尼古丁分子的能級結構和光譜計算

鐘玉潔,陸利敏,李佳會,王 婷,余 嬌,于建成,唐延林

(貴州大學 物理學院,貴陽 550025)

1 引 言

尼古丁(Nicotine)是一種存在于煙草中生物堿，也被稱為煙堿，煙草中尼古丁含量一般為1%-2%[1].尼古丁能刺激中樞神經產生多巴胺讓人興奮甚至產生依賴性，所以，在現實生活中人們容易對等含有尼古丁成分的藥物或煙草上癮，主要表現為吸煙者可以通過尼古丁調節自身的興奮程度，若戒煙則會引起易怒、煩躁、郁悶及坐立不安等行為.吸煙者很難戒煙的原因是尼古丁可以與人體大腦神經原受體結合，而大量吸食尼古丁后，尼古丁對神經原的刺激不敏感[2]，我們稱之為耐受性.此時，大腦內的乙酰膽堿活性增強，吸煙者因此會吸食更多的香煙，若不能吸食就會變得煩躁[3].有研究者已經用動物誘變實驗證實了Nicotine在人體中有協同致癌作用，其原因為在人體吸入尼古丁后，尼古丁在人體內發生亞硝酸化，而亞硝酸衍生物是人體器官專屬性的致癌物之一.若大量吸食煙草或含有尼古丁的藥物會引起血壓升高、無食欲、惡心嘔吐甚至死亡.同時，研究表明吸食香煙的人生育的孩子容易畸形，由此可以推測出尼古丁可能對遺傳會有一定的毒性，即影響染色體的結構、功能或者是基因的表達[4].因此尼古丁的探究一直具有生命意義.

對尼古丁分子體系的研究分析能夠加深人們對尼古丁危害的認識，如尼古丁能引起嚴重的血管疾病、癌癥等，作為神經毒素能影響細胞凋亡和畸形生長、提高基因表達率、分泌激素和調節酶的活性等危害.王婷等人研究小鼠持續吸入二手煙對尼古丁的成癮性，結果表明吸收二手煙能導致小鼠對尼古丁上癮，且阻礙小鼠的生長發育，但可以增強小鼠空間記憶的學習能力，這表明尼古丁具有利與弊的二重性[5].趙勁風等人研究了尼古丁增強肺癌細胞耐藥性與Bc-2家族蛋白的關系，表明尼古丁能增強肺癌細胞的耐藥性，為肺癌疾病的治療提供另一種思路[6].朱成云等人研究微生物代謝尼古丁，結果表明尼古丁對環境和人的危害比較大，為尼古丁代謝微生物的相關應用提供參考依據，有利于合理改善環境和保護人類身體健康[7].林靜遠等人研究了尼古丁對內隱記憶與外顯記憶的影響，研究表明在尼古丁的影響下，內隱記憶與外顯記憶都會受到相應的影響，相比之下內隱記憶影響程度更大[8].尼古丁有良好的血腦屏障透過功能，吸入尼古丁后10～20s其就能進入人體大腦，尼古丁代謝消除的半衰期為1～2h[9].尼古丁作為乙酰膽堿類似物，能夠抑制多種外源刺激誘發的炎癥.在炎癥過程中，尼古丁可通過結合a7受體對炎癥反應進行干預[10].尼古丁刺激中樞神經分泌多巴胺，同時尼古丁還通過作用于位于中央神經系統的神經型尼古丁受體，釋放如多巴胺和血清素的神經傳導物質，激活大腦皮層中心多巴胺系統,加強生理依賴效[11].

前人對尼古丁的研究主要是在尼古丁微生物降解代謝機制、尼古丁的生理效應、尼古丁的藥性和毒性等方面，但對于尼古丁分子的能級結構、活性位點及光譜特征等方面沒有深入研究.分子結構參數與特性參數的量子化學計算，為其性質的實驗研究提供了理論依據[12-14].本文將通過量子模擬計算來分析尼古丁分子前線軌道、活性位點、紅外光譜、振動類型以及紫外光譜等，以期更多了解尼古丁分子的特性，為人們更加科學地應用尼古丁分子的藥性提供理論依據.

2 計算及分析方法

使用Gaussian 09軟件包，以Gaussian view 6.0建模，在氣相環境下，利用密度泛函(DFT)[15]的B3LYP方法在6-311G(d,p)的基組水平上對尼古丁分子進行幾何構型優化(opt+freq)和頻率計算，結果均收斂，無虛頻且達到能量最小點，表明優化的結果是穩定構型；用關鍵字freq=intmodes進行振動分析，得到紅外光譜，分析尼古丁分子紅外光譜所對應的的各個特征集團振動模式.在同樣的基組水平上運用TD-DFT理論[16,17]，計算了尼古丁分子的紫外光譜，分析了紫外峰的躍遷模式，并用Multiwfn 波函數分析軟件[18-20]分析分子表面靜電勢和前線軌道.

3 結果與討論

3.1 分子構型

尼古丁分子優化后的幾何構型如圖1所示，尼古丁分子由一個吡啶環，一個吡咯環和一個甲基構成，由圖可知，吡啶環共面，分子沒有對稱性，各個原子間作用力不同導致整個分子被扭曲，吡咯環與相連的甲基并不共面，成較復雜的空間立體結構.

3.2 分子前線軌道性質

在研究分子的化學性質和化學反應時，分子的最高占據軌道(HOMO)與最低空軌道(LUMO)是最重要.將優化后的分子穩定構型導入Multiwfn波函數分析軟件，使用Mulliken劃分方法，分別計算每個原子對分子前線軌道的貢獻率.表1分別列出分子前線軌道的能量(eV)、占據數和軌道類型，表2給出了各原子對相應分子前線軌道的貢獻率(取貢獻率最大的8個原子).計算表明尼古丁分子HOMO為第44個電子軌道，LUMO為第45個電子軌道，其電子云如圖2所示.圖中綠色代表軌道相位為正，藍色代表軌道相位為負的部分.

表1 尼古丁分子前線軌道信息Table 1 Frontier orbital information of nicotine molecules

圖2 尼古丁分子前線軌道電子云Fig.2 Electron cloud in frontier orbit of nicotine molecules

表2 各原子對尼古丁分子前線軌道的貢獻
Table 2 Contributions of various atoms to the frontier orbital of nicotine molecules

原子Atom對HOMO貢獻Contri.toHOMO/%原子Atom對LUMO貢獻Contri.toLUMO/%22(N)62.497199%3(C)32.939762%21(H)6.577589%6(N)25.482200%18(H)6.431246%1(C)13.950826%24(H)6.064277%4(C)11.032889%6(N)3.266065%5(C)7.489065%11(C)2.566407%2(C)6.151164%13(C)2.343791%15(H)0.675541%13(C)2.343791%7(H)0.430440%

由表2知，對尼古丁分子最高占據軌道(HOMO)的電子云貢獻最大的是N22原子，達到了62.497199%，說明N22原子最有可能是該分子的親電活性位點，最易受親電試劑攻擊而發生親電反應；對HOMO軌道貢獻最小的是在吡咯環上的亞甲基上的氫和吡啶環上的氫，這兩個氫原子不在貢獻率前八位的表中.對最低空軌道(LUMO)電子云貢獻最大的是C3原子和N6原子，貢獻率分別達到了32.939762%和25.482200%，說明C3原子和N6原子最有可能是該分子親核活性位點，對軌道貢獻最大，最易收親核試劑攻擊而發生親核反應.

3.3 分子光譜

3.3.1分子的紅外光譜

通過理論計算得到的尼古丁分子紅外光譜如圖3所示，其中橫坐標為波數(cm-1)、縱坐標為摩爾吸光系數.

圖3 尼古丁分子的紅外光譜Fig.3 Infraredspectra of nicotine molecules

表3給出了尼古丁分子紅外光譜圖中較高的吸收峰對應的振動歸屬.吡啶環的C-H鍵面內伸縮振動峰主要集中在3049～3079 cm-1處；吡咯環上的甲基，亞甲基的伸縮振動峰主要集中在2796～3005 cm-1處，其中甲基上C-H鍵振動峰在2816 cm-1處最為明顯，占比43.3%；吡咯環與吡啶環的擺動峰主要集中在1027～1455 cm-1，吡啶環的面內振動峰主要集中在1008～1027 cm-1，在800 cm-1以下吸收峰都為吡啶環的面外擺動峰.

表3 尼古丁分子紅外峰對應的振動歸屬
Table 3 Vibrations corresponding to infrared peaks of nicotine molecules

序數No位置X(cm-1)振動分析Vibrationanalysis13079吡啶環面內C-H鍵的伸縮振動為主23049吡啶環上氮原子對位上的C-H鍵伸縮振動為主33005吡咯環上的亞甲基不對稱伸縮振動為主42961吡咯環上與N原子相連的甲基上的C-H鍵對稱伸縮振動明顯52816吡咯環上的N原子相連的甲基C-H鍵伸縮振動62796吡咯環上與N原子相連的亞甲基上C-H鍵的伸縮振動為主71455吡啶環上C-H鍵的面內擺動為主以及吡咯環上亞甲基的擺動81414吡咯環上甲基C-H鍵的彎曲振動以及吡啶環面內振動91208吡咯環上亞甲基的擺動為主101186吡啶環上C-H鍵的面內擺動以及吡咯環上甲基的擺動111139吡咯環上的亞甲基振動明顯以及甲基的擺動121100吡咯環上的甲基和亞甲基擺動131027吡咯環上的甲基和亞甲基擺動為主以及吡啶環面內振動141008吡啶環面內彎曲振動15880吡咯環上甲基,亞甲基面外彎曲振動16795吡啶環C-H鍵面外擺動為主以及吡咯環亞甲基的擺動17712吡啶環C-H鍵面外擺動

3.3.2分子的紫外光譜

采用TD-DFT方法，在優化結構的基礎上計算了尼古丁分子的15個激發態，并得到了相應的UV光譜，如圖4所示，圖中S0表示基態，Sx表示第x個激發態.根據計算得到最大的吸收峰位于173.46571 nm處，對應的主要躍遷有：從基態躍遷到第6激發態，貢獻率為0.0131%；從基態躍遷到第10激發態，貢獻率為7.1039%；從基態躍遷到第11激發態，貢獻率為47.4220%；從基態躍遷到第12激發態，貢獻率為22.5882%；從基態躍遷到第13激發態，貢獻率為9.3187%；從基態躍遷到第14激發態，貢獻率為12.0478%.計算的15個激發態中，另外幾個激發態的振子強度均低于所設閾值0.03.

圖4 尼古丁分子紫外光譜Fig.4 UV spectra of nicotine molecules

表4給出了分子從基態躍遷到各個激發態的所對應的能量間隔、紫外光譜波長、振子強度、軌道躍遷及各個軌道躍遷的權重.

4 結 論

(1)優化結果表明：尼古丁分子呈復雜的空間立體結構而非平面結構.

(2)由分子的前線軌道組成知，對尼古丁分子最高占據軌道(HOMO)的電子云貢獻最大的是N22原子，達到了62.50%，說明N22原子最有可能是該分子的親電活性位點，最易受親電試劑攻擊而發生親電反應；對最低空軌道(LUMO)電子云貢獻最大的是C3原子和N6原子，貢獻率分別達到了32.94%和25.48%，說明C3原子和N6原子最有可能是該分子親核活性位點，對軌道貢獻最大，最易收親核試劑攻擊而發生親核反應.

表4 尼古丁分子激發態的性質Table 4 Properties of excited states of nicotine molecules

(3)吡啶環的面內伸縮振動峰主要集中在3049～3079 cm-1處，吡咯環上的甲基、亞甲基的伸縮振動峰主要集中在2796～3005 cm-1處，其中在2816 cm-1處甲基上C-H鍵振動峰最為明顯，占比43.3%；吡咯環與吡啶環的擺動峰主要集中在1027～1455 cm-1處，吡啶環的面內振動峰主要集中在1008～1027 cm-1處，在800 cm-1以下吸收峰都為吡啶環的面外擺動峰.

(4)分子紫外光譜的最大吸收峰位于173.46571 nm處，是由基態S0躍遷到激發態S5、S6、S10、S11、S12、S13、S14而形成，其中從基態S0躍遷到第11激發態S11對分子紫外光譜最大吸收峰的貢獻率最大，其余的躍遷振子強度小于0.03，可視為禁阻躍遷.