基于密度泛函理论的莫西沙星振动光谱研究

徐 笛，辛敏思，刘春宇，蔡红星，范 雅

长春理工大学理学院，吉林 长春 130022

引 言

莫西沙星(moxifloxacin)化学名为1-环丙基-7-[(S，S)-2，8-二氮杂双环[4.3.0]壬烷-8-基]-6-氟-8-甲氧基-1，4-二氢-4-氧代-3-喹啉羧酸，是德国Bayer公司研制成功的新型第四代氟喹诺酮类抗菌药物，新增的甲氧基增加了药物对细菌的结合能力和细胞膜的穿透力，而且抗菌的效应强大而持久，药物性能优于同种抗生素环丙沙星等，临床中被广泛使用。

莫西沙星的分子量为401.43，分子式C21H24FN3O4(图1)，危险标识码Xn，属有害物质。除了临床使用有诸多禁忌外，使用后还可能存在药物残留，伴随多种并发症，所以快速检测鉴定便尤为重要。

拉曼光谱与红外光谱法具有无损快速、检出限低、且光谱信息互补的优越性，在食品、药品检测中得到广泛应用。密度泛函理论(density functional theory，DFT)是计算振动光谱的一种理论方法，其优势在于不明显增加计算量的同时，又考虑到了电子相关[1-2]。因其能够直观反应分子振动信息，是量子化学计算常用的方法[3-4]。目前以密度泛函计算为基础、与拉曼光谱相结合来分析物质结构信息的研究工作在文献中多有报道。但还没有关于莫西沙星的IR，Raman和DFT的比较研究。

1 实验部分与理论计算

莫西沙星选用阿拉丁试剂官网的分析纯药品(按C21H24FN3O4计，含量 99%)； LabRam HR Evolution型拉曼光谱仪(HORIBA公司)，选择波长532 nm激光为激发光源，输出功率为31.675 mW，扫描时间10 s，探测器采用研究级大芯片尺寸空冷CCD； Thermo Scientific Nicolet iS50型傅里叶红外光谱仪，光谱分辨率4 cm-1，莫西沙星粉末由KBr压片处理，扫描32次。

莫西沙星的理论计算采用Gaussian09[7]软件包，分子构型由Gaussian view 5.0构建。由于莫西沙星分子主要由C，H，O和N等轻元素构成，而Beckes三参数混合模(B3LYP)泛函在轻元素构成的分子计算中被广泛应用[5-6]，故利用B3LYP泛函来计算莫西沙星的拉曼光谱与红外光谱。

首先利用B3LYP/3-21G基组对初始结构进行粗优化，在得到的优化结构的基础上，选择B3LYP/6-311+G(d)基组进行再优化并计算拉曼与红外光谱。理论光谱的频率修正选择6-311+G(d)基组的校正因子0.973[8]，修正后再与实验数据相比较。计算结果无虚频，说明得到的是稳定结构。优化后得到的莫西沙星分子结构和各个原子的名称与编号如图1所示。同时给出莫西沙星分子优化后的空间几何参数，包含键长、键角和二面角，详见于表1。

图1 在B3LYP/6-311+G(d)基组优化后莫西沙星结构Fig.1 Optimized Structure of Moxifloxacin at B3LYP/6-311+G(d) levels

表1 莫西沙星优化后的几何参数Table 1 Optimized geometrical parameters of Moxifloxacin

续表1

2 结果与讨论

2.1 MXF分子的空间几何结构

通过Gaussian09优化后的MXF分子为三维非平面结构。如图1所示，MXF分子结构主要由以喹啉环为主体，6C上连接一个哌嗪环，5C与13N上分别连接一个甲氧基与环丙基，10C上连接一个羧基； 哌嗪环8C上连接一个甲基。从表1中1C-2C-3C-4C二面角为3.561 904 7°、13N-9C-10C-8C二面角为-1.226 94°等发现喹啉环不是平面几何结构； 环丙基上三个角分别为59.856 83°，59.946 00°和60.197 17°，计算结果较为理想。34C-36C-41N-31O二面角为-66.741 73°，36C-34C-33C-29C二面角为43.991°等证明二氮杂双环同样不是平面环结构。

2.2 光谱分析

通过Gaussian view 5.0观察MXF分子理论拉曼与红外光谱各谱峰的振动形式，对其振动模归属进行指认，整理归纳于表2中列出。表中前2列分别是实验测得与DFT计算所得的红外光谱各谱峰的振动频率，中间2列分别是实验测得与DFT计算所得的拉曼光谱各谱峰的振动频率，每个谱峰所属的振动模式均在第5列中给出。

表2 莫西沙星理论与实验振动频率(cm-1)与归属Table 2 Theoretical and experimental vibrational Frequencies (cm-1) and Assignments of Moxifloxacin

续表2

和大部分有机分子相同，莫西沙星分子也具有不完全的对称性，因而在红外与拉曼光谱中都有反映，故对其理论计算所得的红外光谱与拉曼光谱(图2)进行对比分析。

另外一些振动峰则只具有单一光谱活性，只在某一种光谱中出现。以下振动模式只具有拉曼活性： 3 191 cm-1振动峰为哌嗪环上9C—H的伸缩振动； 1 064 cm-1振动峰主要是环丙15C—H的面外摇摆振动，并伴随48F—C的伸缩振动； 1 214 cm-1振动峰是哌嗪环上C—H的面外摇摆振动，并伴随喹啉环上C—H的面内摇摆振动； 环丙基上C—C的剪切振动则位于887 cm-1处。而只具有红外活性的振动模式则包括： 位于1 477 cm-1处甲氧基上C—H伸缩振动； 位于1 081 cm-1处的羧基上24O—H面内弯曲振动； 位于801 cm-1处的喹啉环上C—C面外摇摆振动。显然，将两种光谱结合即可获得关于莫西沙星分子结构的丰富而完整的信息。 2.2.2 理论光谱与实验光谱的对比分析

同时个别谱峰存在差异，这些差异主要体现在两方面。其一为相应峰位不一致： 如甲氧基上12O—4C的对称伸缩振动在实验光谱中都位于961和957 cm-1，而在理论光谱中位于941和926 cm-1。其原因可能是实验设备会产生随机误差，同时量子化学的计算中过多考虑了电子相关的影响。其二是理论光谱中存在的个别谱峰在实验光谱中没有测到： 如理论光谱中1 477 cm-1等处的谱峰在实验红外和拉曼光谱中都没有观测到。这可能是由于理论计算模拟纯理论振动，而实验中莫西沙星以固体粉末形式存在，有分子间作用力影响。

图3 莫西沙星理论与实验拉曼光谱比较Fig.3 Comparison of MXF DFT-RS and NRS

图4 莫西沙星理论与实验红外光谱比较Fig.4 Comparison of MXF DFT-IR and IR

3 结 论

拉曼光谱是由具有对称分布的键的对称振动引起，而红外光谱是由分子的不对称振动所引起。利用这两种光谱技术信息互补的特性，能够实现有机化合物种类和结构的准确判断。本文采用密度泛函理论的方法，结合Gaussian可视化软件，对莫西沙星的分子结构进行了优化，计算出其拉曼光谱与红外光谱，确定了各谱峰的振动模式归属，并与莫西沙星分析纯药品的实验光谱进行了对比分析。该研究为新型喹诺酮类抗生素的振动光谱检测储备了基础数据，为其在药品残留检测领域的应用奠定了理论基础。