一氧化碳催化合成S-甲基硫代甲酸酯的铜纳米催化剂性能评估：结构与机理新见解

本研究针对S-甲基硫代甲酸酯(MTF)的高效合成难题，通过密度泛函理论(DFT)系统研究了Cu20O20纳米催化剂催化CO与CH3SH反应的三种路径。研究发现1:1反应比例路径(Path A)能垒最低(15–20 kcal·mol?1)、电荷转移最优(0.26 |e|)，且cis构型更稳定。该研究为含硫药物催化合成提供了重要理论依据。

　　

在医药化学领域，S-甲基硫代甲酸酯(MTF)正展现出越来越重要的应用价值。这种含硫化合物不仅本身具有抗菌特性，更是合成抗癌药物和糖尿病治疗药物的关键前体。特别是其衍生物硫代糖类，与传统氧代糖相比具有更高的稳定性，在靶向治疗癌症方面显示出独特优势——能够精准作用于异常癌细胞而减少对正常组织的损伤。然而，目前MTF的合成主要依赖微生物法，化学合成方法研究相对薄弱，特别是如何高效催化一氧化碳与硫醇反应形成C-S键的机制尚不明确。

面对这一挑战，Fatemeh Fallah Eri Sofla、Leila Mahdavian和Azam Marjani三位研究者在《Results in Chemistry》发表了创新性研究。他们采用计算化学方法，深入探索了铜氧化物纳米催化剂(CuO-NC)在催化一氧化碳与甲硫醇反应合成MTF过程中的表现，从原子层面揭示了反应机理和构象稳定性，为优化含硫药物合成工艺提供了重要理论指导。

研究人员主要运用了密度泛函理论(DFT)计算，采用Dmol3程序包和Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE)方法进行几何优化，同时使用LC-ωPBE/6-311++G**方法处理长程交换关联效应。通过自然键轨道(NBO)分析评估电子结构特性，并采用弹性能带(NEB)方法确定反应过渡态和能垒。

研究结果部分通过多个维度展开了深入分析：

引言部分系统阐述了MTF的医药价值和应用前景，指出其在硫代糖合成、酶活性调控和抗病毒方面的潜力，同时强调了铜氧化物纳米催化剂在催化碳化反应中的独特优势。

计算方法部分详细说明了理论计算框架，包括基组选择(PBE/DNP)、泛函适用性(LC-ωPBE、B3LYP、MP2)和吸附能计算公式(E_ad = E_cop - (E_CuO-NC + E_y + E_x))。

结果与讨论部分呈现了丰富的研究发现：Cu₂₀O₂₀纳米催化剂表现出良好的热稳定性(E_total = -202.64 kcal·mol^?1)和适中的偶极矩(6.13 D)。三种反应路径中，Path A (CO + CH₃SH → CH₃SCOH)能垒最低(15–20 kcal·mol^?1)，电荷转移最显著(0.26 |e|)，明显优于Path B(25–30 kcal·mol^?1)和Path C(22–28 kcal·mol^?1)。Hirschfeld分析显示CO和CH₃SH向催化剂表面的电荷转移为0.26 eV，表明存在显著的杂交作用。反应遵循五步机理：反应物靠近、扩散至活性位点、吸附形成中间体、反应发生和产物脱附。

对S-甲基硫代甲酸酯构象研究表明，cis构型比trans构型更稳定，这一结论得到多种理论方法(LC-ωPBE、B3LYP、MP2)的一致验证。NBO分析揭示LP(2) S3 → π* O1-C2在cis构型中的能量稳定作用(53.38 kcal·mol^?1)，解释了其稳定性来源。键长参数显示cis构型中C=O键更短(1.19 ?)，而C-S键保持适中长度(1.76 ?)，优化了空间相互作用。

结论部分总结指出，Path A在热力学和动力学上最为有利，cis-MTF构型具有最优稳定性。这些发现不仅推进了对含硫化合物催化合成机制的理解，更为开发抗癌和抗糖尿病前体药物提供了重要设计策略。

这项研究的科学价值在于首次系统比较了不同反应比例路径在铜纳米催化剂上的效率差异，明确了1:1反应比例的最优性。通过理论计算与电子结构分析的结合，揭示了cis-MTF构型的稳定性机制，为后续实验研究和工业应用提供了可靠的理论预测。特别是在医药化学领域，这项研究为设计更高效、更绿色的含硫药物合成路线指明了方向，有望推动相关药物的开发进程。