天然和功能化α-、β-和γ-环糊精与PFAS的包合络合：一项实验和分子模拟研究

《The Journal of Physical Chemistry B》：Inclusion Complexation of Native and Functionalized α-, β-, and γ-Cyclodextrins with PFAS: An Experimental and Molecular Simulation Study

　　

基于β-环糊精（β-CD）的聚合物已显示出从饮用水中去除全氟和多氟烷基物质（PFAS）的高吸附能力。这些材料对PFAS的捕获涉及多种物理和化学过程，例如吸附和包合络合。然而，量化环糊精（CD）与PFAS之间的主客体结合仍然至关重要，因为它控制着主要的包合步骤。在本研究中，研究人员使用等温滴定量热法（ITC）和结合附着-拉拽-释放（APR）方法的分子动力学（MD）模拟，研究了水中天然和连接基修饰的CD-PFAS包合络合物。研究人员计算了α-、β-和γ-CD与七种线性PFAS（包括全氟羧酸和全氟磺酸）的结合吉布斯自由能，并发现与实验测量值和先前报道的数据具有合理的一致性。隐式和显式溶剂计算之间的比较表明，隐式溶剂模型对某些天然单体络合物表现出的更好一致性可能源于误差抵消，而非更具可迁移性的物理描述，而显式溶剂则是捕获与溶剂相关的盐效应和连接基效应所必需的。总体而言，β-CD表现出最强的结合亲和力，而α-CD表现出可忽略的亲和力，γ-CD与PFAS的结合弱于β-CD。氢键、相互作用能分解和溶剂可及表面积分析表明，主客体氢键无法唯一预测亲和力，且疏水脱水在结合中起主导作用。研究人员进一步考察了背景离子浓度对β-CD-PFAS结合的影响，发现显式溶剂模拟捕捉到了明显的盐依赖性，其中Li/Merz离子参数比Joung–Cheatham模型更合理地描述了高盐度趋势。为了模拟聚合物中CD单元周围的局部微环境，研究人员还考察了三种含苯基的连接基修饰β-CD模型。Bind3P水模型正确再现了实验报道的随连接基数增加PFAS吸附增强的现象，而能量分解表明，连接基团通过增强局部疏水限制和特定的连接基-客体相互作用来强化PFAS结合。总体而言，这项结合实验与计算的研究为环糊精聚合物的构建单元提供了分子层面的见解，并为未来在不同水基质条件下对PFAS吸附的CD聚合物模型进行计算机构建奠定了基础。

**论文解读文章**

**研究背景**
全氟和多氟烷基物质（PFAS），因其高碳氟键（C-F）稳定性而被称为“永久化学品”，在环境中高度持久且难以生物降解。PFAS可通过皮肤接触、食物摄入等途径进入人体，可能引发生殖毒性、肾损伤、内分泌干扰等健康风险。因此，从水中去除PFAS至关重要。当前多种处理技术中，吸附法因操作简便、成本较低且吸附剂选择灵活而备受关注。传统吸附剂如活性炭（AC）虽广泛使用，但对短链PFAS的吸附亲和力较低。β-环糊精（β-CD）作为一种天然环状低聚糖，具有疏水空腔，可通过主客体包合作用选择性捕获PFAS，其聚合物材料在PFAS去除中展现出潜力。然而，CD-PFAS包合络合的热力学机制尚不系统，连接基修饰对结合的影响也缺乏分子层面的理解。为此，研究人员开展了这项结合实验与分子模拟的研究，旨在量化天然及功能化α-、β-、γ-CD与七种线性PFAS的结合热力学，并考察盐浓度和连接基修饰的影响。该研究发表在《The Journal of Physical Chemistry B》。

**研究方法**
研究人员主要采用等温滴定量热法（ITC）进行实验热力学表征，并结合分子动力学（MD）模拟，使用附着-拉拽-释放（APR）方法计算绝对结合自由能。模拟中，CD采用Q4MD-CD力场，PFAS采用广义琥珀力场（GAFF），溶剂模型包括隐式广义玻恩（GB）和显式Bind3P水模型。离子参数采用Joung–Cheatham（JC）和Li/Merz（LM）模型。通过氢键分析、相互作用能分解（Lennard-Jones和Coulombic分量）以及溶剂可及表面积（SASA）变化来解析结合机制。样本为七种PFAS（四种全氟羧酸PFBA、PFHxA、PFOA、PFNA和三种全氟磺酸PFBS、PFHxS、PFOS），以及天然α-、β-、γ-CD和含不同数量苯基连接基的β-CD衍生物。

**研究结果**

**β-CD与PFAS的主客体结合**
通过ITC实验和APR计算，研究人员发现β-CD与PFAS的结合自由能随碳链增长而增加，每增加一个CF₂单元贡献约1 kcal mol^-1，但PFOS后不再增加，表明空腔容纳已达上限。隐式和显式溶剂模型计算的整体均方根误差（RMSE）分别为3.2和3.3 kcal mol^-1，无显著差异；但针对特定体系，隐式溶剂模型的部分一致可能源于误差抵消。SASA变化与结合自由能呈强线性相关（R² = 0.986），表明疏水脱水主导结合。氢键分析显示，主客体氢键数目与亲和力无强相关，氢键重排伴随脱水过程。能量分解表明，在取向1（头基朝向初级羟基边缘）时，Coulombic贡献显著；取向2（头基朝向次级羟基边缘）时，Lennard-Jones（LJ）贡献主导。结合机制为几何驱动：初级边缘较窄，疏水尾朝向该侧更有利。

**α-和γ-CD与PFAS的主客体结合**
α-和γ-CD对PFAS的结合亲和力远弱于β-CD。α-CD结合可忽略，γ-CD结合强度不足β-CD的一半。以PFOA为例，α-CD虽形成更多氢键，但结合最弱，表明氢键并非决定性因素。β-CD空腔尺寸与PFAS匹配最佳，产生最有利的LJ相互作用。

**离子强度对主客体结合的影响**
模拟β-CD-PFOA体系在0–3 mol kg^-1 NaCl浓度下的结合，实验显示ΔG随盐浓度增加而增加（结合减弱），而模拟（无论离子力场或取向）均显示ΔG降低（结合增强）。Li/Merz参数集（特别是HFE版本）表现出更弱的浓度依赖性，可能更可靠。氢键分析显示，取向2中PFOA-水氢键数目随盐浓度增加而减少，Na⁺离子部分取代水分子。能量分解表明，Coulombic相互作用在离子存在下显著减弱。自由能剖面显示，取向2的能垒随盐浓度增加而升高，而取向1几乎不变。

**功能基团对β-CD主客体结合的影响**
考察含1、3、5个苯基连接基的β-CD衍生物与PFOA的结合。显式溶剂模型正确再现了随连接基数增加结合增强的趋势，与先前实验一致；隐式溶剂模型则预测相反趋势。氢键分析显示，连接基对氢键数目影响微弱，但可能延长氢键寿命。能量分解表明，在取向2中，连接基增强了CD-PFOA的直接LJ相互作用，并屏蔽了PFAS与水的接触。连接基位于PFAS头基指向一侧时，形成更强的Coulombic相互作用。

**讨论与结论**
研究人员总结认为，β-CD是天然CD中最有利于PFAS结合的宿主，空腔尺寸匹配和疏水脱水是主要驱动力，而氢键为次要因素。显式溶剂模型在描述盐效应和连接基效应方面更可靠，尽管隐式溶剂模型在高速筛选时更具效率。离子浓度影响结合，但机制复杂，需进一步研究。连接基修饰通过增强局部疏水限制和直接静电吸引来强化PFAS结合。该研究为CD基聚合物吸附剂的分子设计提供了热力学和机制见解，为未来在不同水基质条件下构建CD聚合物模型并模拟PFAS吸附奠定了基础。

**研究结论翻译**
在本工作中，研究人员结合ITC和基于力场的MD模拟（使用APR方法）量化了七种线性PFAS与天然α-、β-、γ-CD在水中的主客体热力学，并评估了类似连接基的功能化如何改变结合。对于单体CD-PFAS络合物，隐式和显式溶剂模拟获得的结合自由能与ITC测量值及现有文献数据合理一致。尽管隐式溶剂模型对β-CD-PFAS体系的计算结果更接近实验，但这并非对整个数据集成立，不应视为更精确溶剂描述的证明；这种一致性可能反映了对含氟客体的近似溶剂化处理与力场/主客体交叉相互作用误差之间的补偿。一旦考虑连接基修饰CD，隐式溶剂模型预测的趋势与CD基聚合物体系相反（连接基通常增强吸附），这表明基于更真实物理描述的显式溶剂模型可能更适合模拟多种条件下的CD-客体络合。对于天然宿主，β-CD始终表现出最强结合，α-CD亲和力可忽略，γ-CD弱于β-CD，这与空腔尺寸匹配一致，且由相互作用能分解进一步支持，说明有利的分子尺寸和疏水脱水主导包合过程。结合自由能与络合时溶剂可及表面积变化（ΔSASA）强相关，突出了疏水贡献。氢键分析表明，主客体氢键并非唯一预测亲和力的因素，氢键重排主要伴随脱水和取向依赖的络合形成。为了模拟真实水基质中的离子和聚合物中CD单元的局部微环境，研究人员进一步考察了背景离子浓度和连接基修饰对β-CD-PFAS结合的影响。显式溶剂模拟比较了三种离子参数集（JC、LM-HFE、LM-IOD），发现随摩尔浓度增加，两种Li/Merz参数化预测的结合自由能下降幅度小于JC模型。对于连接基修饰β-CD宿主，Bind3P水正确再现了随连接基数增加PFAS吸附增强的实验现象，支持其适用于更复杂的连接基功能化CD模型。尽管隐式溶剂模型未能捕捉不同连接基数的趋势，但它对快速筛选大量主客体体系和生成机器学习数据集仍有价值，因为达到相同统计不确定性时，隐式溶剂模型比显式溶剂模型快一个数量级以上。通过能量分解，研究人员还可研究PFAS与单个连接基团之间的相互作用：位于带负电PFAS头基指向一侧的连接基团与客体形成更强的Coulombic相互作用，同时增加连接基数会逐步屏蔽客体与体相溶剂的接触（表现为PFAS与水之间的Lennard-Jones相互作用减小）。这些结果从微观上解释了为何聚合物中的连接基结构能增强环糊精对PFAS的捕获：连接基同时增强了与PFAS头基的直接静电吸引，并降低了客体去溶剂化的能量代价。总体而言，本研究结果为CD-PFAS包合提供了分子层面的热力学和机制见解，这是CD基聚合物捕获PFAS的关键步骤。通过考察不同天然CD和连接基修饰β-CD模型，并考虑不同离子浓度的水基质，该研究为新型环糊精聚合物的开发及其在不同条件下的应用提供了分子尺度的见解，可指导CD基吸附剂中CD空腔尺寸和局部疏水环境的合理选择，并为下一步在不同条件下对CD聚合物模型进行计算机构建和PFAS吸附的分子模拟研究奠定了基础。