徐 笛，范 雅，辛敏思，劉春宇，張 燁，蔡紅星

長春理工大學理學院，吉林 長春 130022

引 言

加替沙星(Gatifloxacin, Gati)是由日本杏林制藥株式會社首創(chuàng)的新6-氟-8-甲氧基喹諾酮類外消旋化合物，是第四代氟喹諾酮類藥物。主要用于由敏感病原體所致的輕、中度感染性疾病，因其廣譜、高效、低毒的優(yōu)越性，受到國內(nèi)外廣泛關(guān)注并使用。

加替沙星的分子量為375.39，分子式C19H22FN3O4，危險標識碼Xn，屬于有害物質(zhì)。除了臨床使用有諸多禁忌外，使用后還可能存在藥物殘留，危及健康。所以快速檢測鑒定便尤為重要。目前常用的主要有高效液相色譜法(HPLC)，熒光光度法等。但HPLC法的實驗成本高，樣品前處理較為復雜，液相色譜儀價格及日常維護費用比較昂貴，不利于實現(xiàn)快速檢測。

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(yōu)越性，越來越多的在食品、藥品檢測中得到應(yīng)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(yōu)勢在于不明顯增加計算量的同時，又考慮到了電子相關(guān)[1-2]。因其能夠直觀反應(yīng)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(chǔ)、與拉曼光譜相結(jié)合來分析物質(zhì)結(jié)構(gòu)信息的研究工作在文獻中多有報道[5-6]。但還沒有關(guān)于加替沙星的IR，Raman和DFT的比較研究。

1 實驗部分與理論計算

加替沙星選用阿拉丁試劑官網(wǎng)的分析純藥品(按C19H22FN3O4計，含量>98%)； LabRam HR Evolution型拉曼光譜儀(HORIBA公司)，選擇532 nm激光為激發(fā)光源，激光輸出功率為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，加替沙星粉末由KBr壓片處理，掃描32次。

加替沙星的理論計算采用Gaussian09[7]軟件包，分子構(gòu)型由Gaussian view 5.0構(gòu)建。由于加替沙星分子主要由C，H，O和N等輕元素構(gòu)成，而Beckes三參數(shù)混合模(B3LYP)泛函在輕元素構(gòu)成的分子計算中被廣泛應(yīng)用[5-6]，故利用B3LYP泛函來算加替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(jié)構(gòu)進行粗優(yōu)化，在得到的優(yōu)化結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，選擇B3LYP/6-311+G(d)基組進行再優(yōu)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0.977[8]，修正后再與實驗數(shù)據(jù)相比較。計算結(jié)果無虛頻，說明得到的是穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。優(yōu)化后得到的加替沙星分子結(jié)構(gòu)和各個原子的名稱與編號如圖1所示。同時給出加替沙星分子優(yōu)化后的空間幾何參數(shù)，包含鍵長、鍵角和二面角，詳見于表1。圖2給出Gati分子的理論拉曼光譜(a)與紅外光譜(b)的對比； 而理論拉曼光譜(c)與實驗拉曼光譜(d)的對比如圖3所示出，理論紅外光譜(e)與實驗紅外光譜(f)的對比如圖4所示。

圖1 在B3LYP/6-311+G(d)基組優(yōu)化后加替沙星結(jié)構(gòu)Fig.1 Optimized structure of Gatifloxacinat B3LYP/6-311+G(d) levels

圖2 400～4 000 cm-1范圍內(nèi)加替沙星的理論拉曼與紅外光譜Fig.2 DFT-RS (a) and DFT-IR (b) of Gatifloxacin inthe 4 000～400 cm-1 region

2 結(jié)果與討論

2.1 Gati分子的空間幾何結(jié)構(gòu)

通過Gaussian09優(yōu)化后的Gati分子為三維非平面結(jié)構(gòu)。如圖1所示，Gati分子結(jié)構(gòu)主要由以喹啉環(huán)為主體，1C上連接一個哌嗪環(huán)，2C與33N上分別連接一個甲氧基與環(huán)丙基，9C上連接一個羧基； 哌嗪環(huán)14C上連接一個甲基。從表1中1C—2C—3C—4C二面角為9.381 096 0°、7C—9C—10C—33N二面角為-7.809 60°等發(fā)現(xiàn)喹啉環(huán)不是平面幾何結(jié)構(gòu)；14C—21N—16C—13C二面角為-28.671 47°、13C—20N—12C—14C二面角為-33.357 11°等證明哌嗪環(huán)同樣不是平面環(huán)結(jié)構(gòu)。

表1 加替沙星優(yōu)化后的幾何參數(shù)Table 1 Optimized geometrical Parameters of Gatifloxacin

2.2 光譜分析

通過Gaussian view 5.0觀察Gati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。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波數(shù)，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波數(shù)，每個譜峰所屬的振動模式均在第5列中給出。

表2 加替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 Gatifloxacin

續(xù)表2

549541ρ(C—H)C3H5 δ(qu1) ν(C—F)515513512ω(C—C)qu1br(pi)485469ρ(C—H) C3H5 δ(qu2)452456σ(C—N)pi399392ρ(6C—F 7C—O 29C—O)374ρ(2C—19O) σ(C—30O)339ρ(14C—23C)328312ω(C—19O)

Note: (1)ν: Stretch;σ: Scissoring;ρ: In-plane-rocking;ω: Out-of-plane-rocking;τ: Torsion-vibration;δ: Deformation-vibration; br: Ringbreath; (2) s: Symmetric; as: Antisymmetric; (3) pi: Pierazine ring; qu: Quinoline

2.2.1 理論計算所得拉曼與紅外光譜的對比分析

和大多數(shù)有機分子一樣，加替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3)進行對比分析。

圖3 加替沙星理論與實驗拉曼光譜比較Fig.3 Comparison of DFT-RS (c) and NRS (d) of Gati

圖4 加替沙星理論與實驗紅外光譜比較Fig.4 Comparison of DFT-IR (e) and IR (f) of Gati

2.2.2 理論光譜與實驗光譜的對比分析

將理論計算所得的光譜與實驗測得的光譜進行對比，如圖4與圖5所示。實驗測得的拉曼光譜與紅外光譜譜峰數(shù)量多、強度明顯，說明實驗結(jié)果較好。通過比較理論光譜與實驗光譜的光譜線型和振動頻率發(fā)現(xiàn)，大部分譜峰的峰位基本一致。如哌嗪環(huán)上16C—H的對稱伸縮振動在實驗紅外光譜中位于3 012 cm-1，理論紅外光譜中位于3 011 cm-1； 實驗拉曼光譜中位于3 016 cm-1，理論拉曼光譜中位于3 011 cm-1。喹啉環(huán)上C—C伸縮振動在實驗光譜中位于1 616 cm-1(IR)，1 614 cm-1(NRS)，理論紅外和拉曼光譜中都位于1 613 cm-1。

個別譜峰存在差異，這些差異主要體現(xiàn)在兩方面： 其一為相應(yīng)峰位不一致： 如環(huán)丙基上C—H的面內(nèi)搖擺振動在實驗光譜中都位于1 093 cm-1，而在理論光譜中都位于1 103 cm-1，峰位波數(shù)相差6 cm-1。其原因可能是實驗設(shè)備會產(chǎn)生隨機誤差，同時量子化學的計算中過多考慮了電子相關(guān)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1 771 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，而實驗中加替沙星以固體粉末形式存在，有分子間作用力影響。

3 結(jié) 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。利用這兩種光譜信息互補的特性，能夠?qū)崿F(xiàn)有機化合物種類和結(jié)構(gòu)的準確判斷。采用密度泛函理論的方法，結(jié)合Gaussian可視化軟件，對加替沙星的分子結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)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，并與加替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(chǔ)數(shù)據(jù)，為其在藥品殘留檢測領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。