湖南师范大学荣春英/刘述斌课题组研究论文：精确预测不同胺类分子的碱性

第一作者：肖雪珠

通讯作者：荣春英，刘述斌

通讯单位：湖南师范大学

引用信息

肖雪珠, 曹小芳, 赵东波, 荣春英, 刘述斌. 运用概念密度泛函理论和信息论方法定量描述胺类分子的分子碱度. 物理化学学报, 2020, 36 (11), 1906034.

doi: 10.3866/PKU.WHXB201906034

Xuezhu Xiao, Xiaofang Cao, Dongbo Zhao, Chunying Rong, Shubin Liu. Quantification of Molecular Basicity for Amines: a Combined Conceptual Density Functional Theory and Information-Theoretic Approach Study. Acta Phys.-Chim. Sin. 2020, 36 (11), 1906034.

doi: 10.3866/PKU.WHXB201906034

主要亮点

结合概念密度泛函理论（CDFT）和信息论方法（ITA）同时精确地预测伯胺、仲胺、叔胺三类分子的碱性。

研究背景：意义、现状

分子酸碱性是最基本的化学概念，在化学，药物和生物等领域运用广泛。然而如何精确地预测分子的酸碱度仍然是一个尚未解决的难题。不久前，作者从CDFT（conceptual density functional theory）的角度出发提出用分子静电势和自然价原子轨道作为描述符预测分子酸碱性并得到了较好的结果。随后，作者为此又提出运用ITA (information-theoretic approach)中的香农熵、费舍尔信息、信息增益等物理量并用于预测苯甲酸等系列分子的酸性。然而对于不同胺类体系其碱度预测并不理想，本文将上述两个方法相结合，以伯胺、仲胺和叔胺三类胺类体系共179个分子为例，取得了令人满意的结果，系统地检验了CDFT和ITA的适用性和有效性。

核心内容

从CDFT出发可以证明，第一级近似下离去质子的静电势是酸碱性的可靠标度，而且由于静电势（MEP）主要是价原子轨道的电子密度贡献产生，价原子轨道（NAO）与MEP具有相同的效应。在文献中，对多个体系的验证结果表明，pK_a值与离去质子及酸碱原子的MEP/NAO均密切相关。运用于胺类体系，本文得到了类似结论。伯胺、仲胺、叔胺体系的pK_a值与碱性活性原子N原子的MEP和NAO之间存在较强的线性相关性，但对不同胺类体系其相关性存在系统性偏差。

ITA运用只与电子密度相关的物理量描述和预测分子性质，是近年来发展的一种化学反应活性理论新方法。除了在立体效应和亲电亲核效应中的应用，作者也成功运用ITA预测单取代和双取代苯甲酸等分子的pK_a值。本文作者发现，对于每一类胺类分子，ITA量与胺类体系的实验pK_a值之间存在较好的线性关系。但是，同样地，相关性只适应于同一类型分子，不同类型之间存在强烈系统偏差。

但是，如果将CDFT与ITA两种方法相结合，所有179个不同类型胺分子可以用一条相同线性关系来拟合，而且相关系数大于0.95（如图1所示）。这个结果表明，CDFT与ITA之间存在较强的互补关系，将两种方法相结合大大增加了酸碱性预测的普适性和可靠性。

图1  CDFT和ITA两种方法相结合的模型与179个不同胺类分子实验pK_a值的比较

结论与展望

本文以伯胺、仲胺和叔胺三种胺类体系共179个分子为例，将概念密度泛函理论和信息论方法相结合提出了预测分子酸碱性普适性较高的计算方法。分子静电势或者等价的自然价原子轨道能量，以及信息理论中香农熵、费舍尔信息、Ghosh-Berkowitz-Parr熵、信息增益、Onicescu信息能量、相对Rényi熵等信息量，它们均能与三类胺分子的实验pK_a值分别呈现较好的相关性。而且，将CDFT和ITA量相结合能够得到更准确和更普适的预测模型。其原因在于这些描述符均为电子密度泛函，而根据密度泛函理论的基本原理，它们包含有足够的信息描述包括分子酸碱性在内的所有基态性质。我们的结果显示，该方法同样适用于其他体系。本文为有效预测分子酸碱性提供了一个新的有效的途径。

☎作者介绍

 刘 述 斌 

1965年生，美国北卡罗来纳大学教堂山校区资深研究员，湖南师范大学潇湘学者讲座教授，博导，1996年于美国北卡罗来纳大学获得博士学位。主要从事密度泛函理论和密度泛函活性理论发展及在生命科学和纳米材料中的应用研究。

 荣春英 

1983年生，湖南师范大学副教授，硕士生导师。2016年于湖南师范大学获得博士学位。主要从事密度泛函活性理论发展，材料理论计算的相关研究工作。

相关拓展

原文链接（点击左下角“阅读原文”即可访问）：

http://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.WHXB201906034