西布曲明分子紅外、拉曼光譜的理論研究

梁小蕊，張紀磊，李 蔭，孫曉偉

(海軍航空大學，山東 煙臺 264001)

西布曲明(Sibutramine)，又名N-(1-(1-(4-氯苯基)環(huán)丁基)-3-甲基丁基)-N,N-二甲胺，分子式為C17H26ClN，是一種中樞神經(jīng)抑制劑，具有抗抑郁的特性，一般用于治療抑郁癥。后來人們發(fā)現(xiàn)它能夠刺激交感神經(jīng)，從而降低食欲，增加產(chǎn)熱，并且其效果比抗抑郁效果更強。因此，人們將其制成減肥藥，用于肥胖癥的治療[1-2]。

隨著西布曲明在減肥產(chǎn)品中的大量使用，其副作用也隨之顯現(xiàn)：西布曲明不僅會引發(fā)心腦血管類疾病，還能引起神經(jīng)紊亂、胃腸道系統(tǒng)受損、全身性損害，嚴重的甚至會致死。因此，從2010年開始，中、美、日、加拿大等國相繼出臺法律，禁止本國生產(chǎn)含有西布曲明成分的減肥藥，并將西布曲明列為禁藥。盡管如此，仍有不法商家將西布曲明添加在減肥類的保健品、保健食品等當中，通過微商、直播帶貨等渠道，誘導無知消費者購買。如2021年知名網(wǎng)紅郭美美因涉嫌生產(chǎn)、銷售添加違禁成分——西布曲明的減肥類食品而被刑拘[3-4]。為保護消費者身體健康，對保健食品中的西布曲明含量進行測定意義重大。目前，減肥類保健食品中西布曲明的檢測方法主要為高效液相色譜法、液質(zhì)聯(lián)用法、光譜分析法等[5-9]。

本文采用量子化學方法從理論的角度對西布曲明分子進行研究。基于密度泛函理論中的雜化密度泛函B3LYP方法，對西布曲明分子進行幾何結(jié)構(gòu)全優(yōu)化，在優(yōu)化結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，計算西布曲明分子的振動頻率，繪制其紅外光譜、拉曼光譜，并對分子結(jié)構(gòu)、振動頻率、振動特征等進行分析討論，以期更好地了解西布曲明的各類物理和化學性質(zhì)，為西布曲明在各類產(chǎn)品中的分析檢測提供一定的理論指導。

1 理論計算

西布曲明分子的理論計算采用Gaussian09軟件包，分子的初始構(gòu)型用Chemoffice 2006和Gaussian view 6.0構(gòu)建。由于西布曲明分子主要由C、H、O、N等輕元素構(gòu)成，而密度泛函理論中的Beckes三參數(shù)混合模型(B3LYP)在輕元素構(gòu)成的分子計算中應用非常廣泛，因此利用B3LYP泛函來計算西布曲明分子的理論紅外光譜和拉曼光譜[10-11]。具體做法是：首先利用B3LYP/3-21G基組對初始構(gòu)型進行幾何結(jié)構(gòu)粗優(yōu)化，在得到的粗優(yōu)化結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，再用B3LYP/6-311G基組進行結(jié)構(gòu)的再優(yōu)化，并基于再優(yōu)化的結(jié)構(gòu)計算西布曲明分子的理論紅外和拉曼光譜，最后進一步探討西布曲明分子的幾何構(gòu)型及其紅外和拉曼振動特征。

2 結(jié)果與討論

2.1 西布曲明分子空間的幾何構(gòu)型

用Chemoffice 2006繪制西布曲明分子的平面結(jié)構(gòu)(見圖1)，通過B3LYP/3-21G和B3LYP/6-311G理論方法優(yōu)化后得到的分子最優(yōu)幾何構(gòu)型以及原子名稱、編號如圖2所示，詳細的結(jié)構(gòu)參數(shù)(包括鍵長、鍵角和二面角)見表1。

表1 優(yōu)化后西布曲明分子的結(jié)構(gòu)參數(shù)

從圖2可知，理論優(yōu)化后的西布曲明分子為三維非平面結(jié)構(gòu)。分子結(jié)構(gòu)以對位取代的苯環(huán)為主體，6C上連有一個氯原子，3C上連有一個較為復雜的取代基。由表1中的二面角數(shù)據(jù)：∠1C-2C-3C-4C=-0.418 64°、∠2C-1C-6C-11Cl=179.851 93°可知，苯環(huán)略有扭曲，在取代基的影響下不再是平面結(jié)構(gòu)；由∠12C-13C-15C-14C=-12.429 05°、∠13C-15C-14C-12C=12.413 38°可知，環(huán)丁基是非平面環(huán)結(jié)構(gòu)；而根據(jù)∠2C-3C-12C-13C=31.623 93°、∠4C-3C-12C-14C=-48.924 00°可知，苯環(huán)與環(huán)丁基也不在同一平面。從表1的鍵角數(shù)據(jù)可知，苯環(huán)上6個角均在117.9°～122.3°范圍內(nèi)，環(huán)丁基上的4個鍵角均在88.1°～89.8°之間，說明計算結(jié)果較為理想。

表1中的鍵長數(shù)據(jù)顯示，2C-3C和3C-4C的鍵長分別為1.403 67和1.406 95?，比未取代苯環(huán)中的碳碳鍵長1.401 40?要長；而1C-2C、4C-5C、5C-6C和1C-6C的鍵長則分別為1.399 85、1.397 07、1.389 39和1.387 26?，比未取代苯環(huán)的碳碳鍵長都要短，這也證實了由于取代基的作用，使苯環(huán)形狀扭曲。鍵長數(shù)據(jù)還顯示環(huán)丁基的4條碳碳鍵長均大于為取代環(huán)丁烷的碳碳鍵長，可見12C上的苯環(huán)及右側(cè)的長鏈取代基對其結(jié)構(gòu)影響較大。

2.2 西布曲明分子的振動頻率分析

推斷穩(wěn)定點的實質(zhì)是振動頻率，利用振動頻率可以找到紅外光譜中最強振動峰的所在位置，而最低振動頻率通常可以說明計算所得結(jié)構(gòu)中是否有虛頻的存在[12-13]。本文經(jīng)密度泛函理論B3LYP方法優(yōu)化后得到西布曲明分子的5個最小振動頻率值分別為34.97、39.37、46.04、55.35和67.40，其對應的振動強度值分別為0.141 0、0.296 8、0.215 5、0.415 3和0.041 9。由此可見，結(jié)果顯示沒有負值，即未出現(xiàn)虛頻，說明所得結(jié)構(gòu)均為勢能面上的穩(wěn)定點，本文所選取的優(yōu)化方法合理。

2.3 西布曲明分子的理論紅外光譜分析

紅外光譜(Infrared Spectroscopy，IR)是鑒定化合物結(jié)構(gòu)最常用的方法之一，是研究分子的振動和轉(zhuǎn)動躍遷的光譜，常稱為分子振動光譜。由于紅外光譜具有不破壞樣品、分析時間短且數(shù)據(jù)可靠等優(yōu)點，常被用于各類樣品的分析檢測[14-15]。本文利用密度泛函理論B3LYP方法，在優(yōu)化最穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用6-311G基組，計算得到了西布曲明分子在400～3 300 cm-1范圍內(nèi)的紅外振動頻率，并利用Gausian view 6.0軟件繪制了西布曲明的紅外譜圖(見圖3)。根據(jù)計算結(jié)果，將紅外譜圖分成400～900 cm-1、900～1 600 cm-1、2 900～3 300 cm-1等3個區(qū)域進行分析。

由圖3可知，西布曲明理論紅外光譜中400～900 cm-1區(qū)域內(nèi)普遍為中強或弱吸收峰，900～1 600 cm-1范圍內(nèi)大多為中強吸收峰，而2 900～3 300 cm-1區(qū)域內(nèi)的吸收峰則大多為極強或強吸收峰。其中400～900 cm-1區(qū)域內(nèi)的相對最強吸收峰出現(xiàn)在558 cm-1處，主要由分子內(nèi)碳氫的變形振動引起；其余幾個較為明顯的弱吸收峰分別為：732 cm-1

a) 400～900 cm-1

處的吸收峰，主要是由環(huán)丁基引起的環(huán)骨架變形振動；858 cm-1處的吸收峰，主要是由苯環(huán)的C-H面外變形振動引起。

900～1 600 cm-1區(qū)域內(nèi)的最強峰出現(xiàn)在1 025 cm-1處，這與1 014 cm-1處的特征峰一樣，均由西布曲明分子中4個甲基的C-H不對稱變形振動引起。另外2個較強的特征峰分別為：1 031 cm-1處，由苯環(huán)環(huán)骨架變形振動引起的；1 529 cm-1處，由苯環(huán)上C-H的面內(nèi)變形振動引起。

2 900～3 300 cm-1區(qū)域內(nèi)的吸收峰主要是C-H的伸縮振動頻率區(qū)，其中最強峰出現(xiàn)在2 912 cm-1處，這也是分子全部波數(shù)范圍內(nèi)中的最強峰，它是24N上甲基C-H的伸縮振動特征峰；這個范圍內(nèi)的次強峰在3 072 cm-1處，這是由28C上2個甲基C-H的伸縮振動引起的；此外，這個區(qū)域內(nèi)的強吸收峰分別出現(xiàn)在3 040、2 899、3 121、3 046、3 077和3 073 cm-1處(按照振動強度由大到小的順序排列)，其主要貢獻分別為：24N上甲基C-H的對稱伸縮振動特征峰，24N上甲基C-H的不對稱伸縮振動特征峰，環(huán)丁基上C-H的不對稱伸縮振動特征峰，環(huán)丁基上C-H的對稱伸縮振動特征峰，以及28C上甲基C-H的不對稱伸縮振動特征峰。

2.4 西布曲明分子的理論拉曼光譜分析

紅外光譜起源于偶極矩的變化，而拉曼光譜起源于極化率的變化。偶極矩和極化率的變化取決于分子的結(jié)構(gòu)和振動的對稱性，分子中有些非紅外活性振動可能是拉曼活性振動，因此紅外光譜和拉曼光譜能起到相互補充的作用[16]。本文在西布曲明優(yōu)化結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用DFT-B3LYP方法，在6-311G基組水平上計算了西布曲明的理論拉曼光譜(見圖4)。根據(jù)拉曼活性振動的情況，將拉曼光譜分為400～900 cm-1、900～1 700 cm-1、2 850～3 250 cm-1等3個部分進行分析。

圖4中400～900 cm-1范圍內(nèi)的特征峰普遍較弱，其中相對較強的是703和732 cm-1處的峰，主要是由環(huán)丁基環(huán)變形振動引起的，與上述紅外光譜是一致的。

900～1 700 cm-1區(qū)域內(nèi)的特征峰較多，此區(qū)域的最強峰出現(xiàn)在1 617 cm-1處，是由苯環(huán)C=C骨架伸縮振動引起的，這一振動峰在紅外光譜中觀察不到，但在拉曼光譜中則是很強的峰；另有1 272 cm-1處的較強峰為環(huán)丁基環(huán)呼吸振動峰，這一振動峰在紅外光譜中極弱，而在拉曼光譜中較強；1 031、1 531和1 553 cm-1處分別為苯環(huán)C-H面內(nèi)變形振動峰、28C上甲基C-H的不對稱變形振動和24N上甲基C-H的不對稱變形振動，這3處峰與紅外光譜的吸收峰是一致的。另外，在紅外光譜中1 529 cm-1處的苯環(huán)C-H面內(nèi)變形振動吸收峰在拉曼光譜中則極弱。

2 850～3 250 cm-1范圍內(nèi)的拉曼譜峰在整個拉曼光譜中是最強的，其中3 058 cm-1處的最強峰為環(huán)丁基C-H對稱伸縮振動峰；3 040 cm-1處的次強峰為25C-H對稱伸縮振動峰；3 072～3 133 cm-1處的8個峰均為甲基的不對稱伸縮振動峰；2 899～3 002 cm-1處的3個峰均為甲基的對稱伸縮振動峰；3 179～3 213 cm-1處的4個峰則為苯環(huán)上的C-H伸縮振動峰。

3 結(jié)語

本文基于Gaussian09程序，采用DFT理論方法，選取B3LYP泛函對西布曲明分子的結(jié)構(gòu)進行了最低能量優(yōu)化，討論了分子的最優(yōu)構(gòu)型特點，結(jié)果表明，分子中的苯環(huán)和環(huán)丁基均為三維非平面結(jié)構(gòu)，并且二者之間有較大的二面角。在最優(yōu)構(gòu)型的基礎(chǔ)上，采用同樣的方法和基組，計算了西布曲明分子的理論紅外光譜和拉曼光譜，并應用Gaussian view 6.0軟件繪制了紅外和拉曼譜圖，分析探討了2種光譜各譜峰的位置和振動模式歸屬，并將2種光譜進行了對比分析。由上述分析可知，某些在紅外光譜中為弱吸收的譜帶，在拉曼光譜中為強譜帶；某些官能團的振動在紅外光譜中能觀察到，但在拉曼光譜中觀察不到；而某些官能團的振動，在紅外光譜中觀察不到，在拉曼光譜中則能觀察到。顯然，將紅外和拉曼2種光譜結(jié)合可獲得關(guān)于西布曲明分子結(jié)構(gòu)的豐富而完整的信息?？偟膩碚f，本文的研究結(jié)果可為西布曲明分子的振動光譜檢測和分子結(jié)構(gòu)的鑒定提供光譜解析方面的理論依據(jù)，為西布曲明在各類保健產(chǎn)品中的分析檢測提供一定的理論指導。