使用Multiwfn程序對布洛芬分子波函數分析*

趙 智，褚玉婷，劉靖宇，安成龍，陳 煜

(1 鹽城工學院，江蘇 鹽城 224051；2 南通市食品藥品監督檢驗中心，江蘇 南通 226000)

Multiwfn程序[1]是由北京科音自然科學研究中心的盧天從2009年11月起主導開發的最為強大的量子化學波函數分析程序，功能極為廣泛、十分高效、非常易于使用，并且開源免費，使用該程序可以對分子的電子結構和活性位點進行分析。

1 布洛芬分子的簡介

布洛芬，又名2-(4-異丁基苯基)丙酸，其分子式是C13H18O，主要由碳氫氧三種元素組成，化學結構式見圖1。布洛芬分子量為206.28，CAS號是15687-27-1，其外觀是白色或者類白色粉末，易溶于酒精、乙醚等有機溶劑，難溶于水。

布洛芬是一種常用的OTC類非甾體抗炎鎮痛藥，在臨床上廣泛用來治療頭痛、神經痛、周圍神經病、風濕性類風濕性關節炎、骨關節炎和強直性脊柱炎等疾病。目前人們對布洛芬已經做了一些研究[2-6]，但服用后的布洛芬一部分通過人體排泄排出體外到環境中，如何對環境中的布洛芬廢水進行處理也是一項需要研究的問題。

本文借助于量子化學方法，對布洛芬分子的微觀性能進行研究，通過Multiwfn程序進行波函數分析，對布洛芬分子進行了原子電荷分析、靜電勢分析、盆分析、平均局部離子化能分析和電子定位函數分析，有助于大家更熟悉布洛芬的分子結構并找到其活性位點，為今后的研究提供理論指導。

圖1 布洛芬的分子結構圖Fig.1 Molecular structure of ibuprofen

2 布洛芬分子的微觀分析

2.1 Mulliken電荷分析

采用Gaussian 09 軟件[7]，在B3LYP/6-31G*基礎上[8]對布洛芬分子進行結構優化，在輸出文件中得到各個原子的Mulliken電荷，其數據見表1。從表1中我們可以看出，羧基上兩個氧原子(O31和O32)帶較多的負電荷,分別是-0.46和-0.56 hartree，說明羧基上的氧原子容易發生親核反應。除此之外，三個甲基上的碳原子(C1,C20,C26)的負電荷也較多，分別是-0.44，-0.45和-0.44 hartree。苯環上的碳原子所帶的負電荷較少，且相對比較均勻，這是因為苯環是一個大共軛體系，電子分布比較均勻，其中C10和C17因所連的基團電負性較強導致其原子上帶正電荷。

表1 布洛芬分子中各個原子(除氫原子外)的電荷(單位hartree)Table 1 Charge (hartree) of each atom (except hydrogen) in ibuprofen molecule

2.2 靜電勢分析

圖2 布洛芬分子的靜電勢極大點和極小點(kcal/mol)Fig.2 Electrostatic potential maximum and minimum points of ibuprofen molecule (kcal/mol)

圖3 布洛芬分子靜電勢在不同區間的分布Fig.3 Distribution of the electrostatic potential of ibuprofen molecules in different intervals

靜電勢是指將單位正電荷從無窮遠處移到分子周圍空間某點處所做的功，將優化后的分子得到的布洛芬的fch文件載入Multiwfn程序進行靜電勢分析，輸入主功能12，再通過計算得到布洛芬分子表面的靜電勢，其中紅色的點表示極大點，藍色的點表示極小點。從圖2中可以看出，在H33附近出現極大值，且靜電勢數值達到48.0 kcal/mol，這是因為H33周圍的氧原子吸電子能力較強，所以H33處靜電勢出現極大值。在C1處出現極小點，數值為-15.43 kcal/mol。

圖3顯示不同靜電勢大小所占分子表面的面積，如圖3所示，靜電勢主要分布在0～10 kcal/mol的區間里，說明分子表面靜電勢主要是正值，更容易發生親電反應。

2.3 布洛芬分子靜電勢盆分析

將布洛芬分子的fch文件載入到Multiwfn程序中，輸入主功能17，再輸入1生成盆獲得極值點，再輸入靜電勢功能12，開始對布洛芬分子進行靜電勢的盆分析計算，最后得到圖4。從圖4中可以看出，靜電勢分布在羧基附近，且集中在O31附近，說明O31是個活性位點。

圖4 布洛芬分子的靜電勢盆分析Fig.4 Electrostatic potential basin analysis of ibuprofen molecule

2.4 布洛芬分子的平均局部離子化能(ALIE)分析

平均局部離子化能(ALIE)有很多應用，比如衡量電負性、表征局部極化率、預測pKa，展現原子殼層結構，最為重要的就是它預測反應位點的能力。在分子表面上，ALIE越小處，由于電子束縛得越弱，或者說電子活性越強，就越容易發生親電及自由基反應。通過定量分子表面分析算法，找出分子表面上ALIE最小的幾個點，看這幾個點離哪些原子比較近，就能判斷哪些原子最可能是反應活性位點。ALIE的極小點容易出現在pi電子、孤對電子附近，因為這些區域的電子被束縛得較弱。可以認為ALIE越小處，局部極化率越大。

從圖4中可以看出，O31附近平均局部離子化能比較小，電子容易給出，同時苯環上C11和C13的平均局部離子化能數值8.99 eV,但是苯環是一個大共軛體系，所以我們不作為活性位點研究。

圖5 布洛芬分子的ALIE圖Fig.5 The ALIE diagram of ibuprofen molecule

2.5 布洛芬分子的電子定位函數(ELF)圖分析

圖6 布洛芬分子中羧基的ELF圖Fig.6 The ELF diagram of carboxyl group in ibuprofen molecule

在Multiwfn程序中輸入主功能4繪制平面圖，再輸入功能9繪制電子定位函數(ELF)圖。我們選定羧基區域，得到電子定位函數EIF圖。從圖6中可以看出，羧基附近主要以紅色為主，說明電子離域化程度高，羧基上的電子容易離域，進攻空軌道發生親核反應。所以布洛芬分子中羧基基團是活性位點。

3 結 語

通過高斯軟件對布洛芬分子進行結構優化，得到分子中的原子電荷和分子的fch文件，再將fch文件載入到Multiwfn軟件中進行計算。通過對分子進行靜電勢分析、盆分析、平均局部離子化能(ALIE)分析和電子定位函數(ELF)分析，發現羧基上的氧原子帶較多的負電荷，靜電勢也主要分布在羧基附近，且羧基上O31號ALIE小，另外羧基上電子離域性高。說明羧基分子上電子更易給出，是活性位點，容易與空軌道發生親核反應。