使用Multiwfn程序?qū)Σ悸宸曳肿硬ê瘮?shù)分析*

趙 智，褚玉婷，劉靖宇，安成龍，陳 煜

(1 鹽城工學(xué)院，江蘇 鹽城 224051；2 南通市食品藥品監(jiān)督檢驗(yàn)中心，江蘇 南通 226000)

Multiwfn程序[1]是由北京科音自然科學(xué)研究中心的盧天從2009年11月起主導(dǎo)開發(fā)的最為強(qiáng)大的量子化學(xué)波函數(shù)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(fèi)，使用該程序可以對分子的電子結(jié)構(gòu)和活性位點(diǎn)進(jìn)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?xì)溲跞N元素組成，化學(xué)結(jié)構(gòu)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(jī)溶劑，難溶于水。

布洛芬是一種常用的OTC類非甾體抗炎鎮(zhèn)痛藥，在臨床上廣泛用來治療頭痛、神經(jīng)痛、周圍神經(jīng)病、風(fēng)濕性類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、骨關(guān)節(jié)炎和強(qiáng)直性脊柱炎等疾病。目前人們對布洛芬已經(jīng)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(huán)境中，如何對環(huán)境中的布洛芬廢水進(jìn)行處理也是一項(xiàng)需要研究的問題。

本文借助于量子化學(xué)方法，對布洛芬分子的微觀性能進(jìn)行研究，通過Multiwfn程序進(jìn)行波函數(shù)分析，對布洛芬分子進(jìn)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(shù)分析，有助于大家更熟悉布洛芬的分子結(jié)構(gòu)并找到其活性位點(diǎn)，為今后的研究提供理論指導(dǎo)。

圖1 布洛芬的分子結(jié)構(gòu)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(chǔ)上[8]對布洛芬分子進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在輸出文件中得到各個原子的Mulliken電荷，其數(shù)據(jù)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(fù)電荷,分別是-0.46和-0.56 hartree，說明羧基上的氧原子容易發(fā)生親核反應(yīng)。除此之外，三個甲基上的碳原子(C1,C20,C26)的負(fù)電荷也較多，分別是-0.44，-0.45和-0.44 hartree。苯環(huán)上的碳原子所帶的負(fù)電荷較少，且相對比較均勻，這是因?yàn)楸江h(huán)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(tuán)電負(fù)性較強(qiáng)導(dǎo)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(diǎn)和極小點(diǎn)(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(qū)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(yuǎn)處移到分子周圍空間某點(diǎn)處所做的功，將優(yōu)化后的分子得到的布洛芬的fch文件載入Multiwfn程序進(jìn)行靜電勢分析，輸入主功能12，再通過計(jì)算得到布洛芬分子表面的靜電勢，其中紅色的點(diǎn)表示極大點(diǎn)，藍(lán)色的點(diǎn)表示極小點(diǎn)。從圖2中可以看出，在H33附近出現(xiàn)極大值，且靜電勢數(shù)值達(dá)到48.0 kcal/mol，這是因?yàn)镠33周圍的氧原子吸電子能力較強(qiáng)，所以H33處靜電勢出現(xiàn)極大值。在C1處出現(xiàn)極小點(diǎn)，數(shù)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(qū)間里，說明分子表面靜電勢主要是正值，更容易發(fā)生親電反應(yīng)。

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(diǎn)，再輸入靜電勢功能12，開始對布洛芬分子進(jìn)行靜電勢的盆分析計(jì)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(diǎn)。

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(yīng)用，比如衡量電負(fù)性、表征局部極化率、預(yù)測pKa，展現(xiàn)原子殼層結(jié)構(gòu)，最為重要的就是它預(yù)測反應(yīng)位點(diǎn)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(qiáng)，就越容易發(fā)生親電及自由基反應(yīng)。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(diǎn)，看這幾個點(diǎn)離哪些原子比較近，就能判斷哪些原子最可能是反應(yīng)活性位點(diǎn)。ALIE的極小點(diǎn)容易出現(xiàn)在pi電子、孤對電子附近，因?yàn)檫@些區(qū)域的電子被束縛得較弱?？梢哉J(rèn)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(huán)上C11和C13的平均局部離子化能數(shù)值8.99 eV,但是苯環(huán)是一個大共軛體系，所以我們不作為活性位點(diǎn)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(shù)(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(shù)(ELF)圖。我們選定羧基區(qū)域，得到電子定位函數(shù)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(jìn)攻空軌道發(fā)生親核反應(yīng)。所以布洛芬分子中羧基基團(tuán)是活性位點(diǎn)。

3 結(jié) 語

通過高斯軟件對布洛芬分子進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)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(jìn)行計(jì)算。通過對分子進(jìn)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(shù)(ELF)分析，發(fā)現(xiàn)羧基上的氧原子帶較多的負(fù)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(diǎn)，容易與空軌道發(fā)生親核反應(yīng)。