使用Multiwfn程序对布洛芬分子波函数分析*

赵 智，褚玉婷，刘靖宇，安成龙，陈 煜

(1 盐城工学院，江苏 盐城 224051；2 南通市食品药品监督检验中心，江苏 南通 226000)

Multiwfn程序[1]是由北京科音自然科学研究中心的卢天从2009年11月起主导开发的最为强大的量子化学波函数分析程序，功能极为广泛、十分高效、非常易于使用，并且开源免费，使用该程序可以对分子的电子结构和活性位点进行分析。

1 布洛芬分子的简介

布洛芬，又名2-(4-异丁基苯基)丙酸，其分子式是C13H18O，主要由碳氢氧三种元素组成，化学结构式见图1。布洛芬分子量为206.28，CAS号是15687-27-1，其外观是白色或者类白色粉末，易溶于酒精、乙醚等有机溶剂，难溶于水。

布洛芬是一种常用的OTC类非甾体抗炎镇痛药，在临床上广泛用来治疗头痛、神经痛、周围神经病、风湿性类风湿性关节炎、骨关节炎和强直性脊柱炎等疾病。目前人们对布洛芬已经做了一些研究[2-6]，但服用后的布洛芬一部分通过人体排泄排出体外到环境中，如何对环境中的布洛芬废水进行处理也是一项需要研究的问题。

本文借助于量子化学方法，对布洛芬分子的微观性能进行研究，通过Multiwfn程序进行波函数分析，对布洛芬分子进行了原子电荷分析、静电势分析、盆分析、平均局部离子化能分析和电子定位函数分析，有助于大家更熟悉布洛芬的分子结构并找到其活性位点，为今后的研究提供理论指导。

图1 布洛芬的分子结构图Fig.1 Molecular structure of ibuprofen

2 布洛芬分子的微观分析

2.1 Mulliken电荷分析

采用Gaussian 09 软件[7]，在B3LYP/6-31G*基础上[8]对布洛芬分子进行结构优化，在输出文件中得到各个原子的Mulliken电荷，其数据见表1。从表1中我们可以看出，羧基上两个氧原子(O31和O32)带较多的负电荷,分别是-0.46和-0.56 hartree，说明羧基上的氧原子容易发生亲核反应。除此之外，三个甲基上的碳原子(C1,C20,C26)的负电荷也较多，分别是-0.44，-0.45和-0.44 hartree。苯环上的碳原子所带的负电荷较少，且相对比较均匀，这是因为苯环是一个大共轭体系，电子分布比较均匀，其中C10和C17因所连的基团电负性较强导致其原子上带正电荷。

表1 布洛芬分子中各个原子(除氢原子外)的电荷(单位hartree)Table 1 Charge (hartree) of each atom (except hydrogen) in ibuprofen molecule

2.2 静电势分析

图2 布洛芬分子的静电势极大点和极小点(kcal/mol)Fig.2 Electrostatic potential maximum and minimum points of ibuprofen molecule (kcal/mol)

图3 布洛芬分子静电势在不同区间的分布Fig.3 Distribution of the electrostatic potential of ibuprofen molecules in different intervals

静电势是指将单位正电荷从无穷远处移到分子周围空间某点处所做的功，将优化后的分子得到的布洛芬的fch文件载入Multiwfn程序进行静电势分析，输入主功能12，再通过计算得到布洛芬分子表面的静电势，其中红色的点表示极大点，蓝色的点表示极小点。从图2中可以看出，在H33附近出现极大值，且静电势数值达到48.0 kcal/mol，这是因为H33周围的氧原子吸电子能力较强，所以H33处静电势出现极大值。在C1处出现极小点，数值为-15.43 kcal/mol。

图3显示不同静电势大小所占分子表面的面积，如图3所示，静电势主要分布在0～10 kcal/mol的区间里，说明分子表面静电势主要是正值，更容易发生亲电反应。

2.3 布洛芬分子静电势盆分析

将布洛芬分子的fch文件载入到Multiwfn程序中，输入主功能17，再输入1生成盆获得极值点，再输入静电势功能12，开始对布洛芬分子进行静电势的盆分析计算，最后得到图4。从图4中可以看出，静电势分布在羧基附近，且集中在O31附近，说明O31是个活性位点。

图4 布洛芬分子的静电势盆分析Fig.4 Electrostatic potential basin analysis of ibuprofen molecule

2.4 布洛芬分子的平均局部离子化能(ALIE)分析

平均局部离子化能(ALIE)有很多应用，比如衡量电负性、表征局部极化率、预测pKa，展现原子壳层结构，最为重要的就是它预测反应位点的能力。在分子表面上，ALIE越小处，由于电子束缚得越弱，或者说电子活性越强，就越容易发生亲电及自由基反应。通过定量分子表面分析算法，找出分子表面上ALIE最小的几个点，看这几个点离哪些原子比较近，就能判断哪些原子最可能是反应活性位点。ALIE的极小点容易出现在pi电子、孤对电子附近，因为这些区域的电子被束缚得较弱。可以认为ALIE越小处，局部极化率越大。

从图4中可以看出，O31附近平均局部离子化能比较小，电子容易给出，同时苯环上C11和C13的平均局部离子化能数值8.99 eV,但是苯环是一个大共轭体系，所以我们不作为活性位点研究。

图5 布洛芬分子的ALIE图Fig.5 The ALIE diagram of ibuprofen molecule

2.5 布洛芬分子的电子定位函数(ELF)图分析

图6 布洛芬分子中羧基的ELF图Fig.6 The ELF diagram of carboxyl group in ibuprofen molecule

在Multiwfn程序中输入主功能4绘制平面图，再输入功能9绘制电子定位函数(ELF)图。我们选定羧基区域，得到电子定位函数EIF图。从图6中可以看出，羧基附近主要以红色为主，说明电子离域化程度高，羧基上的电子容易离域，进攻空轨道发生亲核反应。所以布洛芬分子中羧基基团是活性位点。

3 结 语

通过高斯软件对布洛芬分子进行结构优化，得到分子中的原子电荷和分子的fch文件，再将fch文件载入到Multiwfn软件中进行计算。通过对分子进行静电势分析、盆分析、平均局部离子化能(ALIE)分析和电子定位函数(ELF)分析，发现羧基上的氧原子带较多的负电荷，静电势也主要分布在羧基附近，且羧基上O31号ALIE小，另外羧基上电子离域性高。说明羧基分子上电子更易给出，是活性位点，容易与空轨道发生亲核反应。