1、化 学 研 究 与 应 用第 35 卷第 35 卷第 4 期2023 年 4 月化 学 研 究 与 应 用Chemical Research and ApplicationVol.35,No.4Apr.,2023文章编号:1007-1656(2023)04-0870-08B3N3H6CO 复合物中弱相互作用竞争的理论研究奥美珍1,闫 苗2,马媛媛1,石 佳1(1.山西医科大学汾阳学院,山西 汾阳 032200;2.忻州师范学院,山西 忻州 034000)摘要:本文在 MP2/aug-cc-pVTZ 水平下对一氧化碳(CO)和环硼氮烷(B3N3H6)之间的弱相互作用进行理论研究,得到6 种稳定的
2、 B3N3H6CO 复合物结构。B3N3H6CO 复合物中存在 NHC/O 氢键以及、lp 相互作用,其中含 NHC 氢键复合物的相互作用能(E)最大,为-1.42 kcalmol-1。系统的理论计算结果表明 相互作用和 NHC/O 氢键可以成功地与 lp 相互作用竞争。取代基效应结果显示,B3N3X3H3(X=-NH2)CO、B3N3H6CO、B3N3X3H3(X=-F)CO 中 相互作用的 E 依次减小,分别为-1.84、-1.29 和-1.17 kcalmol-1。AIM 分析揭示了 B3N3H6CO 复合物中 lp、相互作用以及 NHC/O 氢键的本质。SAPT 能量分解分析结果表明含
3、 NHC/O 氢键的复合物 I 和 IV 中静电作用和色散作用对结构的稳定同样重要,而色散作用对含 和 lp(O/C)相互作用的复合物 II、III 和 V、VI 的结构稳定起主要作用。该研究为认识生物分子中杂环芳香环与羰基之间的相互作用提供理论研究。关键词:环硼氮烷;一氧化碳;分子间相互作用;竞争;密度泛函理论中图分类号:O641.3 文献标志码:AA theoretical study on the competition of non-covalent interactions of B3N6H3CO complexesAO Mei-zhen 1,YAN Miao2,MA Yuan-yu
4、an1,SHI Jia1(1.Fengyang College of Shanxi Medical University,Fengyang 032200,China;2.Xinzhou Normal University,Xinzhou 034000,China)Abstract:The purpose of the paper is to study the non-covalent interactions between carbon monoxide(CO)and borazine(B3N3H6),and six stable structures of B3N3H6CO system
5、 were identified at MP2/aug-cc-pVTZ level level.There are various non-covalent interactions in B3N3H6CO complexes,including NHC/O hydrogen bonds,and lp interactions,and the complex containing NHC hydrogen bond has the largest interaction energy(-1.42 kcalmol-1)among them.The calculated results indic
6、ate NHC/O hydrogen bonds and interactions successfully compete with lp interaction in the titled com-plexes.The results of substituent effect show that the interaction energies of interaction in B3N3X3H3(X=-NH2)CO、B3N3H6CO、B3N3X3H3(X=-F)CO complexes decreased in order,which were-1.84,-1.29 and-1.17
7、kcalmol-1,respective-ly.AIM analyses illustrate the nature of the lp,interactions and NHC/O hydrogen bonds in B3N3H6CO comple-xes.SAPT energy decomposition analyses show that the electrostatic and dispersion interaction are important for the stability of com-plexes I and IV containing the NHC/O hydr
8、ogen bond,while the dispersion interaction is the main role in complexes II,III,V,VI including the or lp(O/C)interactions.The investigation provides a theoretical study for understanding the interac-收稿日期:2022-07-30;修回日期:2022-10-20基金项目:山西医科大学汾阳学院人才引进启动基金(2018D02)资助联系人简介:奥美珍(1988-),女,讲师,主要从事理论计算化学研究。E
9、mail:eryijiuyijiu 第 4 期奥美珍,等:B3N3H6CO 复合物中弱相互作用竞争的理论研究tion between heterocyclic aromatic rings and carbonyl groups in biomolecules.Key words:B3N3H6;CO;non-covalent interaction(NCI);competition;density function theory(DFT)分子间相互作用(non-covalent interaction,NCI)在超分子化学、分子生物学以及材料科学等领域发挥着越来越重要的作用。科学界对氢键、堆积
10、、阳离子、阴离子、孤电子对(lone pair,lp)、CH 以及卤键等分子间相互作用进行了大量的研究1-6。当同一体系中共存有不同类型的分子间相互作用且作用强度相当时,相互之间可能会产生竞争7-9。由芳香基团控制的分子间相互作用在分子识别、催化、晶体工程和药物传递等多个领域具有极其重要的意义10,11。在芳香族化合物中,杂芳烃作为碱基的一部分显得尤其重要,在药物化学中发挥着中心作用12,13。环硼氮烷(B3N3H6)是一种硼与氮形成的类似苯的平面六元环结构,俗称无机苯14。环硼氮烷在材料化学方面有广泛的应用,其衍生物被用作氮化硼纳米管和其他纳米结构的前体,以及陶瓷材料和光电活性材料15。Wu
11、 等人对 B3N3H6与氢化物(BH3,CH4,NH3,H2O,HF)形成的 H相互作用进行理论研究,能量分解分析(SAPT)表明色散和静电作用对复合物的结构稳定同样重要16。梁雪等人对 B3N3H6二聚体的结构以及可能的作用方式进行研究,结果表明 B、N 原子相对交错的平行堆积 D3d构型是最稳定的构型17。直线型小分子 C2HX(X=H,F,Cl,Br,CH3,NH2)与B3N3H6的 环之间形成 CspH 氢键,且SAPT 分析表明色散作用是结构稳定的主要因素18。马鹏等人通过 MP2 和 B3LYP 方法揭示了B3N3H6HCl 和 B3N3H6CHCl3复合物中氢键的作用本质19。一
12、氧化碳(CO)是我们环境和生物系统中存在的重要物种,同时也是生物体内重要组成物质的羰基基团,正确理解 CO 与分子间的相互作用显得尤为重要20-23。Li 等人研究了一系列N-芳基酰亚胺分子中的 CO 相互作用,结果显示 CO 相互作用比之前研究的 O 和 X(X=卤素)相互作用更强22。Zhao 等人对 COPhX 的研究表明给电子基团(X=-NH2,-OH,-CH3)取代会增强 相互作用,而吸电子基团(X=-F,-CN,-NO2)取代削弱了 相互作用23。关于 CO 与苯的等电子体 B3N3H6的研究尚未报道,本文我们选取 B3N3H6和 CO 作为研究对象,对 B3N3H6与 CO 之间
13、存在的相互作用进行了系统的研究,讨论了 B3N3H6CO 复合物中、lp 相互作用和氢键之间的竞争。通过研究B3N3H6与 CO 之间存在的分子间相互作用,可以帮助我们进一步认识生物分子中杂环芳香环与羰基之间的作用,为实验工作者提供一定的理论参考。1 计算方法本 文 采 用 MP2 方 法24,25,结 合 aug-cc-pVTZ26,27基 组 对 一 氧 化 碳(CO)、环 硼 氮 烷(B3N3H6)、三氟取代环硼氮烷(B3N3F3H3)、三氨基取代 环 硼 氮 烷(B3N6H9)等 单 体 分 子 以 及B3N3H6CO 复合物进行结构优化,并在相同计算水平下进行振动频率验证,单体和复合
14、物的频率均为正值。复合物的相互作用能(E)的计算均采用 Boys 和 Bernardi 提出的 Counterpoise 方法28进行基组重叠误差(BSSE)校正。采用四种 DFT方 法(M06-2X29、B97XD30、B3LYP31,32和B3LYP-D333)与 MP2 方法进行比较。为了得到更准 确 的 相 互 作 用 能,在 CCSD(T)/aug-cc-pVTZ/MP2/aug-cc-pVTZ 水平下进行高精度计算34。通过分子中原子(AIM)35分析揭示了相互作用的本质,进一步证明了弱相互作用的存在。通过 SAPT2+36方法结合 aug-cc-pVDZ 基组对复合物进行对称性匹
15、配微扰理论(SAPT)37,38能量分解分析,进而阐明体系中弱相互作用的物理本质。文中所有结构的几何结构优化和能量计算由Gaussian 0939程序包完成,AIM 分析由 Multiw-178化 学 研 究 与 应 用第 35 卷fn40程序包完成,SAPT 能量分解分析由 PSI441程序包结合 Multiwfn 程序包完成。2 结果与讨论2.1 单体的三维静电势图为了更好地了解体系分子间相互作用的趋势,本文在 MP2/aug-cc-pVTZ 水平下绘制了 CO、B3N3H6、B3N3F3H3和 B3N6H9的三维分子静电势图(MEP),如图 1 所示。静电势值的区域范围为-0.02 到+
16、0.02 a.u,图中红色为负电区域,蓝色为正电区域;颜色越红,表示该区域的表面电势越负,颜色越蓝,表示该区域的表面电势越正。CO的基态是单线态,具有由两个共价键和一个配价共价键组成的三键。由图可以看出,CO 中 C 端和O 端的静电势值均为负值,且 C 端的更负一些。相比之下,CO 的正电区域很明显地分布在 CO三键圆柱体周围,与之前的研究结果一致23。B3N3H6的负电区域主要集中在 环上,尤其是 N原子上,而正电区域主要在与 N 原子连接的 H 原子上。显然,B3N3H6的 环可以与 CO 分子的 CO 三键形成吸引的 相互作用。同时,B3N3H6环上与 N 原子连接的 H 原子也可以与
17、 CO的 C 端或 O 端形成 NHC 和 NHO 氢键。图 1 单体的静电势图Fig.1 The electronic potential maps of the monomers2.2 B3N3H6的 环与 CO 之间的相互作用当 CO 分子位于 B3N3H6的 环平面上方时,有多种作用方式。我们主要考虑了、lp(O)和 lp(C)三种作用方式来研究 B3N3H6的 环与 CO 之间的作用,对应于复合物 A,B 和 C,如图 2 所示。为了能够准确地描述分子间相互作用,采 用 MP2、M06-2X、B97XD、B3LYP-D3 和B3LYP 方 法 结 合 aug-cc-pVTZ 基 组
18、对 CO 与B3N3H6的 环平面之间的 相互作用(A)进行比较研究。这 5 种计算方法经过 BSSE 校正的复合物 A 的相互作用势能曲线如图 2(a)所示。除 B3LYP 外其余4 种计算方法得到的势能曲线的极小点均为负值,相互作用能(E)依次为-1.29、-1.47、-1.38 和-1.46 kcalmol-1,对应的分子间距离为 3.4、3.2、3.4、3.4。在 CCSD(T)/aug-cc-pVTZ 水平下对分子间距离为 3.2、3.3、3.4、3.5、3.6 和 3.7 处的 E 进行计算,分子间距离为3.4 时 E 达最大值,为-1.21 kcalmol-1。MP2和 B97X
19、D 这两种方法的趋势一致,但 MP2 方法得到的结果更接近于 CCSD(T)方法的结果。因此,MP2 方法结合 aug-cc-pVTZ 基组更适合描述B3N3H6CO 复合物的弱相互作用,复合物的计算中均在该水平下进行。M06-2X 和 B3LYP-D3 方法高估了分子间相互作用能,而未考虑色散能的B3LYP 方法低估了相互作用能。图 2(b)显示了复合物 A,B 和 C 在 MP2/aug-cc-pVTZ 水平下经过 BSSE 校正的相互作用势能曲线。复合物 B 和C 分别在分子间距离为 3.3 和 3.5 时 E 有最大值,分别为-0.82,和-0.64 kcalmol-1。与复合物A 相
20、比,复合物 B 和 C 在极小点的 E 明显较低。因此,当 CO 位于 B3N3H6的 环平面上方时,更倾向于复合物 A 的作用方式,即 CO 的 CO 三键与 B3N3H6的 环形成的 相互作用,而不是通过 CO 的 C 端或者 O 端的孤电子对与 B3N3H6的 环平面之间形成 lp(O/C)相互作用,且 相互作用的(E 明显地比 lp(O/C)相互作用的(E 大,表明 相互作用可以成功地与lp(O/C)相互作用竞争。278第 4 期奥美珍,等:B3N3H6CO 复合物中弱相互作用竞争的理论研究图 2(a)复合物 A 在不同计算方法的 BSSE 校正的相互作用能曲线;(b)复合物 A,B
21、和 C 在 MP2/aug-cc-pVTZ 水平下的 BSSE 校正的相互作用能曲线Fig.2(a)BSSE corrected intermolecular interaction potentials of complex A at different computational levels;(b)BSSE corrected intermolecular interaction potentials of the complexes A,B,and C at MP2/aug-cc-pVTZ level图 3 复合物 B3N3H6CO,B3N6H9CO 和 B3N3F3H3CO 在 MP
22、2/aug-cc-pVTZ 水平下的 BSSE 校正的相互作用能曲线Fig.3BSSE corrected intermolecular interaction potentials of the B3N3H6CO,B3N6H9CO,and B3N3F3H3CO complexes 为了更好地探究 B3N3H6CO 复合物的 相互作用,我们也研究了取代基效应对 相互作用的影响。我们考虑了 B3N3H6分子中与 B相连的三个 H 原子被氟原子(-F)取代和氨基(-NH2)取代这两种情况。在 MP2/aug-cc-pVTZ 水平下对 B3N3F3H3CO 和 B3N6H9CO 两个体系对应的 相互
23、作用进行研究,并与相同计算水平下得到的 B3N3H6CO 体系的 相互作用势能进行比较。图 3 列出 B3N3F3H3CO,B3N6H9CO 和 B3N3H6CO 复合物中经过 BSSE 校正的 相互作用势能曲线,B3N3F3H3CO 体系的 相互作用在分子间距离为 3.4 时 E 具有最大值(-1.17 kcalmol-1),比 B3N3H6CO 体系的 E 略微减小。对于 B3N6H9CO 体系,相互作用在分子间距离为 3.3 时其 E 具有最大值(-1.84 kcalmol-1),比 B3N3H6CO 体系的 相互作用的 E(-1.29 kcalmol-1)增大很多。该研究结果与 COP
24、hX 复合物23中的取代基效应结果一致。当 B3N3H6环上与 B 相连的三个 H 原子被给电子基团-NH2取代后 环变为负电环,环平面与 CO 之间的 相互作用增强。而当 B3N3H6环上与 B 相连的三个 H 原子被-F 取代后 环变为缺电环,削弱了环平面与 CO 之间的 相互作用。2.3 B3N3H6CO 复合物中弱相互作用之间的竞争 B3N3H6与 CO 之间存在多种分子间相互作用,除了研究 B3N3H6的 环与 CO 之间形成的 lp 和 相互作用外,B3N3H6环上与 N 原子连接的 H 原子与 CO 之间也会形成的氢键,包括NHC 和 NHO 氢键。我们在 MP2/aug-cc-
25、pVTZ 水平下对复合物的结构不加任何限制进行全优化,共得到 6 种稳定的复合物结构,且在相同计算水平下进行频率计算,均没有虚频,说明优化所得结构均处于其势能面的极小点,是稳定结构。图 4 列出了这 6 种复合物优化后的的几何结构、键长以及相互作用能(E)。含有 NHC 氢键复合物 I 的相互作用能378化 学 研 究 与 应 用第 35 卷为-1.42 kcalmol-1,其中 H 和 C 之间的距离是2.472,小于其范德华半径之和(2.90),属于典型的氢键。复合物 II 中 CO 位于 B3N3H6环上方与环平面形成 相互作用,分子间距离为3.325,相互作用能为-1.27 kcalm
26、ol-1。复合物III 中 CO 与 B3N3H6的环平面也形成 相互作用,分子间距离为 3.360,其相互作用能为-1.19 kcalmol-1。复合物 II 与复合物 III 是 CO在 B3N3H6的环平面上方旋转得到的不同结构。含有 NHO 氢键的复合物 IV 的相互作用能为-0.88 kcalmol-1,其中 H 和 O 之间的距离是2.412,小于其范德华半径之和(2.72),属于典型的氢键。复合物 V 中 CO 的 O 端的孤电子对与B3N3H6环平面形成 lp 相互作用,其相互作用能为-0.80 kcalmol-1。复合物 VI 中 CO 的 C 端的孤电子对与 B3N3H6环
27、平面形成 lp 相互作用,其相互作用能为-0.61 kcalmol-1。因此,当CO 位于 B3N3H6环平面上方时,更倾向于通过 CO 三键与 环形成 相互作用。同时,B3N3H6环上的与 N 原子相连的 H 原子与 CO 之间形成的 NHC 氢键(I)的相互作用能略大于CO 三键与 B3N3H6的 环形成的 相互作用(II 和 III),且 NHC/O 氢键和 相互作用均比 lp(C/O)相互作 用 强。因 此,B3N3H6CO 复合物中 相互作用和氢键可以成功与 lp(C/O)相互作用竞争。图 4 在 MP2/aug-cc-pVTZ 水平下得到的 6 种 B3N3H6CO 复合物的优化结
28、构Fig.4 Optimized structures and interaction energies of six fully optimized B3N3H6CO complexes at the MP2/aug-cc-pVTZ level.The distances are in angstroms2.4B3N3H6CO 复合物的 AIM 分析和 SAPT分析 AIM 分析有助于更加清楚地了解 B3N3H6CO 体系中 6 种稳定复合物(I-VI)中的弱相互作用的电子结构特征及本质,本研究在 MP2/aug-cc-pVTZ 水平下对其进行 AIM 分析,如图 5 所示。从图中可以清楚地
29、看到 B3N3H6CO 的 6 种复合物中都存在分子间键临界点(BCP)和相关键径。氢键参与的复合物 I 和 IV 中是 B3N3H6的 环上与N 相连的 H 原子与 CO 的 C 端或者 O 端之间存在一个 BCP,表明复合物中 NHC 或者 NHO氢键的存在。复合物 II 和 III 中在 B3N3H6的 环上的三个 N 原子与 CO 分子中的 C 端和 O 端之间均存在一个 BCP,证实了 B3N3H6的 环与 CO中的 CO 三键形成 相互作用。复合物 V和 VI 中,在 B3N3H6的 环上的三个 N 原子与CO 分子的 O 端或者 C 端之间均存在一个 BCP,证明了 CO 分子的
30、 O 端或者 C 端的孤对电子与B3N3H6的 环之间形成了 lp 相互作用。AIM分析结果与结构信息较为一致,揭示了 B3N3H6CO 复合物中存在(NHC/O)氢键、和 lp(C/O)相互作用。为了阐明 B3N6H9CO 复合物中弱相互作用的本质,本文在 SAPT2+/aug-cc-pVDZ 水平下对复合物 I-VI 进行能量分解分析,分为静电能(Eelst)、交换能(Eexch)、诱导能(Eind)和色散能(Edisp)。478第 4 期奥美珍,等:B3N3H6CO 复合物中弱相互作用竞争的理论研究B3N6H9CO 体系中复合物 I-VI 的 SAPT 总能量(ESAPT)、不同成分能量
31、值以及 MP2 与 SAPT2+方法得到的相互作用能差值(E)列在表 1 中,图 6列出静电能、诱导能和色散能对总吸引能的贡献比例,用百分比表示。图 5 B3N3H6CO 的 6 个复合物的 AIM 分析图Fig.5 Molecular graphs of six B3N3H6CO complexes.Orange dots represent critical points从表1 中可以看出,MP2 与 SAPT 两种方法得到的相互作用能差值(E)都很小,且相互作用能顺序一致。B3N6H9CO 的 6 种复合物中静电能、色散能和诱导能均为负值,有利于结构稳定。而交换能均为正值,不利于结构的稳
32、定,且交换能的绝对值相对较大,这也是体系相互作用能相对较小的主要原因。图 7 显示了静电作用、色散作用以及诱导作用这三种吸引作用对结构稳定的贡献大小,图中清晰地显示含 NHC 氢键的复合物 I 以静电作用为主,占总吸引能的 50.7%,色散作用起次要作用,比例为 36.5%。而含有 NHO 氢键的 IV 以色散作用为主,比例为 56.3%,静电作用起次要作用,比例为 34.1%。因此,复合物I 和 IV,色散作用和静电作用对复合物结构稳定有着同样重要的作用。而含有 相互作用的复合物 II 和 III 以及 lp(O/C)相互作用的复合物 V 和 VI 中,色散能的比例分别为 63.6%,67.
33、4%,74.4%和 74.0%明显高于静电能和诱导能的比例。因此 CO 位于 B3N6H9环上方形成的复合物中色散作用对结构的稳定起主要作用。诱导能对 6 种复合物的结构稳定贡献均较小。图 6 B3N3H6CO 的 6 种复合物的能量分解图Fig.6 Diagram for contribution of different energy components of total interaction energy of the six B3N3H6CO complexes表 1 B3N3H6CO 的 6 种复合物在 SAPT2+下的总能量和各分能量值,以及与 MP2 方法得到的能量的差值。单
34、位为 kcal mol-1Table 1 Total interaction energy and its different components calculated using SAPT2+approach,and the binding energy difference(E)between MP2 and SAPT2+methods.The energies are in kcalmol-1ComplexEelstEexchEindEdispESAPTEI-2.092.69-0.53-1.51-1.440.02II-1.293.10-0.31-2.80-1.300.03III-1.0
35、22.61-0.22-2.55-1.18-0.01IV-0.901.78-0.25-1.48-0.85-0.03V-0.602.21-0.17-2.22-0.78-0.02VI-0.602.09-0.14-2.10-0.750.14 采用 SAPT2+方法和 MP2 方法得到的总能量的差值578化 学 研 究 与 应 用第 35 卷3 结论本文在 MP2/aug-cc-pVTZ 水平下系统地研究了 CO 和 B3N3H6之间的弱相互作用,并与四种DFT 方 法(M06-2X、B97XD、B3LYP-D3和B3LYP)进行比较,同时采用 CCSD(T)方法进行高精度的单点计算。B3N6H3CO
36、体系在 MP2/aug-cc-pVTZ 水平下优化得到 6 种稳定的复合物结构。B3N6H3CO 复合物中存在 lp(O/C)、相互作用以及 NHC/O 氢键,相互之间存在竞争,相互作用和氢键可以成功地与 lp 相互作用竞争。其中,含有 NHC 氢键的复合物 I 的相互作用能最大,为-1.42 kcalmol-1。取代基对 相互作用影响的结果显示,供电子基团(X=-NH2)取代使得 B3N3X3H3CO 复合物中的 相互作用能比 B3N6H3CO 中的强,吸电子基(X=-F)取代削弱了 B3N3X3H3CO 复合物中的 相互作用。因此可以通过引入取代基有效调控分子间间相互作用的方式。AIM 分
37、析结果进一步揭示了 B3N3H6CO 复合物中弱相互作用的本质,且结论与结构信息一致。SAPT 能量分析表明色散作用对 B3N6H3CO 体系中含 和 lp(O/C)相互作用的复合物结构稳定起着重要作用,静电作用和色散作用对含 NHC/O 氢键复合物的结构稳定有着同样重要的作用。研究 B3N6H3与 CO 之间的相互作用为进一步认识生物分子中杂环芳香环与羰基之间的作用提供一定的理论参考。参考文献:1Gilli G,Gilli P.The nature of the hydrogen bondM.Ox-ford University Press:Oxford,2009.2Lee E C,Kim
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