**中文标题：** 溶剂极性对烯丙基醚蔗糖单体电子结构与分子间相互作用的理论计算研究：基于DFT与IGMH方法的系统分析

《Journal of Chemical Research》：Solvent effects on the properties of allyl ether sucrose monomers in a theoretical study

　　

蔗糖烯丙基醚因其高吸水性、无毒性及可生物降解性而被应用于医用材料领域。在研究人员的前期工作中，曾利用紫外光技术，以该蔗糖骨架结构单体合成了用于癌症治疗中经导管动脉栓塞术的止血材料和微球。单烯丙基醚蔗糖与二烯丙基醚蔗糖极性相近，使得采用常规洗脱剂对其进行分离十分困难。为今后深入研究该类化合物的化学性质及潜在应用，研究人员基于理论计算，对其电子结构及溶剂依赖性相互作用开展了系统的计算研究。本工作通过计算建模，细致考察了溶剂选择及取代基数量对目标化合物萃取效率的影响。采用量子化学方法，在密度泛函理论（DFT）框架下，围绕几何基础与能量动力学，对标题化合物在气相、己烷及乙酸乙酯（EA）等多种溶剂环境中进行了全面探索。结构分析通过轨道检查和静电势（ESP）评估进行。随后，研究人员采用基于Hirshfeld分子密度分区的独立梯度模型（IGMH）计算了分子间相互作用。前沿分子轨道分析表明，极性溶剂（EA）可增强标题化合物的本征反应活性，表现为较窄的最高占据分子轨道–最低未占分子轨道（HOMO–LUMO）能隙。此外，该溶剂与溶质之间展现出更强的氢键相互作用，提示其在分离过程中具有潜在应用价值。本工作或可为通过方法学分析手段探索高效萃取流程提供一种新思路。

**论文解读文章：**

**一、研究背景与问题提出**

蔗糖（β-D-呋喃果糖基-α-D-吡喃葡萄糖苷）是一种来源广泛、易于从低分子量碳水化合物中获取的天然二糖。因其分子骨架上富含羟基，研究人员可利用化学修饰手段引入多种取代基团，制备具有不同特性的聚合物材料。这类聚合物凭借无毒性、可生物降解及高超吸收性等优势，在生物医学领域得到了广泛应用，例如止血材料及用于肿瘤介入治疗的栓塞微球等。在前期工作中，研究人员以单烯丙基醚蔗糖和二烯丙基醚蔗糖为单体，通过硫醇-烯光聚合反应制备了上述医用高分子材料。

然而，在合成过程中，研究人员面临一项关键性挑战：单烯丙基醚蔗糖（A1S）、二烯丙基醚蔗糖（A2S）及三烯丙基醚蔗糖（A3S）三种衍生物的极性差异极小，采用常规洗脱技术难以实现完全分离。传统萃取流程通常依赖于溶剂类型、温度、时间及超声辅助等多重因素，其中有机溶剂的选择对于提高萃取效率和产物纯度至关重要，通常需要消耗大量有机溶剂。尽管如此，目前对影响此类单体分离效率的分子层面因素的认知仍然有限。为此，亟需从理论层面系统揭示烯丙基醚蔗糖单体在不同溶剂环境中的电子结构特征与分子间相互作用本质，以期为优化分离条件提供指导。

**二、研究目标与意义**

本研究以单烯丙基醚蔗糖（A1S）和二烯丙基醚蔗糖（A2S）为标题化合物，旨在通过量子化学计算方法，系统考察取代基数量与溶剂环境对分子性质的影响。具体而言，研究人员利用密度泛函理论（DFT）方法对目标分子在不同溶剂（己烷、乙酸乙酯及气相）中的几何构型和电子特性进行了全面表征，并通过静电势（ESP）分析、前沿分子轨道（FMO）分析以及独立梯度模型基于Hirshfeld分区的分子间相互作用（IGMH）分析，揭示溶剂极性对溶质–溶剂相互作用的调控规律。该研究的理论意义在于：为理解烯丙基醚蔗糖衍生物在不同极性环境中的化学行为提供了分子层面的机理解释；其实践意义则体现在为开发高效、低溶剂消耗的萃取分离方案提供了方法学参考。

**三、关键技术方法概述**

本研究的理论计算主要依托以下技术手段：（1）采用Gaussian 16程序包，在B3LYP-D3(BJ)/6-311++G(d,p)水平下对目标分子进行几何优化，并利用含时密度泛函理论（TD-DFT）在PBE1PBE（PBE0）泛函水平下计算紫外–可见吸收光谱；（2）采用溶剂模型密度（SMD）隐式溶剂模型描述溶剂效应；（3）利用Multiwfn 3.8波函数分析程序进行定量静电势分析和电子密度分布分析，并借助VMD 1.9.3程序绘制等值面图；（4）采用IGMH方法表征溶质与代表性溶剂分子（己烷、乙酸乙酯）之间的分子间弱相互作用区域；（5）在M05-2X/6-311++G(d,p)/SMD水平上计算溶剂化自由能（ΔG_solv），并通过Boys和Bernardi的均衡校正法（Counterpoise方法）对溶质–溶剂复合物的结合能（ΔE_binding）进行基组叠加误差（BSSE）校正。整体计算框架涵盖了从几何优化、电子结构分析、波函数分析到能量分解的多层次理论方法。

**四、主要研究结果**

**（1）不同溶剂中的电子性质**

研究人员采用Δ-SCF（自洽场）方法评估了标题化合物在气相、己烷和乙酸乙酯中的关键电子参数，包括垂直电离能（I）、垂直电子亲和势（A）、电负性（χ）、化学硬度（η）、化学软度（ζ）、化学势（μ）及全局亲电指数（ω）。结果表明，不同溶剂中标题化合物的化学性质变化幅度有限，能隙值均在约6 eV范围内。值得注意的是，在乙酸乙酯中溶剂效应有所减弱，表现为HOMO–LUMO能隙相对其他溶剂更窄。具体而言，A2S在乙酸乙酯中的能隙为5.63 eV，低于在己烷（6.53 eV）和气相（7.58 eV）中的相应值；A1S在气相中的能隙则为7.91 eV。这一系统性分析表明，能隙值同时受溶剂效应和取代程度的显著影响，较小的能隙和较低的电离能意味着在乙酸乙酯中分子内电荷转移倾向更强，反应活性更高。

**（2）不同溶剂中的轨道分析（HOMO/LUMO）**

前沿分子轨道分析进一步揭示了溶剂环境对轨道分布的影响。二烯丙基醚蔗糖分子在乙酸乙酯中呈现出更窄的ΔE，与其电荷传输能力呈正相关。HOMO电子密度主要集中在五元环的碳–碳键区域；在极性溶剂中，烯丙基醚基团上亦可观察到可观的轨道密度分布，表明极性条件下该基团对电子结构具有正向贡献。该结果为解释乙酸乙酯中增强的化学反应活性提供了轨道层面的证据。

**（3）不同溶剂中的分子静电势与电子密度分析**

分子静电势（MEP）表面分析是识别氢键及化学反应中亲电、亲核位点的重要手段。MEP分布图显示，亲核中心（紫色区域）主要位于氧原子附近，这些氧位点可作为预测分子潜在反应活性的可靠指标。对范德华表面的ESP定量分析发现，含氧烯丙基导致表面出现最负的静电势值，其中二烯丙基醚蔗糖结构的极值可达-44.34 kcal/mol。比较A1S与A2S的ESP表面分布可以发现，A2S因含有两个烯丙基而具有更高的极性和更广泛的负电势分布区域。在数值上，A1S在己烷和乙酸乙酯中的方差值分别为332.1和400.2 (kcal/mol)²，而A2S相应为240.7和361.5 (kcal/mol)²。这些差异凸显了烯丙基数量对静电势分布的系统性影响。

**（4）IGMH分析、溶剂化自由能及结合能分析**

IGMH分析是区分片段内相互作用和片段间相互作用的重要工具。在本研究中，δg_inter等值面用于可视化溶质与溶剂分子之间的相互作用区域，采用蓝–绿–红（BGR）配色方案：蓝色区域表示氢键等强吸引性相互作用，绿色区域表示范德华力（vdW）及其他弱相互作用。结果显示，在A1S体系中，乙酸乙酯溶液中的sign(λ₂)ρ vs δg_inter散点图在约-0.03 a.u.处出现了对应于氢键蓝色等值面的显著信号峰，最大相互作用强度达0.048 a.u.，表明单烯丙基蔗糖的氢原子与EA分子的氧原子之间存在强烈的静电吸引。在A2S体系中，所有溶剂均表现出清晰的绿色范德华相互作用区域，但氢键仅在乙酸乙酯中存在，在己烷中则缺失。此外，EA中中等强度峰的信号高于己烷，暗示极性溶剂中范德华相互作用更为显著。

溶剂化自由能计算结果显示，A1S和A2S在水中的稳定性最高（ΔG_solv分别为-38.63和-36.94 kcal/mol），在乙酸乙酯中次之（-20.75和-21.93 kcal/mol），在己烷中最弱（-12.18和-13.36 kcal/mol）。两种化合物在有机溶剂中的ΔΔG_solv均为正值，表明其热力学上倾向于水相，这与蔗糖衍生物的亲水性质一致。值得注意的是，A2S在两种有机溶剂中的ΔΔG_solv值均小于A1S，暗示二取代结构相对更有利于向有机相分配，这为观察到的萃取选择性提供了热力学解释。经BSSE校正的结合能计算进一步证实，A1S和A2S与乙酸乙酯的相互作用能（分别为-10.19和-9.47 kcal/mol）均强于与己烷的相互作用（分别为-5.92和-5.44 kcal/mol），同一溶剂中两种化合物间的差异仅约0.5–0.7 kcal/mol，表明溶剂性质对总相互作用能的影响大于取代程度的影响。

**（5）紫外–可见光谱研究**

理论紫外–可见光谱在PBE1PBE水平上计算获得。结果显示，A1S-EA体系的最大吸收波长（λ_Max）为164 nm，A2S-EA体系为171 nm；在己烷中两者均为对应的165 nm和171 nm。A1S-EA和A2S-EA体系的吸收峰位置存在数纳米的差异，表明分子骨架上取代基数量可影响最大吸收峰的位置。这一结果为利用光谱特征辅助区分不同取代程度的衍生物提供了参考。

**五、讨论总结与研究结论**

综合以上理论分析，本研究运用密度泛函理论对系列烯丙基醚蔗糖衍生物进行了系统的电子结构表征，重点揭示了取代基数量和溶剂环境对分子性质的协同影响。轨道分析表明，溶剂极性是决定能隙宽窄的关键因素：在极性溶剂中观察到的能隙显著收窄，预示着反应活性的增强。MEP映射分析确定氧原子为主要亲核位点，且增加取代基数量会导致静电势分布发生系统性变化，从而增强这些区域对亲电试剂的吸引力。分子间相互作用的性质强烈依赖于溶剂极性：氢键在极性溶剂（如乙酸乙酯）中占主导地位，而范德华力则在非极性环境（如己烷）中居于支配地位。模拟紫外–可见光谱进一步提示取代基数量对吸收峰位置具有影响。综合来看，这些理论发现表明极性溶剂可作为有效的洗脱剂，但取代基数量与溶剂效应之间未观察到明确的相关性。溶剂极性还通过调控电子跃迁进而改变吸收谱线轮廓，因此未来需开展实验研究以优化分离条件并探索这些单体的聚合潜力。研究结论原文为：本研究通过密度泛函理论对系列烯丙基醚蔗糖衍生物进行了系统的电子结构表征，特别关注了取代基数量与溶剂环境对分子性质的影响。轨道分析揭示了溶剂极性是能隙的关键决定因素——在极性溶剂中能隙显著收窄，表明反应活性增强。MEP映射显示氧原子构成主要亲核位点，且增加取代基数量导致静电势分布发生系统性变化，从而增强这些区域对亲电试剂的吸引力。分子间相互作用的性质强烈依赖于溶剂极性，氢键在极性溶剂中占主导，而范德华力在非极性环境中居于支配地位。模拟紫外–可见光谱进一步提示取代基数量的影响。综合而言，这些理论发现指出极性溶剂可作为有效洗脱剂，但取代基数量与溶剂效应之间未观察到明确关系；溶剂极性也通过调控电子跃迁改变吸收谱线。因此，未来需要开展实验工作以优化分离条件并探索这些单体的聚合潜力。