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Mg_2_配位作用对磺胺嘧啶结构及吸收光谱影响的计算模拟及验证_赵家兴VIP免费

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第30卷第12期2011年12月环境化学ENVIRONMENTALCHEMISTRYVol.30,No.12December20112011年4月20日收稿.*国家自然科学基金(20890113,20977014)和中央高校基本科研业务费专项资金资助.**通讯联系人,Tel:0411-84706269;E-mail:jwchen@dlut.edu.cnMg2+配位作用对磺胺嘧啶结构及吸收光谱影响的计算模拟及验证*赵家兴陈景文**张思玉尉小旋(工业生态与环境工程教育部重点实验室,大连理工大学环境学院,大连,116024)摘要以磺胺嘧啶为模型化合物,基于量子化学密度泛函理论(DFT),通过结构优化及相互作用能的计算,预测Mg2+与磺胺嘧啶形成1∶1配合物的结构.结果表明,Mg2+和磺酰胺基的N和O原子配位,同时结合一个水分子;配合物磺酰胺基的键长、键角和二面角发生明显变化.基于含时密度泛函理论(TD-DFT)方法,计算磺胺嘧啶及其配合物的吸光性质.结果表明,Mg2+的配位作用影响前线分子轨道分布和能级,体系吸收光谱发生红移,增强了磺胺嘧啶的吸光能力,实验验证与计算结果基本一致.关键词配位作用,Mg2+,磺胺嘧啶,量子化学,吸光性质抗生素在临床和养殖业大量使用[1-4],且不断排放到水环境中,呈现“假持久性”[5].抗生素能诱发耐药菌群的产生,导致生态失衡等问题[6-8],其环境行为和毒理效应引起了广泛关注.光化学转化是抗生素在表层水体中的主要消减方式[9-11].有研究表明,金属离子(Mn+)可以影响一些抗生素的光化学行为.例如,Werner等人[12]发现Ca2+和Mg2+可以使四环素的光解速率常数提高一个数量级;Vione等人[13]发现Fe3+可以使甲红霉素和罗红霉素的光解速率加快.Mn+影响抗生素光解速率的一个重要机制是:Mn+与抗生素形成配合物,配合物与抗生素分子具有不同的吸光特性和光化学活性.例如,Schmitt[14]等人发现Ca2+和Mg2+的加入使四环素的最大吸收波长红移,吸光度增加.大多数抗生素含有O、N、S等杂原子,易与金属离子发生配位作用[12-13,15].一些抗生素分子还含有多个配位原子和电离基团(如—COOH,—NH2),在天然水pH范围内,Mn+可与抗生素分子形成多种结构(形态)的配合物,为结构鉴定带来困难.另外,由于抗生素和金属离子种类繁多,仅通过实验方法研究配位对其结构和吸光性质的影响,难以满足化学品风险管理和污染预防的需要.因此有必要发展计算模拟方法,从分子水平揭示配位作用对抗生素结构和吸光性质的影响.磺胺嘧啶(SDZ)是一种广泛使用的磺胺类抗生素,近年来在海水和淡水中均有检出[16],结构如图1所示.天然水pH条件下,SDZ分子中的磺酰胺基基团发生电离,生成一价阴离子(SDZ-),易与金属离子发生配位作用[17],以配合物形态存在.Boreen[18]等人和Spiteller[19]等人的研究表明,SDZ可以发生光化学转化.他们研究了水中溶解性有机质(DOM)和活性氧物种(1O2、·OH)对SDZ光化学行为的影响.但是,金属离子对SDZ光化学行为的影响至今还不清楚.本研究选取SDZ作为模型化合物,通过量子化学计算,研究Mg2+配位作用对其结构和吸光性质的影响,以进一步预测金属离子配位作用对SDZ光化学行为的影响.研究基于密度泛函理论(DFT),模拟了Mg2+与SDZ-形成1∶1配合物时的配位点、配合物结构、光吸收性质等,计算过程中考虑了水分子对配合物结构和性质的影响.1计算和实验方法1.1计算方法基于SDZ-分子结构特征分析及初步DFT计算结果,推测SDZ-分子结构中包含7个可能的配位点1976环境化学30卷(图1),分别是:I(N9)、Ⅱ(N9-N3)、Ⅲ(N3)、Ⅳ(N3-O17)、Ⅴ(O17)、Ⅵ(O17-O1)、Ⅶ(O1),与Mg2+进行1∶1配位时,可以形成7种配合物[Mg(SDZ)]结构.由于空间位阻的影响,Mg2+很难靠近N5并与之配位;磺胺嘧啶阴离子表面静电势计算结果表明(图2),N14附近具有较正静电势,由于Mg2+带有正电荷,因此不能与之发生配位反应.由于Mg2+在水中以六水合离子[Mg(H2O)6]2+形式存在,因此,当配位水个数不同时,每种[Mg(SDZ)]可以形成6种不同的水合配合物[Mg(SDZ)(H2O)n]+(n=0—5)(反应1).采用DFT[20,21]方法,在B3LYP/6-311+G(d,p)水平上对所有可能形成的配合物进行结构优化和频率分析,确保体系无虚频.对于相同配位水数目、不同配位点的配...

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