結合計算化學和制藥工程專業(yè)特色的紅外光譜教學實踐*

陳 凱，向皞月，陽 華

(中南大學化學化工學院，湖南 長沙 410083)

制藥工程專業(yè)是以培養(yǎng)從事藥品制造的高素質工程技術人才為目標，集化學、藥學、工程學為一體的工科類專業(yè)[1]。有機化學是制藥工程專業(yè)的核心基礎課之一，有機物的紅外光譜分析是有機化學教學的重要內(nèi)容。其主要教學任務是紅外光譜的基本概念、基本原理、解析方法以及在結構分析中的綜合應用[2]。紅外光譜是分子吸收一定能量的光子引起分子中振動能級和轉動能級的躍遷，能方便的給出特征官能團和結構特征的重要信息，是藥物結構分析等相關研究中不可或缺的工具。

分子的振動較為抽象，需要學生有較高的空間想象力。在教學過程中，僅僅依靠教材和傳統(tǒng)的教學手段，往往難以起到很好的教學效果。計算化學軟件輔助教學已越來越多的受到廣大化學教育工作者的青睞[3]。尤其在有機化學教學中，把較為抽象的理論知識轉變成生動、直觀的可視化內(nèi)容，有助于學生更好的理解教學內(nèi)容，從而激發(fā)學生的學習和科研興趣。

2-苯基-4-喹啉羧酸，別名辛可芬(Cinchophen)，具有增進尿酸排泄和解熱鎮(zhèn)痛的作用，可用于風濕性關節(jié)炎、痛風、神經(jīng)痛等的治療[4]。然而，由于該藥物具有一定的肝腎毒性，目前已被淘汰，僅可作為寵物用藥[5]。辛可芬的合成路線很多，如D?bner方法，以丙酮酸、苯甲醛和苯胺為原料，“三組分一鍋法”在溫和條件下以較高的產(chǎn)率制備辛可芬。因此，可以將辛可芬的合成和結構分析作為制藥工程專業(yè)高年級本科生的專業(yè)綜合實驗，訓練學生化合物合成、分離和結構解析的能力，培養(yǎng)學生的科研創(chuàng)新能力，提高學生的綜合素質。

本文以辛可芬的紅外光譜分析為例，采用ORCA或Gaussian軟件進行結構優(yōu)化和振動頻率計算[6]，并結合Avogadro或GaussView等可視化軟件模擬紅外光譜，并與實驗譜圖對比分析，使學生深刻理解有機分子的化學結構與譜圖的關系，并學習利用量子化學計算預測紅外譜圖的方法，了解前沿的研究技術。

1 辛可芬紅外光譜分析及在教學中的應用

1.1 辛可芬的結構優(yōu)化及頻率計算

采用密度泛函理論方法，在B3LYP/ def2-TZVP理論水平下對分子進行優(yōu)化和振動頻率計算，優(yōu)化后的輸出文件用Avogadro或GaussView等可視化軟件打開，結果如圖1所示。2位的苯基取代基與喹啉母核的二面角為21°，4位的羧基取代基與母核的二面角約為12°，因此喹啉母核的大π鍵與取代基的π鍵存在共軛作用，具有較好的光學性質。4位羧基的羰基氧與5位氫的距離約為2.2 ?，4位羧基的羥基氧與3位氫的距離約為2.3 ?，氧原子和氫原子之間存在弱氫鍵作用，導致5位和3位氫的1H NMR信號偏向更低場。辛可芬分子中存在羧酸基團和芳香基團，通過頻率計算，可以查看上述官能團可能的振動模式以及對應的紅外吸收信號。在教學中，可以結合辛可芬的核磁譜圖、紫外-可見吸收光譜和紅外光譜，幫助學生更好的理解結構與性質之間的聯(lián)系。

圖1 辛可芬的平面和立體結構Fig.1 Structures of Cinchophen

1.2 辛可芬紅外光譜的理論模擬

紅外光譜是由于分子振動能級躍遷產(chǎn)生的。因此，讓學生理解分子的各種振動形式，以及對應的吸收峰的波數(shù)，是紅外光譜學教學的重點。使用Avogadro軟件打開第一步結構優(yōu)化和頻率計算的out文件(如圖2所示)。然后，在Vibrations窗口選擇對應的躍遷，點擊右下角的Start Animation可以在分子結構窗口中觀察對應的分子振動模式。通過上述步驟，可以對吸收峰的歸屬進行指認。

圖2 Avogadro軟件界面Fig.2 Interface of Avogadro software

點擊Vibrations窗口的Show Spectra按鈕，繪制出模擬的紅外譜圖。在高級選項中設置Peak Width，可以調整紅外譜圖的形狀。如圖3所示，3736 cm-1處的強吸收峰主要來自羥基 O-H的伸縮振動，3186 cm-1為芳香環(huán)C-H的伸縮振動， 1784 cm-1來自羰基C=O的伸縮振動。上述過程有助于學生建立振動模式與紅外譜圖之間的聯(lián)系，并以此達到識譜的目的。

1.3 辛可芬紅外光譜的實驗測定

取少量辛可芬(直接購買或者合成制備)固體粉末與溴化鉀混合均勻，壓片，測定辛可芬的紅外光譜(如圖4所示)。在實驗的紅外譜圖中，3445 cm-1有強的吸收信號，對應羥基O-H和芳基C-H的吸收信號；1703 cm-1附近的吸收來自C=O的伸縮振動吸收；而1256 cm-1附近則可能是O-H的彎曲振動吸收。

圖3 辛可芬的紅外光譜模擬圖Fig.3 The simulated IR spectrum of Cinchophen

圖4 辛可芬的紅外光譜實驗圖Fig.4 The experimental IR spectrum of Cinchophen

對比辛可芬紅外光譜的理論模擬和實驗譜圖可以發(fā)現(xiàn)，兩者存在一定的區(qū)別?？赡艿脑蛴校?1)理論模擬的是氣相環(huán)境的單分子，與實際的固體樣品環(huán)境存在區(qū)別。例如，自由羧基在固體中可能主要以二締和體的形式存在，使吸收位置向低波數(shù)位移。(2)殘留的溶劑(如水、乙醇等)和雜質在理論模擬時未考慮；(3)頻率計算的諧振子模型與真實的分子振動模式存在一定的區(qū)別；(4)理論計算方法本身存在一定的誤差。通過上述分析，可以培養(yǎng)學生分析問題的能力，了解不同方法的優(yōu)缺點和局限性，學會辯證的看待實驗或者理論模擬的結果。

2 結 語

紅外光譜分析是化合物結構分析的重要方法之一，也是有機化學教學的重要內(nèi)容。結合計算化學軟件，可以形象直觀的展示分子的振動模式，并通過軟件作圖模擬分子的紅外吸收光譜。辛可芬紅外光譜分析的教學實踐表明，引入計算化學軟件可以使紅外光譜的教學內(nèi)容形象化、直觀化，而且能增強學生的學習興趣，提高教與學的效果。