基于密度泛函理論的莫西沙星振動(dòng)光譜研究

徐 笛，辛敏思，劉春宇，蔡紅星，范 雅

長(zhǎng)春理工大學(xué)理學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022

引 言

莫西沙星(moxifloxacin)化學(xué)名為1-環(huán)丙基-7-[(S，S)-2，8-二氮雜雙環(huán)[4.3.0]壬烷-8-基]-6-氟-8-甲氧基-1，4-二氫-4-氧代-3-喹啉羧酸，是德國(guó)Bayer公司研制成功的新型第四代氟喹諾酮類(lèi)抗菌藥物，新增的甲氧基增加了藥物對(duì)細(xì)菌的結(jié)合能力和細(xì)胞膜的穿透力，而且抗菌的效應(yīng)強(qiáng)大而持久，藥物性能優(yōu)于同種抗生素環(huán)丙沙星等，臨床中被廣泛使用。

莫西沙星的分子量為401.43，分子式C21H24FN3O4(圖1)，危險(xiǎn)標(biāo)識(shí)碼Xn，屬有害物質(zhì)。除了臨床使用有諸多禁忌外，使用后還可能存在藥物殘留，伴隨多種并發(fā)癥，所以快速檢測(cè)鑒定便尤為重要。

拉曼光譜與紅外光譜法具有無(wú)損快速、檢出限低、且光譜信息互補(bǔ)的優(yōu)越性，在食品、藥品檢測(cè)中得到廣泛應(yīng)用。密度泛函理論(density functional theory，DFT)是計(jì)算振動(dòng)光譜的一種理論方法，其優(yōu)勢(shì)在于不明顯增加計(jì)算量的同時(shí)，又考慮到了電子相關(guān)[1-2]。因其能夠直觀反應(yīng)分子振動(dòng)信息，是量子化學(xué)計(jì)算常用的方法[3-4]。目前以密度泛函計(jì)算為基礎(chǔ)、與拉曼光譜相結(jié)合來(lái)分析物質(zhì)結(jié)構(gòu)信息的研究工作在文獻(xiàn)中多有報(bào)道。但還沒(méi)有關(guān)于莫西沙星的IR，Raman和DFT的比較研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分與理論計(jì)算

莫西沙星選用阿拉丁試劑官網(wǎng)的分析純藥品(按C21H24FN3O4計(jì)，含量 99%)； LabRam HR Evolution型拉曼光譜儀(HORIBA公司)，選擇波長(zhǎng)532 nm激光為激發(fā)光源，輸出功率為31.675 mW，掃描時(shí)間10 s，探測(cè)器采用研究級(jí)大芯片尺寸空冷CCD； Thermo Scientific Nicolet iS50型傅里葉紅外光譜儀，光譜分辨率4 cm-1，莫西沙星粉末由KBr壓片處理，掃描32次。

莫西沙星的理論計(jì)算采用Gaussian09[7]軟件包，分子構(gòu)型由Gaussian view 5.0構(gòu)建。由于莫西沙星分子主要由C，H，O和N等輕元素構(gòu)成，而B(niǎo)eckes三參數(shù)混合模(B3LYP)泛函在輕元素構(gòu)成的分子計(jì)算中被廣泛應(yīng)用[5-6]，故利用B3LYP泛函來(lái)計(jì)算莫西沙星的拉曼光譜與紅外光譜。

首先利用B3LYP/3-21G基組對(duì)初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行粗優(yōu)化，在得到的優(yōu)化結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，選擇B3LYP/6-311+G(d)基組進(jìn)行再優(yōu)化并計(jì)算拉曼與紅外光譜。理論光譜的頻率修正選擇6-311+G(d)基組的校正因子0.973[8]，修正后再與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比較。計(jì)算結(jié)果無(wú)虛頻，說(shuō)明得到的是穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。優(yōu)化后得到的莫西沙星分子結(jié)構(gòu)和各個(gè)原子的名稱(chēng)與編號(hào)如圖1所示。同時(shí)給出莫西沙星分子優(yōu)化后的空間幾何參數(shù)，包含鍵長(zhǎng)、鍵角和二面角，詳見(jiàn)于表1。

圖1 在B3LYP/6-311+G(d)基組優(yōu)化后莫西沙星結(jié)構(gòu)Fig.1 Optimized Structure of Moxifloxacin at B3LYP/6-311+G(d) levels

表1 莫西沙星優(yōu)化后的幾何參數(shù)Table 1 Optimized geometrical parameters of Moxifloxacin

續(xù)表1

2 結(jié)果與討論

2.1 MXF分子的空間幾何結(jié)構(gòu)

通過(guò)Gaussian09優(yōu)化后的MXF分子為三維非平面結(jié)構(gòu)。如圖1所示，MXF分子結(jié)構(gòu)主要由以喹啉環(huán)為主體，6C上連接一個(gè)哌嗪環(huán)，5C與13N上分別連接一個(gè)甲氧基與環(huán)丙基，10C上連接一個(gè)羧基； 哌嗪環(huán)8C上連接一個(gè)甲基。從表1中1C-2C-3C-4C二面角為3.561 904 7°、13N-9C-10C-8C二面角為-1.226 94°等發(fā)現(xiàn)喹啉環(huán)不是平面幾何結(jié)構(gòu)； 環(huán)丙基上三個(gè)角分別為59.856 83°，59.946 00°和60.197 17°，計(jì)算結(jié)果較為理想。34C-36C-41N-31O二面角為-66.741 73°，36C-34C-33C-29C二面角為43.991°等證明二氮雜雙環(huán)同樣不是平面環(huán)結(jié)構(gòu)。

2.2 光譜分析

通過(guò)Gaussian view 5.0觀察MXF分子理論拉曼與紅外光譜各譜峰的振動(dòng)形式，對(duì)其振動(dòng)模歸屬進(jìn)行指認(rèn)，整理歸納于表2中列出。表中前2列分別是實(shí)驗(yàn)測(cè)得與DFT計(jì)算所得的紅外光譜各譜峰的振動(dòng)頻率，中間2列分別是實(shí)驗(yàn)測(cè)得與DFT計(jì)算所得的拉曼光譜各譜峰的振動(dòng)頻率，每個(gè)譜峰所屬的振動(dòng)模式均在第5列中給出。

表2 莫西沙星理論與實(shí)驗(yàn)振動(dòng)頻率(cm-1)與歸屬Table 2 Theoretical and experimental vibrational Frequencies (cm-1) and Assignments of Moxifloxacin

續(xù)表2

和大部分有機(jī)分子相同，莫西沙星分子也具有不完全的對(duì)稱(chēng)性，因而在紅外與拉曼光譜中都有反映，故對(duì)其理論計(jì)算所得的紅外光譜與拉曼光譜(圖2)進(jìn)行對(duì)比分析。

另外一些振動(dòng)峰則只具有單一光譜活性，只在某一種光譜中出現(xiàn)。以下振動(dòng)模式只具有拉曼活性： 3 191 cm-1振動(dòng)峰為哌嗪環(huán)上9C—H的伸縮振動(dòng)； 1 064 cm-1振動(dòng)峰主要是環(huán)丙15C—H的面外搖擺振動(dòng)，并伴隨48F—C的伸縮振動(dòng)； 1 214 cm-1振動(dòng)峰是哌嗪環(huán)上C—H的面外搖擺振動(dòng)，并伴隨喹啉環(huán)上C—H的面內(nèi)搖擺振動(dòng)； 環(huán)丙基上C—C的剪切振動(dòng)則位于887 cm-1處。而只具有紅外活性的振動(dòng)模式則包括： 位于1 477 cm-1處甲氧基上C—H伸縮振動(dòng)； 位于1 081 cm-1處的羧基上24O—H面內(nèi)彎曲振動(dòng)； 位于801 cm-1處的喹啉環(huán)上C—C面外搖擺振動(dòng)。顯然，將兩種光譜結(jié)合即可獲得關(guān)于莫西沙星分子結(jié)構(gòu)的豐富而完整的信息。 2.2.2 理論光譜與實(shí)驗(yàn)光譜的對(duì)比分析

同時(shí)個(gè)別譜峰存在差異，這些差異主要體現(xiàn)在兩方面。其一為相應(yīng)峰位不一致： 如甲氧基上12O—4C的對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)在實(shí)驗(yàn)光譜中都位于961和957 cm-1，而在理論光譜中位于941和926 cm-1。其原因可能是實(shí)驗(yàn)設(shè)備會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)誤差，同時(shí)量子化學(xué)的計(jì)算中過(guò)多考慮了電子相關(guān)的影響。其二是理論光譜中存在的個(gè)別譜峰在實(shí)驗(yàn)光譜中沒(méi)有測(cè)到： 如理論光譜中1 477 cm-1等處的譜峰在實(shí)驗(yàn)紅外和拉曼光譜中都沒(méi)有觀測(cè)到。這可能是由于理論計(jì)算模擬純理論振動(dòng)，而實(shí)驗(yàn)中莫西沙星以固體粉末形式存在，有分子間作用力影響。

圖3 莫西沙星理論與實(shí)驗(yàn)拉曼光譜比較Fig.3 Comparison of MXF DFT-RS and NRS

圖4 莫西沙星理論與實(shí)驗(yàn)紅外光譜比較Fig.4 Comparison of MXF DFT-IR and IR

3 結(jié) 論

拉曼光譜是由具有對(duì)稱(chēng)分布的鍵的對(duì)稱(chēng)振動(dòng)引起，而紅外光譜是由分子的不對(duì)稱(chēng)振動(dòng)所引起。利用這兩種光譜技術(shù)信息互補(bǔ)的特性，能夠?qū)崿F(xiàn)有機(jī)化合物種類(lèi)和結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確判斷。本文采用密度泛函理論的方法，結(jié)合Gaussian可視化軟件，對(duì)莫西沙星的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，計(jì)算出其拉曼光譜與紅外光譜，確定了各譜峰的振動(dòng)模式歸屬，并與莫西沙星分析純藥品的實(shí)驗(yàn)光譜進(jìn)行了對(duì)比分析。該研究為新型喹諾酮類(lèi)抗生素的振動(dòng)光譜檢測(cè)儲(chǔ)備了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為其在藥品殘留檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。