多取代苯胺溶解度和电离常数的单参数预测

王 炎，裴诗恩，叶余原，黄恩玲

（台州学院， 浙江 台州 318000）



多取代苯胺溶解度和电离常数的单参数预测

王 炎，裴诗恩，叶余原，黄恩玲

（台州学院， 浙江 台州 318000）

摘 要：采用DFT理论方法与基组B3LYP/3-21+G，模拟了 10 种单取代苯胺分子的骨架结构。计算了其苯胺环上氮和氢原子的自然轨道电荷（NBO）和密立根电荷（Mul）值。结果发现，该电荷值与其实验溶解度系数（pKs）和实验电离平衡常数（pKa）值间有好的单参数关联性。另外还计算了10 个多取代基的苯胺分子的氮和氢原子的自然轨道电荷和密立根电荷参数，使用拟合出的两线性方程， 结果显示新方法预测值与ACD/Labs方法得到的多取代苯胺分子的pKa/pKs值接近。

关 键 词：密度泛函理论；苯 胺；原子电荷

酸碱性和溶解度是分子非常重要的物理化学性质之一，通常用 pKa值和pKs值来表示。但由于受其稳定性等诸多因素的制约，从实验上准确测定一些分子的 pKa值和pKs值仍有一定的困难。从密度泛函理论方法和计算上寻找有效和可靠的预测酸碱性和溶解度的方法仍然是目前文献上活跃的课题［1-4］。本文试图把该方法应用于苯胺分子体系，预测单取代和多取代苯胺的pKa值和pKs值。

1 计算方法

本课题首先构建了已知实验 pKa、pKs值的单取代苯胺的分子结构模型（10个），使用Gaussion 09W/View 计算软件，在 DFT/B3LYP/3-21+G 水平和基组下， 优化其分子结构。然后计算其相对应的取代苯环上N和H原子的密立根原子电荷（Mul）值，原子核静电势电荷（ESP）值和自然原子轨道电荷（NBO）值（见图1）。

2 结果和讨论

2.1 苯环上氮、氢原子的自然轨道电荷值

用已知实验pKa值和pKs值的10个苯胺及单取代苯胺分子作为练训集，模拟计算出三种方法的与N和H原子电荷值，结果见表 1 所示。用Original 7.5软件，分别作了10个取代分子苯胺环上氮和两个氢原子的 NBO 电荷值与其实验pKa和pKs值之间6个关联式图（省略）（Y1=-105.85-152.52X1，R1=-0.808）。其单参数相关关系式数据见表1所示。

图1 苯胺及多取代苯胺（R-C6H5）分子结构Fig.1 Aniline R-C6H5molecular structure

2.2 苯环上氮、氢原子的静电势电荷值

作为训练集的已知实验pKa值和pKs值的10个苯胺分子及其取代苯胺分子，模拟了其原子电荷计算结果见表2 所示。然后作了取代苯胺环上 N 和2个H原子的原子核静电势原子电荷参数（ESP）与其实验pKa和pKs值之间6个关联图（省略）。其单参数相关关系式如表2。

表1 10个取代苯胺分子中N、H原子自然原子轨道电荷值（NBO）及其pKa、pKs实验值Table 1 10 substituted anilines of N/H atomic natural charges（NBO）and the experimental values of pKa/pKs

表2 10种取代苯胺氮/氢原子静点势（ESP）电荷值及其pKa/pKs实验值Table 2 For 10 Substituted anilines of N/H atomic ESP charge sand experimental values of pKa/pKs

2.3 苯环上氮、氢原子的密立根电荷值

使用已知实验pKa值和pKs值的10个苯胺分子及其取代苯胺分子，作为练习集的计算结果见表3所示。分别作了取代苯胺环上N和2个H原子的Mulliken原子电荷参数与其实验pKa和pKs值之间6个关联图（Y2=103.870-268.742X2； R2=0.713）。数据见表3所示。

表3 10种取代苯胺氮、氢原子Mulliken电荷及其pKa、pKs实验值Table 3 For 10 Substituted anilines of N/H atomic Mulliken charges（MUL），and experimental values of pKa/pKs

2.4 三种电荷预测方法与ACD软件预测的比较

用前述两条单变量参数方程，本文又检测了10种未知多取代苯胺的 pKa和 pKs值，与ACD-Labs 6.0软件预报值进行了对比（见图2和表 4）。结果显示，两者预报的模拟结果还是非常接近的，相关系数R值在-0.77～-0.92 之间［5］，符合较好。

图2 新方法预测的苯胺和甲基苯胺NBO电荷值Fig.2 The NBO charges of C6H5-NH2and CH3-C6H5-NH2molecular with new methods

表4 10种未知pKa/pKs值的取代苯胺 NBO和Mulliken原子电荷数及其 ACD/Labs 预测的pka/pks值对比Table 4 Comparison with unknown pKa/pKsvalues to 10 substituted anilines NBO/ Mulliken parameters with ACD -Labs 6.0 forecasted the pka/pksvalues

3 结 论

（1）用高斯 09W 计算软件，采用密度泛函方法与基组DFT/B3LYP/3-21+G， 优化了10种苯胺及其单或者多取代苯胺分子骨架结构，拟合结果显示，取代苯胺分子环上N/H原子的自然原子轨道电荷值（NBO）和拟合的密立根电荷值（Mul）与其实验分子电离平衡常数pKa值和水中实验溶解度常数（pKs）间，显示均存在较好的单参数关联性：

（2）拟合计算了10 个未知电离平衡常数pKa值和未知 水中实验溶解度pKs值的多取代苯胺化合物的自然原子轨道电荷（NBO）和密立根电荷参数（Mul），融入拟合出的两线性单参数方程，发现与现在的计算软件ACD/Labs 预报得到的 10 种多取代苯胺分子的pKa/pKs预报值间，会达到比较接近值（关联常数R= -0.770～-0.920 之间）。

参考文献：

［1］祁正兴. 用从头算量化参数预测吡啶类化合物的 pKa值［J］. 青海师专学报，2006（5）：77 -80.

［2］肖乾芬， 戴玄吏， 王晓栋，等. 取代苯对人体细胞的定量结构-遗传毒性研究［J］. 中国环境科学， 2005， 23（1）：18-22.

［3］范强，闫华，金燕仙，等. 单参数法估算取代苯胺的pKb值 ［J］. 单参数法估算取代苯胺的pKb值， 2014， 43（2）：165-167.

［4］汪志鹏，吴俊勇，陈丹，等. 用自然原子轨道电荷估测取代吡啶的pKa值［J］. 当代化工， 2014， 43 （4）：162-164.

［5］费宁烨，许威慧，郑靖达，等. 单参数法估算取代吡啶的电离常数和分配系数［J］. 广州化工， 2013，41（19）：91-92.

Theoretical Prediction of the Solubility and Ionization Constants of Aniline

WANG Yan， PEI Shi-En， YE Yu-Yuan， HUANG En-Ling
（Taizhou University， Zhejiang Taizhou 318000，China）

Abstract:Using Gaussion 09W software， the molecular structures of 10 kinds of aniline and its substituted aniline were simulated by using density functional method； Atomic charge NBO and Mulliken charge Mul of N and H atoms on aniline ring of polysubstituted aniline compounds were calculated. The results show that the charge has good single parameter correlation with experimental solubility coefficient pKs and experimental ionization equilibrium constant pKa.Quantified NBO/ Mulliken parameters were used to calculate unknown pKavalue and unknown pKs value， two linear fitting of substitution of single parameter equation was carried out. The results show that and pKa/pKspredictive values obtained by the new method are close to those obtained by popular software ACD labs 6.0.

Key words:Density functional theory； Benzene amine； Atomic charge

中图分类号：O 644.32

文献标识码：A

文章编号：1671-0460（2016）02-0229-02

基金项目：国家级大学生创新训练计划项目，项目号：201510350015。

收稿日期：2015-11-05

作者简介：王 炎（1993-），杭州建德人，研究方向：从事计算工作。

通讯作者：王恩玲（1993-），女，研究方向：化学教育。指导教师：叶余原老师。