周彩華, 丁 曉

咸陽師范學院化學與化工學院，陜西 咸陽 712000

引 言

近年來，應用于光動力療法(photodynamic therapy, PDT)的光敏劑性能研究，引起了人們高度的重視，作為第三代光敏劑，大多數(shù)以卟啉類衍生物為主。目前大部分卟啉類光敏劑被廣泛應用于老年性黃斑變性的輔助治療[1-2]。研究表明羥基取代會導致三重激發(fā)態(tài)轉(zhuǎn)移能量給基態(tài)氧引發(fā)單線態(tài)氧的產(chǎn)率較低，主要以氧自由基存在，導致治療效果不明顯，需要反復治療[3-4]；同時，以光克洛為主的臨床光敏藥物的吸收光范圍都在于紫外區(qū)域，治療時需要向患者照射紫外光，由于紫外光對機體組織損傷較大，造成額外的光損傷。因此改善卟啉類光敏劑吸收光的范圍以及獲得高產(chǎn)率單線態(tài)氧以改善光動力治療的效果和性能迫在眉睫[5]。

由于卟啉具有平面型共軛結(jié)構(gòu)，并且研究已經(jīng)表明平面構(gòu)型分子的剛性較大，當分子被激發(fā)后，激發(fā)態(tài)之間的系間竄越較小，導致三重激發(fā)態(tài)有足夠的壽命將能量傳遞給周圍的基態(tài)氧原子，從而產(chǎn)生單線態(tài)氧。因此在開發(fā)新型光敏劑的過程中，人們特別關(guān)注分子的平面構(gòu)型和共軛π鍵的大小。耳墜型卟啉分子正是一類具有中央腔和外圍三吡咯烯環(huán)，并具有拓展型π鍵的共軛分子。此類分子擁有62個原子的平面結(jié)構(gòu)而且分子能夠穩(wěn)定存在，分子一邊“順耳”模腔有類似于吡咯共軛結(jié)構(gòu)的特性，同時“耳朵”和“面子”之間的最短距離插入金屬可有效延長電子共軛性并具有電子激發(fā)卟啉環(huán)的活性。因此，在非線性光學材料如傳感器、人工模擬捕光天線模型方面有著潛在的研究價值，特別是其較長的三重激發(fā)態(tài)壽命可以做為光敏材料，在醫(yī)療救治等領(lǐng)域具有應用前景[6]。2016年我國學者報道了一類具有單耳構(gòu)型的耳墜型卟啉分子不僅具有穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)結(jié)構(gòu)還具有強的近紅外吸收光譜可作為潛在光敏劑對腫瘤細胞進行識別[7]。與此同時酞菁分子作為光敏劑的優(yōu)勢也得到了空前的研究，為了增加酞菁分子的溶解性，許多研究將酞菁分子用磺酸基進行修飾，也有研究為了拓展更大的共軛鍵對酞菁進行金屬配位。為了對比這幾類平面分子在吸收光譜和誘導單線態(tài)氧方面各自的優(yōu)勢和不足，本工作利用密度泛函理論計算模擬這類耳墜型卟啉(a)和另外兩類卟啉衍生物(磺酸基酞菁(b)和磺酸基酞菁合Ni(c)的微觀屬性及光譜性質(zhì)，比較三類卟啉衍生物的前線分子軌道布局，電荷分布以及激發(fā)能的性質(zhì)，揭示三類卟啉衍生物各自具有光敏特性的本質(zhì)因素。本文從微觀視角解釋了單耳卟啉分子(a)獨特的空腔結(jié)構(gòu)與優(yōu)良的光譜特征使其具有潛在的應用價值的相互關(guān)系，研究結(jié)果可以為新型光敏劑的開發(fā)提供研究思路。

1 計算方法

采用密度泛函理(DFT/B3LYP)方法，在6-311G(d, p)基組水平對三類卟啉衍生物的幾何結(jié)構(gòu)進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并同時進行了頻率計算，均無虛頻出現(xiàn)，表明所得結(jié)構(gòu)均是勢能面上能量最小的穩(wěn)定點。在相同基組水平下，在基態(tài)幾何結(jié)構(gòu)的基礎上利用TD-DFT/B3LYP/6-311G(d, p)方法對三種卟啉分子的激發(fā)態(tài)能和吸收光譜進行了計算和模擬。以上所有計算均運用Gaussian 09程序完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 卟啉類衍生物分子基態(tài)幾何與電子結(jié)構(gòu)計算

對3種平面型卟啉類衍生物分子構(gòu)型進行了最優(yōu)化計算，3種卟啉衍生物分子的穩(wěn)定構(gòu)型見圖1(a—c)。

圖1 單耳卟啉(a)，三磺酸基取代卟啉(b)，三磺酸基取代卟啉合Ni(Ⅱ)(c)的結(jié)構(gòu)圖

優(yōu)化結(jié)果顯示在單耳卟啉(a)與三磺酸酞菁(b)的最穩(wěn)定構(gòu)型中，共軛芳環(huán)都處在同一平面上，但是在三磺酸酞菁合Ni(Ⅱ)中，共軛芳香環(huán)與平面發(fā)生了偏離，金屬Ni(Ⅱ)的變形四面體配位模式導致了分子平面發(fā)生了扭曲。對分子的最大直徑進行了計算，酞菁類分子的直徑達到8 ?, 耳墜型卟啉達到了7 ?, 然而耳墜型卟啉(a)的空穴直徑達到5 ?，空穴遠遠大于分子(b)和(c)，可以判斷耳墜型卟啉(a)捕獲氧氣的能力強于分子(b)和(c)。表1中列出了基本單元卟啉環(huán)在三種衍生物中的鍵長與鍵角。從表1列出的三組卟啉環(huán)的數(shù)據(jù)可知，組成的卟啉大環(huán)的五元吡咯環(huán)中C—C和C—N鍵的鍵長各自都非常接近，C—C鍵長在1.40～1.41 ?，C—N鍵的鍵長在1.38～1.39 ?之間，單耳卟啉衍生物(a)和三磺酸酞菁(b)的吡咯環(huán)中的四個∠CNC鍵角平均值為124.39°，表明這兩種衍生物對卟啉環(huán)的平面性質(zhì)沒有影響。然而在金屬Ni配位的三磺酸酞菁合Ni(Ⅱ)中，四個∠CNC鍵角值變化較大，最小鍵角110°，最大鍵角129°，表明金屬對卟啉環(huán)的共面性質(zhì)有較大影響。特別是在單耳卟啉分子(a)中，連接“耳”-吡咯環(huán)與臉-吡咯環(huán)的兩個C—C鍵的距離分別為1.444和1.442 3 ?, “耳”-吡咯環(huán)與“臉”-卟啉環(huán)之間的二面角∠N1N3N13N15為174.89°，接近180°。說明單耳墜型卟啉的單耳可以與原卟啉大環(huán)可以共面存在，形成穩(wěn)定的共軛大π體系，與大多數(shù)文獻報道類似[8]。然而對于分子(c)二面角∠N1N3N13N15達到了120°，表明金屬Ni配位后嚴重影響了原卟啉環(huán)的平面結(jié)構(gòu)。而對于光敏劑藥物分子的平面性質(zhì)直接影響系間竄越的效率，不利于三重態(tài)能量的有效轉(zhuǎn)移。

表1 三種分子中卟啉環(huán)的部分鍵長和鍵角

2.2 卟啉類衍生物分子吸收光譜模擬

一般卟啉類化合物的紫外吸收光譜能帶有兩種，分別是Soret帶和Q帶。造成這兩種差異的原因是在四軌道理論中這兩種能帶在紫外可見光范圍的吸收強度不同，很強吸收波段稱為Soret帶，是由激發(fā)離域大π鍵所致，強度很高，摩爾吸光系數(shù)均在105量級，但相差不大; 另一個波段由四個波段組成的可見區(qū)域，稱為Q帶，由第一激發(fā)態(tài)躍遷引起，強度相對較弱。本工作對單耳卟啉和兩種三磺酸取代酞菁的吸收光譜進行了計算，表2列出了三種衍生物分子最小的以及最強的激發(fā)能和吸收強度的數(shù)據(jù)。

表2 單耳卟啉(a)及三亞硫酸取代卟啉(b)和(c)的最小和最強激發(fā)能數(shù)據(jù)

從表2中可看出本文研究的三類分子與所有卟啉類化合物具有相同的特征，最小的激發(fā)能對應最長的吸收波段，然而吸收強度較弱。其中三磺酸基取代酞菁的第一激發(fā)能最大1.893 9 eV，單耳卟啉衍生物(a)的第一激發(fā)能最小1.621 8 eV。從三種分子激發(fā)能的軌道貢獻分析，發(fā)現(xiàn)三磺酸基取代酞菁及其Ni配合物的電子第一激發(fā)中96%以上來自于從最高占據(jù)軌道(HOMO)向最低占據(jù)軌道(LUMO)躍遷。然而對于耳墜型卟啉(a), HOMO到LUMO的躍遷只有88%，還有小部分來自于HUMO向LUMO+1躍遷，可見耳墜型卟啉軌道的離域效應更好?；诩ぐl(fā)能數(shù)據(jù)，模擬了三種分子的吸收光譜曲線，曲線如圖2所示。從吸收光譜圖中可以看出，三種分子的吸收光譜滿足卟啉類分子的吸收的特征，都含有Soret帶和Q帶。單耳墜型卟啉分子(a)中吸收波長可達到λmax=939.14 nm，最強吸收峰的λ=393.85 nm，fmax=1.019 3，與此類單耳卟啉的實驗數(shù)據(jù)Soret帶431 nm接近[8]，最大吸收波長沒有達到1 000以上是因為計算沒有考慮溶劑化效應。與此同時，發(fā)現(xiàn)單耳卟啉Q帶的吸收峰變寬，分析認為卟啉環(huán)與三吡咯烯之間存在強烈的電子耦合作用。說明耳墜型卟啉分子的內(nèi)部存在著兩種不同躍遷偶極矩。不同的吸收波段反映了分子中的電子從占據(jù)軌道向空軌道躍遷的能力不同，躍遷強度越大，躍遷的能力就越強。耳墜型卟啉分子中每種類型的電子躍遷所占比例都相差不大，因此耳墜型卟啉分子的結(jié)構(gòu)對稱性高，分子構(gòu)型穩(wěn)定。三磺酸基取代酞菁的分子吸收光譜類似于酞菁分子的吸收光譜[9]，三磺酸基團給電子能力沒有明顯影響吸收峰的波長，但是在它的Soret帶上可以看到吸收峰的分裂，最大吸收波長657 nm。對于含有中心金屬的分子(c), 由于過渡金屬d電子參與激發(fā)，吸收光譜Q帶明顯紅移，在600 nm附近有強的吸收峰，分析認為金屬Ni的d電子參與成鍵，形成了更多分子軌道。最長的吸收波段達到了近紅外712 nm，非常接近實驗測定的693 nm的數(shù)據(jù)[10]。

圖2 單耳卟啉(a)及三磺酸基取代酞菁(b)和(c)的吸收光譜圖

2.3 軌道能量與軌道布局分析

為了研究單耳卟啉吸收波段明顯紅移的原因，對三種分子的前線軌道能量及其軌道布局進行了計算和比較，如圖3所示，分析決定分子性質(zhì)的最高占據(jù)軌道(HOMO)和最低空軌道(LUMO)的軌道輪廓圖發(fā)現(xiàn)，與取代酞菁(b)及其酞菁金屬配合物(c)對比，單耳卟啉的每個碳原子都參與了離域鍵的形成，整個分子形成了一個的大π鍵。離域鍵的一個重要特點是將原本簡并的定域軌道進行了組合得到了相同數(shù)量能級差小的非簡并軌道，因此電子躍遷時需要較低的能量，甚至只需要吸收近紅外能量也可以將電子激發(fā)。從能量數(shù)值進行比較發(fā)現(xiàn)，單耳卟啉分子(a)的最高占據(jù)軌道能HOMO的能量是0.186 16 a.u.，最低空軌道LUMO的能量是0.113 86 a.u.，因此前線軌道的能級差(EHOMO-ELUMO)為0.072 a.u.。對于三磺酸基酞菁衍生物(b)和(c), HOMO軌道的組成只有部分原子參與，磺酸根和金屬對前線分子軌道都沒有貢獻，因此π電子的離域范圍小于單耳卟啉(a)。各能級間隔分別是0.076和0.075 a.u.。由于能級間隔(EHOMO-ELUMO)變大，因此當(b)和(c)分子被激發(fā)，電子由HOMO向LUMO躍遷需要吸收波長小于單耳卟啉分子的光。反映在紫外光譜中，在研究的三個分子中單耳卟啉(a)具最大吸收波段。

圖3 單耳卟啉(a)及三磺酸基(b)和(c)的分子軌道布局圖

3 結(jié) 論

對單耳卟啉分子(a)以及兩個三磺酸基酞菁(b)及酞菁合Ni(Ⅱ)(c)的幾何結(jié)構(gòu)，軌道布局以及激發(fā)能進行了密度泛函計算。結(jié)果如下：

(1)幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果顯示，在三個卟啉類衍生物中，對于分子(a)和(b), 卟啉大環(huán)的平面結(jié)構(gòu)特征不受取代基團的影響，依然保持共面共軛的特征, 滿足光敏劑分子需要的激發(fā)態(tài)能量高效轉(zhuǎn)移。對于金屬Ni參與配位的分子(c), 配位鍵需要的構(gòu)型扭曲了分子的平面特征，不利于激發(fā)態(tài)能量轉(zhuǎn)移。

(2)通過計算獲得的50個激發(fā)能數(shù)據(jù), 模擬了三個分子吸收光譜，吸收光譜圖顯示三種卟啉衍生物都具有卟啉分子特有的Soret帶和Q帶；三種分子的最大吸收波段都達到了近紅外區(qū)域。其中單耳卟啉(a)的最強吸收帶在549 nm, 最大的吸收波長達到了近紅外939 nm。分子(b)和分子(c)的最大吸收波段分別是657和712 nm，計算算數(shù)據(jù)符合實驗數(shù)據(jù)。

(3)從卟啉衍生物的軌道布局可以看出，單耳卟啉(a)的前線軌道中所有原子都參與了分子軌道組成，導致HOMO與LUMO能級間隔更小，而三磺酸基取代的衍生物(b)和(c)中，LUMO軌道中部分取代基團沒有貢獻，即當電子被激發(fā)后共軛效應降低。

本研究針對三類平面型分子的吸收光譜特征進行研究，研究將單耳卟啉(a)與傳統(tǒng)酞菁分子的幾何結(jié)構(gòu)，吸收光譜和分子軌道能量進行對比，計算數(shù)據(jù)揭示了具有大空腔平面卟啉分子的潛在光譜特性, 研究結(jié)果為合成結(jié)構(gòu)和光譜性質(zhì)更加優(yōu)良的新型光敏劑提供理論依據(jù)。