羟基吡啶酮衍生物用作文物硫铁化合物脱除螯合剂的分析

刘东坡，郑幼明

(浙江省博物馆，浙江杭州 310007)

0 引 言

海相地层出土或海洋打捞出水的文物尤其是大型古代沉船如我国打捞出水的南海Ⅰ号、华光礁Ⅰ号、小白礁Ⅰ号，瑞典打捞出水的Vasa号，英国打捞出水的Mary Rose号等沉船都含有大量的盐分。这些盐分尤其是难溶盐造成的潜在危害逐渐引起了人们的重视[1-5]。

为降低硫铁化合物对文物的危害，一些螯合剂被用来与硫铁化合物进行络合反应以达到对其进行脱除的目的。张治国等[7]对宁波小白礁清代沉船中的硫铁化合物进行分析并通过实验筛选出0.01 mol/L EDTA-2Na/0.1 mol/L H2O2复合脱除剂对沉船木构件的黄铁矿进行脱除，Gunnar等[8]将络合剂乙二胺-N，N′-双(2-羟基-4-甲基苯基乙酸)(EDDHMA)在pH值约为11的NaOH水溶液中进行溶解以去除硫铁化合物。

为了确保文物尤其是出土出水脆弱有机质地文物的安全，硫铁化合物的脱除适宜在温和的条件下进行，因此，一些人体金属离子解毒剂有可能是硫铁化合物脱除的比较理想的螯合剂[9-11]，其中主要用于治疗人体内的Fe过载的羟基吡啶酮类化合物(HOPO)是最常用的一类螯合剂，它具有O，O-供体的配体结构。

本研究探讨羟基吡啶酮对硫铁化合物脱除反应的可行性，同时根据羟基吡啶酮容易发生环取代反应生成具有不同官能团的功能化衍生物的性质，使用Gaussian09软件，在B3LYP/6-31G*水平上对羟基吡啶酮功能化衍生物分子进行几何结构全优化，并进行频率和分子轨道计算。基于优化所得结构，在相同水平下进行了Hirshfled原子电荷计算和相应的Fukui函数计算。在羟基吡啶酮脱除硫铁化合物可行性研究以及羟基吡啶酮衍生物分子计算分析的基础上，以期筛选出一种更优的可以脱除出土出水文物硫铁化合物的螯合剂。

1 羟基吡啶酮脱除硫铁化合物的可行性研究

1.1 脱除螯合剂与硫铁化合物的选择

羟基吡啶酮(HOPO)作为具有内环α-羟基酮的(O，O)螯合基团的N-杂环化合物，主要有三种结构：1-羟基-2-吡啶酮，3-羟基-2-吡啶酮和3-羟基-4-吡啶酮(3，4-HOPO)。三种结构中，3-羟基-4-吡啶酮稳定且在温和条件下即可以与Fe离子进行反应。

3-羟基-4-吡啶酮的二甲基取代化合物1，2-二甲基-3-羟基-4-吡啶酮是常用的治疗β地中海贫血患者的去铁酮的有效成分，它可以在温和条件下与Fe元素进行络合反应而将其从人体内去除。出土出水文物中的硫铁化合物存在不同的形态，常见的有硫铁矿(FeS)、黄铁矿(FeS2)、硫复铁矿(Fe3S4)等，其中黄铁矿(FeS2)、硫复铁矿(Fe3S4)等硫铁化合物可以由硫铁矿(FeS)在不同的条件下转化得到。因此，选择1，2-二甲基-3-羟基-4-吡啶酮作为脱除络合剂，硫铁矿(FeS)为目标硫铁化合物，研究羟基吡啶酮脱除硫铁化合物的可行性。

1.2 材料、试剂与分析方法

实验所需脱除络合剂1，2-二甲基-3-羟基-4-吡啶酮，由萨恩化学技术(上海)有限公司提供，分析纯；所需硫铁化合物为硫铁矿(硫化亚铁，FeS)，由上海泰坦化学有限公司提供，分析纯；实验用水为自制去离子水；采用ICAP6000全谱直读型台式ICP光谱仪分析Fe元素含量。

1.3 实验过程与结果

称取1，2-二甲基-3-羟基-4-吡啶酮，用新制去离子水配置成浓度为0.01 mol/L的脱除络合剂溶液，用IKA粉碎机将块状硫化亚铁粉碎成细微颗粒，备用。

移取100 mL 0.01 mol/L 1，2-二甲基-3-羟基-4-吡啶酮脱除络合剂溶液于具塞锥形瓶中，水浴中恒温至50 ℃，称取0.879 1 g(0.01 mol)硫化亚铁细微颗粒，加入到经恒温的脱除络合剂溶液中。分别移取t=0，1，2，3，4，5 h时的反应溶液2 mL分析Fe元素浓度。在同样条件下移取100 mL去离子水于具塞锥形瓶中，水浴中恒温至50 ℃，称取0.879 1 g(0.01 mol)硫化亚铁细微颗粒，加入到经恒温的去离子水中。分别移取t=0，1，2，3，4，5 h时的反应溶液2 mL分析Fe元素浓度。结果如图1所示。

图1 Fe元素浓度分析Fig.1 Analysis of Fe concentration

在50 ℃时，1，2-二甲基-3-羟基-4-吡啶酮与硫化亚铁具有良好的反应活性。反应1 h时溶液中Fe元素浓度已经达到158 mg/kg，随着反应时间的增加，1，2-二甲基-3-羟基-4-吡啶酮与硫化亚铁的反应仍在进行，反应进行5 h后，溶液中Fe元素的浓度为214 mg/kg。

反应可以在温和的条件下进行，不需要强酸性，强碱性或者氧化性环境。用新制去离子水配置的0.01 mol/L 1，2-二甲基-3-羟基-4-吡啶酮脱除络合剂溶液的pH约为6.4，接近中性，不需要用酸或碱调节反应溶液pH。

实验结果表明，作为羟基吡啶酮(3-羟基-4-吡啶酮，3，4-HOPO)的二甲基取代化合物，1，2-二甲基-3-羟基-4-吡啶酮在较为温和的条件下即与硫化亚铁具有良好的反应活性，可以用于文物中硫化亚铁等硫铁化合物的脱除。

2 羟基吡啶酮衍生物分子计算

2.1 羟基吡啶酮衍生物分子结构

3-羟基-4-吡啶酮不仅能够发生二甲基取代生成具有硫铁化合物脱除活性的1，2-二甲基-3-羟基-4-吡啶酮，而且也可以很容易地进行官能团修饰生成其他衍生物，从而能够调节一些重要的物理化学性质而实现功能化。

不同结构的羟基吡啶酮进行功能修饰时的反应活性位不同，其中3-羟基-4-吡啶酮(结构式如图2所示)发生环取代反应生成不同官能团的功能化衍生物时，官能团化在N1位比C2位更容易，而C5和C6较为困难一些。

图2 3-羟基-4-吡啶酮结构式Fig.2 Structural formula of 3-hydroxy-4-pyridone

3-羟基-4-吡啶酮的N1连接的烷基羧酸、烷基芳胺等非肽类基团的功能化衍生物的溶液研究和生物测定表明N原子上非肽类功能化衍生物对配体的螯合能力影响轻微[12-15]。因此，3-羟基-4-吡啶酮的功能化衍生物主要是在N1进行氨羧化。从合成功能化衍生物的起始原料的易得程度出发，3-羟基-4-吡啶酮的氨羧化采用两种方式：一种是直接氨羧化即只在N1位进行氨羧化；一种是在C2位甲基化的基础上再在N1位进行氨羧化。

因此进行分子结构计算分析的羟基吡啶酮分子结构包括3-羟基-4-吡啶酮、1，2-二甲基-3-羟基-4-吡啶酮以及3-羟基-4-吡啶酮的氨羧化衍生物分子。

2.2 分子计算方法

使用Gaussian09软件，在B3LYP/6-31G*水平上对3-羟基-4-吡啶酮、1，2-二甲基-3-羟基-4-吡啶酮以及3-羟基-4-吡啶酮的氨羧化衍生物分子进行了几何结构全优化，并进行频率和分子轨道计算。基于优化所得结构，在相同水平下进行了Hirshfled原子电荷计算和相应的Fukui函数计算。

3 结果与分析

3.1 3-羟基-4-吡啶酮与1，2-二甲基-3-羟基-4-吡啶酮

3-羟基-4-吡啶酮与1，2-二甲基-3-羟基-4-吡啶酮的分子轨道能级、Hirshfled原子电荷和Fukui函数如表1所示。

表1 3-羟基-4-吡啶酮与1，2-二甲基-3-羟基-4-吡啶酮的计算结果Table 1 Calculation results of 3-hydroxy-4-pyridone and 1，2-dimethyl-3-hydroxy-4-pyridone

对于羟基吡啶酮来说，配体氧原子上电荷密度增加，将增加配体氧原子的碱度，增强配体原子的配位螯合能力[16]。计算结果显示，与3-羟基-4-吡啶酮分子相比，1，2-二甲基-3-羟基-4-吡啶酮分子中最高已占分子轨道能级有明显正移，虽然羟基氧原子上Hirshfeld原子电荷略有降低，但羰基氧原子上Hirshfeld原子电荷明显升高，基于Hirshfeld电荷的Fukui函数显示络合反应的活性位点在羟基氧和羰基氧原子上。

1，2-二甲基-3-羟基-4-吡啶酮分子中最高已占分子轨道能级与3-羟基-4-吡啶酮相比，正移0.115 eV，1，2-二甲基-3-羟基-4-吡啶酮在温和的条件下即可与FeS具有良好的反应活性，这可能与分子中最高已占分子轨道能级正移以及配体氧原子上Hirshfeld原子电荷升高有关。分子轨道能级正移，羰基氧原子上Hirshfeld原子电荷升高，有利于配体氧原子与中心原子Fe形成稳定配合物。1，2-二甲基-3-羟基-4-吡啶酮前线分子轨道如图3所示。

图3 1，2-二甲基-3-羟基-4-吡啶酮的前线分子轨道Fig.3 Frontier molecular orbitals of 1，2-dimethyl-3-hydroxy-4-pyridone

3.2 3-羟基-4-吡啶酮直接氨羧化衍生物

3-羟基-4-吡啶酮直接氨羧化即是在其N1位分别与α-氨基乙酸基(AA)、α-氨基丙酸基(AP)、α-氨基丁酸基(AB)和α-氨基戊酸基(AV)四种基团进行取代反应。氨羧化生成的四种功能化衍生物的分子轨道能级、Hirshfled原子电荷和Fukui函数如表2所示。

表2 3-羟基-4-吡啶酮直接氨羧化衍生物计算结果Table 2 Calculation results of direct amino carboxylation derivatives of 3-hydroxy-4-pyridone

由计算结果可知，基于Hirshfeld原子电荷的Fukui函数表明杂环氧原子比羧基氧原子更容易向中心原子Fe提供配位原子，是络合反应中与金属离子进行反应的主要配位原子。与3-羟基-4-吡啶酮相比，杂环N原子进行氨羧化反应生成的四种α氨基羧酸基衍生物中，含偶数碳的α氨基羧酸基如α-氨基乙酸基(AA)和α-氨基丁酸基(AB)将使最高已占分子轨道能级正移，其中α-氨基丁酸基(AB)正移最多，约0.183 1 eV，含奇数碳的α氨基羧酸基如α-氨基丙酸基(AP)和α-氨基戊酸基(AV)将使最高已占分子轨道能级负移。随着碳原子数增加，配体氧原子上Hirshfeld原子电荷逐渐增加，其中α-氨基戊酸基取代后的衍生物N-(α-氨基戊酸基)-3-羟基-4-吡啶酮(3，4-HOPO-AV)分子中，氧原子上Hirshfeld原子电荷达到最大，但其最高已占分子轨道能级存在负移；而α-氨基丁酸基取代后的衍生物N-(α-氨基丁酸基)-3-羟基-4-吡啶酮(3，4-HOPO-AB)分子中，虽然Hirshfeld原子电荷要小于α-氨基戊酸基取代后的衍生物，但由于最高已占分子轨道能级与3-羟基-4-吡啶酮和1，2-二甲基-3-羟基-4-吡啶酮相比均存在明显正移，易于向中心原子Fe提供配体原子，可能是比1，2-二甲基-3-羟基-4-吡啶酮更为有效的硫铁化合物络合脱除剂。N-(α-氨基丁酸基)-3-羟基-4-吡啶酮(3，4-HOPO-AB)的前线分子轨道如图4所示。

图4 N-(α-氨基丁酸基)-3-羟基-4-吡啶酮前线分子轨道Fig.4 Frontier molecular orbitals of N-(α- aminobutyryl)-3-hydroxy-4-pyridone

3.3 3-羟基-4-吡啶酮甲基化氨羧化衍生物

3-羟基-4-吡啶酮甲基化氨羧化即在C2位甲基化(Me)，在N1位分别与α-氨基乙酸基(AA)、α-氨基丙酸基(AP)、α-氨基丁酸基(AB)和α-氨基戊酸基(AV)四种基团进行取代反应。甲基化氨羧化生成的四种功能化衍生物的分子轨道能级、Hirshfled原子电荷和Fukui函数如表3所示。

表3 3-羟基-4-吡啶酮甲基化氨羧化衍生物计算结果Table 3 Calculation results of 3-hydroxy-4-pyridone methylated amino carboxylated derivatives

(续表3)

由计算结果可知，基于Hirshfeld原子电荷的Fukui函数表明杂环氧原子比羧基氧原子更容易向中心原子Fe提供配位原子，是络合反应中与金属离子进行反应的主要配位原子。与3-羟基-4-吡啶酮相比，四种甲基化氨羧化衍生物中除了N-(α-氨基乙酸基)-2-甲基-3-羟基-4-吡啶酮(3，4-HOPO-AA-Me)外，最高已占分子轨道能级均发生正移。其中N-(α-氨基戊酸基)-2-甲基-3-羟基-4-吡啶酮(3，4-HOPO-AV-Me)最高已占分子轨道能级与3-羟基-4-吡啶酮相比约正移0.121 6 eV，而与1，2-二甲基-3-羟基-4-吡啶酮相比仅正移约0.006 6 eV。Amelia等[17]制备了一系列的N取代的不同侧链的含α-氨基羧酸基的3-羟基-4-吡啶酮衍生物并研究了对金属离子的螯合能力，发现鸟氨酸衍生物是最好的金属脱附剂，并且表现出最高的金属螯合效率。3-羟基-4-吡啶酮鸟氨酸衍生物即是3-羟基-4-吡啶酮分子中的C2甲基化且N1原子与α氨基戊酸基反应生成的甲基化氨羧化合物N-(α-氨基戊酸基)-2-甲基-3-羟基-4-吡啶酮。四种甲基化氨羧化衍生物中，N-(α-氨基戊酸基)-2-甲基-3-羟基-4-吡啶酮(3，4-HOPO-AV-Me)分子中羟基氧原子和羰基氧原子上Hirshfeld原子电荷达到最大，而且高于3-羟基-4-吡啶酮，稍高于N-(α-氨基丁酸基)-3-羟基-4-吡啶酮(3，4-HOPO-AB)，但最高已占分子轨道能级要明显低于N-(α-氨基丁酸基)-3-羟基-4-吡啶酮(3，4-HOPO-AB)。因此，N-(α-氨基戊酸基)-2-甲基-3-羟基-4-吡啶酮(3，4-HOPO-AV-Me)与硫铁化合物的络合脱除能力可能不及N-(α-氨基丁酸基)-3-羟基-4-吡啶酮(3，4-HOPO-AB)。N-(α-氨基戊酸)-2-甲基-3-羟基-4-吡啶酮的前线分子轨道如图5所示。

图5 N-(α-氨基戊酸基)-2-甲基-3-羟基-4-吡啶酮的前线分子轨道Fig.5 Frontier molecular orbitals of N-(α- aminovaleryl)-2-methyl-3-hydroxy-4-pyridone

4 结 论

1，2-二甲基-3-羟基-4-吡啶酮与硫化亚铁在温和条件具有良好的反应活性证明了羟基吡啶酮作为硫铁化合物脱除络合剂的可行性。在此可行性实验研究的基础上，采用Gaussian09软件，在B3LYP/6-31G*水平上对1，2-二甲基-3-羟基-4-吡啶酮、3-羟基-4-吡啶酮以及3-羟基-4-吡啶酮不同的氨羧化衍生物分子进行了几何结构全优化并进行频率和分子轨道计算。基于优化所得结构，在相同水平下进行了Hirshfled原子电荷计算和相应的Fukui函数计算。分析结果表明，羟基吡啶酮的氨羧化衍生物N-(α-氨基丁酸基)-3-羟基-4-吡啶酮可能是一种潜在的比1，2-二甲基-3-羟基-4-吡啶酮更为有效的出土出水文物硫铁化合物络合脱除剂。