甲卡西酮光譜性質(zhì)的密度泛函模擬與指認(rèn)

徐鵬宇，蘇婉芬，鐘愛國

（浙江省臺(tái)州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院，浙江 臺(tái)州316000）

甲卡西酮（又名“浴鹽”，C10H13NO）是近年來出現(xiàn)的對(duì)人體有相當(dāng)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(huán)問題，出現(xiàn)皮疹、焦慮、偏執(zhí)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(diào)查資料顯示，在甲卡西酮使用者中，51%自述頭疼，43%出現(xiàn)心悸，27%出現(xiàn)惡心，15%有寒冷或手指發(fā)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(fā)現(xiàn)甲卡西酮；1989年，美國密歇根州出現(xiàn)濫用的現(xiàn)象；三年后的1992年，威斯康辛州也出現(xiàn)此類現(xiàn)象；2007年，法國警方也在毒品中發(fā)現(xiàn)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(jiān)督管理局將甲卡西酮規(guī)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(chǎn)還是銷售都受到嚴(yán)格管制的。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[3-5]，分析甲卡西酮較常用的方法是氣質(zhì)聯(lián)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(bào)道使用HPLC方法測定血液中甲卡西酮和毛發(fā)中甲卡西酮[6]。文獻(xiàn)中還報(bào)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(shù)是使用 CD-modified毛細(xì)管區(qū)帶電泳技術(shù)分離甲卡西酮與結(jié)構(gòu)類似物偽麻黃堿[8,9]。由于毒物分析結(jié)果常作為法庭評(píng)判依據(jù)，所以對(duì)分析結(jié)果的評(píng)定需全面的圖譜數(shù)據(jù)作為支撐材料。本文采用密度泛函理論方法, 對(duì)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(fā)射光譜等進(jìn)行了理論模擬和指認(rèn)，取得了與實(shí)驗(yàn)相吻合的結(jié)果[10]。

1 計(jì)算方法

對(duì)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(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算（圖1）。在優(yōu)化得到的穩(wěn)定構(gòu)型基礎(chǔ)上，采用頻率分析法，結(jié)果表明所有簡諧振動(dòng)頻率全部為正值，表明其計(jì)算結(jié)果是可信的。本項(xiàng)目的全部計(jì)算工作通過Gaussian 09W程序包在PC機(jī)上完成。

2 結(jié)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(qiáng)吸收)處顯示了紫外吸收峰（圖2）。第一個(gè)弱吸收峰可歸屬于電子從最高占據(jù)軌道(HOMO)躍遷到最低空軌道(LUMO)，第二個(gè)極弱吸收峰可歸屬于電子從次高占據(jù)軌道(HOMO-1)躍遷到最低空軌道(LUMO)。第三個(gè)強(qiáng)吸收峰則可歸屬于電子從第二高占據(jù)軌道(HOMO-2)躍遷到最低空軌道(LUMO)。這與其分子標(biāo)準(zhǔn)UV-Vis圖譜顯示甲卡西酮分子在225.0 nm處有較強(qiáng)的紫外吸收峰相吻合[6]。

圖1 甲卡西酮(R-C10H13NO)分子結(jié)構(gòu)和原子編號(hào)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(xué)密度泛函理論在B3LYP/6-311++G**水平上對(duì)甲卡西酮分子幾何構(gòu)型進(jìn)行優(yōu)化;在優(yōu)化的基礎(chǔ)上進(jìn)行電子圓二色譜模擬（圖 3）。 計(jì)算結(jié)果表明，甲醇溶液中的理論ECD譜, 227 nm處存在正性康登效應(yīng), 這是由側(cè)鏈芳香基團(tuán)的電子躍遷引起，與實(shí)驗(yàn)值符合較好[7];同時(shí),理論計(jì)算還預(yù)測標(biāo)題化合物在150 nm以及201 nm處存在負(fù)性康登效應(yīng)，200 nm以下的遠(yuǎn)紫外光譜區(qū)，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(zhì)的紅外吸收光譜是其分子骨架結(jié)構(gòu)的反映，譜圖中的大多數(shù)吸收峰可與分子中各基團(tuán)的簡諧振動(dòng)形式相對(duì)應(yīng)。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(gòu)型)，680 cm-1(強(qiáng)，反式構(gòu)型)，1 3 70 cm-1(弱，甲基的 C-H 對(duì)稱彎曲振動(dòng))，1 593 c m-1(強(qiáng)，苯環(huán)的C-H面外變形振動(dòng)吸收峰)，3 192 cm-1(中強(qiáng)，N-H 伸縮振動(dòng))，3 452 cm-1(弱，C-H基的伸縮振動(dòng))等處分別顯示了紅外吸收峰，這些峰與甲卡西酮分子的實(shí)驗(yàn)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(yīng)起源于分子振動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng), 因此從拉曼光譜中可以得到與紅外分子振動(dòng)互補(bǔ)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(jìn)行了分子構(gòu)型優(yōu)化和頻率分析，得到6個(gè)特征峰。對(duì)6個(gè)特征峰的分子振動(dòng)模式進(jìn)行了詳細(xì)的歸屬指認(rèn)。甲卡西酮由異丙基和甲胺構(gòu)成的支鏈，取代了苯環(huán)上的一個(gè)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(duì)稱、反對(duì)稱譜線), 3 192 cm-1(單取代苯有五個(gè)C-H 伸縮振動(dòng))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(nèi) C-H 變形衍生的苯環(huán)的振動(dòng))以及691 cm-1(內(nèi)環(huán)變形), 441 cm-1(三角形環(huán)呼吸振動(dòng))范圍內(nèi)。對(duì)比實(shí)驗(yàn)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(huán)上5個(gè)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(qiáng)，2.47×10-6)；胺基氫(中，2.0×10-6)。這些吸收峰較好地與其實(shí)驗(yàn)值吻合起來[8]，也進(jìn)一步驗(yàn)證了模擬計(jì)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(fā)射光譜

用TD DFT/B3LYP 6-31+G//CIS HF/6-31+G方法，對(duì)甲卡西酮的分子熒光進(jìn)行了理論模擬, 發(fā)現(xiàn)化合物在155.0 nm處的紫外光激勵(lì)下，能產(chǎn)生出弱的熒光發(fā)射強(qiáng)度，理論峰值位于235.0 nm(圖7，實(shí)驗(yàn)值為 260 nm)[4], 量子化學(xué)模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)，該分子的發(fā)光屬于苯環(huán)到氨基電子之間的π-π* 躍遷所為。

2.7 反應(yīng)活性

原子的自然電荷是研究分子的化學(xué)活性點(diǎn)位及確定活性區(qū)域的親核或親電特性強(qiáng)弱的有效方法。表1的數(shù)據(jù)顯示，甲基碳(C3，-0.702 e)最負(fù)，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(shù)圖8也表明，胺基N原子和甲基C原子，很可能是其發(fā)揮藥理和藥理活性的親核反應(yīng)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(shù)圖Fig.8 Simulation Fukin function of methcathinone

3 結(jié) 論

對(duì)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(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算。對(duì)其分子光譜(UV-Vis譜，ECD譜，IR, 拉曼光譜,11HNMR 以及熒光光譜等)進(jìn)行了理論模擬和指認(rèn)，取得了與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合的結(jié)果。自然原子電荷（NBO）計(jì)算表明，胺基N和與其相連的C原子很可能是其發(fā)揮藥理活性的親電和親核反應(yīng)中心。Fukin函數(shù)圖也支持以上結(jié)論。本文采用理論模擬光譜峰及其指認(rèn)將為甲卡西酮的物證分析與檢測提供有益的幫助。

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