西布曲明分子红外、拉曼光谱的理论研究

梁小蕊，张纪磊，李 荫，孙晓伟

(海军航空大学，山东 烟台 264001)

西布曲明(Sibutramine)，又名N-(1-(1-(4-氯苯基)环丁基)-3-甲基丁基)-N,N-二甲胺，分子式为C17H26ClN，是一种中枢神经抑制剂，具有抗抑郁的特性，一般用于治疗抑郁症。后来人们发现它能够刺激交感神经，从而降低食欲，增加产热，并且其效果比抗抑郁效果更强。因此，人们将其制成减肥药，用于肥胖症的治疗[1-2]。

随着西布曲明在减肥产品中的大量使用，其副作用也随之显现：西布曲明不仅会引发心脑血管类疾病，还能引起神经紊乱、胃肠道系统受损、全身性损害，严重的甚至会致死。因此，从2010年开始，中、美、日、加拿大等国相继出台法律，禁止本国生产含有西布曲明成分的减肥药，并将西布曲明列为禁药。尽管如此，仍有不法商家将西布曲明添加在减肥类的保健品、保健食品等当中，通过微商、直播带货等渠道，诱导无知消费者购买。如2021年知名网红郭美美因涉嫌生产、销售添加违禁成分——西布曲明的减肥类食品而被刑拘[3-4]。为保护消费者身体健康，对保健食品中的西布曲明含量进行测定意义重大。目前，减肥类保健食品中西布曲明的检测方法主要为高效液相色谱法、液质联用法、光谱分析法等[5-9]。

本文采用量子化学方法从理论的角度对西布曲明分子进行研究。基于密度泛函理论中的杂化密度泛函B3LYP方法，对西布曲明分子进行几何结构全优化，在优化结构的基础上，计算西布曲明分子的振动频率，绘制其红外光谱、拉曼光谱，并对分子结构、振动频率、振动特征等进行分析讨论，以期更好地了解西布曲明的各类物理和化学性质，为西布曲明在各类产品中的分析检测提供一定的理论指导。

1 理论计算

西布曲明分子的理论计算采用Gaussian09软件包，分子的初始构型用Chemoffice 2006和Gaussian view 6.0构建。由于西布曲明分子主要由C、H、O、N等轻元素构成，而密度泛函理论中的Beckes三参数混合模型(B3LYP)在轻元素构成的分子计算中应用非常广泛，因此利用B3LYP泛函来计算西布曲明分子的理论红外光谱和拉曼光谱[10-11]。具体做法是：首先利用B3LYP/3-21G基组对初始构型进行几何结构粗优化，在得到的粗优化结构的基础上，再用B3LYP/6-311G基组进行结构的再优化，并基于再优化的结构计算西布曲明分子的理论红外和拉曼光谱，最后进一步探讨西布曲明分子的几何构型及其红外和拉曼振动特征。

2 结果与讨论

2.1 西布曲明分子空间的几何构型

用Chemoffice 2006绘制西布曲明分子的平面结构(见图1)，通过B3LYP/3-21G和B3LYP/6-311G理论方法优化后得到的分子最优几何构型以及原子名称、编号如图2所示，详细的结构参数(包括键长、键角和二面角)见表1。

表1 优化后西布曲明分子的结构参数

从图2可知，理论优化后的西布曲明分子为三维非平面结构。分子结构以对位取代的苯环为主体，6C上连有一个氯原子，3C上连有一个较为复杂的取代基。由表1中的二面角数据：∠1C-2C-3C-4C=-0.418 64°、∠2C-1C-6C-11Cl=179.851 93°可知，苯环略有扭曲，在取代基的影响下不再是平面结构；由∠12C-13C-15C-14C=-12.429 05°、∠13C-15C-14C-12C=12.413 38°可知，环丁基是非平面环结构；而根据∠2C-3C-12C-13C=31.623 93°、∠4C-3C-12C-14C=-48.924 00°可知，苯环与环丁基也不在同一平面。从表1的键角数据可知，苯环上6个角均在117.9°～122.3°范围内，环丁基上的4个键角均在88.1°～89.8°之间，说明计算结果较为理想。

表1中的键长数据显示，2C-3C和3C-4C的键长分别为1.403 67和1.406 95Å，比未取代苯环中的碳碳键长1.401 40Å要长；而1C-2C、4C-5C、5C-6C和1C-6C的键长则分别为1.399 85、1.397 07、1.389 39和1.387 26Å，比未取代苯环的碳碳键长都要短，这也证实了由于取代基的作用，使苯环形状扭曲。键长数据还显示环丁基的4条碳碳键长均大于为取代环丁烷的碳碳键长，可见12C上的苯环及右侧的长链取代基对其结构影响较大。

2.2 西布曲明分子的振动频率分析

推断稳定点的实质是振动频率，利用振动频率可以找到红外光谱中最强振动峰的所在位置，而最低振动频率通常可以说明计算所得结构中是否有虚频的存在[12-13]。本文经密度泛函理论B3LYP方法优化后得到西布曲明分子的5个最小振动频率值分别为34.97、39.37、46.04、55.35和67.40，其对应的振动强度值分别为0.141 0、0.296 8、0.215 5、0.415 3和0.041 9。由此可见，结果显示没有负值，即未出现虚频，说明所得结构均为势能面上的稳定点，本文所选取的优化方法合理。

2.3 西布曲明分子的理论红外光谱分析

红外光谱(Infrared Spectroscopy，IR)是鉴定化合物结构最常用的方法之一，是研究分子的振动和转动跃迁的光谱，常称为分子振动光谱。由于红外光谱具有不破坏样品、分析时间短且数据可靠等优点，常被用于各类样品的分析检测[14-15]。本文利用密度泛函理论B3LYP方法，在优化最稳态结构的基础上，采用6-311G基组，计算得到了西布曲明分子在400～3 300 cm-1范围内的红外振动频率，并利用Gausian view 6.0软件绘制了西布曲明的红外谱图(见图3)。根据计算结果，将红外谱图分成400～900 cm-1、900～1 600 cm-1、2 900～3 300 cm-1等3个区域进行分析。

由图3可知，西布曲明理论红外光谱中400～900 cm-1区域内普遍为中强或弱吸收峰，900～1 600 cm-1范围内大多为中强吸收峰，而2 900～3 300 cm-1区域内的吸收峰则大多为极强或强吸收峰。其中400～900 cm-1区域内的相对最强吸收峰出现在558 cm-1处，主要由分子内碳氢的变形振动引起；其余几个较为明显的弱吸收峰分别为：732 cm-1

a) 400～900 cm-1

处的吸收峰，主要是由环丁基引起的环骨架变形振动；858 cm-1处的吸收峰，主要是由苯环的C-H面外变形振动引起。

900～1 600 cm-1区域内的最强峰出现在1 025 cm-1处，这与1 014 cm-1处的特征峰一样，均由西布曲明分子中4个甲基的C-H不对称变形振动引起。另外2个较强的特征峰分别为：1 031 cm-1处，由苯环环骨架变形振动引起的；1 529 cm-1处，由苯环上C-H的面内变形振动引起。

2 900～3 300 cm-1区域内的吸收峰主要是C-H的伸缩振动频率区，其中最强峰出现在2 912 cm-1处，这也是分子全部波数范围内中的最强峰，它是24N上甲基C-H的伸缩振动特征峰；这个范围内的次强峰在3 072 cm-1处，这是由28C上2个甲基C-H的伸缩振动引起的；此外，这个区域内的强吸收峰分别出现在3 040、2 899、3 121、3 046、3 077和3 073 cm-1处(按照振动强度由大到小的顺序排列)，其主要贡献分别为：24N上甲基C-H的对称伸缩振动特征峰，24N上甲基C-H的不对称伸缩振动特征峰，环丁基上C-H的不对称伸缩振动特征峰，环丁基上C-H的对称伸缩振动特征峰，以及28C上甲基C-H的不对称伸缩振动特征峰。

2.4 西布曲明分子的理论拉曼光谱分析

红外光谱起源于偶极矩的变化，而拉曼光谱起源于极化率的变化。偶极矩和极化率的变化取决于分子的结构和振动的对称性，分子中有些非红外活性振动可能是拉曼活性振动，因此红外光谱和拉曼光谱能起到相互补充的作用[16]。本文在西布曲明优化结构的基础上，采用DFT-B3LYP方法，在6-311G基组水平上计算了西布曲明的理论拉曼光谱(见图4)。根据拉曼活性振动的情况，将拉曼光谱分为400～900 cm-1、900～1 700 cm-1、2 850～3 250 cm-1等3个部分进行分析。

图4中400～900 cm-1范围内的特征峰普遍较弱，其中相对较强的是703和732 cm-1处的峰，主要是由环丁基环变形振动引起的，与上述红外光谱是一致的。

900～1 700 cm-1区域内的特征峰较多，此区域的最强峰出现在1 617 cm-1处，是由苯环C=C骨架伸缩振动引起的，这一振动峰在红外光谱中观察不到，但在拉曼光谱中则是很强的峰；另有1 272 cm-1处的较强峰为环丁基环呼吸振动峰，这一振动峰在红外光谱中极弱，而在拉曼光谱中较强；1 031、1 531和1 553 cm-1处分别为苯环C-H面内变形振动峰、28C上甲基C-H的不对称变形振动和24N上甲基C-H的不对称变形振动，这3处峰与红外光谱的吸收峰是一致的。另外，在红外光谱中1 529 cm-1处的苯环C-H面内变形振动吸收峰在拉曼光谱中则极弱。

2 850～3 250 cm-1范围内的拉曼谱峰在整个拉曼光谱中是最强的，其中3 058 cm-1处的最强峰为环丁基C-H对称伸缩振动峰；3 040 cm-1处的次强峰为25C-H对称伸缩振动峰；3 072～3 133 cm-1处的8个峰均为甲基的不对称伸缩振动峰；2 899～3 002 cm-1处的3个峰均为甲基的对称伸缩振动峰；3 179～3 213 cm-1处的4个峰则为苯环上的C-H伸缩振动峰。

3 结语

本文基于Gaussian09程序，采用DFT理论方法，选取B3LYP泛函对西布曲明分子的结构进行了最低能量优化，讨论了分子的最优构型特点，结果表明，分子中的苯环和环丁基均为三维非平面结构，并且二者之间有较大的二面角。在最优构型的基础上，采用同样的方法和基组，计算了西布曲明分子的理论红外光谱和拉曼光谱，并应用Gaussian view 6.0软件绘制了红外和拉曼谱图，分析探讨了2种光谱各谱峰的位置和振动模式归属，并将2种光谱进行了对比分析。由上述分析可知，某些在红外光谱中为弱吸收的谱带，在拉曼光谱中为强谱带；某些官能团的振动在红外光谱中能观察到，但在拉曼光谱中观察不到；而某些官能团的振动，在红外光谱中观察不到，在拉曼光谱中则能观察到。显然，将红外和拉曼2种光谱结合可获得关于西布曲明分子结构的丰富而完整的信息。总的来说，本文的研究结果可为西布曲明分子的振动光谱检测和分子结构的鉴定提供光谱解析方面的理论依据，为西布曲明在各类保健产品中的分析检测提供一定的理论指导。