磺胺甲惡唑的振動光譜和密度泛函理論研究

呂少巖, 張 靜, 于 倩, 劉 春

(河北科技大學 環境科學與工程學院 河北省污染防治生物技術重點實驗室, 石家莊 050018)

1 引 言

磺胺甲惡唑(Sulfamethoxazole，SMX)，又稱為新諾明，是一種常見的磺胺類抗生素. 作為一種廣譜類抗生素，SMX已被主要用于敏感細菌引起的尿路感染、呼吸系統感染、腸道感染和膽道感染等[1]. 過度使用SMX將會引起其在環境中的廣泛分布. 由于它的長期暴露會引起耐藥基因的出現，對人的身體健康造成威脅，從而可能會引起嚴重的公共衛生問題[2-5]. 此外，SMX已被世界衛生組織國際癌癥研究機構列為3類致癌物，因此對SMX的檢測尤為重要.

目前抗生素的主要檢測方法是紫外分光光度法和高效液相色譜-質譜法，但樣品需要預處理、檢測步驟繁瑣、成本較高. 紅外光譜和拉曼光譜法，具有樣品需求量少、無需特殊處理和檢測快速等優點，被廣泛用于環境監測和污染物結構研究中[6，7]. 其中，紅外光譜屬于吸收光譜，是利用物質對不同波長的紅外輻射的吸收特性來獲取分子結構和化學組成；拉曼光譜屬于散射光譜，是利用測定散射光相對入射光頻率的變化來獲取分子內部結構信息，通過振動引起分子極化率變化而產生. 盡管它們的產生原理不同，但都是研究分子振動的重要手段，且在一定程度上可互相補充，可實現更好、更快捷的抗生素檢測. 密度泛函理論(Density functional theory，DFT)是一種量子化學計算方法，它的計算結果和實驗結果有很好的吻合性，近年來在計算分子結構性質和振動光譜方面得到普遍應用[8-10]. 當前對SMX的研究主要集中在SMX殘留物的降解，而對分子結構和振動光譜方面研究較少.

本文采用DFT計算方法，對SMX分子進行幾何優化及振動光譜的計算，將理論計算得到的光譜和實驗光譜進行對比，并采用GaussView 6.0對振動模式進行歸屬分析，其結果可為SMX分子的檢測及其振動光譜研究提供參考. 同時對SMX分子結構性質進行了分析，通過計算SMX分子表面靜電勢和前線分子軌道對反應活性位點進行預測，為以后SMX分子的降解過程研究提供理論參考.

2 實驗和理論計算

磺胺甲惡唑購自上海易恩化學技術有限公司，粉末狀. 分子式為C10H11N3O3S，分子量為253.3，純度 ≥ 98 %. 紅外光譜實驗選用BRUKER公司Tensor 27型傅里葉紅外光譜儀，KBr壓片處理法. 拉曼光譜實驗選用HORIBA公司LabRAM HR Evolution型拉曼光譜儀，激光器波長選擇785 nm.

理論計算采用Gaussian 16軟件包[11]，分子初始構型通過Chemoffice 18和GaussView 6.0軟件構建. 在氣相環境下，采用DFT中雜化密度泛函B3LYP方法，選擇B3LYP/6-311 + + G (d，p)基組進行結構優化和頻率計算. 頻率計算中添加了關鍵詞“freq = intmode”，計算每個振動模式的勢能分布[12]. 理論光譜的頻率修正選擇校正因子0.9630[13]，使用Multiwfn程序[14]將計算得到的拉曼活性轉換為拉曼光譜強度. 將計算得到的紅外和拉曼光譜與實驗光譜進行對比，通過GaussView 6.0對振動頻率歸屬進行全面指認. 使用Multiwfn結合VMD程序[15]分析并繪制SMX分子表面靜電勢分布圖和高質量分子軌道等值面圖.

3 結果與討論

3.1 SMX分子的幾何結構

采用B3LYP/6-311 + + G (d，p)基組對初始結構進行幾何優化，優化后的SMX分子的幾何結構如圖1所示，其中C、O、S、N、H分別分別采用黑、紅、黃、藍、灰進行表示. 優化結果收斂，無虛頻，表明優化后的分子結構為穩定構型，最終優化后的分子能量為-1175.94 a.u..

圖1 優化后的SMX分子結構Fig. 1 Optimized structure of SMX molecule

由圖1可以看出，SMX分子結構主要由磺酰胺基團分別連接異惡唑環和苯環構成. 1C連接一個甲基，14C連接一個氨基. SMX最終優化后的部分幾何參數值如表1所示，包括鍵長、鍵角和二面角. 其中8S-7N和9C-8S鍵長分別為1.710 ?和1.783 ?. 其余主要鍵長基本約在1.400 ?左右，因此可以判斷，當被其他試劑攻擊時發生化學反應時，S-N和S-C鍵最可能發生斷裂. 7N-8S-9C鍵角為107.471°，8S-7N-3C-2C和8S-7N-3C-4N二面角分別為-50.517°和133.669°，12C-9C-8S-7N和16C-9C-8S-7N二面角分別為92.252°和-87.500°，9C-8S-7N-3C二面角為-64.193°，其他主要的二面角絕對值均在0°和180° 之間. 因此可以判斷與7N相連的異惡唑環甲基結構以及8S相連的苯環氨基結構均在一個平面上，但SMX分子整體為非平面結構.

表1 SMX分子優化后的幾何參數

3.2 SMX的振動光譜分析

紅外光譜和拉曼光譜可以反應分子官能團和分子結構等信息，對有機物的鑒定具有很好的參考價值[16-17]. 本文通過實驗和理論相結合的方法，對SMX分子的紅外和拉曼光譜進行了測定，得到相應的振動頻率和強度，并將實驗光譜和理論計算光譜進行對比分析，繪制了4000-300 cm-1的光譜圖，SMX的實驗和理論紅外光譜如圖2所示，SMX的實驗和理論拉曼光譜如圖3所示. 通過對比發現實驗光譜和理論計算光譜的峰型及振動頻率基本吻合，說明此計算方法的選擇是可取和可信的. 同時發現，存在部分峰的位置其實驗和理論存在差異. 該原因可歸結為兩個方面，一是實驗中SMX物質以固體粉末形式存在，具有分子間作用力，而理論計算只是針對獨立單個分子進行分析；二是實驗設備本身會存在一定誤差[18].

圖2 SMX分子的理論和實驗紅外光譜Fig. 2 Theoretical and experimental infrared spectra of SMX molecule

圖3 SMX分子理論和實驗拉曼光譜Fig. 3 Theoretical and experimental raman spectra of SMX molecule

SMX分子在4000-300 cm-1范圍內的振動頻率和歸屬如表2所示，包括理論計算未校正頻率、校正頻率、實驗紅外頻率、實驗拉曼頻率和振動模式的歸屬. 其中計算所得每個振動模式均有強度，但是一些振動并不是單一振動模式，而是幾個振動共同作用、相互影響的結果，彼此之間存在關聯，因此需要計算每個振動模式下的勢能分布(Potential energy distribution，PED). 通過Gauss View 6.0結合PED值(≥10%)對每個振動模式進行了指認歸屬，由表2可以看出在此頻率范圍內共有66個簡正振動模式，根據振動集中程度，可將振動頻率分為3600-2800 cm-1和1700-300 cm-1兩個頻率區域.

表2 SMX分子的理論、實驗振動頻率和歸屬

3.2.13600-2800cm-1區域

在3600-2800 cm-1振動區域內存在11個振動模式，歸屬于N-H和C-H的伸縮振動. 在N-H伸縮振動中，3557 cm-1歸屬于氨基上17N-H的不對稱伸縮振動，實驗紅外光譜中位于3467 cm-1，實驗拉曼光譜中位于3465 cm-1；3456 cm-1歸屬于氨基上17N-H的對稱伸縮振動，實驗紅外光譜中位于3378 cm-1，實驗拉曼光譜中位于3379 cm-1；3420 cm-1歸屬于磺酰胺基團上7N-H的伸縮振動，實驗光譜中位于3298 cm-1，實驗拉曼光譜中位于3300 cm-1. 在C-H伸縮振動中，3163 cm-1歸屬于異惡唑環上2C-H的伸縮振動，實驗紅外光譜中位于3143 cm-1，實驗拉曼光譜中位于3146 cm-1；該區域范圍內，其他的振動模式均歸屬于C-H的伸縮振動，但在實驗光譜中中均未檢測到，這可能是因為對應的紅外強度或拉曼強度較低，加之固體粉末存在分子間作用力的影響，導致振動變弱. 如，3080 cm-1歸屬于苯環上16C-H的伸縮振動，實驗拉曼光譜中位于3072 cm-1，而實驗紅外光譜中未檢測到；2976 cm-1歸屬于異惡唑環上6C-H的不對稱伸縮振動，但在實驗紅外和拉曼光譜中均未檢測到. 研究可以發現，C-H伸縮振動的理論計算和實驗光譜的頻率基本吻合，而N-H伸縮振動的理論計算和實驗光譜的頻率存在一定差異，這主要是因為N-H鍵極性較大，容易與其他分子產生牽制，導致頻率的偏移.

3.2.21700-300cm-1區域

在1700-300 cm-1振動頻率區域內存在55個振動模式，并且理論計算光譜和實驗光譜的振動頻率吻合度較高. 存在14個振動強度較大，實驗紅外光譜和實驗拉曼光譜中均具有較好的吻合. 如，1603 cm-1歸屬于氨基上17N-H的剪式彎曲振動和17N-14C的伸縮振動，實驗紅外光譜中位于1611 cm-1，實驗拉曼光譜中位于1609 cm-1；1587 cm-1歸屬于異惡唑環上1C = 2C的伸縮振動和2C-H的面內搖擺振動，實驗紅外光譜中位于1596 cm-1，實驗拉曼光譜中位于1591 cm-1；1363 cm-1歸屬于甲基上6C-H的對稱彎曲振動，實驗紅外光譜中位于1366 cm-1，實驗拉曼光譜中位于1369 cm-1；1029 cm-1歸屬于氨基上17N-H的扭曲振動，實驗紅外光譜中位于1027 cm-1，實驗拉曼光譜中位于1026 cm-1；928 cm-1歸屬于苯環上C-H的扭曲振動，實驗紅外光譜中位于927 cm-1，實驗拉曼光譜中位于922 cm-1；684 cm-1歸屬于異惡唑環上2C-H的面外搖擺振動和C-C的面外搖擺振動，實驗紅外光譜中位于685 cm-1，實驗拉曼光譜中位于691 cm-1；其他振動模式由于對應的振動強度較小和分子間作用力的影響或只具有單一光譜對應或著均無對應. 如，1472 cm-1歸屬于苯環上C-C的伸縮振動和C-H的面內搖擺振動，實驗紅外光譜中位于1471 cm-1，實驗拉曼光譜無對應峰；624 cm-1歸屬于苯環上C-C的彎曲振動，拉曼實驗光譜中位于629 cm-1，實驗紅外光譜無對應峰；1420 cm-1歸屬于甲基上6C-H的不對稱彎曲振動，實驗光譜中均無對應峰.

3.3 SMX分子表面靜電勢分析

空間中某點的靜電勢(Electrostatic potential，ESP)指的就是將單位正電荷從無窮遠移動到該點所做的功，描述的是電子之間以及電子與核電荷間的相互作用. 分子在化學反應初始階段大都通過靜電作用縮短距離，所以靜電勢在研究分子之間靜電作用、預測反應活性位點等方面具有重要意義[19]. 通常，分子范德華表面上的靜電勢用來預測親電和親核反應活性位點. 可以通過定量分子表面分析確定靜電勢在分子范德華表面上的極小點和極大點，距離分子表面上靜電勢最小點(最大點)位置最近的原子即為最有可能發生親電(親核)反應的位點. 采用Multiwfn結合VMD分析和繪制了SMX分子的表面靜電勢分布如圖4所示，從藍色到紅色代表著靜電勢由負值到正值的變化，藍色區域容易被親電試劑攻擊，紅色區域容易被親核試劑攻擊. 通過定量分析分子表面電勢得出，SMX分子在當前計算模型下存在11個極小值點和11個極大值點. 其中，ESP最小值為-38.32 kal/mol，位于磺酰胺基團區域；ESP最大值為 + 47.07 kal/mol，位于氨基區域. 由此可以得出，在化學反應初始階段，親電試劑和親核試劑通過靜電作用將攻擊磺酰胺基團區域和氨基區域.

圖4 SMX分子的靜電勢分布Fig. 4 The electrostatic potential distribution of SMX molecule

3.4 SMX的前線分子軌道分析

最高占據分子軌道(Highest occupied molecular orbital，HOMO)和最低未占據分子軌道(Lowest unoccupied molecular orbital，LUMO)稱為前線分子軌道[20]. 前線分子軌道在反應電子的能級躍遷和預測化學反應活性位點等方面有重要的意義. 分子軌道成分的計算實質上是考察某軌道上電子密度在各個原子的分布情況. 采用Multiwfn結合VMD分析和繪制了SMX的高質量分子軌道等值面圖，如圖5所示. SMX分子的HOMO為軌道66，能量為-0.24 a.u.；LUMO為軌道67，能量為-0.05 a.u.. 因此HOMO和LUMO之間的能隙差(Egap)為0.19 a.u.，表明電子有從HOMO向LUMO躍遷的能力. 親電反應和親核反應也可以通過HOMO和LUMO的軌道成分進行預測，而HOMO和LUMO的軌道成分主要分布在苯環位置，所以苯環相較于異惡唑環更容易發生親電反應和親核反應.

圖5 SMX分子的前線分子軌道Fig. 5 Frontier molecular orbitals of SMX molecule

4 結 論

采用DFT中雜化密度泛函B3LYP方法，在B3LYP/6-311 + + G (d，p)基組水平上對SMX分子進行了結構優化，對鍵長、鍵角和二面角進行了計算. 在相同計算水平下對SMX分子的紅外光譜和拉曼光譜進行了分析，并通過GaussView 6.0對不同頻率峰的振動模式進行了指認歸屬. 將理論計算得到的紅外和拉曼光譜與實驗獲得的光譜進行了對比分析，發現兩者較為吻合. 在結構優化基礎上，繪制了SMX分子的表面靜電勢分布圖，得到SMX分子靜電勢最小值位于磺酰胺基團區域，其值為-38.32 kal/mol；ESP最大值位于氨基區域，其值為 + 47.07 kal/mol. 通過前線分子軌道計算，得出HOMO和LUMO之間能隙差為0.19 a.u.，軌道成分的分布結果分析得出苯環部分的反應活性要高于異惡唑環部分. 該研究為SMX的振動光譜檢測儲備了基礎數據，為其在抗生素藥品殘留檢測領域的應用及其結構鑒定奠定了理論基礎.