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)環丁基)-3-甲基丁基)-N,N-二甲胺，分子式為C17H26ClN，是一種中樞神經抑制劑，具有抗抑郁的特性，一般用于治療抑郁癥。后來人們發現它能夠刺激交感神經，從而降低食欲，增加產熱，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品中的大量使用，其副作用也隨之顯現：西布曲明不僅會引發心腦血管類疾病，還能引起神經紊亂、胃腸道系統受損、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年知名網紅郭美美因涉嫌生產、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、液質聯用法、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構全優化，在優化結構的基礎上，計算西布曲明分子的振動頻率，繪制其紅外光譜、拉曼光譜，并對分子結構、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，為西布曲明在各類產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，分子的初始構型用Chemoffice 2006和Gaussian view 6.0構建。由于西布曲明分子主要由C、H、O、N等輕元素構成，而密度泛函理論中的Beckes三參數混合模型(B3LYP)在輕元素構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基組對初始構型進行幾何結構粗優化，在得到的粗優化結構的基礎上，再用B3LYP/6-311G基組進行結構的再優化，并基于再優化的結構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型及其紅外和拉曼振動特征。

2 結果與討論

2.1 西布曲明分子空間的幾何構型

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

表1 優化后西布曲明分子的結構參數

從圖2可知，理論優化后的西布曲明分子為三維非平面結構。分子結構以對位取代的苯環為主體，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中的二面角數據：∠1C-2C-3C-4C=-0.418 64°、∠2C-1C-6C-11Cl=179.851 93°可知，苯環略有扭曲，在取代基的影響下不再是平面結構；由∠12C-13C-15C-14C=-12.429 05°、∠13C-15C-14C-12C=12.413 38°可知，環丁基是非平面環結構；而根據∠2C-3C-12C-13C=31.623 93°、∠4C-3C-12C-14C=-48.924 00°可知，苯環與環丁基也不在同一平面。從表1的鍵角數據可知，苯環上6個角均在117.9°～122.3°范圍內，環丁基上的4個鍵角均在88.1°～89.8°之間，說明計算結果較為理想。

表1中的鍵長數據顯示，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?，比未取代苯環的碳碳鍵長都要短，這也證實了由于取代基的作用，使苯環形狀扭曲。鍵長數據還顯示環丁基的4條碳碳鍵長均大于為取代環丁烷的碳碳鍵長，可見12C上的苯環及右側的長鏈取代基對其結構影響較大。

2.2 西布曲明分子的振動頻率分析

推斷穩定點的實質是振動頻率，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構中是否有虛頻的存在[12-13]。本文經密度泛函理論B3LYP方法優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，結果顯示沒有負值，即未出現虛頻，說明所得結構均為勢能面上的穩定點，本文所選取的優化方法合理。

2.3 西布曲明分子的理論紅外光譜分析

紅外光譜(Infrared Spectroscopy，IR)是鑒定化合物結構最常用的方法之一，是研究分子的振動和轉動躍遷的光譜，常稱為分子振動光譜。由于紅外光譜具有不破壞樣品、分析時間短且數據可靠等優點，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，在優化最穩態結構的基礎上，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)。根據計算結果，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區域內普遍為中強或弱吸收峰，900～1 600 cm-1范圍內大多為中強吸收峰，而2 900～3 300 cm-1區域內的吸收峰則大多為極強或強吸收峰。其中400～900 cm-1區域內的相對最強吸收峰出現在558 cm-1處，主要由分子內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，主要是由環丁基引起的環骨架變形振動；858 cm-1處的吸收峰，主要是由苯環的C-H面外變形振動引起。

900～1 600 cm-1區域內的最強峰出現在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，由苯環環骨架變形振動引起的；1 529 cm-1處，由苯環上C-H的面內變形振動引起。

2 900～3 300 cm-1區域內的吸收峰主要是C-H的伸縮振動頻率區，其中最強峰出現在2 912 cm-1處，這也是分子全部波數范圍內中的最強峰，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，這個區域內的強吸收峰分別出現在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，環丁基上C-H的不對稱伸縮振動特征峰，環丁基上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構和振動的對稱性，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]。本文在西布曲明優化結構的基礎上，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，主要是由環丁基環變形振動引起的，與上述紅外光譜是一致的。

900～1 700 cm-1區域內的特征峰較多，此區域的最強峰出現在1 617 cm-1處，是由苯環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處的較強峰為環丁基環呼吸振動峰，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C-H面內變形振動峰、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C-H面內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個峰則為苯環上的C-H伸縮振動峰。

3 結語

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構進行了最低能量優化，討論了分子的最優構型特點，結果表明，分子中的苯環和環丁基均為三維非平面結構，并且二者之間有較大的二面角。在最優構型的基礎上，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種光譜結合可獲得關于西布曲明分子結構的豐富而完整的信息?？偟膩碚f，本文的研究結果可為西布曲明分子的振動光譜檢測和分子結構的鑒定提供光譜解析方面的理論依據，為西布曲明在各類保健產品中的分析檢測提供一定的理論指導。