结合计算化学和制药工程专业特色的红外光谱教学实践*

2022-02-01向皞月

广州化工 2022年22期

陈凯，向皞月，阳华

(中南大学化学化工学院，湖南长沙 410083)

制药工程专业是以培养从事药品制造的高素质工程技术人才为目标，集化学、药学、工程学为一体的工科类专业[1]。有机化学是制药工程专业的核心基础课之一，有机物的红外光谱分析是有机化学教学的重要内容。其主要教学任务是红外光谱的基本概念、基本原理、解析方法以及在结构分析中的综合应用[2]。红外光谱是分子吸收一定能量的光子引起分子中振动能级和转动能级的跃迁，能方便的给出特征官能团和结构特征的重要信息，是药物结构分析等相关研究中不可或缺的工具。

分子的振动较为抽象，需要学生有较高的空间想象力。在教学过程中，仅仅依靠教材和传统的教学手段，往往难以起到很好的教学效果。计算化学软件辅助教学已越来越多的受到广大化学教育工作者的青睐[3]。尤其在有机化学教学中，把较为抽象的理论知识转变成生动、直观的可视化内容，有助于学生更好的理解教学内容，从而激发学生的学习和科研兴趣。

2-苯基-4-喹啉羧酸，别名辛可芬(Cinchophen)，具有增进尿酸排泄和解热镇痛的作用，可用于风湿性关节炎、痛风、神经痛等的治疗[4]。然而，由于该药物具有一定的肝肾毒性，目前已被淘汰，仅可作为宠物用药[5]。辛可芬的合成路线很多，如Döbner方法，以丙酮酸、苯甲醛和苯胺为原料，“三组分一锅法”在温和条件下以较高的产率制备辛可芬。因此，可以将辛可芬的合成和结构分析作为制药工程专业高年级本科生的专业综合实验，训练学生化合物合成、分离和结构解析的能力，培养学生的科研创新能力，提高学生的综合素质。

本文以辛可芬的红外光谱分析为例，采用ORCA或Gaussian软件进行结构优化和振动频率计算[6]，并结合Avogadro或GaussView等可视化软件模拟红外光谱，并与实验谱图对比分析，使学生深刻理解有机分子的化学结构与谱图的关系，并学习利用量子化学计算预测红外谱图的方法，了解前沿的研究技术。

1 辛可芬红外光谱分析及在教学中的应用

1.1 辛可芬的结构优化及频率计算

采用密度泛函理论方法，在B3LYP/ def2-TZVP理论水平下对分子进行优化和振动频率计算，优化后的输出文件用Avogadro或GaussView等可视化软件打开，结果如图1所示。2位的苯基取代基与喹啉母核的二面角为21°，4位的羧基取代基与母核的二面角约为12°，因此喹啉母核的大π键与取代基的π键存在共轭作用，具有较好的光学性质。4位羧基的羰基氧与5位氢的距离约为2.2 Å，4位羧基的羟基氧与3位氢的距离约为2.3 Å，氧原子和氢原子之间存在弱氢键作用，导致5位和3位氢的1H NMR信号偏向更低场。辛可芬分子中存在羧酸基团和芳香基团，通过频率计算，可以查看上述官能团可能的振动模式以及对应的红外吸收信号。在教学中，可以结合辛可芬的核磁谱图、紫外-可见吸收光谱和红外光谱，帮助学生更好的理解结构与性质之间的联系。

图1 辛可芬的平面和立体结构Fig.1 Structures of Cinchophen

1.2 辛可芬红外光谱的理论模拟

红外光谱是由于分子振动能级跃迁产生的。因此，让学生理解分子的各种振动形式，以及对应的吸收峰的波数，是红外光谱学教学的重点。使用Avogadro软件打开第一步结构优化和频率计算的out文件(如图2所示)。然后，在Vibrations窗口选择对应的跃迁，点击右下角的Start Animation可以在分子结构窗口中观察对应的分子振动模式。通过上述步骤，可以对吸收峰的归属进行指认。

图2 Avogadro软件界面Fig.2 Interface of Avogadro software

点击Vibrations窗口的Show Spectra按钮，绘制出模拟的红外谱图。在高级选项中设置Peak Width，可以调整红外谱图的形状。如图3所示，3736 cm-1处的强吸收峰主要来自羟基 O-H的伸缩振动，3186 cm-1为芳香环C-H的伸缩振动， 1784 cm-1来自羰基C=O的伸缩振动。上述过程有助于学生建立振动模式与红外谱图之间的联系，并以此达到识谱的目的。

1.3 辛可芬红外光谱的实验测定

取少量辛可芬(直接购买或者合成制备)固体粉末与溴化钾混合均匀，压片，测定辛可芬的红外光谱(如图4所示)。在实验的红外谱图中，3445 cm-1有强的吸收信号，对应羟基O-H和芳基C-H的吸收信号；1703 cm-1附近的吸收来自C=O的伸缩振动吸收；而1256 cm-1附近则可能是O-H的弯曲振动吸收。

图3 辛可芬的红外光谱模拟图Fig.3 The simulated IR spectrum of Cinchophen

图4 辛可芬的红外光谱实验图Fig.4 The experimental IR spectrum of Cinchophen

对比辛可芬红外光谱的理论模拟和实验谱图可以发现，两者存在一定的区别。可能的原因有：(1)理论模拟的是气相环境的单分子，与实际的固体样品环境存在区别。例如，自由羧基在固体中可能主要以二缔和体的形式存在，使吸收位置向低波数位移。(2)残留的溶剂(如水、乙醇等)和杂质在理论模拟时未考虑；(3)频率计算的谐振子模型与真实的分子振动模式存在一定的区别；(4)理论计算方法本身存在一定的误差。通过上述分析，可以培养学生分析问题的能力，了解不同方法的优缺点和局限性，学会辩证的看待实验或者理论模拟的结果。