本研究旨在揭示水环境对吡哆醇分子几何结构和电子性质的影响，采用Car-Parrinello分子动力学（CPMD）模拟方法进行分析。通过Hirshfeld表面（HS）分析，研究了吡哆醇在固态下的超分子排列，同时结合凝聚能计算，对比了固态和溶液态之间的差异，以理解其溶解过程。自由能计算进一步证实了这些相互作用在热力学上是可行的，且几何分析表明这些氢键属于中等强度的相互作用。电子密度拓扑分析则显示，在稳定化之后，其中两个氢键的强度从弱到中等，而另外两个则从弱到强。HS分析强调了吡哆醇分子之间存在显著的分子间氢键，这些氢键负责形成一种类似片状的、锯齿状的晶体网络结构。凝聚能评估支持了吡哆醇在水中的溶解性实验观察。这些发现为理解维生素B6在溶液中的分子行为提供了重要的见解，从而有助于进一步揭示其化学性质和生物活性。
维生素B6（吡哆醇）是一种通过饮食或药物获得的辅酶，它在人体内被肠细胞吸收，并转化为其活性形式。吡哆醇参与了广泛的生化反应，涉及超过140种特定的催化功能，并在氨基酸、碳水化合物和脂类的代谢过程中发挥关键作用。作为一种水溶性化合物，吡哆醇对人类健康至关重要，具有多种生物活性。其中包括调节心率、免疫系统功能、血压、肌肉收缩以及神经递质的合成。在医学领域，吡哆醇被用于治疗 sideroblastic 贫血、吡哆醇依赖性癫痫、异烟肼缺乏引起的周围神经病变以及维生素B6缺乏症。血液中吡哆醇水平较低与心血管疾病、中风、静脉血栓、炎症性肠病、高血压和糖尿病的风险增加相关。此外，研究还发现吡哆醇缺乏与某些类型的癌症，如胃癌、结直肠癌、肺癌和肾癌之间存在联系。近年来，吡哆醇被提出作为治疗急性髓系白血病的潜在药物。也有证据表明，它可能通过氧化还原再平衡增强乳腺癌干细胞的化学敏感性。癌症与吡哆醇之间的关联主要归因于其高效的抗氧化特性，尽管其作用机制仍不完全清楚。研究指出，该分子能够淬灭活性氧物种，缓解氧化应激，并被认为在B6族中是最有效的抗氧化剂之一。
尽管吡哆醇对维持人体内稳态至关重要，并展现出多种具有药理潜力的生物活性，但其作用机制尚未完全阐明。吡哆醇的结构和动态特性对其在水溶液中的任何化学反应都具有重要影响。水分子与药物分子之间形成的氢键在其生物活性中起着关键作用。因此，理解吡哆醇在人体内的溶剂化结构，即在水环境中，对于阐明其作用机制至关重要。因此，吡哆醇成为许多理论研究的重点，研究其在水溶剂化作用下的影响。Matxain等人使用密度泛函理论（DFT）在B3LYP/6–31 + G(d,p)理论水平上探讨了其清除活性氧物种的能力。研究结果确认了吡哆醇作为一种高效的抗氧化剂，能够清除羟基（OH）、过氧基（OOH）和氧气（O₂）自由基。在水溶液中的热力学计算中，应用了极化连续模型（PCM）形式，以估算溶剂效应。该方法将溶剂表示为一个响应的连续分布，也被Peter等人用于研究水环境对吡哆醇抗氧化潜力的影响，尤其是其芳香羟基基团。SMD（基于密度的溶剂化模型）连续模型也被使用。他们的研究结果表明，在水环境中，OH去质子化是首选过程，且吡哆醇的质子化和互变异构平衡依赖于溶剂，可以直接影响其抗氧化活性。
维生素B6的质子化和互变异构平衡也通过DFT方法进行了研究。Kiruba和Wong使用三种溶剂模型（连续、离散和混合方法）评估了维生素B6活性形式在不同溶剂中的互变异构平衡。其中，离散模型中考虑了两个水分子。他们的研究结果指出，混合模型在模拟溶剂效应方面最为有效，其中溶剂对偶极子形式的强稳定化通过氢键距离反映出来。Gamov等人使用PCM方法模拟了吡哆醇的质子化和互变异构平衡中的溶剂效应。在他们的研究中，模拟的溶剂包括水、乙醇以及水和乙醇的二元混合物。他们预测，二元溶剂对亲核取代反应的影响与水溶液相比并不显著，且吡哆醇在水环境中的质子化会直接影响其质子化和互变异构平衡。Mikael等人和Yousuo等人分别使用B3LYP/6-311+G(d,p)和B3LYP/DZP++方法研究了吡哆醇在水环境中的质子化物种。两者都采用了类似导体的PCM模型来模拟溶剂。Yousuo等人得出结论，吡哆醇的质子化在水介质中更为稳定。Mikael等人研究了pH依赖下的电子和光谱特性，得出结论，既不是PCM方法，也不是加入少量显式水分子足以准确描述吡哆醇在生理pH下的光谱特性。
Abyar和Farrokhpour使用混合方法（PCM结合一个显式水分子）模拟溶剂，计算了吡哆醇在水相中的电离能和光电子光谱。他们观察到，水分子与吡哆醇分子上特定部位的直接相互作用导致其电离能、光电子光谱以及电离带的归属发生显著变化，突显了显式氢键作用的重要性。Ouassila等人研究了氢键在吡哆醇/β-环糊精复合物稳定性中的作用。为了详细分析这些相互作用，他们采用了量子理论中的原子分子分析（QTAIM），因其在预测氢键性质方面具有高效率。同样，在最近的一项研究中，Kamasa等人应用QTAIM来表征吡哆醇、琥珀酸和水之间形成的氢键。
水环境对吡哆醇的影响也通过实验进行了研究。Ritesh等人使用多频率超声干涉仪技术研究了吡哆醇盐与水的二元混合物。他们的研究结果表明，两种成分之间形成了不同的复合物，这些复合物与氢键有关。药物浓度和键强度呈正相关。此外，吡哆醇盐在不同水溶液中的溶解性也通过重力法进行了研究。研究结果表明，溶解过程是自发的，并且其溶解性与纯水中的溶解性相当。还进行了吡哆醇盐在不同温度下的体积和粘度研究。
尽管许多理论研究探讨了水溶剂对吡哆醇的影响，但很少有研究明确考虑其与水分子之间的相互作用。据我们所知，尚未有研究使用从头算分子动力学（ab initio molecular dynamics）方法探讨水溶剂化对吡哆醇几何和电子参数的影响。最近，该技术被用于研究生物分子的水溶剂化作用。它允许在动态轨迹生成过程中计算作用在原子上的力。其计算效率使得可以构建包含大量水分子的系统，从而模拟无限稀释条件。
本研究采用Car-Parrinello分子动力学（CPMD）和量子理论中的原子分子分析（QTAIM）方法，研究水溶剂化对吡哆醇结构和电子性质的影响。同时，通过Hirshfeld表面（HS）分析对其晶体超分子排列进行表征，并评估其凝聚能和溶解性。本文的结构如下：第二部分详细介绍了计算方法，第三部分的2.2节讨论了固态分析，第三部分的3.3节展示了Car-Parrinello分子动力学模拟的研究，第三部分的3.4节描述了凝聚能和溶解性的分析。
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