呋塞米光谱的密度泛函理论研究

苏学军，梁小蕊，周俊涵，高宇航，王文豪

(1.海军航空大学，山东 烟台 264001；2.海军航空大学学员15队，山东 烟台 264001；3.海军航空大学学员26队，山东 烟台 264001)

呋塞米(furosemide或frusemide)，化学名称为2-[(2-呋喃甲基)氨基]-5-(氨磺酰基)-4-氯苯甲酸，又名呋喃苯胺酸、利尿磺酸、速尿灵、利尿灵等，是一种循环利尿药，常用于治疗充血性心力衰竭、急、慢性肾衰竭、肺水肿、肺源性心脏病和高血压等疾病，也可用于防止赛马在比赛中鼻出血。与其他利尿药一样，呋塞米经常会被不法商家添加在减肥药等保健品中，以增加其减肥效果，但是长期服用会导致机体电解质紊乱、腹泻、头晕、恶心，甚至会诱发心脑血管疾病，严重威胁消费者的身体健康，因此，有必要对保健类食品进行分析检测，以判断其中是否非法掺入了此类药物。目前检测方法主要包括高效液相色谱、质谱、拉曼光谱及红外光谱等方法[1-8]。

本文主要从理论角度对呋塞米分子进行研究，选取密度泛函中的杂化密度泛函B3LYP理论方法，在6-31G(d,p)基组水平上对呋塞米分子进行几何结构优化，在优化结构的基础上，计算呋塞米分子的振动频率，绘制红外光谱、紫外光谱，并对光谱数据进行分析讨论，以期更好地了解呋塞米的各类物理和化学性质，为呋塞米的应用及在各类产品中的分析检测提供一定的理论指导。

1 计算部分

密度泛函理论方法(Density Function Theoretical，DFT)被认为是目前计算化学中运用非常广泛的量子化学计算方法，此方法计算结果精确并且计算成本较低，广泛应用于有机化合物分子的几何结构、能量、电荷密度分布、振动频率等相关性质的计算中[9-13]。本文应用Chemoffice 2006及Gaussian View 5.0软件构建了呋塞米分子的平面及立体初始构型，采用DFT中的杂化密度泛函B3LYP方法，考虑H原子及非H原子的极化，选取6-31G(d,p)基组，对呋塞米分子的稳定构型进行了几何结构优化。在优化构型的基础上，采用同样的理论方法及6-31G基组，计算了呋塞米分子的红外振动频率、紫外光谱，并进一步探讨了呋塞米分子的光谱特征。全部计算在Gaussian09程序中完成。

2 结果与讨论

2.1 分子的几何构型

用B3LYP/6-31G(d,p)理论方法对呋塞米分子(其平面结构如图1所示)进行几何结构优化，优化后的稳定构型及其笛卡尔坐标系如图2所示，结构参数见表1。由图2可看出，分子中的呋喃环在x轴方向上有所扭曲。由表1中的二面角数据可知，除了∠N9-C15-C18-C19、∠N9-C15-C18-O20、∠O28-S26-O29-C1、∠O29-C1-S26-N30、∠N30-S26-C1-C6和∠N30-S26-C1-C2分别为117.6°、63.36°、124.3°、115.1°、62.67°和120.2°外，其余二面角的值均近似180°或0°，表明呋喃环与苯环所在平面存在63.36°的二面角，26号硫原子上的氨基与苯环存在62.67°的二面角，其余各原子均近似在同一平面。

图1 呋塞米分子的平面结构

图2 呋塞米分子优化后的立体构型

表1 优化后呋塞米分子的结构参数

表1中的键长数据显示C1-C2键长为0.138 8 nm，C5-C6键长为0.138 3 nm，比未取代苯环中的碳碳键长0.139 5 nm要短；而C2-C3、C3-C4、C4-C5和C1-C6的键长比未取代苯环的碳碳键长都要长，在0.139 9～0.143 2 nm范围内，这是由于取代基的作用，使苯环形状扭曲。并且由表1中数据可以看出，N9-C15所在取代基对苯环形状的影响较大。18号碳原子所在的呋喃环中，2个碳氧单键键长分别为0.137 1和0.136 5 nm，较未取代时的键长0.145 6 nm要短，碳碳单键键长为0.143 4 nm，也比未取代时的键长0.150 7 nm要短；而2个碳碳双键键长分别为0.136 0和0.136 3 nm，比未取代时的键长0.134 6 nm要长，这说明在取代基的作用下，呋喃环的单键变短，双键变长了，在分子内形成了共轭体系。

由表1的键角数据可知，除了∠C1-S26-O29、∠C1-S26-O28和∠C1-S26-N30键角的值分别为108.8°、106.7°和103.5°，∠C18-C19-C21、∠C19-C21-C23、∠O20-C18-C19和∠C21-C23-O20键角的值分别为106.6°、106.1°、109.8°和110.5°外，其他键角均接近120°，这说明呋塞米分子中大部分原子均为sp2杂化方式成键，而S原子和呋喃环中各原子成键方式为sp3杂化。

2.2 振动频率分析

振动频率是推断稳定点的实质，通过最高振动频率可以找到红外光谱中最强振动峰的所在位置，而最低振动频率则可以说明计算所得结构中是否有虚频的存在[14-15]。本文经密度泛函理论方法优化后得到呋塞米分子的5个最小振动频率值分别为17.30、27.72、50.31、51.24和53.93，其对应的振动强度值分别为0.438 4、0.312 3、1.134 7、0.193 9和3.968 4。结果显示没有负值，即没有出现虚频，说明所得结构均是势能面上的稳定点，本文所选取的优化方法合理。

2.3 前线分子轨道分析

利用上述密度泛函理论方法计算得到呋塞米分子优化后的能量结果为-1 807.85 a.u.，经单位换算后得到-49 194.09 ev，能量数值很低，说明用该方法优化得到的分子构型达到其最低能量状态。在优化构型的基础上，应用Gaussian view软件计算分子的最高占有轨道(Highest Occupied Molecular Orbital, HOMO)、最低空轨道(Lowest Occupied Molecular Orbital, LUMO)及其他前线分子轨道的电子云分布图(见图3)。前线分子轨道决定分子的重要性质如电、光、紫外可见光谱及化学反应[16-17]。计算结果显示，HOMO能量为-0.308 69 a.u.，LUMO能量为-0.189 34 a.u.，二者之间的能隙差ΔE=0.119 35 a.u.，差值较小，说明呋塞米分子不稳定，容易发生化学反应。

图3 呋塞米前线分子轨道电子云分布图

从图3可以看出，最高占有轨道电子云主要集中在苯环的C1、C6、C3、C4原子，以及Cl原子、N9-C15上，而最低空轨道电子云主要集中在苯环及苯环上取代的Cl原子和羧基上，这说明苯环和Cl原子具有接受电子和提供电子的能力。

2.4 分子红外光谱分析

红外光谱能够反映分子转动和振动的特征，可以突出一些官能团，特别是极性官能团的信息，这对于有机化合物的结构鉴定具有非常重要的参考价值[18-19]。

本文在上述优化构型的基础上，利用DFT中的B3LYP方法，采用6-31G(d,p)基组，计算得到了呋塞米分子在400～3 800 cm-1范围内的红外振动频率，并应用Gausian view5.0软件绘制了红外光谱图(见图4)。根据分子红外吸收峰的情况，将IR谱图分成400～1 000 cm-1、1 000～1 850 cm-1、3 000～3 800 cm-1等3个区域进行分析。

400～1 000 cm-1区域内的最强吸收峰出现在546 cm-1处，这主要是由H31-N30-H32和O12-H13的面外弯曲振动引起的(见图5)；次强峰出现在971 cm-1处，主要贡献是苯环的面内弯曲振动，也有少部分的N9-H10的面内弯曲振动。

a)400～1 000 cm-1

图5 546 cm-1处的振动模式

1 000～1 850 cm-1区域内的最强峰在1 647 cm-1处，这也是分子全部波数范围内中的最强峰，它是由呋塞米分子中苯环的伸缩振动引起的(见图6)。次强峰在1 816 cm-1处，主要是由C11-O14的伸缩振动引起的(见图7)。由于1 000～1 850 cm-1是出现吸收峰最多的区域，并且1 600～1 820cm-1是出现的红外吸收峰强度最高的范围，因此将这部分区域的红外吸收峰及其振动分析列于表中(见表2)。

图6 1 647 cm-1处的振动模式

图7 1 816 cm-1处的振动模式

表2 1 000～1 850 cm-1范围内的振动频率分析

a)1 123 cm-1处 b)1 155 cm-1处

3 000～3 800 cm-1区域内的吸收峰是最少的，振动强度也较小，主要振动类型均为伸缩振动。按照振动强度由大到小的顺序为：3 621、3 761、3 515和3 636 cm-1处，其主要贡献分别为N9-H10伸缩振动、O12-H13伸缩振动、H31-N30-H32对称伸缩振动和H31-N30-H32不对称伸缩振动。

2.5 紫外光谱

分子中的价电子吸收能量后，会跃迁到高能级，所产生的吸收光谱一般在紫外到可见波段。本文采用含时密度泛函TD-DFT方法，在优化构型的基础上，主要计算得到呋塞米分子在200～400 nm波段的紫外光谱(见图9)。分子的紫外最大吸收波长计算值为314.3 nm，主要是由HOMO→LUMO跃迁所致，HOMO→LUMO跃迁贡献为68.44%，HOMO-2→LUMO+1贡献为11.13%。

图9 呋塞米分子的紫外光谱

3 结语

本文选取呋塞米分子为研究对象，对其分子结构及光谱进行了理论研究。基于DFT理论方法，在B3LYP/6-31G(d,p)基组水平上，对呋塞米分子的稳定构型进行了几何结构全优化。优化结果表明，呋塞米分子中的呋喃环与苯环所在平面存在63.36°的二面角，26号硫原子上的氨基与苯环存在62.67°的二面角，其余各原子均近似在同一平面。利用Gaussian view程序绘制了呋塞米分子的HOMO和LUMO的电子云分布图及轨道能量，结果显示，分子的能隙差较小，容易发生化学反应。在优化的最稳定构型的基础上，选取B3LYP/6-31G基组，计算了呋塞米分子的红外振动频率及红外光谱图，并探讨了分子的红外振动模式。分析显示，在400～1 000 cm-1区域内主要是弯曲振动模式；3 000～3 800 cm-1范围内的振动类型均为伸缩振动模式，这部分振动是强度最小，也是吸收峰最少的区域；而1 000～1 850 cm-1区域是红外吸收峰出现最多的区域，也是峰强度最高的区域，振动模式既包括弯曲振动也包括伸缩振动。最后本文用TD-DFT方法计算了呋塞米的紫外光谱，结果显示分子的紫外最大吸收波长在314.3 nm处，主要是由HOMO→LUMO跃迁所致。本文全部的理论计算是在Gaussian09软件中进行的，通过计算及分析结果可更好地了解呋塞米的性质，并为呋塞米的应用及检测提供一定的理论指导。