《Journal of Molecular Graphics and Modelling》：Can cation-π and cation-lone pair interaction stabilize alkali/alkaline earth metal ion-furan adducts? Acumen from DFT
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碱金属和碱土金属离子与呋喃的π表面及氧孤对电子的相互作用机制研究，通过DFT计算揭示π作用（12.13-291.02 kcal·mol?1）比孤对作用（11.80-284.40 kcal·mol?1）更稳定，溶剂极性削弱相互作用，电子密度与稳定性正相关。
Bapan Saha | Igor.K. Petrushenko | Pampi Rabha | Bhomta Ingti Katharpi | Narzima Islam
印度阿萨姆邦古瓦哈提Handique女子学院化学系，邮编781001
摘要
本研究利用密度泛函理论（DFT）探讨了主族金属离子（Li(I)、Na(I)、K(I)、Be(II)、Mg(II)和Ca(II)与呋喃（Fur）的相互作用，特别是这些金属离子与呋喃的π表面以及氧原子的孤对电子（LP O）之间的相互作用。通过这两种方式产生的相互作用都足够强，能够稳定1:1 [M(I/II):Fur]和1:2 [M(I/II):2Fur]类型的加合物。形成阳离子-π（能量为12.13至291.02 kcalmol^-1）加合物比形成阳离子-孤对电子（能量为11.80至284.40 kcalmol^-1）加合物更为有利。这些相互作用在热力学上是可行的，并且是由焓变和自由能驱动的。溶剂的存在显著削弱了加合物的稳定性；相互作用强度与溶剂的介电常数呈负相关。此外，主要供体-受体相互作用的二阶扰动能量[E(2)]与加合物的稳定性以及电子密度之间存在中等强度的线性关系。SAPT0计算根据相互作用物种的位置确定了这些相互作用的性质，表明共价成分在稳定Be(II)加合物中起到了重要作用。QTAIM和NCI分析也用于验证离子相互作用在稳定其他加合物中的关键作用。
引言
阳离子-π相互作用在分子识别、新型材料设计、药物-受体相互作用、蛋白质折叠、晶体工程、催化作用以及有机合成等领域具有广泛的应用[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。最近，从电荷密度、分子静电势（MEP）和加合物的自旋密度的角度研究了Li(I)、Na(I)和K(I)离子与芳烃和杂芳烃的相互作用[6]。本研究表明Li(I)加合物适合作为阳极材料[6]。关于Li、Na和K及其相应离子与掺杂多环芳烃（PAH）相互作用的计算研究表明，它们与掺杂PAH的相互作用更为有利[7]。阳离子-孤对电子（cation-LP）相互作用在研究金属-配体相互作用的各个方面也很重要。此前已有研究探讨了Al和Cu与咪唑形成加合物时的阳离子-孤对电子相互作用[8]。这种类型的相互作用也在锌(II)金属酶（如醇脱氢酶）的活性位点中被发现[9]。Gal等人研究了Li(I)、Na(I)、Al(I)和Cu(I)离子与路易斯碱的相互作用，并指出电荷转移（Δq）在减少碱中的孤对电子-孤对电子（LP-LP）和孤对电子-键对（LP-BP）排斥作用方面的重要性[10]。
杂芳烃（包括五元和六元结构）是制药和农用化学品的主要成分之一[11]。五元杂芳烃可以与金属离子通过多种结合模式（η^1至η^5）相互作用[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]。吡咯（Pyr）、呋喃（Fur）和噻吩（Thio）是最常见的五元杂芳烃。除了吡咯（N原子与H原子相连）外，呋喃的O原子和噻吩的S原子都带有孤对电子（LP）。它们的π表面以及孤对电子分别暴露出来，可以与金属离子通过阳离子-π和阳离子-孤对电子相互作用。基于金属离子与这些杂芳烃π表面相互作用的研究比与孤对电子相互作用的研究更为常见。Stockigt等人使用从头算和密度泛函理论（DFT）计算了Al(I)离子与苯（Ben）、吡啶（Py）、环戊二烯（Cpd）、吡咯（Pyr）和呋喃（Fur）的阳离子-π相互作用[12]。Kim等人通过从头算计算研究了Li(I)、Na(I)、K(I)和Ag(I)离子与苯（Ben）和吡咯（Pyr）加合物中的相互作用[13]。Dunbar等人之前也研究了单价（主族和3d）金属离子与吡咯（Pyr）和呋喃（Fur）的相互作用[14]、[15]。Bengali等人研究了3d金属的电子密度与呋喃（Fur）结合能之间的关系[16]，并发现从阳离子-孤对电子加合物到阳离子-π加合物可能发生分子内异构化[16]。Bhattacharyya等人使用DFT报告了Li(I)、Na(I)和K(I)离子与噻吩（Thio）形成夹心型加合物时阳离子-π相互作用的作用[17]。也有研究从取代基对加合物稳定性的影响角度探讨了Na(I)与呋喃（Fur）的π表面相互作用[18]。
与基于吡咯（Pyr）和噻吩（Thio）的研究相比，关于呋喃（Fur）与金属离子相互作用的研究相对较少。大多数研究集中在单价（+1）金属离子（主族和3d）与呋喃（Fur）的相互作用上[6]、[15]、[16]、[18]、[19]、[20]。Dunbar等人研究了Na(I)、Mg(I)、Al(I)和Sc(I)-Cu(I)离子在气相中通过阳离子-π和阳离子-孤对电子相互作用对呋喃（Fur）的亲和力[15]。呋喃（Fur）上的取代基也会影响Na(I)与呋喃（Fur）之间阳离子-π加合物的稳定性[18]。Yeh等人报道了单价金属离子与呋喃（Fur）的相互作用[19]。之前也有研究报道了Ni(I)离子与呋喃（Fur）基系统的相互作用[20]。最近，还有研究通过阳离子-π相互作用探讨了碱金属离子（Fe(II)、Co(II)、Ni(II)和Cu(II)与吡咯（Pyr）、噻吩（Thio）和其他杂芳烃的相互作用[6]。然而，这些文献并未涉及除单价（+1）氧化态外的金属离子与呋喃（Fur）相互作用的可行性。最近的研究探索了Fe(II)、Co(II)、Ni(II)和Cu(II)离子与呋喃（Fur）通过阳离子-π和阳离子-孤对电子相互作用形成加合物的情况[21]。这可能是首次报道了较高氧化态的3d金属离子与呋喃（Fur）的相互作用。此外，呋喃（Fur）与金属离子的相互作用还具有催化作用[22]。这些研究为探索碱金属（M(I)）和碱土金属（M(II)离子通过不同相互作用位点与呋喃（Fur）的相互作用提供了新的思路。
本文主要研究了Li(I)、Na(I)、K(I)、Be(II)、Mg(II)和Ca(II)离子对呋喃（Fur）π表面和氧原子孤对电子（LP O）的亲和力。在气相和溶剂相中分别考察了1:1 [M(I/II):Fur]和1:2 [M(I/II):Fur]类型加合物的可行性和形成情况。通过估算焓变（ΔH）和自由能（ΔG）来预测相互作用的热力学可行性。还估算了加合物形成过程中主要供体和受体之间的电荷转移（Δq）和二阶扰动能量（E(2)）。进行了拓扑参数和非共价相互作用（NCI）分析，以确定稳定加合物的主要贡献因素。进行SAPT0分析是为了评估相互作用各物理成分的贡献。由于先前的许多文献已经使用了DFT方法进行类似研究[6]、[7]、[15]、[18]、[21]，因此本研究专门使用DFT方法来探讨上述目标。如前所述，虽然之前已有关于Na(I)-Fur、Li(I)-Fur以及Na(I)-Fur和K(I)-Fur（通过阳离子-π）加合物的报道，但主要关注的是结合能和结合机制，而没有提供相关方面的详细信息[6]、[15]、[18]。因此，本研究有望更全面地了解M(I/II)离子与呋喃（Fur）π表面和孤对电子（LP O）之间相互作用的各个方面。
理论和计算细节
DFT计算使用的是Gaussian09程序包[23]。本研究采用了B3LYP密度泛函和6-31++G(d,p)基组。之前的研究也采用了相同的理论水平来研究金属离子与吡咯（Pyr）和呋喃（Fur）的相互作用[14]、[21]。通过Hessian计算确认了真实最小值的存在（所有正Hessian值均证实了真实最小值）。通过估算稳定能（SE）来衡量加合物的稳定性。
结果与讨论
本研究探讨了Li(I)、Na(I)、K(I)、Be(II)、Mg(II)和Ca(II)离子通过π表面和氧原子孤对电子（LP O）与呋喃（Fur）形成的1:1加合物，分别表示为M(I/II)-Fur(π)和M(I/II)-Fur(lp)。类似的1:2加合物分别表示为M(I/II)-2Fur(π)和M(I/II)-2Fur(lp)。呋喃（Fur）的MEP表面在补充图S1中进行了展示，同时标出了π表面及其孤对电子（LP O）附近的V_s(min)值。观察到呋喃（Fur）表面上下存在带负电荷（富电子）的区域（红色显示）。
结论
本研究研究了Li(I)、Na(I)、K(I)、Be(II)、Mg(II)和Ca(II)离子与呋喃（Fur）的π表面（云状结构）和氧原子孤对电子（LP O）的相互作用。阳离子-π和阳离子-孤对电子相互作用都相当强，尤其是在气相中，能够稳定1:1和1:2类型的加合物。这些加合物的形成主要是由焓变驱动的（放热且自发进行）。所有复合物在环己烷中都是稳定的。Mg(II)离子的复合物稳定性较低。
CRediT作者贡献声明
Bapan Saha：撰写 – 审稿与编辑、撰写原始草稿、监督、资源协调、项目管理、方法论制定、概念构思。
Igor.K. Petrushenko：撰写原始草稿、方法论制定、实验研究、形式分析。
Bhomta Ingti Katharpi：验证结果、实验研究、形式分析、数据整理。
Narzima Islam：验证结果、实验研究、形式分析、数据整理。
Pampi Rabha：数据可视化、结果验证、实验研究。
利益冲突声明
不存在需要声明的利益冲突。
资金声明
本研究未收到任何财务支持。
竞争利益声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文的研究结果。
致谢
作者衷心感谢P. K. Bhattacharyya博士提供软件支持。BS、PR、BIC和NI还感谢Handique女子学院的研究发展部门资助的教师主导的学生项目（TLSP 2020-21和HGC/PROJ/COLLEGE/2024/09/01），该项目提供了所需的计算资源。
