Keggin型多鉬氧酸鹽有機衍生物的電子性質與抗病毒活性的密度泛函理論研究

司艷玲，于海玲，趙欣宇，趙成愛，康立娟

（吉林農業大學資源與環境學院，吉林長春 130118）

Keggin型多鉬氧酸鹽有機衍生物的電子性質與抗病毒活性的密度泛函理論研究

司艷玲，于海玲，趙欣宇，趙成愛，康立娟

（吉林農業大學資源與環境學院，吉林長春 130118）

運用密度泛函理論（DFT）方法研究了Keggin型多酸化合物（C5H13N2O2）2（H3O）PMo12O40，（C5H14N2O2）2SiMo12O40和（C5H14N2O2）2GeMo12O40的幾何結構、氧化還原性質.根據多酸化合物對腫瘤細胞的抗病毒活性與其氧化還原能力的關系，比較了目標化合物的活性大小，設計了中心原子為As，Sb和Sn的上述鉬酸有機衍生物，從理論上預測其具有抗病毒活性.結果表明：改變中心原子P，Si和Ge對其氧化還原能力有顯著影響；（C5H13N2O2）2（H3O）AsMo12O40，（C5H13N2O2）2（H3O）Sb Mo12O40和（C5H14N2O2）2Sn Mo12O40的抗病毒活性依次增強.

多金屬氧酸鹽；密度泛函理論；抗病毒活性

自從1826年，J.Berzerius成功制備出第一個有文字記載的雜多酸12－鉬磷酸銨（NH4）3PMo12O40·nH2O以來［1］，越來越多的化學工作者投身于多酸這一領域的研究中［2－3］.近年來，多酸化學發展極為迅速，在功能材料、無機藥物化學等方面的研究和應用已有突破性進展.今天的多酸化學已躋身于藥物化學中的抗艾滋病、抗腫瘤抗病毒研究.作為藥物，多酸的開發研究具有誘人的前景：（1）種類繁多；（2）合成方法成熟；（3）市場巨大.

多金屬氧酸鹽的抗病毒活性的研究始于20世紀70年代初，法國科學家首先發現12－鎢硅酸［SiW12O40］4－能夠抑制鼠的白血病和肉瘤病毒［4］.之后相繼發現［BW12O40］5－和［P2W18O62］6－等在體外表現出抗病毒活性.20世紀80年代，人們發現了有代表性的雜多化合物（NH4）17Na［NaSb9W21O86］· 14H2O（HPA－23）具有抑制艾滋病毒逆轉錄酶的作用［5］.20世紀90年代以來，美、日、法等國都開展了廣泛的研究，目前已發現幾種化合物具有抗艾滋病毒HIV－1的作用.PM－104是第一個報道的同多鉬酸鹽［6］.美國的C.L.Hill報道了含鈮多金屬氧酸鹽能抑制HIV－1的蛋白酶活性［7］.東北師范大學多酸化學研究所合成了（C5H13N2O2）2（H3O）PMo12O40，（C5H14N2O2）2Si Mo12O40和（C5H14N2O2）2Ge Mo12O40系列Keggin型多酸化合物［8］.實驗初步表明，此系列化學物對人宮頸癌細胞具有抑制作用.

本文運用DFT方法系統地研究了這一系列Keggin型多酸化合物的幾何結構和氧化還原性質，以期揭示其抗病毒活性機制.具體研究體系如下：（C5H13N2O2）2（H3O）PMo12O40（體系1），（C5H14N2O2）2Si Mo12O40（體系2），（C5H14N2O2）2Ge Mo12O40（體系3），（C5H13N2O2）2（H3O）As Mo12O40（體系4），（C5H13N2O2）2（H3O）Sb Mo12O40（體系5）和（C5H14N2O2）2Sn Mo12O40（體系6）.

1 計算方法

本文所有計算均采用ADF2006.01程序中的DFT方法［9－10］.相關泛函采用Vosko－Wilk－Nusair（VWN）參數化的局域密度近似（LDA）［11］.交換和相關泛函分別運用Beck梯度校正和Perdew非局域校正［12－13］.使用3－zeta加極化（TZP）Slater型基組函數描述所有元素的價電子，對金屬原子采取凍核近似（Mo：3d；Ge：3d；As：3d；Sb：4d；Sn：4d）.相對論效應采用零階正則近似（ZORA）［14］.此外，計算積分精度的參數為6.0.

2 結果與討論

2.1 幾何結構

Keggin型陰離子由12個配原子M形成的八面體和中心X原子形成的四面體構成.12個八面體分成4組，每3個八面體通過共邊相連形成三金屬簇，4組三金屬簇通過共頂點相連形成籠型結構，中心四面體位于籠的中心，四面體的4個頂點與三金屬簇的共頂點相連.根據O原子的成鍵情況將O原子分為3類，它們分別為中心四面體氧（Oa）、橋氧（Ob和Oc）和端氧（Ot）.其中橋氧分為不同三金屬簇間的橋氧（Ob）和同一三金屬簇中的橋氧（Oc）.圖1給出了體系1，2和3的計算模型.

體系1，2和3的部分優化鍵長以及體系1鍵長的實驗值列于表1.由表1數據可以看出，體系1鍵長的計算值與實驗值吻合得很好.這表明我們所采用的計算方法是可靠的.對于體系1－3優化鍵長來說，中心原子P（Si，Ge）—Oa鍵長依次增長，這主要是因為離子半徑rGeⅣ（0.053 nm）＞rSiⅣ（0.042 nm）＞rPⅤ（0.035 nm）.3個體系中Mo—Oa鍵長依次縮短，使得整個Keggin籠型結構的尺寸基本保持不變.

此外，表1還給出了體系1的單電子還原態的鍵長.我們知道大多數多金屬氧酸鹽能夠接受一個或多個電子還原過程且發生結構扭曲［15］.單電子還原的體系1與體系1之間的幾何結構差異非常小.體系的特殊穩定性可能是其在抗病毒活性方面獨具魅力的主要原因.

圖1 體系1，2，和3計算模型

表1 體系1－3部分優化鍵長和體系1部分實驗數據nm

2.2 氧化還原性質與抗病毒活性

2.2.1 體系1，2和3的氧化還原性質和抗病毒活性

體系HOMO－LUMO能隙越小，越容易接受電子.體系3的HOMO－LUMO能隙最小，HOMO和LUMO之間的電子躍遷變得更容易.因此，體系3的氧化還原能力最強.而體系2的能隙最大，所以其氧化還原能力最弱.體系1的氧化還原能力略小于體系3，介于二者之間.

表2 體系1－3 HOMO－LUMO的能隙e V

研究表明，通過理論計算能夠預測分子在溶液中的氧化還原電勢［16］.本文計算了體系1－3的氧化還原電勢.從理論上預測多酸化合物的氧化還原電勢要先確定反應的自由能.單電子氧化還原反應方程式為

ΔG表示溶液中還原過程的自由能.為了計算ΔG，必須先知道由電子、平動、轉動和振動組分構成的熵值.由于多酸體系的頻率計算將耗費大量的機時，人們便不得不引入一些近似.對于多酸陰離子體系，由于較大的電子貢獻而忽略熵的影響［17－18］.因此，體系在溶液中的還原能近似表示為ΔG.表3列出了體系1－3的還原勢能.體系3的單電子還原能為－24.37 eV，比體系1和體系2的還原能更負.這表明體系3的第一步還原相對體系1和體系2更容易.

表3 體系1－3在水溶液中的還原能e V

以上分析充分表明，目標化合物的氧化還原能力次序為：體系3＞體系1＞體系2.T.Yamase提出多酸化合物抗癌機理起源于同鉬多酸鹽的單電子氧化還原過程［19］.根據這個假設，多酸化合物對腫瘤細胞的抑制活性大小與其氧化還原能力有關.氧化能力越強，化合物對腫瘤細胞抑制活性能力越大.因此，我們可以得出目標化合物對腫瘤細胞的抗病毒活性大小與其氧化還原能力次序一致.即：體系3＞體系1＞體系2.

2.2.2 體系4－6的氧化還原性質和抗病毒活性

為了研究不同中心原子對此類多酸化合物抗病毒活性的影響，我們優化并分析了體系4，5和6的電子性質.表4為體系4－6的HOMO－LUMO能隙.通過與表2中體系1－3的HOMO－LUMO能隙進行對比，很明顯地看到體系4－6的能隙均小于體系1－3的.這表明體系4－6的氧化能力要強于體系1－3.

由此我們可以預測，體系4－6對腫瘤細胞具有高于體系1－3的抗病毒活性.尤其是體系5和6有望成為優秀的抗癌藥物.

表4 體系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

吉林省自然科學青年基金資助項目（201101116）；吉林農業大學博士啟動基金資助項目（201018）.

司艷玲（1975—），女，講師，主要從事多金屬氧酸鹽的理論研究.

石紹慶）