DFT方法研究木質(zhì)素單體及二聚體的結(jié)構(gòu)與拉曼光譜

王方原,韓 森,葉 松,銀 珊,李 樹,王新強*

1. 桂林電子科技大學(xué)光電工程學(xué)院,廣西 桂林 541004 2. 廣西光電信息處理重點實驗室,廣西 桂林 541004

引 言

在自然界中,木質(zhì)素[1]是位于纖維素之后第二豐富的天然聚合物,廣泛存在于各種陸地植物的木質(zhì)部中。 木質(zhì)素的主要功能包括通過形成木質(zhì)素-碳水化合物復(fù)合物來強化植物細胞壁,抵抗微生物的攻擊,并通過降低細胞壁的滲透性在水分運輸中發(fā)揮關(guān)鍵作用[2-3]。 木質(zhì)素是由苯丙烷單元通過碳-碳鍵和醚鍵連接而成的無定形大分子聚合物,包括了甲氧基、 羥基、 羧基、 芳香酚環(huán)等官能團,具有非常復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。 圖1給出了木質(zhì)素的三種基本苯丙烷結(jié)構(gòu)的三種單體,即紫丁香基苯烷單體(S型)、 愈創(chuàng)木基苯烷單體(G型)、 對羥苯基丙烷單體(H型)[4-5]。 三種苯丙烷單體通過β-O-4,α-O-4,β-β,β-1,β-5和5-5等碳-碳鍵或碳-氧鍵連接形成木質(zhì)素大分子聚合體。 如圖1(d)所示為木質(zhì)素單體間的兩種主要連接方式,其中β-O-4芳醚鍵連接所占比例最高,約為50%左右,遠遠高于其他醚鍵[6-7]。 不同植物所含有的木質(zhì)素存在三種單體結(jié)構(gòu)的比例差異,例如草本木質(zhì)素同時包含H、 G、 S三種木質(zhì)素結(jié)構(gòu)單體,針葉材木質(zhì)素主要由G型木質(zhì)素單體組成(約90%),而闊葉材木質(zhì)素主要由G和S型木質(zhì)素單體組成(約各50%)[8]。 因此,根據(jù)不同植物檢材中木質(zhì)素及其基本單體的相對含量差異,就能實現(xiàn)植物科屬的快速鑒定,具有重要的研究價值和應(yīng)用前景。

圖1 木質(zhì)素基本結(jié)構(gòu)單體與單體間主要連接方式(a): H型木質(zhì)素; (b): G型木質(zhì)素; (c): S型木質(zhì)素; (d): 木質(zhì)素單體主要連接方式Fig.1 Basic structural units of lignin and main bond types among lignin units(a): H-type lignin; (b): G-type lignin; (c): S-type lignin; (d): Main bond types among lignin units

拉曼光譜能反映物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)的特征信息,具有快速、 簡單、 無損、 可重復(fù)檢測的特點,廣泛應(yīng)用于分子化學(xué)結(jié)構(gòu)研究和化學(xué)組成分析[9-10]。 在2006年,Agarwal[11]采用激光共焦拉曼顯微鏡測定了黑云杉木材細胞壁中木質(zhì)素和纖維素的分布以及木質(zhì)素的拉曼光譜; 在2014年,Gierlinger[12]使用掃描拉曼顯微鏡測定了楊木中木質(zhì)素的拉曼特征峰分布; 在2016年Cogulet等[12-13]對白云杉中木質(zhì)素拉曼特征峰進行了測量。 上述研究中測得的木質(zhì)素特征峰波數(shù)范圍都主要落在1 100～1 800 cm-1之間,且分別對木質(zhì)素的拉曼特征峰的振動歸屬進行了分析和解釋。 雖然木質(zhì)素的拉曼光譜實驗研究已經(jīng)得到了很好的發(fā)展,但是由于木質(zhì)素大分子的原子數(shù)量較多、 結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜,因此關(guān)于木質(zhì)素拉曼光譜的理論仿真工作還相對較少。

為了克服大分子仿真計算的困難,本文提出了一種通過三種木質(zhì)素苯丙烷單體及其β-O-4二聚體的仿真拉曼光譜,來開展木質(zhì)素大分子拉曼特征光譜仿真研究的方法。 本文首先對三個基本單體結(jié)構(gòu)進行幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化,得到穩(wěn)定的分子構(gòu)型,并對其能級結(jié)構(gòu)和軌道特征進行對比和分析。 其次,根據(jù)三種單體結(jié)構(gòu)的仿真拉曼光譜和振動歸屬,分析不同單體結(jié)構(gòu)的拉曼信號特征及其識別方法,并與其他文獻的木質(zhì)素實驗測量結(jié)果進行對比驗證。 在此基礎(chǔ)上,將其兩兩之間利用β-O-4成鍵方式進行組合,觀察β-O-4成鍵方式對三種單體結(jié)構(gòu)拉曼信號特征的影響,為利用植物中木質(zhì)素基礎(chǔ)單體含量差異的進行拉曼光譜定量分析提供理論依據(jù)。

1 木質(zhì)素單體分子結(jié)構(gòu)

利用Gaussian16W軟件實施第一性原理仿真計算,分子結(jié)構(gòu)的哈密頓量[14]表達式如式(1)

H=TN+Te+V

(1)

式(1)中,TN表示原子核的動能,Te表示電子的動能,V是勢能項(包含了所有電子與電子之間,核與核之間,電子與核之間的相互作用勢能)。 仿真計算過程采用密度泛函DFT的方法,將電子能量劃分表達式為

E=ET+EV+EJ+EXC

(2)

式(2)中,ET為動能項(由電子運動引起)[15],EV包括原子核與電子間的吸引作用和原子核與原子核之間的排斥作用[16-15],EJ描述電子與電子之間的排斥作用,EXC表示電子之間交換關(guān)聯(lián)作用[17-18]。

利用密度泛函DFT的B3LYP方法在6-311G(d,p)的基組環(huán)境下對木質(zhì)素的三個基本單體結(jié)構(gòu)進行幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化。 木質(zhì)素基本單體的分子結(jié)構(gòu)是否達到最優(yōu)幾何構(gòu)型,取決于其原子與原子之間的受力情況和分子整體的能量值。 當原子間受力和分子整體能量都達到最小值后,優(yōu)化完成且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。 優(yōu)化后的木質(zhì)素單體結(jié)構(gòu)如圖2所示。 優(yōu)化后的木質(zhì)素單體分子所有的碳原子都在同一平面上,且S型木質(zhì)素除去碳-碳雙鍵以上的部分,下半部分的苯環(huán)和兩個甲氧基具有高度對稱性,這也顯示出其優(yōu)化后分子都具有較高的穩(wěn)定性。

圖2 優(yōu)化后的木質(zhì)素單體結(jié)構(gòu)圖(a): 優(yōu)化后的H型木質(zhì)素; (b): 優(yōu)化后的G型木質(zhì)素; (c): 優(yōu)化后的S型木質(zhì)素Fig.2 Optimized lignin unit structure(a): Optimized H-type lignin; (b): Optimized G-type lignin; (c): Optimized S-type lignin

三種木質(zhì)素單體分子前線軌道信息如表1所示,這些木質(zhì)素單體分子結(jié)構(gòu)在HOMO上,電子的占據(jù)數(shù)均為兩個,而LUMO無電子占據(jù)。 S型木質(zhì)素的能隙為4.608 eV,G型木質(zhì)素為4.754 eV,H型木質(zhì)素為4.874 eV。 從整體上看,三種木質(zhì)素單體結(jié)構(gòu)的能隙差都達到了4.5 eV以上,表明其本身化學(xué)的穩(wěn)定性均良好; 由于甲氧基的存在,G型木質(zhì)素和S型木質(zhì)素的分子的能隙相比于H型木質(zhì)素順次減小。

表1 三種木質(zhì)素單體分子前線軌道信息Table 1 Molecular frontier orbital information of three lignin units

從軌道電子空間分布情況看,三種木質(zhì)素單體的電子云差異不大,在HOMO的電子云主要分布在苯環(huán)與側(cè)鏈結(jié)構(gòu)連接處的碳原子上、 側(cè)鏈上的碳碳雙鍵部位、 苯環(huán)與羥基、 甲氧基連接處的碳原子上以及在羥基與甲氧基的氧原子部位,并且在側(cè)鏈結(jié)構(gòu)的連接處碳原子上及兩側(cè)、 碳碳雙鍵和側(cè)鏈的對位位置電子云濃度高。 HOMO的電子云主要就是由這部分的原子貢獻的,表明這些原子化學(xué)活性較強,當發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時,該部位的原子容易向外游離電子[19],形成反應(yīng)位點。 在側(cè)鏈上的末端處位置以及甲氧基末端的甲基(—CH3)處的原子對HOMO的貢獻很小,基本無電子云,這些部位的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好,基本不參與化學(xué)反應(yīng)。 從LUMO上進行對比,同樣三種木質(zhì)素的電子云差異也不大,并且其電子云主要集中在側(cè)鏈與苯環(huán)相連的兩個碳原子、 苯環(huán)未被替代的兩個碳原子以及羥基的碳原子上,表明這些原子對LUMO的貢獻占主要地位,其親和電子的能力強,在反應(yīng)過程中容易吸收游離的電子。 在側(cè)鏈的末端以及甲氧基的甲基上基本無電子云,這部分的位置對LUMO的貢獻幾乎為零,對電子的親和能力較弱,在化學(xué)反應(yīng)過程中,該部分位置基本不吸收其他電子。

這三種木質(zhì)素單體的HOMO-LUMO的電子云分布的結(jié)果與大分子木質(zhì)素的主要連接方式相符合。 如占據(jù)連接比例50%以上的β-O-4芳醚鍵,其就是單體木質(zhì)素的碳碳雙鍵斷裂與苯環(huán)側(cè)鏈的羥基脫氫相連。 包括苯丙烷側(cè)鏈的其他連接方式α-O-4、 γ-O-4等,都表明仿真優(yōu)化的單體電子云分布符合實際情況。

2 木質(zhì)素單體拉曼光譜

利用木質(zhì)素單體的分子振動模式計算得到拉曼光譜如圖3所示,其中橫坐標為波數(shù),縱坐標為拉曼信號強度。 從中可以得出H、 G、 S型木質(zhì)素單體分別在1 328、 1 656、 1 712,1 352、 1 648、 1 720,1 360、 1 632、 1 720 cm-1等位置有明顯的拉曼特征峰,且特征峰強度也較強。 這三種木質(zhì)素單體拉曼特征峰的分布范圍大體相同,原因是他們的分子結(jié)構(gòu)除了甲氧基數(shù)量以外整體結(jié)構(gòu)基本相同,振動歸屬主要為碳氫鍵搖擺振動、 芳香環(huán)骨架伸縮振動、 碳碳雙鍵伸縮振動等。 如圖2中所示,碳氫鍵搖擺振動主要由碳碳雙鍵旁的H2和H4貢獻,芳香環(huán)骨架伸縮振動由苯環(huán)上碳原子之間連接鍵伸縮及苯環(huán)末端羥基連接鍵搖擺貢獻,碳碳雙鍵伸縮振動由圖中C1和C3連接雙鍵伸縮及C1和C3旁氫鍵角搖擺變化貢獻。 S型和G型木質(zhì)素單體在1 448和1 544 cm-1處有特征峰而H型木質(zhì)素單體沒有這個特征峰,原因是該特征峰為甲氧基的的彎曲振動導(dǎo)致; H型木質(zhì)素分子的苯環(huán)沒有甲氧基,故沒有該處的特征峰。 從光譜圖中還可以看出在1 248 cm-1處H型木質(zhì)素特征峰強度顯著高于S型和G型木質(zhì)素,該譜峰對應(yīng)芳香環(huán)骨架碳氫鍵搖擺振動。 因為S型和G型木質(zhì)素芳香環(huán)骨架兩邊具有甲氧基基團,苯環(huán)穩(wěn)定性相比H型木質(zhì)素更好,故在此1 248 cm-1對應(yīng)的碳氫鍵搖擺振動效果弱于H型木質(zhì)素。 因此,可以根據(jù)上述幾個特征峰將H型木質(zhì)素與S型和G型木質(zhì)素區(qū)分開來。 三種木質(zhì)素單元的特征峰振動歸屬如表2所示。

表2 木質(zhì)素單體特征峰振動歸屬Table 2 Vibration attribution of characteristic peaks of lignin units

圖3 木質(zhì)素單體拉曼光譜圖(a): H型木質(zhì)素單體; (b): G型木質(zhì)素單體; (c): S型木質(zhì)素單體Fig.3 Raman spectrum of lignin monomer(a): H-type lignin unit; (b): G-type lignin unit; (c): S-type lignin unit

3 木質(zhì)素β-O-4二聚體拉曼光譜

考慮到木質(zhì)素大分子的拉曼光譜不僅含有三種單體的特征信號,同時也應(yīng)該包括各單體兩兩結(jié)合時所形成的化學(xué)鍵對應(yīng)的拉曼譜峰以及該化學(xué)鍵成鍵后對原有拉曼特征譜峰的影響。 本文選取連接中占比最高的β-O-4芳醚鍵將上述三種木質(zhì)素單體兩兩結(jié)合形成二聚體結(jié)構(gòu),來反映該成鍵效應(yīng)的影響。

如圖4所示,將木質(zhì)素單體以β-O-4這種結(jié)合方式進行組合,并進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和拉曼光譜計算,計算結(jié)果如圖5和圖6所示。 從圖5和圖6可以看出,同種或者異種木質(zhì)素單體聚合后的拉曼光譜特征峰也大體相同,在1 330、 1 642和1 714 cm-1附近都有明顯特征峰,且在1 642和1 714 cm-1處的特征峰強度最大,最為明顯。 該結(jié)果與單體的特征峰位置接近,說明β-O-4連接方式對這幾個振動模式的影響不大,故拉曼光譜在1 330、 1 630和1 714 cm-1這些位置的特征峰可以作為識別檢測物質(zhì)中存在木質(zhì)素大分子的有效判據(jù)。 其中S-S二聚體和G-G二聚體在這兩處特征峰的強度明顯高于H-H二聚體,由于1 642 cm-1附近處的特征峰振動是芳香環(huán)骨架的彎曲振動導(dǎo)致的,而芳香環(huán)骨架兩側(cè)的氧甲基數(shù)量對其特征峰的強度造成一定影響,所以S-S二聚體和G-G二聚體在1 642和1 714 cm-1這兩處的特征峰強度會大于H-H二聚體。

圖4 木質(zhì)素單體結(jié)合方式Fig.4 Mode of lignin unitsbinding

圖5 同種木質(zhì)素單體的二聚體拉曼光譜(a): H-H型二聚體; (b): G-G型二聚體; (c): S-S型二聚體Fig.5 Dimer Raman spectrum of two identical lignin units(a): Combination of H and H; (b): Combination of G and G; (c): Combination of S and S

圖6 異種木質(zhì)素單體的二聚體拉曼光譜(a): S-H型二聚體; (b): G-H型二聚體; (c): S-G型二聚體Fig.6 Dimer Raman spectrum of two different lignin units(a): Combination of S and H; (b): Combination of G and H; (c): Combination of S and G

對比圖6異種木質(zhì)素單體二聚體拉曼光譜,各二聚體在波數(shù)1 714 cm-1處都有最強的拉曼信號,振動歸屬為碳碳雙鍵伸縮振動,且該拉曼譜峰波數(shù)與單體光譜基本保持了一致。 對比圖5中第二強度特征峰波數(shù)位置,H-H二聚體、 G-G二聚體、 S-S二聚體其特征峰波數(shù)分別為1 656、 1 642和1 624 cm-1,特征峰隨著甲氧基團數(shù)量增加發(fā)生相應(yīng)的紅移,這與三種木質(zhì)素單體的特性保持一致。 而在圖6中,相應(yīng)的譜峰則產(chǎn)生了劈裂,并且劈裂的雙峰與其所含木質(zhì)素單體成分相對應(yīng)。 故對于木質(zhì)素大分子聚合體來說,β-O-4連接方式對碳碳雙鍵伸縮振動模式的影響不大,也不影響單體中甲基對芳香環(huán)骨架振動的能量調(diào)制效果,因此可以通過檢測這兩個特征峰來表征木質(zhì)素大分子,并且進一步的還可以根據(jù)1 642 cm-1譜峰的劈裂情況來判斷其中所含有的三種基本單體的相對豐度。

同時,在異種木質(zhì)素單體二聚體拉曼光譜中,G-H二聚體、 S-H二聚體、 S-G二聚體在1 327、 1 345和1 354 cm-1也有明顯特征峰的出現(xiàn)。 這三處特征峰的振動歸屬相同,都是甲氧基上碳氫鍵搖擺振動,但是與圖5和圖6中相應(yīng)譜峰的位置并不能完全對應(yīng),說明該振動模式受到β-O-4連接方式的影響較大,故僅可以將其作為木質(zhì)素大分子的一個輔助判據(jù),而不能通過該譜峰有效判斷各木質(zhì)素單體的成分比例。 在實際情況中,由于不同連接方式和不同單體配對方式的影響,該波數(shù)附近受到多個相近拉曼信號的疊加,很可能會在拉曼光譜上形成一個包絡(luò)結(jié)構(gòu)。

對比文獻[11-13,20]實驗中的有關(guān)木質(zhì)素拉曼光譜的數(shù)據(jù),本文仿真結(jié)果在譜峰位置上有少許誤差,但是振動歸屬都基本吻合,文獻中芳香環(huán)振動對應(yīng)的拉曼信號為1 610 cm-1附近,碳碳雙鍵的拉曼信號為1 660 cm-1附近,其中芳香環(huán)拉曼信號在不同樣品中特征峰信號雖然較強,但是譜峰最高點位置、 半高寬、 形狀等參數(shù)會隨樣品種類改變或測量植物部位改變出現(xiàn)略微變化,因為不同植物中不同木質(zhì)素單體的含量比例會發(fā)生變化,故產(chǎn)生這一現(xiàn)象與本文中結(jié)論吻合。 文獻中測量碳碳雙鍵信號時頻率較為穩(wěn)定,不會隨著樣品變化或測量部位轉(zhuǎn)移而發(fā)生大的改變。 本仿真方法通過分析拉曼信號的振動特性,能夠有效解釋實驗測量信號的變化規(guī)律和物理機制,證明了本方法的有效性,并且為木質(zhì)素的拉曼光譜鑒別提供了理論指導(dǎo),可以對不同植物的木質(zhì)素拉曼光譜分析提供一定參考。

4 結(jié) 論

通過對三種木質(zhì)素單體的第一性原理仿真計算得到了G、 S、 H型木質(zhì)素單體的基本構(gòu)型、 軌道能級和電子空間分布,并根據(jù)分子振動模式特征計算了各單體的拉曼光譜。 本文對比了三種單體的拉曼特征譜峰及其振動歸屬,說明了其主要特征峰的異同,并根據(jù)分子結(jié)構(gòu)特征和振動能量的差異給出了解釋。 最后本文以β-O-4連接方式計算了同種和異種單體組合得到的二聚體拉曼光譜,并結(jié)合參考文獻的實驗測量結(jié)果,對木質(zhì)素大分子的拉曼特征信號的成因進行了理論分析,并給出了光譜分析的信號判據(jù)。

在木質(zhì)素單體和二聚體的拉曼光譜信號中,信號強度最好的兩個特征峰位置分別是1 712和1 642 cm-1,1 712 cm-1振動歸屬碳碳雙鍵伸縮振動,β-O-4連接方式對該譜峰無顯著影響,因此該振動歸屬引起的譜峰可以作為木質(zhì)素大分子存在的一個主要判據(jù)。 1 642 cm-1附近對應(yīng)的振動模式為芳香環(huán)骨架的彎曲振動。 該譜峰的頻率漂移可以反映甲基對芳香環(huán)振動能量的調(diào)制效果,并且β-O-4連接方式對該特征峰的影響不大,因此根據(jù)1 642 cm-1附近特征峰的劈裂情況可以有效反映木質(zhì)素大分子中三種單體的相對含量。 最后,位于1 352 cm-1附近的特征峰主要由碳氫鍵的搖擺振動產(chǎn)生,并且會受到單體種類和聚合連接方式的共同影響,因此在木質(zhì)素大分子中往往以信號包絡(luò)的形式存在,引起這三處特征峰的的振動歸屬在對比文獻中都能對應(yīng),故可以作為木質(zhì)素大分子的一個輔助判據(jù)。

上述研究成果是對大分子拉曼光譜仿真分析方法的一種有益探索,也可以為不同植物的木質(zhì)素拉曼光譜分析提供一定參考。