加替沙星的拉曼、红外光谱和密度泛函理论研究

引用本文

徐笛, 范雅, 辛敏思, 刘春宇, 张烨, 蔡红星. 加替沙星的拉曼、红外光谱和密度泛函理论研究[J]. 光谱学与光谱分析, 2020,40(5): 1372-1376.
XU Di, FAN Ya, XIN Min-si, LIU Chun-yu, ZHANG Ye, CAI Hong-xing. Raman, IR and DFT Studies of Gatifloxacin[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2020,40(5): 1372-1376.
Doi:10.3964/j.issn.1000-0593(2020)05-1372-05 复制到剪切板

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加替沙星的拉曼、红外光谱和密度泛函理论研究

徐笛, 范雅, 辛敏思, 刘春宇, 张烨, 蔡红星^*

长春理工大学理学院, 吉林长春 130022

*通讯联系人 e-mail: ciomsz@126.com

作者简介: 徐笛, 1994年生, 长春理工大学理学院硕士研究生 e-mail: 2240034076@qq.com

收稿日期: 2019-04-12

基金: 国家自然科学基金青年科学基金项目(4140109)资助

摘要

加替沙星作为第四代氟喹诺酮类抗生素被大量的使用, 在人体以及家畜体内会有药物残留, 危害每个人的生命健康。为了避免人体二次摄入, 能够快速检测肉制品中是否含有加替沙星残留的方法尤为重要。为此, 进行了振动光谱和密度泛函理论研究, 以期为加替沙星的振动光谱检测与鉴定提供基础数据, 为其在药品检测领域的应用提供参考。具体研究内容和结果如下: 第一步以密度泛函理论(DFT)为基础, 构建加替沙星分子空间结构, 利用B3LYP/6-311+G(d)基组优化结构并计算其理论拉曼光谱与红外光谱。理论计算结果发现加替沙星分子在3 700~2 800与1 800~400 cm^-1范围内具有明显的拉曼与红外活性, 前者主要是官能团上键的振动, 后者为指纹区上键的振动。由于两种光谱信息互补的优越性, 首先通过对比理论拉曼光谱与红外光谱, 标记出同时具有两种或只具有一种振动活性的振动峰频率, 结合Gaussian view显示加替沙星分子中每个键对应的振动频率进行全面的归属, 同时给出加替沙星分子的键长、键角和二面角等空间结构参数。第二步通过实验测量了加替沙星(Gatifloxacin, Gati)的自然拉曼光谱(NRS)与红外光谱(IR)。理论计算结果误差由频率校正因子0.977修正, 再与实验数据相比较, 峰值波数相差大多在0~10 cm^-1范围内, 计算结果与实验数据基本一致。

关键词: 加替沙星; 拉曼光谱; 红外光谱; 密度泛函理论

中图分类号:O433.4 文献标志码:A

Raman, IR and DFT Studies of Gatifloxacin

XU Di, FAN Ya, XIN Min-si, LIU Chun-yu, ZHANG Ye, CAI Hong-xing^*

School of Science, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, China

*Corresponding author

Abstract

Gatifloxacin is widely used as a fourth-generation fluoroquinolone antibiotic, and it has drug residues in humans and livestock, which endangers everyone’s life and health. In order to avoid secondary intake, it is particularly important to be able to detect the presence of gatifloxacin residues in meat products quickly.To this end, this paper uses vibrational spectroscopy combined with density functional theory to provide basic data for the vibrational spectroscopy detection and identification of gatifloxacin and provides a reference for its application in the field of drug detection. The specific research contents and results are as follows: The first step is to construct the molecular structure of gatifloxacin based on Density functional theory (DFT), and optimize the structure by using B3LYP/6-311+G(d) basis set. Calculate its theoretical Raman and infrared spectra. Theoretical calculations show that the gatifloxacin molecule has obvious Raman and infrared activity in the range of 3 700~2 800 and 1 800~400 cm^-1. The former is mainly the vibration of the upper group of the functional group, and the latter is the fingerprint area. The vibration of the upper button. Due to the superiority of the complementary information of the two kinds of spectral information, firstly, by comparing the theoretical Raman spectrum and the infrared spectrum, the vibration peak frequency of two or only one vibration activity is marked, and the Gaussian view is combined with each of the gatifloxacin molecules. The vibration frequency corresponding to each key is fully attributed, and the spatial structure parameters such as the bond length, bond angle and dihedral angle of the gatifloxacin molecule are given. In the second step, the natural Raman spectroscopy (NRS) and infrared spectroscopy (IR) of Gatifloxacin (Gati) were measured experimentally. The theoretical calculation result error is corrected by the frequency correction factor of 0.977 and compared with the experimental data. In the fingerprint area, the Raman and infrared characteristic peak wave number matching degree are good. The peak wave number difference is mostly in the range of 0~10 cm^-1. The calculation results are basically consistent with the experimental data. The results provide basic data for the vibrational spectrum detection and identification of gatifloxacin, and provide a reference for its application in the field of drug detection.

Keyword: Gatifloxacin; NRS; IR; DFT

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引言

加替沙星(Gatifloxacin, Gati)是由日本杏林制药株式会社首创的新6-氟-8-甲氧基喹诺酮类外消旋化合物, 是第四代氟喹诺酮类药物。主要用于由敏感病原体所致的轻、中度感染性疾病, 因其广谱、高效、低毒的优越性, 受到国内外广泛关注并使用。

加替沙星的分子量为375.39, 分子式C₁₉H₂₂FN₃O₄, 危险标识码Xn, 属于有害物质。除了临床使用有诸多禁忌外, 使用后还可能存在药物残留, 危及健康。所以快速检测鉴定便尤为重要。目前常用的主要有高效液相色谱法(HPLC), 荧光光度法等。但HPLC法的实验成本高, 样品前处理较为复杂, 液相色谱仪价格及日常维护费用比较昂贵, 不利于实现快速检测。

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, 越来越多的在食品、药品检测中得到应用。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^{[5, 6]}。但还没有关于加替沙星的IR, Raman和DFT的比较研究。

1 实验部分与理论计算

加替沙星选用阿拉丁试剂官网的分析纯药品(按C₁₉H₂₂FN₃O₄计, 含量> 98%); LabRam HR Evolution型拉曼光谱仪(HORIBA公司), 选择532 nm激光为激发光源, 激光输出功率为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, 加替沙星粉末由KBr压片处理, 扫描32次。

加替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。由于加替沙星分子主要由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泛函来算加替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0.977^[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。优化后得到的加替沙星分子结构和各个原子的名称与编号如图1所示。同时给出加替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2给出Gati分子的理论拉曼光谱(a)与红外光谱(b)的对比; 而理论拉曼光谱(c)与实验拉曼光谱(d)的对比如图3所示出, 理论红外光谱(e)与实验红外光谱(f)的对比如图4所示。

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	图1 在B3LYP/6-311+G(d)基组优化后加替沙星结构Fig.1 Optimized structure of Gatifloxacin at B3LYP/6-311+G(d) levels

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	图2 400~4 000 cm^-1范围内加替沙星的理论拉曼与红外光谱Fig.2 DFT-RS (a) and DFT-IR (b) of Gatifloxacin in the 4 000~400 cm^-1 region

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	图3 加替沙星理论与实验拉曼光谱比较Fig.3 Comparison of DFT-RS (c) and NRS (d) of Gati

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	图4 加替沙星理论与实验红外光谱比较Fig.4 Comparison of DFT-IR (e) and IR (f) of Gati

表1 加替沙星优化后的几何参数 Table 1 Optimized geometrical Parameters of Gatifloxacin

2 结果与讨论

2.1 Gati分子的空间几何结构

通过Gaussian09优化后的Gati分子为三维非平面结构。如图1所示, Gati分子结构主要由以喹啉环为主体, 1C上连接一个哌嗪环, 2C与33N上分别连接一个甲氧基与环丙基, 9C上连接一个羧基; 哌嗪环14C上连接一个甲基。从表1中1C— 2C— 3C— 4C二面角为9.381 096 0° 、 7C— 9C— 10C— 33N二面角为-7.809 60° 等发现喹啉环不是平面几何结构; 14C— 21N— 16C— 13C二面角为-28.671 47° 、 13C— 20N— 12C— 14C二面角为-33.357 11° 等证明哌嗪环同样不是平面环结构。

2.2 光谱分析

通过Gaussian view 5.0观察Gati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。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波数, 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波数, 每个谱峰所属的振动模式均在第5列中给出。

表2 加替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 Gatifloxacin

IR	DFT-IR	NRS	DFT-RS	Assignments
3 441	3 661		3 661	ν (30O— H)
	3 187	3 218	3 187	ν (34C— H) ν _as(35C— H 36C— H)
		3 168	3 169	ν (10C— H) ν _as(C— H)C₃H₅
	3143		3134	ν (15C— H) ν _as(C— H)C₃H₅
3 078		3 079	3 055	ν _s(36C— H)C₃H₅
	3 028			ν _as(12C— H 42C— H) ν _s(23C— H)
3 012	3 011	3 016	3 011	ν _as(16C— H)
	2 993			ν _as(13C— H) ν _s(16C— H)
2 976	2 958	2 973	2 958	ν _s(12C— H 13C— H 16C— H 23C— H)
2 939	2 940	2 937		ν (16C— H) ν _s(12C— H 13C— H)
2 842	2 870		2 870	ν (14C— H)
	1 771		1 771	ν =(7C=28O 29C=32O) σ (30O— H)
1 636	1 656		1 656	ν _as(C— C)_qu1 ν (7C=28O)
1 616	1 613	1 614	1 613	ν _s(C— C)_qu1ρ (5C— H 10C— H)
		1 587	1 586	ν _as(C=C) ν (7C=O) ρ (5C— H 10C— H)
1 548	1 553	1 531	1 534	ν _s(C— C)_qu1σ (C— H)C₃H₅
	1 472	1 477	1 498	σ (12C— H 13C— H 16C— H 21N— H)
1 447	1 446	1 450	1 446	σ (C— H)C₃H₅ν (C— C)
	1 410	1 396	1 410	ρ (34C— H)ω (12C— H) σ (36C— H)
1 393	1 384	1 365	1 358	ω (C— H)_pi
1 323	1 331	1 348	1 332	ω (13C— H 16C— H) ρ (18C— H 30O— H)
		1 324	1 297	ω (C— H)_piρ (10C— H 30O— H)
1 281	1 278	1 276	1 270	τ (12C— H 13C— H 16C— H)
	1 243	1 242		τ (C— H)_piρ (30O— H)
1 209	1 217	1 211	1 217	ρ (30O— H) τ (12C— H 13C— H 16C— H)
1 179	1 190	1 182	1 173	ρ (5C— H 10C— H) ν _s(C— C)C₃H₅
1 142	1 147	1 145	1 146	ρ (13C— H 23C— H 30O— H) τ (13C— H)
1 118	1 120	1 119	1 120	τ (C— H) C₃H₅
1 093	1 103	1 093	1 103	ρ (C— H) C₃H₅ν (14C— C) ρ (12C— H 23C— H)
1 068	1 059	1 070	1 067	ν (29C— 30O) ρ (13C— H 16C— H)
1 056	1 041	1 057		ω _as(35C— H 36C— H)
997	1 006	1 024		ω _s(35C— H 36C— H)
		975	979	ω (C— H N— H)_piν (29C— 30O) ν (C— F)
	962		962	ν (29C— O) ω (C— H N— H)pi
939	927	939		σ (C— C)C₃H₅
912	900			ρ (C— H N— H) _piν (13C— 16C) ρ (23C— H)
890		892	883	ν (C— C)_qu1ν _s(13C— 16C) ρ (23C— H) σ (C— C)
821	839	842	813	ρ (C— H)C₃H₅
807	804			ν _s(C— C)_{qu1, qu2}ρ (C— H)C₃H₅
		800	795	ν _s(C— C)_piδ (qu1, qu2)
774		773		ν _s(C— C)_qu1ρ (35C— H 36C— H) δ (qu1, qu2)
736	707	732		ρ (C— H)C₃H₅δ (qu1, qu2)
688	672	689		ν _as(C— C)_qu1ρ (C— H N— H)_pi
647		665		ρ (5C— H 6C— F 29C— O 30O— H)
595	610	649	637	ρ (15C— H 25C— H 36C— H)
571	584			σ (19O— C) ν (C— C)_qu1
547	549	569	584	ω (38O— H)
		549	541	ρ (C— H)C₃H₅δ (qu1) ν (C— F)
515	513	512		ω (C— C)_qu1br(pi)
485	469			ρ (C— H) C₃H₅δ (qu2)
	452	456		σ (C— N)_pi
	399	392		ρ (6C— F 7C— O 29C— O)
		374		ρ (2C— 19O) σ (C— 30O)
		339		ρ (14C— 23C)
		328	312	ω (C— 19O)

Note: (1) ν : Stretch; σ : Scissoring; ρ : In-plane-rocking; ω : Out-of-plane-rocking; τ : Torsion-vibration; δ : Deformation-vibration; br: Ringbreath; (2) s: Symmetric; as: Antisymmetric; (3) pi: Pierazine ring; qu: Quinoline

表2 加替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 Gatifloxacin

2.2.1 理论计算所得拉曼与红外光谱的对比分析

和大多数有机分子一样, 加替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3)进行对比分析。

首先, 同时具备拉曼活性与红外活性的振动模式在两种光谱中的峰位有很好的一致性: 如O— H伸缩振动都位于3 661 cm^-1处; 环丙基上C— H不对称伸缩振动都位于3 187 cm^-1处; 位于2 958和2 870 cm^-1处的两个振动峰属于喹啉环上C— H伸缩振动; 位于1 771 cm^-1处的振动峰为不饱和C=O的伸缩振动; 喹啉环上C— C伸缩振动则位于1 446 cm^-1处。

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: 3 460 cm^-1振动峰为哌嗪环上21N— H的伸缩振动; 1 586 cm^-1振动峰主要是喹啉环上C=C非对称伸缩振动, 并伴随着C=O的伸缩振动; 1297 cm^-1振动峰是哌嗪环上C— H的面外摇摆振动, 并伴随30O— H的面内摇摆振动; 环丙基上C— H的面内摇摆振动则位于541 cm^-1处。而只具有红外活性的振动模式则包括: 位于3 028 cm^-1处的哌嗪环与甲氧基上C— H伸缩振动; 位于1 041和1 006 cm^-1处的环丙基上C— H面外摇摆振动; 位于804 cm^-1处的喹啉环上C— C伸缩振动。显然, 将两种光谱结合即可获得关于加替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

将理论计算所得的光谱与实验测得的光谱进行对比, 如图4与图5所示。实验测得的拉曼光谱与红外光谱谱峰数量多、强度明显, 说明实验结果较好。通过比较理论光谱与实验光谱的光谱线型和振动频率发现, 大部分谱峰的峰位基本一致。如哌嗪环上16C— H的对称伸缩振动在实验红外光谱中位于3 012 cm^-1, 理论红外光谱中位于3 011 cm^-1; 实验拉曼光谱中位于3 016 cm^-1, 理论拉曼光谱中位于3 011 cm^-1。喹啉环上C— C伸缩振动在实验光谱中位于1 616 cm^-1(IR), 1 614 cm^-1(NRS), 理论红外和拉曼光谱中都位于1 613 cm^-1。

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: 如环丙基上C— H的面内摇摆振动在实验光谱中都位于1 093 cm^-1, 而在理论光谱中都位于1 103 cm^-1, 峰位波数相差6 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1 771 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, 而实验中加替沙星以固体粉末形式存在, 有分子间作用力影响。

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。采用密度泛函理论的方法, 结合Gaussian可视化软件, 对加替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, 并与加替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提供参考。

参考文献

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