2.2 氧化还原性质与抗病毒活性

2.2.1 体系1，2和3的氧化还原性质和抗病毒活性

体系HOMO－LUMO能隙越小，越容易接受电子.体系3的HOMO－LUMO能隙最小，HOMO和LUMO之间的电子跃迁变得更容易.因此，体系3的氧化还原能力最强.而体系2的能隙最大，所以其氧化还原能力最弱.体系1的氧化还原能力略小于体系3，介于二者之间.

表2 体系1－3 HOMO－LUMO的能隙e V

研究表明，通过理论计算能够预测分子在溶液中的氧化还原电势［16］.本文计算了体系1－3的氧化还原电势.从理论上预测多酸化合物的氧化还原电势要先确定反应的自由能.单电子氧化还原反应方程式为

ΔG表示溶液中还原过程的自由能.为了计算ΔG，必须先知道由电子、平动、转动和振动组分构成的熵值.由于多酸体系的频率计算将耗费大量的机时，人们便不得不引入一些近似.对于多酸阴离子体系，由于较大的电子贡献而忽略熵的影响［17－18］.因此，体系在溶液中的还原能近似表示为ΔG.表3列出了体系1－3的还原势能.体系3的单电子还原能为－24.37 eV，比体系1和体系2的还原能更负.这表明体系3的第一步还原相对体系1和体系2更容易.

表3 体系1－3在水溶液中的还原能e V

以上分析充分表明，目标化合物的氧化还原能力次序为：体系3＞体系1＞体系2.T.Yamase提出多酸化合物抗癌机理起源于同钼多酸盐的单电子氧化还原过程［19］.根据这个假设，多酸化合物对肿瘤细胞的抑制活性大小与其氧化还原能力有关.氧化能力越强，化合物对肿瘤细胞抑制活性能力越大.因此，我们可以得出目标化合物对肿瘤细胞的抗病毒活性大小与其氧化还原能力次序一致.即：体系3＞体系1＞体系2.

2.2.2 体系4－6的氧化还原性质和抗病毒活性

为了研究不同中心原子对此类多酸化合物抗病毒活性的影响，我们优化并分析了体系4，5和6的电子性质.表4为体系4－6的HOMO－LUMO能隙.通过与表2中体系1－3的HOMO－LUMO能隙进行对比，很明显地看到体系4－6的能隙均小于体系1－3的.这表明体系4－6的氧化能力要强于体系1－3.

由此我们可以预测，体系4－6对肿瘤细胞具有高于体系1－3的抗病毒活性.尤其是体系5和6有望成为优秀的抗癌药物.

表4 体系4－6 HOMO－LUMO的能隙eV

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Theoretical study of the electronic properties and antiviral activities of heteropolyoxomolybdate－amino acid by DFT

SI Yan－ling，YU Hai－ling，ZHAO Xin－yu，ZHAO Cheng－ai，KANG Li－juan

（College of Resources and Environmental Science，Jilin Agricultural University，Changchun 130118，China）

Keggin－heteropolyoxomolybdates functionalized by amino acid（C5H13N2O2）2（H3O）PMo12O40，（C5H14N2O2）2SiMo12O40and（C5H14N2O2）2GeMo12O40display activities against human cancer cells.Calculations based on density functional theory（DFT）have been carried out to investigate the geometric structures and redox properties of the title complexes.The results show that changing central atom P，Si，Ge will influence remarkably on the redox properties.The inhibitory activity on tumor cells of POMs is relevant to the oxidation－reduction ability.Therefore，it can be proposed the sequence of antitumor activities of the complexes.In addition，the complexes（C5H13N2O2）2（H3O）AsMo12O40，（C5H13N2O2）2（H3O）Sb Mo12O40and（C5H14N2O2）2Sn Mo12O40are designed and analyzed，which may also exhibit inhibitory actions to the human cancer cells.

polyoxometalate；density functional theory；antiviral activity

O 61

150·10

A

1000－1832（2011）03－0084－04

2011－04－20

吉林省自然科学青年基金资助项目（201101116）；吉林农业大学博士启动基金资助项目（201018）.

司艳玲（1975—），女，讲师，主要从事多金属氧酸盐的理论研究.

石绍庆）