呋塞米光譜的密度泛函理論研究

蘇學(xué)軍，梁小蕊，周俊涵，高宇航，王文豪

(1.海軍航空大學(xué)，山東 煙臺 264001；2.海軍航空大學(xué)學(xué)員15隊(duì)，山東 煙臺 264001；3.海軍航空大學(xué)學(xué)員26隊(duì)，山東 煙臺 264001)

呋塞米(furosemide或frusemide)，化學(xué)名稱為2-[(2-呋喃甲基)氨基]-5-(氨磺酰基)-4-氯苯甲酸，又名呋喃苯胺酸、利尿磺酸、速尿靈、利尿靈等，是一種循環(huán)利尿藥，常用于治療充血性心力衰竭、急、慢性腎衰竭、肺水腫、肺源性心臟病和高血壓等疾病，也可用于防止賽馬在比賽中鼻出血。與其他利尿藥一樣，呋塞米經(jīng)常會被不法商家添加在減肥藥等保健品中，以增加其減肥效果，但是長期服用會導(dǎo)致機(jī)體電解質(zhì)紊亂、腹瀉、頭暈、惡心，甚至?xí)T發(fā)心腦血管疾病，嚴(yán)重威脅消費(fèi)者的身體健康，因此，有必要對保健類食品進(jìn)行分析檢測，以判斷其中是否非法摻入了此類藥物。目前檢測方法主要包括高效液相色譜、質(zhì)譜、拉曼光譜及紅外光譜等方法[1-8]。

本文主要從理論角度對呋塞米分子進(jìn)行研究，選取密度泛函中的雜化密度泛函B3LYP理論方法，在6-31G(d,p)基組水平上對呋塞米分子進(jìn)行幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在優(yōu)化結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，計(jì)算呋塞米分子的振動頻率，繪制紅外光譜、紫外光譜，并對光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析討論，以期更好地了解呋塞米的各類物理和化學(xué)性質(zhì)，為呋塞米的應(yīng)用及在各類產(chǎn)品中的分析檢測提供一定的理論指導(dǎo)。

1 計(jì)算部分

密度泛函理論方法(Density Function Theoretical，DFT)被認(rèn)為是目前計(jì)算化學(xué)中運(yùn)用非常廣泛的量子化學(xué)計(jì)算方法，此方法計(jì)算結(jié)果精確并且計(jì)算成本較低，廣泛應(yīng)用于有機(jī)化合物分子的幾何結(jié)構(gòu)、能量、電荷密度分布、振動頻率等相關(guān)性質(zhì)的計(jì)算中[9-13]。本文應(yīng)用Chemoffice 2006及Gaussian View 5.0軟件構(gòu)建了呋塞米分子的平面及立體初始構(gòu)型，采用DFT中的雜化密度泛函B3LYP方法，考慮H原子及非H原子的極化，選取6-31G(d,p)基組，對呋塞米分子的穩(wěn)定構(gòu)型進(jìn)行了幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化。在優(yōu)化構(gòu)型的基礎(chǔ)上，采用同樣的理論方法及6-31G基組，計(jì)算了呋塞米分子的紅外振動頻率、紫外光譜，并進(jìn)一步探討了呋塞米分子的光譜特征。全部計(jì)算在Gaussian09程序中完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 分子的幾何構(gòu)型

用B3LYP/6-31G(d,p)理論方法對呋塞米分子(其平面結(jié)構(gòu)如圖1所示)進(jìn)行幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化后的穩(wěn)定構(gòu)型及其笛卡爾坐標(biāo)系如圖2所示，結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。由圖2可看出，分子中的呋喃環(huán)在x軸方向上有所扭曲。由表1中的二面角數(shù)據(jù)可知，除了∠N9-C15-C18-C19、∠N9-C15-C18-O20、∠O28-S26-O29-C1、∠O29-C1-S26-N30、∠N30-S26-C1-C6和∠N30-S26-C1-C2分別為117.6°、63.36°、124.3°、115.1°、62.67°和120.2°外，其余二面角的值均近似180°或0°，表明呋喃環(huán)與苯環(huán)所在平面存在63.36°的二面角，26號硫原子上的氨基與苯環(huán)存在62.67°的二面角，其余各原子均近似在同一平面。

圖1 呋塞米分子的平面結(jié)構(gòu)

圖2 呋塞米分子優(yōu)化后的立體構(gòu)型

表1 優(yōu)化后呋塞米分子的結(jié)構(gòu)參數(shù)

表1中的鍵長數(shù)據(jù)顯示C1-C2鍵長為0.138 8 nm，C5-C6鍵長為0.138 3 nm，比未取代苯環(huán)中的碳碳鍵長0.139 5 nm要短；而C2-C3、C3-C4、C4-C5和C1-C6的鍵長比未取代苯環(huán)的碳碳鍵長都要長，在0.139 9～0.143 2 nm范圍內(nèi)，這是由于取代基的作用，使苯環(huán)形狀扭曲。并且由表1中數(shù)據(jù)可以看出，N9-C15所在取代基對苯環(huán)形狀的影響較大。18號碳原子所在的呋喃環(huán)中，2個(gè)碳氧單鍵鍵長分別為0.137 1和0.136 5 nm，較未取代時(shí)的鍵長0.145 6 nm要短，碳碳單鍵鍵長為0.143 4 nm，也比未取代時(shí)的鍵長0.150 7 nm要短；而2個(gè)碳碳雙鍵鍵長分別為0.136 0和0.136 3 nm，比未取代時(shí)的鍵長0.134 6 nm要長，這說明在取代基的作用下，呋喃環(huán)的單鍵變短，雙鍵變長了，在分子內(nèi)形成了共軛體系。

由表1的鍵角數(shù)據(jù)可知，除了∠C1-S26-O29、∠C1-S26-O28和∠C1-S26-N30鍵角的值分別為108.8°、106.7°和103.5°，∠C18-C19-C21、∠C19-C21-C23、∠O20-C18-C19和∠C21-C23-O20鍵角的值分別為106.6°、106.1°、109.8°和110.5°外，其他鍵角均接近120°，這說明呋塞米分子中大部分原子均為sp2雜化方式成鍵，而S原子和呋喃環(huán)中各原子成鍵方式為sp3雜化。

2.2 振動頻率分析

振動頻率是推斷穩(wěn)定點(diǎn)的實(shí)質(zhì)，通過最高振動頻率可以找到紅外光譜中最強(qiáng)振動峰的所在位置，而最低振動頻率則可以說明計(jì)算所得結(jié)構(gòu)中是否有虛頻的存在[14-15]。本文經(jīng)密度泛函理論方法優(yōu)化后得到呋塞米分子的5個(gè)最小振動頻率值分別為17.30、27.72、50.31、51.24和53.93，其對應(yīng)的振動強(qiáng)度值分別為0.438 4、0.312 3、1.134 7、0.193 9和3.968 4。結(jié)果顯示沒有負(fù)值，即沒有出現(xiàn)虛頻，說明所得結(jié)構(gòu)均是勢能面上的穩(wěn)定點(diǎn)，本文所選取的優(yōu)化方法合理。

2.3 前線分子軌道分析

利用上述密度泛函理論方法計(jì)算得到呋塞米分子優(yōu)化后的能量結(jié)果為-1 807.85 a.u.，經(jīng)單位換算后得到-49 194.09 ev，能量數(shù)值很低，說明用該方法優(yōu)化得到的分子構(gòu)型達(dá)到其最低能量狀態(tài)。在優(yōu)化構(gòu)型的基礎(chǔ)上，應(yīng)用Gaussian view軟件計(jì)算分子的最高占有軌道(Highest Occupied Molecular Orbital, HOMO)、最低空軌道(Lowest Occupied Molecular Orbital, LUMO)及其他前線分子軌道的電子云分布圖(見圖3)。前線分子軌道決定分子的重要性質(zhì)如電、光、紫外可見光譜及化學(xué)反應(yīng)[16-17]。計(jì)算結(jié)果顯示，HOMO能量為-0.308 69 a.u.，LUMO能量為-0.189 34 a.u.，二者之間的能隙差ΔE=0.119 35 a.u.，差值較小，說明呋塞米分子不穩(wěn)定，容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

圖3 呋塞米前線分子軌道電子云分布圖

從圖3可以看出，最高占有軌道電子云主要集中在苯環(huán)的C1、C6、C3、C4原子，以及Cl原子、N9-C15上，而最低空軌道電子云主要集中在苯環(huán)及苯環(huán)上取代的Cl原子和羧基上，這說明苯環(huán)和Cl原子具有接受電子和提供電子的能力。

2.4 分子紅外光譜分析

紅外光譜能夠反映分子轉(zhuǎn)動和振動的特征，可以突出一些官能團(tuán)，特別是極性官能團(tuán)的信息，這對于有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)鑒定具有非常重要的參考價(jià)值[18-19]。

本文在上述優(yōu)化構(gòu)型的基礎(chǔ)上，利用DFT中的B3LYP方法，采用6-31G(d,p)基組，計(jì)算得到了呋塞米分子在400～3 800 cm-1范圍內(nèi)的紅外振動頻率，并應(yīng)用Gausian view5.0軟件繪制了紅外光譜圖(見圖4)。根據(jù)分子紅外吸收峰的情況，將IR譜圖分成400～1 000 cm-1、1 000～1 850 cm-1、3 000～3 800 cm-1等3個(gè)區(qū)域進(jìn)行分析。

400～1 000 cm-1區(qū)域內(nèi)的最強(qiáng)吸收峰出現(xiàn)在546 cm-1處，這主要是由H31-N30-H32和O12-H13的面外彎曲振動引起的(見圖5)；次強(qiáng)峰出現(xiàn)在971 cm-1處，主要貢獻(xiàn)是苯環(huán)的面內(nèi)彎曲振動，也有少部分的N9-H10的面內(nèi)彎曲振動。

a)400～1 000 cm-1

圖5 546 cm-1處的振動模式

1 000～1 850 cm-1區(qū)域內(nèi)的最強(qiáng)峰在1 647 cm-1處，這也是分子全部波數(shù)范圍內(nèi)中的最強(qiáng)峰，它是由呋塞米分子中苯環(huán)的伸縮振動引起的(見圖6)。次強(qiáng)峰在1 816 cm-1處，主要是由C11-O14的伸縮振動引起的(見圖7)。由于1 000～1 850 cm-1是出現(xiàn)吸收峰最多的區(qū)域，并且1 600～1 820cm-1是出現(xiàn)的紅外吸收峰強(qiáng)度最高的范圍，因此將這部分區(qū)域的紅外吸收峰及其振動分析列于表中(見表2)。

圖6 1 647 cm-1處的振動模式

圖7 1 816 cm-1處的振動模式

表2 1 000～1 850 cm-1范圍內(nèi)的振動頻率分析

a)1 123 cm-1處 b)1 155 cm-1處

3 000～3 800 cm-1區(qū)域內(nèi)的吸收峰是最少的，振動強(qiáng)度也較小，主要振動類型均為伸縮振動。按照振動強(qiáng)度由大到小的順序?yàn)椋? 621、3 761、3 515和3 636 cm-1處，其主要貢獻(xiàn)分別為N9-H10伸縮振動、O12-H13伸縮振動、H31-N30-H32對稱伸縮振動和H31-N30-H32不對稱伸縮振動。

2.5 紫外光譜

分子中的價(jià)電子吸收能量后，會躍遷到高能級，所產(chǎn)生的吸收光譜一般在紫外到可見波段。本文采用含時(shí)密度泛函TD-DFT方法，在優(yōu)化構(gòu)型的基礎(chǔ)上，主要計(jì)算得到呋塞米分子在200～400 nm波段的紫外光譜(見圖9)。分子的紫外最大吸收波長計(jì)算值為314.3 nm，主要是由HOMO→LUMO躍遷所致，HOMO→LUMO躍遷貢獻(xiàn)為68.44%，HOMO-2→LUMO+1貢獻(xiàn)為11.13%。

圖9 呋塞米分子的紫外光譜

3 結(jié)語

本文選取呋塞米分子為研究對象，對其分子結(jié)構(gòu)及光譜進(jìn)行了理論研究。基于DFT理論方法，在B3LYP/6-31G(d,p)基組水平上，對呋塞米分子的穩(wěn)定構(gòu)型進(jìn)行了幾何結(jié)構(gòu)全優(yōu)化。優(yōu)化結(jié)果表明，呋塞米分子中的呋喃環(huán)與苯環(huán)所在平面存在63.36°的二面角，26號硫原子上的氨基與苯環(huán)存在62.67°的二面角，其余各原子均近似在同一平面。利用Gaussian view程序繪制了呋塞米分子的HOMO和LUMO的電子云分布圖及軌道能量，結(jié)果顯示，分子的能隙差較小，容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。在優(yōu)化的最穩(wěn)定構(gòu)型的基礎(chǔ)上，選取B3LYP/6-31G基組，計(jì)算了呋塞米分子的紅外振動頻率及紅外光譜圖，并探討了分子的紅外振動模式。分析顯示，在400～1 000 cm-1區(qū)域內(nèi)主要是彎曲振動模式；3 000～3 800 cm-1范圍內(nèi)的振動類型均為伸縮振動模式，這部分振動是強(qiáng)度最小，也是吸收峰最少的區(qū)域；而1 000～1 850 cm-1區(qū)域是紅外吸收峰出現(xiàn)最多的區(qū)域，也是峰強(qiáng)度最高的區(qū)域，振動模式既包括彎曲振動也包括伸縮振動。最后本文用TD-DFT方法計(jì)算了呋塞米的紫外光譜，結(jié)果顯示分子的紫外最大吸收波長在314.3 nm處，主要是由HOMO→LUMO躍遷所致。本文全部的理論計(jì)算是在Gaussian09軟件中進(jìn)行的，通過計(jì)算及分析結(jié)果可更好地了解呋塞米的性質(zhì)，并為呋塞米的應(yīng)用及檢測提供一定的理論指導(dǎo)。