甲卡西酮光譜性質的密度泛函模擬與指認

徐鵬宇，蘇婉芬，鐘愛國

（浙江省臺州學院醫藥化工學院，浙江 臺州316000）

甲卡西酮（又名“浴鹽”，C10H13NO）是近年來出現的對人體有相當危害的新型毒品，屬于國家管制的第一類精神類藥物[1]。吸食甲卡西酮可引起幻覺、鼻出血、鼻灼傷、惡心、嘔吐和血液循環問題，出現皮疹、焦慮、偏執狂、痙攣和妄想。其他副作用還包括注意力差，短期記憶不足，心率增加，心跳異常，抑郁，出汗增加，瞳孔散大，無法正常的打開嘴巴和磨牙。英國國家成癮中心調查資料顯示，在甲卡西酮使用者中，51%自述頭疼，43%出現心悸，27%出現惡心，15%有寒冷或手指發紺癥狀。甲卡西酮于1928年首次合成[2]；1982年在列寧格勒市首次發現甲卡西酮；1989年，美國密歇根州出現濫用的現象；三年后的1992年，威斯康辛州也出現此類現象；2007年，法國警方也在毒品中發現甲卡西酮；2010年，該毒品在英國和愛爾蘭已至少造成37人死亡；2005年，中國國家藥品食品監督管理局將甲卡西酮規定為 I類精神藥品管理，2005版和2007版《麻醉藥品和精神藥品品種目錄》中甲卡西酮均被列入其中，不論生產還是銷售都受到嚴格管制的。據文獻報道[3-5]，分析甲卡西酮較常用的方法是氣質聯用方法，該方法既可以分析體外甲卡西酮，也可以分析尿中甲卡西酮。此外，也有報道使用HPLC方法測定血液中甲卡西酮和毛發中甲卡西酮[6]。文獻中還報道了使用紅外光譜、氣相色譜、紫外光譜、 H核磁和C核磁等分析甲卡西酮的方法[7]。較新型的技術是使用 CD-modified毛細管區帶電泳技術分離甲卡西酮與結構類似物偽麻黃堿[8,9]。由于毒物分析結果常作為法庭評判依據，所以對分析結果的評定需全面的圖譜數據作為支撐材料。本文采用密度泛函理論方法, 對甲卡西酮的分子光譜如紫外-可見吸收，紅外吸收，拉曼吸收，核磁共振吸收以及熒光發射光譜等進行了理論模擬和指認，取得了與實驗相吻合的結果[10]。

1 計算方法

對甲卡西酮分子（R-C10H13NO）采用DFT理論的B3LYP方法在 6-311+G(d,p)基組水平上, 進行了優化計算（圖1）。在優化得到的穩定構型基礎上，采用頻率分析法，結果表明所有簡諧振動頻率全部為正值，表明其計算結果是可信的。本項目的全部計算工作通過Gaussian 09W程序包在PC機上完成。

2 結果與討論

2.1 紫外吸收光譜

采用TD DFT/B3LYP/6-311+G(d,p)方法，理論模擬顯示,甲卡西酮分子在149.5 nm (弱吸收)，203.5 nm (極弱吸收)和225.9 nm (強吸收)處顯示了紫外吸收峰（圖2）。第一個弱吸收峰可歸屬于電子從最高占據軌道(HOMO)躍遷到最低空軌道(LUMO)，第二個極弱吸收峰可歸屬于電子從次高占據軌道(HOMO-1)躍遷到最低空軌道(LUMO)。第三個強吸收峰則可歸屬于電子從第二高占據軌道(HOMO-2)躍遷到最低空軌道(LUMO)。這與其分子標準UV-Vis圖譜顯示甲卡西酮分子在225.0 nm處有較強的紫外吸收峰相吻合[6]。

圖1 甲卡西酮(R-C10H13NO)分子結構和原子編號Fig.1 C10H13NO molecular structure and atomic number

圖2 模擬甲卡西酮分子的紫外吸收光譜Fig.2 Simulation UV absorption spectrum of methcathinone

2.2 電子園二色吸收光譜

采用量子化學密度泛函理論在B3LYP/6-311++G**水平上對甲卡西酮分子幾何構型進行優化;在優化的基礎上進行電子圓二色譜模擬（圖 3）。 計算結果表明，甲醇溶液中的理論ECD譜, 227 nm處存在正性康登效應, 這是由側鏈芳香基團的電子躍遷引起，與實驗值符合較好[7];同時,理論計算還預測標題化合物在150 nm以及201 nm處存在負性康登效應，200 nm以下的遠紫外光譜區，圓二色性主要由肽鍵的電子躍遷引起。

2.3 紅外吸收光譜

物質的紅外吸收光譜是其分子骨架結構的反映，譜圖中的大多數吸收峰可與分子中各基團的簡諧振動形式相對應。采用密度泛函理論方法DFT/B 3LYP/6-311+G(d,p)模擬顯示, “浴鹽”分子在430 cm-1(弱，順式構型)，680 cm-1(強，反式構型)，1 3 70 cm-1(弱，甲基的 C-H 對稱彎曲振動)，1 593 c m-1(強，苯環的C-H面外變形振動吸收峰)，3 192 cm-1(中強，N-H 伸縮振動)，3 452 cm-1(弱，C-H基的伸縮振動)等處分別顯示了紅外吸收峰，這些峰與甲卡西酮分子的實驗IR圖譜在440.50 cm-1, 698.4 cm-1, 1 328.7 cm-1, 1570.7 cm-1, 2 933.4 cm-1和3 500.8 cm-1有吸收野基本吻合[5,7]（圖4）。

圖3 模擬甲卡西酮分子的ECD吸收光譜Fig.3 Simulation ECD absorption spectrum of methcathinone

圖4 模擬甲卡西酮分子的IR圖譜Fig.4 Simulation IR spectrum of methcathinone

2.4 拉曼吸收光譜

拉曼效應起源于分子振動與轉動, 因此從拉曼光譜中可以得到與紅外分子振動互補的信息。采用密度泛函理論 DFT/B3LYP方法，在 6-311+G(d,p)基組水平上進行了分子構型優化和頻率分析，得到6個特征峰。對6個特征峰的分子振動模式進行了詳細的歸屬指認。甲卡西酮由異丙基和甲胺構成的支鏈，取代了苯環上的一個氫原子，形成單取代苯類化合物。圖5是模擬的甲基苯丙胺分子的拉曼散射譜特征峰，主要位于3 451 cm-1(CH3和CH2對稱、反對稱譜線), 3 192 cm-1(單取代苯有五個C-H 伸縮振動)和1 380 cm-1(CH3和CH2基變形形式的倍頻或合頻), 1 592 cm-1(面內 C-H 變形衍生的苯環的振動)以及691 cm-1(內環變形), 441 cm-1(三角形環呼吸振動)范圍內。對比實驗拉曼光譜和理論拉曼光譜，它們的吸收峰基本吻合[7]。

圖5 模擬甲基苯丙胺分子的拉曼圖譜Fig.5 Simulation Raman spectra of methcathinone

2.5 核磁共振光譜

理論模擬了甲卡西酮分子的氫核磁共振譜（1H NMR，見圖6所示），其苯環上5個氫(弱，7.34 ~7.89×10-6),主鏈 CH2(中，4.30×10-6); 支鏈 CH3(中,1.32×10-6); 胺基上的 CH3(強，2.47×10-6)；胺基氫(中，2.0×10-6)。這些吸收峰較好地與其實驗值吻合起來[8]，也進一步驗證了模擬計算的可行性。

圖6 模擬甲卡西酮分子的核磁共振氫譜Fig.6 Simulation 1HNMR of methcathinone

2.6 熒光發射光譜

用TD DFT/B3LYP 6-31+G//CIS HF/6-31+G方法，對甲卡西酮的分子熒光進行了理論模擬, 發現化合物在155.0 nm處的紫外光激勵下，能產生出弱的熒光發射強度，理論峰值位于235.0 nm(圖7，實驗值為 260 nm)[4], 量子化學模擬計算發現，該分子的發光屬于苯環到氨基電子之間的π-π* 躍遷所為。

2.7 反應活性

原子的自然電荷是研究分子的化學活性點位及確定活性區域的親核或親電特性強弱的有效方法。表1的數據顯示，甲基碳(C3，-0.702 e)最負，其次為胺基氮(N11)電荷(-0.679 e)，; 電荷最正的是羰基上的C原子(C1, 0.516 e)。Fukin函數圖8也表明，胺基N原子和甲基C原子，很可能是其發揮藥理和藥理活性的親核反應中心，而羰基C可能是親電中心。

圖7 模擬甲卡西酮分子的熒光吸收Fig.7 Simulation FL of methcathinone

表1 甲卡西酮分子的自然原子電荷值Table 1 Molecular natural charges of methcathinone

圖8 甲卡西酮分子的福井函數圖Fig.8 Simulation Fukin function of methcathinone

3 結 論

對甲卡西酮分子采用密度泛函理論和方法，在6-311+G(d,p)基組水平上進行了優化計算。對其分子光譜(UV-Vis譜，ECD譜，IR, 拉曼光譜,11HNMR 以及熒光光譜等)進行了理論模擬和指認，取得了與實驗數據基本吻合的結果。自然原子電荷（NBO）計算表明，胺基N和與其相連的C原子很可能是其發揮藥理活性的親電和親核反應中心。Fukin函數圖也支持以上結論。本文采用理論模擬光譜峰及其指認將為甲卡西酮的物證分析與檢測提供有益的幫助。

［1］Calkins R F，Aktan G B，Hussain K I.Methcathinone：the next ilicit stimulant epidemic[J].J Psychoactive Drugs，1995，27(3)：277 -285.

［2］Hyde J F，Browning E，Adams R.Synthetic Homologs of d,l-Ephedrine[J].Journal of the American Chemical Society，1928，50(8)：2287-2292.

［3］Lebelle M J， Savard C， Dawson B A，et a1.Chirali dentification and determination of ephedrine pseudoephedrine, metharnphetamine and metecathinone by gas chromatography and nuclear magnetic resonance[J].Forensic science Internationa1，1995，71：215-223.

［4］Buddhan P, KennethA C.Cathinone and methcathinone in urine specimens：a gas chromato graphic-mass spectrometric detection pmcedure[J].Journal of Analytical Toxicology，2001，25：525-530.

［5］Jimmie L.Valentine and Rosalyn Middleton.CK；MS Inion of sympathomimetic amine drugs in urine：rapid methodology applicable for emergency clinical toxicology [J].Journal of Analytical Toxicology，2000， 24：211-222.

［6］Hafid B T，Nouredine S.Methcathinone: A new postindustrial drug[J].Forensic Science Internationa1，2005，153：99-101.

［7］Roman S, Wojciech P.Simultaneous determination of underivatized amphetamines in hair by High-Performance Liquid Chromatography-Atmospheric Pressure Chemical Ionization Mass Spectrometry[J].Journal of Analytical Toxicology，2004，28：77-85 .

［8］Zhingel，K Y，Dovensky W，Cmssman A，et al.Ephedrone 2-Methylamino-1-Phenylpropan-1one[J].Journal of Forensic Science，1991，36(3)：915-920.

［9］常穎，高利生.甲卡西酮概述及其分析方法[J]. 刑事技術,2011(5):35-37.

［10］常穎，徐鵬，高利生. 甲卡西酮的液相色譜法測定[J]. 化學分析計量, 2012, 21(1):67-69.