基于密度泛函理論的莫西沙星振動光譜研究

徐 笛，辛敏思，劉春宇，蔡紅星，范 雅

長春理工大學理學院，吉林 長春 130022

引 言

莫西沙星(moxifloxacin)化學名為1-環丙基-7-[(S，S)-2，8-二氮雜雙環[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Bayer公司研制成功的新型第四代氟喹諾酮類抗菌藥物，新增的甲氧基增加了藥物對細菌的結合能力和細胞膜的穿透力，而且抗菌的效應強大而持久，藥物性能優于同種抗生素環丙沙星等，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)，危險標識碼Xn，屬有害物質。除了臨床使用有諸多禁忌外，使用后還可能存在藥物殘留，伴隨多種并發癥，所以快速檢測鑒定便尤為重要。

拉曼光譜與紅外光譜法具有無損快速、檢出限低、且光譜信息互補的優越性，在食品、藥品檢測中得到廣泛應用。密度泛函理論(density functional theory，DFT)是計算振動光譜的一種理論方法，其優勢在于不明顯增加計算量的同時，又考慮到了電子相關[1-2]。因其能夠直觀反應分子振動信息，是量子化學計算常用的方法[3-4]。目前以密度泛函計算為基礎、與拉曼光譜相結合來分析物質結構信息的研究工作在文獻中多有報道。但還沒有關于莫西沙星的IR，Raman和DFT的比較研究。

1 實驗部分與理論計算

莫西沙星選用阿拉丁試劑官網的分析純藥品(按C21H24FN3O4計，含量 99%)； LabRam HR Evolution型拉曼光譜儀(HORIBA公司)，選擇波長532 nm激光為激發光源，輸出功率為31.675 mW，掃描時間10 s，探測器采用研究級大芯片尺寸空冷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。

莫西沙星的理論計算采用Gaussian09[7]軟件包，分子構型由Gaussian view 5.0構建。由于莫西沙星分子主要由C，H，O和N等輕元素構成，而Beckes三參數混合模(B3LYP)泛函在輕元素構成的分子計算中被廣泛應用[5-6]，故利用B3LYP泛函來計算莫西沙星的拉曼光譜與紅外光譜。

首先利用B3LYP/3-21G基組對初始結構進行粗優化，在得到的優化結構的基礎上，選擇B3LYP/6-311+G(d)基組進行再優化并計算拉曼與紅外光譜。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]，修正后再與實驗數據相比較。計算結果無虛頻，說明得到的是穩定結構。優化后得到的莫西沙星分子結構和各個原子的名稱與編號如圖1所示。同時給出莫西沙星分子優化后的空間幾何參數，包含鍵長、鍵角和二面角，詳見于表1。

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

表1 莫西沙星優化后的幾何參數Table 1 Optimized geometrical parameters of Moxifloxacin

續表1

2 結果與討論

2.1 MXF分子的空間幾何結構

通過Gaussian09優化后的MXF分子為三維非平面結構。如圖1所示，MXF分子結構主要由以喹啉環為主體，6C上連接一個哌嗪環，5C與13N上分別連接一個甲氧基與環丙基，10C上連接一個羧基； 哌嗪環8C上連接一個甲基。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°等發現喹啉環不是平面幾何結構； 環丙基上三個角分別為59.856 83°，59.946 00°和60.197 17°，計算結果較為理想。34C-36C-41N-31O二面角為-66.741 73°，36C-34C-33C-29C二面角為43.991°等證明二氮雜雙環同樣不是平面環結構。

2.2 光譜分析

通過Gaussian view 5.0觀察MXF分子理論拉曼與紅外光譜各譜峰的振動形式，對其振動模歸屬進行指認，整理歸納于表2中列出。表中前2列分別是實驗測得與DFT計算所得的紅外光譜各譜峰的振動頻率，中間2列分別是實驗測得與DFT計算所得的拉曼光譜各譜峰的振動頻率，每個譜峰所屬的振動模式均在第5列中給出。

表2 莫西沙星理論與實驗振動頻率(cm-1)與歸屬Table 2 Theoretical and experimental vibrational Frequencies (cm-1) and Assignments of Moxifloxacin

續表2

和大部分有機分子相同，莫西沙星分子也具有不完全的對稱性，因而在紅外與拉曼光譜中都有反映，故對其理論計算所得的紅外光譜與拉曼光譜(圖2)進行對比分析。

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

同時個別譜峰存在差異，這些差異主要體現在兩方面。其一為相應峰位不一致： 如甲氧基上12O—4C的對稱伸縮振動在實驗光譜中都位于961和957 cm-1，而在理論光譜中位于941和926 cm-1。其原因可能是實驗設備會產生隨機誤差，同時量子化學的計算中過多考慮了電子相關的影響。其二是理論光譜中存在的個別譜峰在實驗光譜中沒有測到： 如理論光譜中1 477 cm-1等處的譜峰在實驗紅外和拉曼光譜中都沒有觀測到。這可能是由于理論計算模擬純理論振動，而實驗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 莫西沙星理論與實驗拉曼光譜比較Fig.3 Comparison of MXF DFT-RS and NRS

圖4 莫西沙星理論與實驗紅外光譜比較Fig.4 Comparison of MXF DFT-IR and IR

3 結 論

拉曼光譜是由具有對稱分布的鍵的對稱振動引起，而紅外光譜是由分子的不對稱振動所引起。利用這兩種光譜技術信息互補的特性，能夠實現有機化合物種類和結構的準確判斷。本文采用密度泛函理論的方法，結合Gaussian可視化軟件，對莫西沙星的分子結構進行了優化，計算出其拉曼光譜與紅外光譜，確定了各譜峰的振動模式歸屬，并與莫西沙星分析純藥品的實驗光譜進行了對比分析。該研究為新型喹諾酮類抗生素的振動光譜檢測儲備了基礎數據，為其在藥品殘留檢測領域的應用奠定了理論基礎。