薛 君

(中國海洋大學 化學化工學院，山東 青島 266510)

晶體在不同的體系中會生長成不同的幾何構(gòu)型，在不受抑制體系中自發(fā)地長成對稱多面體，而在受抑制的生長體系中生長時，就會具有特殊的外形[1]。現(xiàn)階段的晶體預(yù)測主要采用MD、kMC和連續(xù)模擬的組合，使用多尺度整合方法對晶體結(jié)構(gòu)進行探究，但是這種方法沒有考慮溶劑的影響并且只適用于部分體系[3]。分子動力學(MD)模擬提供了一種研究分子晶體生長的有效方法，因為它們不僅限于單一結(jié)構(gòu)，而是可以計算集合構(gòu)象的性質(zhì)，因此完全結(jié)合了熵的貢獻[4]。使用MD模擬作為基礎(chǔ)，允許探索更大的尺寸和更長的時間長度[5]。

本文將有機小分子體系從分子自組裝行為開始進行動力學模擬，探究晶體生長過程，并根據(jù)分子自組裝技術(shù)聚集形態(tài)進行晶體結(jié)構(gòu)模擬，進而探究分子自組裝技術(shù)與晶體結(jié)構(gòu)形成的機理。以2-苯基-1H-咪唑并[4，5-b]吩嗪(PND)為例[6]，對其進行量子化學計算和動力學模擬計算，將其放入搭建好的溶劑環(huán)境中，模擬出最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)進行晶體預(yù)測，并和實際晶體結(jié)構(gòu)進行對比驗證，進而總結(jié)出進行晶體預(yù)測的實驗方法，有效對有機小分子自組裝晶體結(jié)構(gòu)進行預(yù)測。

1 實驗部分

1.1 量子化學計算

搭建吩嗪分子結(jié)構(gòu)，由M06-2X / cc-PVDZ基組對PND分子進行優(yōu)化和能量計算，得到幾何結(jié)構(gòu)的特征參數(shù)，如能量，偶極矩，HOMO和LUMO的電荷密度以分析分子的反應(yīng)活性位點，所有計算均在Gaussian09軟件中進行。

1.2 分子動力學模擬

由高斯優(yōu)化過的分子結(jié)構(gòu)引入MS軟件中使用Focite模塊對PND進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和MD模擬，分子構(gòu)型優(yōu)化選擇COMPASS力場，步數(shù)設(shè)置為500000步，使其達到能量最低的平衡狀態(tài)。動力學模擬也是在COMPASS力場下進行的，選擇 NPT系綜，模擬開始于積分步驟1fs，溫度設(shè)置為298K，壓力P = 1atm(常溫常壓條件)。

1.3 溶劑中的分子動力學模擬

DMF溶劑盒子的密度設(shè)置為0.908，根據(jù)PND的分子量以及分子體積確定溶劑盒子的分子個數(shù)為1024，確保其不會產(chǎn)生分子離域現(xiàn)象，溶劑盒子c方向上的長度為6nm，將PND小分子放入構(gòu)建好的溶劑盒子中進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和分子動力學計算，選用Focite模塊中的COMPASS力場，NPT(恒溫恒壓)系綜，模擬開始于積分步驟1fs，步數(shù)設(shè)為500000步，溫度T = 298K(恒溫器設(shè)為Nose Themostat)，壓力P = 1atm。探究PND分子在溶劑中的自組裝行為。

1.4 晶體結(jié)構(gòu)預(yù)測

將DMF溶劑中的PND所得結(jié)果創(chuàng)建運動組，對PND進行晶體結(jié)構(gòu)預(yù)測。使用MS中的Polymorph模塊，選擇COMPASS力場，對PND1的S1，S2結(jié)構(gòu)進行Prediction計算，選擇的空間群為P21/C，P-1，P212121， C2/C， P21和PBCA。

2 結(jié)果與討論

2.1 量子化學計算

由前線軌道理論可知，HOMO軌道的能級越高與失去電子的能力成正比；LUMO的能級與分子得到電子的能力成反比。圖1為PND分子的HOMO，LUMO 軌道圖，結(jié)合表1分子特征原子對軌道的貢獻，可以分析出分子的反應(yīng)活性位點。

圖1 PND分子的前線軌道分布圖

由圖1和表1可以看出，PND分子中最高占據(jù)軌道(HOMO)主要分布在N7、N10、N15和N17原子上，其中N7對HOMO貢獻最大達到5.26%，其余部分分布在 N10和N15原子上，但是貢獻率數(shù)值相差不大；最低空軌道主要分布在N7原子上，N10原子上也占有一定分布，但是N15和N17原子對LUMO軌道的貢獻相比較下就顯得很小了。結(jié)合表1中各個原子所帶的電荷可推測，PND分子中的氮原子都帶有負電荷，親核性能較強，其中N7和N10原子應(yīng)該為親核活性中心，由于PND中帶有活潑氫H30，所以極易形成N-H…N鍵，這是PND分子自組裝結(jié)構(gòu)形成的主要作用力機制。

表1 PND分子中N、O原子電荷分布和對前線軌道的貢獻

2.2 分子動力學模擬

由量子化學計算結(jié)果可知，N17上有一個裸露的原子氫，所以極易與其分子內(nèi)的N7、N10以及N15形成N-H…N鍵，但是單從這幾個氮原子對HOMO、LUMO軌道的貢獻上不能確定H30會與哪一個氮原子成鍵，所以我們在MS軟件中構(gòu)建分子結(jié)構(gòu)時對分子可能產(chǎn)生的自組裝結(jié)構(gòu)進行合理的猜想，并從空間以及成鍵上設(shè)計出了以下5種情況。

圖2 PND分子的自組裝假想模型

將這些假象模型在COMPASS立場下對分子進行優(yōu)化后開始動力學計算，得到五種結(jié)構(gòu)趨于最優(yōu)化的結(jié)果。結(jié)果顯示不同的假想模型在計算后在空間中趨于相似的層狀結(jié)構(gòu)。

表2 五種假想模型的能量變化

由表2中可以看出，五種假象模型的初始能量有一定的差異，但經(jīng)過分子優(yōu)化和動力學計算之后最終能量相差不大，說明形成的最終結(jié)構(gòu)相似。逐個增加分子個數(shù)并對可能產(chǎn)生的自組裝結(jié)構(gòu)進行猜想，然后用同樣的方法對結(jié)構(gòu)能量最低化后進行動力學模擬計算觀察結(jié)構(gòu)的空間構(gòu)型變化以及鍵長鍵角等參數(shù)的變化，確定分子自組裝穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

由圖3可知，PND分子在真空中的自組裝趨于空間層狀重疊。從圖2中可以看出，初始放置時兩個PND分子存在一定的夾角并且氫鍵組合方式也不相同。當體系達到平衡后，PND分子發(fā)生扭轉(zhuǎn)并且氫鍵鍵長和鍵角也發(fā)生了明顯變化。分子自組裝結(jié)構(gòu)中的N17-H30…N7與N17-H30…N15氫鍵鍵角都趨向于180°，并且鍵長長度也有不同程度的增加，但仍在正常范圍內(nèi)，這也說明PND分子在真空中確實可以形成穩(wěn)定的分子自組裝結(jié)構(gòu)。

圖3 PND分子在真空中的自組裝結(jié)構(gòu)

2.3 溶劑中的分子動力學模擬

由2.2結(jié)果可知，PND分子形成的N17-H30…N7氫鍵和N17-H30…N15形成的氫鍵強度相差不大，所以將兩個假想構(gòu)型S1、S2放置于DMF溶劑盒子中進行多次動力學模擬，S1是兩個PND分子通過N17-H30…N7氫鍵相連，再通過N17-H30…N15氫鍵連接另一個分子，S2是三個PND分子通過N17-H30…N15氫鍵形成的自組裝結(jié)構(gòu)。

圖4 PND分子的S1、S2結(jié)構(gòu)圖

由圖5可以看出，PND分子在溶劑環(huán)境中的排列方式與在真空中不同。S1結(jié)構(gòu)在DMF溶液中空間結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大的變化，π-核心與吩嗪基團反平行排列，吩嗪基團幾乎平行于π-表面，而另一側(cè)與π-表面相對應(yīng)，與實驗所觀察到的結(jié)構(gòu)基本相符，這就為我們在下一節(jié)的晶體結(jié)構(gòu)預(yù)測中提供了動力組創(chuàng)建的依據(jù)。S2結(jié)構(gòu)在DMF溶液中的空間構(gòu)型趨近于真空中的結(jié)構(gòu)，但是其中一個氫鍵N17-H30…N15鍵長為3.615?，屬于弱氫鍵作用。說明溶劑環(huán)境中的自組裝行為可能較真空環(huán)境差異較大，真空環(huán)境下的自組裝結(jié)構(gòu)只能為實際自組裝行為提供結(jié)構(gòu)參考。

圖5 PND在DMF溶劑中的自組裝結(jié)構(gòu)

2.4 晶體結(jié)構(gòu)預(yù)測

空間群是晶胞中全部對稱要素的組合。不同空間群晶體結(jié)構(gòu)如圖6所示。P21-C、C2-2和P2空間群都屬于單斜晶系，P212121和PBCA空間群屬于正交晶系，而P-1空間群屬于三斜晶系[7]。表3中顯示了各個空間群的占比，總能量以及電荷等參數(shù)，從表中可以看出，雖然PBCA空間群形成的晶體占比較小，但是其晶體結(jié)構(gòu)的能量最小，說明其形成的結(jié)構(gòu)最為穩(wěn)定。實驗所得晶體為正交晶系，結(jié)構(gòu)初步吻合。

圖6 模擬所得不同空間群的晶體結(jié)構(gòu)

表3 模擬晶體各個空間群計算所得參數(shù)

將PBCA空間群形成的晶體結(jié)構(gòu)以及在CCDC結(jié)構(gòu)庫里查找到的PND晶體結(jié)構(gòu)在MS中，在其達到穩(wěn)定平衡狀態(tài)后進行CASTEP計算，得到晶體結(jié)構(gòu)中氫鍵鍵長和粒子分布如表4和表5，分別是實驗晶體和模擬晶體的計算結(jié)果。分析數(shù)據(jù)可知，兩種晶體形成分子間氫鍵的位置大相同，模擬晶體中的分子間氫鍵長度比實驗晶體中略大一些，但數(shù)值相差不大。

表4 實驗晶體氫鍵鍵長和粒子數(shù)

表5 模擬晶體氫鍵鍵長和粒子數(shù)

圖7中，上圖為在CCDC庫中引入的PND晶體結(jié)構(gòu)在MS中計算所得射線粉末衍射圖，下圖為預(yù)測PBCA空間群下的晶體結(jié)構(gòu)計算所得射線粉末衍射圖，兩圖進行比較可以看出其特征峰位置基本重合，可以推測出兩者屬于同一種晶體，從而證明PND分子的晶體結(jié)構(gòu)預(yù)測方法是可行的。

圖7 CCDC數(shù)據(jù)庫中PND1晶體理論與預(yù)測X-射線粉末衍射圖

3 結(jié)論

利用DFT/MD方法對2-苯基-1H-咪唑并[4,5-b]吩嗪分子進行自組裝模擬和晶體結(jié)構(gòu)預(yù)測，從分子層面研究了晶體生長機理。模擬所得結(jié)果和實驗結(jié)果具有良好的一致性，說明由分子自組裝行為進而推測分子晶體結(jié)構(gòu)的預(yù)測方法是可行的，為類似氫鍵驅(qū)動的分子自組裝體系小分子晶體的結(jié)構(gòu)預(yù)測提供了一種新的方法。