基于Gaussian軟件構建尾式L-蘇氨酸卟啉亞鐵紅外吸收光譜解析綜合型實驗

周 輝, 蔣啟華, 王以武, 鄧 萍

(1. 重慶醫科大學 藥學院, 重慶 400016; 2. 重慶醫科大學 藥學實驗教學中心, 重慶 400016)

基于Gaussian軟件構建尾式L-蘇氨酸卟啉亞鐵紅外吸收光譜解析綜合型實驗

周 輝1,2, 蔣啟華1,2, 王以武2, 鄧 萍1,2

(1. 重慶醫科大學 藥學院, 重慶 400016; 2. 重慶醫科大學 藥學實驗教學中心, 重慶 400016)

基于Gaussian軟件構建了尾式L-蘇氨酸卟啉亞鐵的紅外光譜解析的綜合型實驗。通過實驗,讓學生結合Gaussian View軟件對尾式L-蘇氨酸卟啉亞鐵的紅外光譜進行解析,對不同吸收峰進行指認,培養學生的科研素質和創新能力。該實驗能彌補現有傳統實驗教學的不足,具有較強的實用性和可操作性強,可作為本科生綜合型實驗開設。

尾式L-蘇氨酸卟啉亞鐵; 綜合型實驗； Gaussian 09; Gaussian View

紅外吸收光譜是由分子振動、轉動能級的躍遷所形成,又稱為分子的振-轉光譜。在有機分子中,不同基團選擇性地吸收不同頻率的紅外輻射后,可引起分子振動能級的躍遷,形成獨特的紅外吸收光譜。振動頻率和吸收強度與組成分子的原子類型、官能團結構及分子的幾何構型等有關。根據紅外吸收光譜的譜圖解析,可以對化合物結構進行初步鑒定。由于紅外光譜在確定未知化合物的官能團上非常方便準確,在有機化學領域應用廣泛[1-2]。因此,紅外吸收光譜解析也是藥學類專業的有機化合物波譜解析課程重要教學內容之一。

有機化合物的分子振動屬于微觀層面,其振動方式難以通過一般的實驗手段方式進行測定和觀測[3]。因此,傳統的紅外吸收光譜實驗多側重于紅外吸收光譜的測定,重點讓學生了解儀器設備的操作使用方式及其注意事項;另外,對紅外圖譜的解析,多依靠經驗從吸收峰的位置推斷官能團的結構。筆者認為,以上實驗設計沒有讓學生認識紅外光譜的產生原理及深入理解各種振動的振動形式。Gaussian View軟件能顯示分子的振動情況,應用于紅外吸收光譜的解析實驗教學中,能顯著提高實驗教學效果。結合筆者科研工作實踐,將科研工作的成果引入到本科實驗教學中,基于Gaussian軟件設計開發了尾式L-蘇氨酸卟啉亞鐵紅外吸收光譜解析實驗。

1 實驗目的

(1) 了解分子振動能與紅外光譜的關系。

(2) 了解Gaussian 09及Gaussian View的基本使用方法及其在IR光譜解析中的應用。

(3) 掌握O—H、N—H伸縮振動及彎曲、芳烴C—H伸縮振動、羰基的伸縮振動等的振動特征及其吸收峰位置。

2 實驗軟件

Gaussian 09是美國Gaussian公司開發的系列電子結構軟件的最新版本,廣泛地被全世界各地的化學家、生物化學家、化學工程師、物理學家等使用。Gaussian 軟件從量子力學的基本定律出發,在各種不同的化學環境中預測分子結構、能量、振動頻率等性質。通過Gaussian軟件量化計算能較為準確解釋有機化合物的各種性質,因此被廣泛地應用于教學中[4-5]。

Gauss View是Gaussian 09最先進而強大的圖形接口。使用GaussView,可以導入或構建分子結構、檢測和控制Gaussian的計算、檢索并查看結果。通過GaussView讀取Gaussian 09的輸出文件,能模擬分子的紅外吸收光譜、紫外吸收光譜等譜圖;將預測得到的光譜與實驗測得的光譜對比觀察、比較其峰的位置與強度可以確定峰的歸屬[6-7]。

3 實驗內容

3.1 未知化合物的紅外吸收光譜的解析

帶教教師在實驗課前根據3.3的步驟獲得在尾式L-蘇氨酸卟啉亞鐵分子紅外吸收光譜，見圖1。在不告訴學生分子結構的情況下,由學生根據圖1推測該未知化合物可能存在的官能團結構。

圖1 尾式L-蘇氨酸卟啉亞鐵的分子結構示意圖

3.2 根據尾式L-蘇氨酸卟啉亞鐵分子結構對其紅外吸收光譜中的吸收峰進行歸屬進行指認

在完成實驗3.1的基礎上,告知學生該化合物的分子結構(圖2)。由學生結合該分子結構對圖1中的吸收峰歸屬進行指認;與實驗3.1的波譜解析結果進行對比,檢驗實驗3.1的解譜結果的正確率。

圖2 尾式L-蘇氨酸卟啉亞鐵分子理論紅外吸收光譜

3.3 尾式L-蘇氨酸卟啉亞鐵分子理論紅外吸收光譜的繪制

(1) 運行Gauss View 5.08 軟件→點擊File→Open分子結構文件(由于分子結構優化和頻率計算耗時較長,因此由帶教教師提前完成,學生僅需導入計算結果即可)。

(2) 點擊Result→Vibrations→Spectrum。

(3) 在IR Spectrum窗口上點擊右鍵→在彈出窗口中點擊Properties→Invert Axis選項前選勾,并將Half-width設置為50 cm-1。

經過上述步驟獲得圖1所示的尾式L-蘇氨酸卟啉亞鐵分子的理論紅外吸收光譜。

3.4 使用GaussView對紅外吸收光譜中吸收峰歸屬進行指認

(1) 重復實驗3.3的步驟,得到理論紅外吸光譜。

(2) 在Display Vibrations窗口上點擊Start animation按鈕,分子結構窗口中分子出現振動。

(3) 點擊Display Vibrations窗口上的Mode欄的不同序號,對應IR Spectrum窗口中不同吸收峰的躍遷,同時觀測分子結構窗口中分子的振動形式,判斷各吸收峰的吸收來源,對吸收峰歸屬進行指認。以圖1中Peak 1的歸屬指認為例如下:

圖3 Display Vibrations窗口

從圖3看到,序號為274,在3403cm-1處的振動在圖1中對應吸收峰(Peak 1),該吸收峰對應的分子振動如圖4所示,為分子中羧基上O—H鍵的伸縮振動,且該O—H與卟啉環上的N原子之間存在分子內氫鍵作用。同理操作,可以很方便地對圖1中的各吸收峰來源進行歸屬，結果見表1。

圖4 分子中O—H鍵的伸縮振動圖(箭頭代表振動方向)

吸收峰波數(cm-1)振動來源Peak134033557締合O—H鍵的伸縮振動N—H鍵的伸縮振動Peak23210苯環上C—H鍵的伸縮振動Peak31745C=O的伸縮振動Peak41023N-Fe配位鍵的伸縮振動Peak5648N—H鍵的彎曲振動Peak6635羥基O—H鍵的彎曲振動

通過本實驗步驟,可以借助Gauss View直觀、生動、形象地判斷圖1中各吸收峰的來源。同時,也能直觀地觀測到伸縮振動、彎曲振動等各種振動形式。

4 討論

(1) 綜合型實驗的目的在于通過實驗內容、方法或手段的綜合,培養學生綜合運用所學知識點解決相關問題,培養學生的綜合實驗能力,體現對學生能力、素質的綜合培養[8-9]。本文所設計的紅外吸收光譜解析實驗由教師的科研成果轉化而成,實驗內容涉及到O—H、N—H伸縮振動及彎曲、芳烴C—H伸縮振動、羰基的伸縮振動等多個紅外吸收光譜知識點,設計了未知結構的官能團鑒定(實驗內容3.1)、已知結構下紅外吸收光譜吸收峰的指認(實驗內容3.2)以及利用Gauss View指認吸收峰的歸屬(實驗內容3.3、3.4),包括了傳統的經驗解譜和利用Gauss軟件進行解譜方法。因此是一個較為典型的綜合型實驗。

(2) 傳統的紅外光譜解析常采用分子結構簡單、官能團單一的小分子有機化合物,與藥學研究實踐有較大的差距。尾式L-蘇氨酸卟啉亞鐵分子包含了O—H、N—H、芳烴C—H、羰基等典型結構,紅外吸收光譜比較具有代表性，且分子結構較為復雜,切合藥學研究的實際情況。

(3) 僅憑經驗判斷難以推斷解析復雜有機化合物的紅外吸收光譜。借助Gauss 09和Gauss View軟件,通過實驗譜和理論譜的對比,可以對實驗譜吸收峰的歸屬進行準確的判斷[10-11]。

(4) 由于本實驗設計的尾式L-蘇氨酸卟啉亞鐵分子結構較大,為了獲得較為準確的實驗結果,需要在高基組條件下進行優化,耗時較長。因此,本實驗未設計分子優化和頻率計算實驗;而是直接將優化結果用于學生實驗。因此,在實驗原理介紹的時候要適當補充Gauss 09對尾式L-蘇氨酸卟啉亞鐵的優化和頻率計算的前期操作步驟,便于學生了解理論紅外吸收光譜產生的完整步驟,以便于學生在以后工作實踐中能進行運用。

References)

[1] 王鵬,周洪雷,薛付忠,等.60種植物類中藥提取物的紅外光譜分析及其與寒熱藥性相關性的模式識別評價研究[J].光譜學與光譜分析,2014,34(1):58-63.

[2] 陶思嘉,李夢華,李景明,等.紅外光譜及Bayes信息融合技術的葡萄酒鑒別研究[J].分析化學,2014,42(2):215-220.

[3] 胡飛龍,顧運瓊,譚明雄.結合制藥工程專業特色進行有機化學教學：以有機物紅外光譜分析教學為例[J].化學教育,2014,35(14):51-53.

[4] 游利琴,買文鵬,袁金偉,等.Gaussian系列軟件在有機化學教學中的應用與探索[J].廣東化工,2014,41(14):232-233.

[5] 蔡開聰,杜芬芬,劉佳,等.Gaussian軟件在紅外光譜學教學中的應用[J].化學教育,2014,35(8):51-53.

[6] 韓曉剛,廖奕.Gaussian和Multiwfn軟件在結構化學教學中的應用[J].首都師范大學學報:自然科學版,2014,33(5):23-26.

[7] 趙一丹,廖奕.Gaussian軟件在H2分子的結構和價鍵理論教學中的應用[J].首都師范大學學報:自然科學版,2011,30(增刊1):53-55.

[8] 王小燕,王書文,王春芙 等.兩種Co(Ⅲ)配合物鍵合異構體的制備表征及轉化分析[J].實驗技術與管理,2014,31(7):190-192.

[9] 牛小玲,張鵬飛.便攜式甲醛檢測儀設計：創新型實驗項目[J].實驗技術與管理,2013,30(10):79-82.

[10] 凡素華,武海,張文保,等.Gaussian軟件在高?；瘜W教學中的應用[J].大學化學,2011,25(2):45-48.

[11] 鄧萍,蔣啟華.Gaussian軟件在取代苯親電取代反應教學中的應用[J].現代教育裝備,2011(5):53-55.

Analysis of IR spectrum of ferroporphyrin containing tailed L-threonine: A comprehensive experiment based on Gaussian software

Zhou Hui1,2, Jiang Qihua1,2, Wang Yiwu2, Deng Ping1,2

(1. College of Pharmacy,Chongqing Medical University,Chongqing 400016, China;2. Pharmaceutical experimental teaching center,Chongqing Medical University,Chongqing 400016, China)

A comprehensive experiment named the “Analysis of the IR spectrum of ferroporphyrin containing tailed L-threonine” is designed based on Gaussian 09 and Gaussian View.In this experiment,the IR spectrum can be analyzed thought Gaussian View.The experiment which has good practicability and maneuverability can make up the deficiency existing in the traditional experiment teaching.So,this project is very suitable to be used as an comprehensive experiment for undergraduate students.

ferroporphyrin containing tailed L-threonine; comprehensive experiment; Gaussian 09; Gaussian View

2014- 10- 28

重慶市教委藥學實驗教學示范中心建設項目(渝高教[2009]32號)；重慶市教委應用型藥學人才培養模式創新實驗區項目(渝教高[2011]49號)

周輝(1981—)，男，重慶,博士，副教授，主要從事有機合成及波譜解析科研教學工作

E-mail：zhouhuidy@126.com

鄧萍(1977—)，女，四川遂寧，副教授，主要從事量子化學研究工作.

E-mail：quantum_chemistry@126.com

G642.423；O657.33

B

1002-4956(2015)6- 0072- 03