4-氨基安替比林電子光譜及溶劑效應(yīng)理論研究

魯禮林，陳 俊，阮祝華，倪嘉琪，舒紅飛

(1.武漢科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，湖北 武漢，430081；2.武漢科技大學(xué)煤轉(zhuǎn)化與新型炭材料湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430081)

吡唑啉酮類雜環(huán)化合物是非甾類藥物如治療關(guān)節(jié)炎藥物的主要活性成分[1]，而4-氨基安替比林(4-AAP)是其中最常見、應(yīng)用最廣泛的一種衍生物，因其在紫外可見光區(qū)具有優(yōu)良的光吸收特性，故常被用做顯色劑來制備染料和顏料，或作為光分析試劑對(duì)水體環(huán)境中一些有害物質(zhì)如二氧化氯、酚類化合物、殘殺威及金屬離子如Zn2+、Al3+、Cr3+和砷酸鹽等進(jìn)行檢測(cè)[2-7]，此外它在藥物分析與生化檢驗(yàn)領(lǐng)域可用于測(cè)定羥甲叔丁腎上腺素、羥芐羥麻黃堿等的含量[8-9]，構(gòu)建針對(duì)葡萄糖、乳酸鹽、乙醇、半乳糖和氨基酸含量進(jìn)行分析的雙酶分析微反應(yīng)器[10]，檢測(cè)維生素B6注射液中維生素B6的含量[11]。雖然4-AAP在光學(xué)分析方面應(yīng)用廣泛，但仍有必要對(duì)其電子光譜特性進(jìn)行深入研究，以便進(jìn)一步了解其光譜吸收性質(zhì)及明確相關(guān)影響因素，更準(zhǔn)確地歸屬其吸收譜帶。

借助量子化學(xué)計(jì)算，根據(jù)電子躍遷軌道拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)化合物電子光譜譜帶進(jìn)行更準(zhǔn)確的歸屬，是目前研究電子吸收光譜特性的重要手段，而理論計(jì)算模型的正確選擇則是其中關(guān)鍵之所在。早期的Pariser-Parr-Pople(PPP)法和ZINDO/S法都是典型的半經(jīng)驗(yàn)研究方法，此類方法適用范圍有限，只能針對(duì)一些特定體系取得較精確結(jié)果。當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的是基于Hartree-Fock的單激發(fā)組態(tài)相互作用(CIS)方法和隨機(jī)相近似方法(RPA)，但由于其忽略了電子相關(guān)作用，導(dǎo)致在很多體系中計(jì)算結(jié)果偏差較大。此外，耦合簇參考態(tài)運(yùn)動(dòng)方程(EOM-CC)、多參考態(tài)組態(tài)相互作用(MRCI)以及包含二級(jí)微擾的多組態(tài)自洽場(chǎng)(CASSCF/CASPT2)等高度電子相關(guān)方法雖在計(jì)算激發(fā)能方面表現(xiàn)優(yōu)異，但它們計(jì)算成本高昂，目前僅限于較小體系的模擬計(jì)算，且難以考慮溶劑化效應(yīng)對(duì)激發(fā)能的影響。而含時(shí)密度泛函方法(TDDFT)通過對(duì)時(shí)間和空間進(jìn)行數(shù)值積分來求解薛定諤方程，同時(shí)可加入顯性或隱性溶劑化模型考慮溶劑效應(yīng)，且計(jì)算精度與高度電子相關(guān)方法相當(dāng)，是目前研究化合物和金屬配合物電子結(jié)構(gòu)、激發(fā)光譜及非線性光學(xué)性質(zhì)較理想的一種方法。故本文使用PCM-TDPBE0/6-311++G(d, p)//PBE0/6-311G(d, p)密度泛函方法，結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬及紫外光譜試驗(yàn)，研究了4-AAP分子及其在水溶液中與溶劑水分子的氫鍵復(fù)合物結(jié)構(gòu)、電子光譜以及溶劑環(huán)境、水溶液中溶劑水分子與4-AAP分子氫鍵相互作用對(duì)于電子光譜特性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)與計(jì)算方法

1.1 實(shí)驗(yàn)

利用UV-2550島津紫外可見光譜儀在乙醇和水溶液兩種環(huán)境中分別測(cè)定4-AAP的UV-Vis吸收光譜，所用試劑均為分析純。

1.2 計(jì)算方法

4-AAP分子及其氫鍵復(fù)合物結(jié)構(gòu)搜索優(yōu)化均使用PBE0雜化泛函[12]和6-311G(d, p)基組，利用簡(jiǎn)振頻率計(jì)算確定相關(guān)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，使用含時(shí)密度泛函 TD-PBE0[13]和6-311++G(d, p)基組計(jì)算4-AAP分子及其氫鍵復(fù)合物的激發(fā)躍遷光譜，通過極化連續(xù)模型(PCM)考慮溶劑效應(yīng)對(duì)激發(fā)能的影響，使用經(jīng)過零點(diǎn)能校正的電子能量進(jìn)行氫鍵復(fù)合能計(jì)算，所有密度泛函計(jì)算工作使用Gaussian09[14]完成。

水溶液中4-AAP分子與溶劑水分子相互作用的團(tuán)簇模型研究采用經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)方法，使用Materials Studio 4.3 軟件包中的Discover模塊優(yōu)化結(jié)構(gòu)和正則系綜(NVT)分子動(dòng)力學(xué)模擬。模擬溫度為298 K, Anderson法控溫，使用COMPASS力場(chǎng)參數(shù)，首先構(gòu)建內(nèi)含256個(gè)溶劑分子和1個(gè)4-AAP分子的周期性邊界體系(a=b=c=19.67 ?，α=β=γ=90°)，經(jīng)100 ps預(yù)平衡后進(jìn)行5 ns時(shí)長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模擬平衡，步長(zhǎng)為1 fs，運(yùn)用Velocity-Verlet法求解牛頓運(yùn)動(dòng)方程。

2 結(jié)果與討論

2.1 4-AAP的UV-Vis實(shí)驗(yàn)光譜

4-AAP在乙醇和水溶液兩種環(huán)境中的UV-Vis吸收光譜測(cè)試結(jié)果如圖1所示。由圖1可見，4-AAP在紫外可見光區(qū)230～260 nm存在最強(qiáng)吸收峰，270～300 nm處呈現(xiàn)吸光度稍弱的肩峰，其中水溶液環(huán)境下4-AAP的UV-Vis吸收光譜中吸收峰波長(zhǎng)位置相對(duì)于其在乙醇環(huán)境下的相應(yīng)位置向短波長(zhǎng)方向發(fā)生大約16nm的藍(lán)移，表明溶劑環(huán)境對(duì)4-AAP的UV-Vis吸收光譜影響顯著。

圖1 4-AAP的UV-Vis吸收光譜Fig.1 UV-Vis absorption spectra of 4-AAP

2.2 4-AAP分子結(jié)構(gòu)及電子光譜

4-AAP分子結(jié)構(gòu)及原子標(biāo)識(shí)如圖2所示，使用密度泛函理論方法PBE0/6-311G(d, p)優(yōu)化所得穩(wěn)定的4-AAP基態(tài)分子結(jié)構(gòu)參數(shù)列于表1中，通過與實(shí)驗(yàn)測(cè)定的分子結(jié)構(gòu)參數(shù)[15]對(duì)比分析可知，PBE0雜化泛函能較準(zhǔn)確地對(duì)4-AAP的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述，最大鍵長(zhǎng)偏差不超過0.03 ?，與B3LYP/6-311G(d,p)和B3LYP/cc-PVDZ計(jì)算結(jié)果[16]精度相當(dāng)，這表明利用密度泛函計(jì)算模型PBE0/6-311G(d, p)研究4-AAP分子結(jié)構(gòu)可獲得滿意的計(jì)算精度。在電子光譜模擬計(jì)算方面PBE0雜化密度泛函明顯優(yōu)于雜化泛函B3LYP而被廣泛使用[17]，因此本文選用PBE0泛函對(duì)4-AAP的分子結(jié)構(gòu)、團(tuán)簇結(jié)構(gòu)實(shí)施優(yōu)化并進(jìn)行電子光譜計(jì)算。

圖2 4-AAP分子結(jié)構(gòu)及原子標(biāo)識(shí)Fig.2 Molecular structure of 4-AAP with atomic labels

4-AAP在乙醇溶液和水溶液環(huán)境中的模擬電子光譜吸收帶及電子躍遷貢獻(xiàn)列于表2，其與電子躍遷相關(guān)分子軌道的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。從表2可以看出，在乙醇溶液中安替比林位于259 nm電子光譜最強(qiáng)吸收帶，對(duì)應(yīng)于HOMO-1→LUMO軌道電子躍遷，具有典型的π→π*躍遷特征。255 nm處較強(qiáng)的吸收帶對(duì)應(yīng)電子HOMO→LUMO+2軌道躍遷，具有電荷轉(zhuǎn)移躍遷特征。HOMO→LUMO軌道電子躍遷對(duì)應(yīng)的電子光譜吸收帶吸收波長(zhǎng)為290 nm，由分子軌道拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖可看出從吡唑五元雜環(huán)向苯環(huán)發(fā)生了電荷轉(zhuǎn)移躍遷。

由表2還可以看出，使用PCM模型計(jì)算所得4-AAP在乙醇溶液中的最強(qiáng)特征吸收帶波長(zhǎng)位置與其在乙醇溶液中實(shí)驗(yàn)測(cè)定的相應(yīng)值基本一致，但計(jì)算所得水溶液中4-AAP理論吸收譜帶波長(zhǎng)同其實(shí)驗(yàn)測(cè)定的相應(yīng)值相差較大，這可能是因?yàn)樗肿优c乙醇分子相比具有更強(qiáng)的極性，前者與4-AAP分子能形成更強(qiáng)的氫鍵作用，改變了其分子軌道能級(jí)及電子垂直激發(fā)能從而顯現(xiàn)更強(qiáng)的溶劑效應(yīng)，文獻(xiàn)[18-19]的研究也表明，溶劑分子與溶質(zhì)分子間通過氫鍵作用形成了團(tuán)簇復(fù)合物，可對(duì)其電子吸收光譜產(chǎn)生明顯的影響。

表1 4-AAP分子結(jié)構(gòu)鍵長(zhǎng)、鍵角及二面角參數(shù)Table 1 Bond lengths, angle and dihedral angle in 4-AAP molecular structure

表2 4-AAP電子光譜吸收帶及電子躍遷軌道貢獻(xiàn)Table 2 Absorption bands in 4-AAP electronic spectra and electron transition involved

2.3 4-AAP水溶液中氫鍵復(fù)合物結(jié)構(gòu)及電子光譜

4-AAP分子與水分子形成的氫鍵復(fù)合物結(jié)構(gòu)如圖4所示，表3列出了各氫鍵復(fù)合物中4-AAP分子與水分子的氫鍵結(jié)合能及電子吸收光譜中最強(qiáng)特征吸收帶波長(zhǎng)位置。由表3可知，氫鍵復(fù)合物結(jié)構(gòu)及氫鍵形成模式對(duì)于4-AAP分子電子光譜吸收帶波長(zhǎng)位置產(chǎn)生了顯著的影響。4-AAP分子中氨基N原子可與水分子中的H原子通過強(qiáng)氫鍵作用形成復(fù)合物結(jié)構(gòu)(見圖4(a))，使得肩峰吸收波長(zhǎng)位置發(fā)生明顯藍(lán)移(由290 nm移至276 nm)。通過羰基O與水分子中H原子間氫鍵形成復(fù)合物(見圖4(b))對(duì)肩峰幾乎無影響，但能使最強(qiáng)吸收峰位置發(fā)生較明顯的藍(lán)移(由258 nm移至254 nm)。當(dāng)水分子同時(shí)與4-AAP分子中羰基O和氨基H原子形成氫鍵時(shí)(見圖4(c))，更高的氫鍵結(jié)合能使得復(fù)合物更加穩(wěn)定，最強(qiáng)吸收峰波長(zhǎng)基本不變，但肩峰波長(zhǎng)位置發(fā)生明顯紅移(由290 nm紅移至298 nm)。通過吡唑雜環(huán)上甲基相連的N原子與水分子形成氫鍵(見圖4(d))，最強(qiáng)吸收峰基本不受影響，卻使肩峰波長(zhǎng)位置發(fā)生較明顯藍(lán)移。4-AAP分子通過氨基H原子與水分子形成復(fù)合物(見圖4(e))，導(dǎo)致肩峰波長(zhǎng)發(fā)生明顯紅移。當(dāng)兩個(gè)水分子同時(shí)與4-AAP分子中羰基O和氨基形成氫鍵時(shí)，根據(jù)水分子與氨基形成氫鍵方式的不同可得兩種復(fù)合物結(jié)構(gòu)分別如圖4(f)、4(g)所示，其中以N…H-O氫鍵結(jié)合比以N-H…O結(jié)合物更穩(wěn)定。由表3可知，兩種成鍵模式對(duì)于最強(qiáng)吸收峰影響并不明顯，但可使肩峰位置發(fā)生不同的位移，水分子與氨基N原子形成氫鍵(N…H-O)導(dǎo)致吸收峰位置發(fā)生藍(lán)移，而與氨基H原子形成氫鍵(N-H…O)則導(dǎo)致吸收峰位置明顯紅移。與羰基O形成不同數(shù)量氫鍵的復(fù)合物結(jié)構(gòu)分別如圖4(h)、圖4(i)所示，綜合表3結(jié)果可知，最強(qiáng)吸收峰波長(zhǎng)位置受氫鍵數(shù)量影響不明顯。一個(gè)水分子同時(shí)與氨基H原子和羰基O原子形成氫鍵，使得肩峰波長(zhǎng)位置發(fā)生約10nm的紅移，但與羰基O形成氫鍵的水分子數(shù)量對(duì)其影響不大。當(dāng)水分子數(shù)量增加至4時(shí)，第4個(gè)水分子由于空間位阻難于與4-AAP直接形成氫鍵，而是在水分子間形成氫鍵(見圖4(j))。由以上分析可知，由于溶劑水分子能與4-AAP分子通過分子間氫鍵作用形成復(fù)合物，可對(duì)4-AAP電子光譜中主要吸收帶產(chǎn)生明顯的影響，但不同氫鍵形成方式的影響作用存在差異，通過羰基O原子形成氫鍵使得最大吸收峰位置發(fā)生藍(lán)移，通過氨基N原子與水分子形成氫鍵使得肩峰波長(zhǎng)位置發(fā)生明顯藍(lán)移，而通過氨基H原子與水分子形成氫鍵使得肩峰波長(zhǎng)發(fā)生明顯紅移，但對(duì)最強(qiáng)吸收峰位置影響不大。通過躍遷軌道分析，所有復(fù)合物吸收帶電子軌道躍遷貢獻(xiàn)與4-AAP分子相同，即最強(qiáng)吸收帶對(duì)應(yīng)HOMO-1→LUMO電子軌道躍遷，長(zhǎng)波長(zhǎng)處吸收帶與HOMO→LUMO電荷轉(zhuǎn)移躍遷對(duì)應(yīng)。與實(shí)驗(yàn)測(cè)定的吸收光譜進(jìn)行比較，可推測(cè)在水溶液中4-AAP分子主要通過羰基O原子和氨基N原子與水分子間的氫鍵作用形成復(fù)合物，從而導(dǎo)致4-AAP分子吸收光譜的最強(qiáng)吸收峰和肩峰波長(zhǎng)位置均發(fā)生藍(lán)移。

圖3 4-AAP分子軌道拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖及分子軌道能級(jí)Fig.3 Sketch and energies of selected molecular orbitals involved in 4-AAP

(a)復(fù)合物A (b)復(fù)合物B (c)復(fù)合物C (d)復(fù)合物D

(e)復(fù)合物E (f)復(fù)合物F (g)復(fù)合物G

(h)復(fù)合物H (i)復(fù)合物I (j)復(fù)合物J

圖44-AAP與水分子氫鍵復(fù)合物結(jié)構(gòu)

Fig.4Structuresofhydrogenbondingcomplexesof4-AAPandH2O

表3氫鍵復(fù)合物結(jié)合能及電子光譜吸收帶波長(zhǎng)

Table3Bindingenergiesofhydrogenbondingincomplexesandwavelengthofabsorptionbandsinelectronicspectra

氫鍵復(fù)合物結(jié)合能/kJ·mol-1最大吸收波長(zhǎng)/nm肩峰吸收波長(zhǎng)/nmA32.21256276B33.47254291C45.57258298D23.44258283E25.37259297F71.61259305G75.01257284H77.53255301I116.89254302J153.38254298

2.4 4-AAP水溶液中溶劑分子團(tuán)簇分子動(dòng)力學(xué)模擬研究

選取COMPASS力場(chǎng)參數(shù)進(jìn)行了分子動(dòng)力學(xué)模擬并通過4-AAP分子中N、O原子與水分子間的徑向分布函數(shù)分析了氫鍵形成情況。4-AAP分子中N、O雜原子分別與Hw(水中氫原子)及氨基H原子與Ow(水中氧原子)的徑向分布函數(shù)如圖5所示。由圖5(a)可以看出，在徑向距離2.0 ?附近雜環(huán)N原子(Nmethyl和Nphenyl)與Hw原子之間無徑向分布峰出現(xiàn)，這表明4-AAP分子中五元雜環(huán)上的N原子難于與水分子間形成氫鍵作用。但氨基N原子與Hw徑向分布圖中在徑向距離為2.0 ?處出現(xiàn)一個(gè)徑向分布函數(shù)峰，通過對(duì)分布峰積分可得N原子與Hw的配位數(shù)約為0.70，表明氨基N原子可與水分子形成一個(gè)氫鍵。由圖5(b)可見，在4-AAP分子中羰基O原子與Hw間徑向分布圖中徑向距離為2.0 ?處出現(xiàn)較強(qiáng)的徑向分布峰，這表明羰基O易與Hw通過氫鍵作用結(jié)合溶劑水分子，積分可知其配位數(shù)約為1.87，表明氧原子與兩個(gè)水分子形成氫鍵。另外，4-AAP分子中的氨基除了通過N原子與Hw形成氫鍵外，還可能通過氨基H原子與水分子中的Ow形成氫鍵。由圖5(c)可看出，在距離氨基H原子約3.47 ?出現(xiàn)明顯徑向函數(shù)分布峰，在2.20 ?處分布峰極弱，積分可得氨基H原子與Ow的配位數(shù)約為0.22，表明氨基H原子難于與溶劑水分子的Ow間通過氫鍵作用形成復(fù)合物。由分子動(dòng)力學(xué)模擬分析可知，在水溶液中4-AAP分子主要通過羰基O和氨基N原子與水分子氫鍵結(jié)合形成氫鍵復(fù)合物，這與上述光譜分析結(jié)論一致，因此可推測(cè)出水溶液中4-AAP與水分子形成的氫鍵復(fù)合物結(jié)構(gòu)，其優(yōu)化后的溶劑團(tuán)簇模型4-AAP-(H2O)3如圖6所示。

(a)N原子與Hw

(b)羰基O原子與Hw

(c)氨基H原子與Ow

Fig.5Radialdistributionfunctions(RDFs)between4-AAPandwatermolecules

圖6 水溶液中4-AAP與水分子氫鍵復(fù)合物結(jié)構(gòu)

Fig.6Structureofhydrogenbondingcomplexof4-AAPandwatermoleculesinaqueoussolution

為進(jìn)一步了解水溶液環(huán)境中溶劑分子對(duì)4-AAP電子光譜的影響，使用含時(shí)密度泛函(TD-PBE0/6-311++G(d, p))模擬了4-AAP溶劑團(tuán)簇模型4-AAP-(H2O)3的電子光譜，同時(shí)使用PCM模型考慮外圍溶劑的影響，得到其理論最強(qiáng)吸收峰波長(zhǎng)為251 nm，在277 nm的長(zhǎng)波長(zhǎng)處出現(xiàn)一個(gè)次強(qiáng)吸收峰，對(duì)應(yīng)的軌道躍遷貢獻(xiàn)分別為HOMO-1→LUMO和HOMO→LUMO軌道電子躍遷。與4-AAP分子電子光譜相比，最強(qiáng)峰和次強(qiáng)峰位置均向短波長(zhǎng)方向發(fā)生藍(lán)移，與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的吸收光譜吸收峰位置(242、274 nm)吻合，較好地解釋了實(shí)驗(yàn)光譜中水溶液環(huán)境對(duì)于4-AAP吸收光譜的溶劑效應(yīng)影響，這表明當(dāng)研究4-AAP化合物在水溶液中的電子吸收光譜時(shí)，僅通過隱性溶劑PCM模型不足以準(zhǔn)確考慮溶劑化效應(yīng)的影響，其與溶劑水分子間的氫鍵相互作用可顯著影響其電子吸收光譜特性。

3 結(jié)語