APP  >> Vol. 9 No. 5 (May 2019)

    美托洛尔的密度泛函理论研究
    Study on Density Functional Theory of Metoprolol

  • 全文下载: PDF(709KB) HTML   XML   PP.217-225   DOI: 10.12677/APP.2019.95026  
  • 下载量: 256  浏览量: 353  

作者:  

刘存海,柳 叶,王玉良,张纪磊:海军航空大学航空基础学院,山东 烟台

关键词:
美托洛尔密度泛函理论红外光谱红外活性 Metoprolol Density Functional Theory Infra-Red Spectrum Infrared Activity

摘要:

本文应用密度泛函理论的B3LYP方法,在6-31G(d)基组水平上对美托洛尔分子进行了理论计算,得到了分子的稳定构型及其红外光谱。研究发现根据分子振动类型的不同,美托洛尔的红外振动光谱主要分布在(0~1000) cm−1、(1000~1600) cm−1、(1600~3000) cm−1和(3000~4000) cm−1四个区域。由于存在简并和无红外活性的现象,红外谱中实际谱线的数目小于实际简正振动的数目。

The Metoprolol is studied at the 6-31G(d) basis set level, using the B3LYP method of density functional theory, and the stable structure and its infra-red spectrum are gained. After researched, according to different types of vibration modes, the infra-red spectrum of methyl Metoprolol mainly lies in four different regions: (0 - 1000) cm−1, (1000 - 1600) cm−1, (1600 - 3000) cm−1and (3000 - 4000) cm−1. Because there are degeneracy and non-infrared activity in the spectrum, the practicable number of the spectral line is less than that of the normal vibration modes.

1. 引言

美托洛尔,属于2A心脏选择性β1-受体阻断药,它对β1-受体有选择性阻断作用,其阻断β1-受体的作用约与普萘洛尔相等,对β1-受体的选择性稍逊于阿替洛尔。主要用于治疗心绞痛、心率失常、高血压、甲状腺机能亢进、心肌梗塞,指证盐酸普萘洛尔。适用于轻、中型高血压,其降压效果与拉贝洛儿、地尔硫卓、硝萘地平和氯噻酮一样有效。尤其用于伴有哮喘或糖尿病的高血压患者。用于稳定劳累型心绞痛,可降低心绞痛发作心率和硝酸甘油用量,提高运动耐量,与等量普萘洛尔、氧烯洛儿和维拉帕米一样有效。还可用于治疗心肌梗塞和急性心肌缺血,具有缓解胸痛、缩小梗死面积、降低心梗后快速型心率失常的发生及死亡率的作用。近年来,人们对美托洛尔的研究越来越热衷。2008年 [1] ,孙建华等人利用毛细管电泳法测定了酒石酸美托洛尔片的含量,证明了毛细管测定法是一种方法简便,准确,快速,重复性好的测定法。2012年 [2] ,李东辉等人利用碳糊电极法测定了美托洛尔片中的美托洛尔,结果表明结果电极的Nernst响应范围为0.01~5.0 × 10−6 mol∙L−1,级差为30.2 mV∙pC−1,检出限为3.2 × 10−6 mol∙L−1,证明碳糊美托洛尔电极法可简便、快速、准确地检测片剂中美托洛尔的含量。2016年 [3] ,张文骥等对汗液中美托洛尔及其代谢物的提取与检测进行了研究,结果表明可依据汗液中美托洛尔和α-羟基美托洛尔的检测对排汗人进行识别。

红外光谱分析法作为一种有效而广泛的分析方法,它主要可以用作分子结构的基础研究,以及物质化学组成的定性和定量分析。密度泛函理论 [4] [5] 采用电子密度来处理复杂电子体系,已被广泛地应用于各个领域,可方便的研究物质的各种特性。本文运用Gaussian 09计算程序,在B3LYP/6-31G(d)水平上研究了美托洛尔分子的结构特点及红外光谱分布规律,并对谱峰的形成机理进行了探讨,以期能为更好的了解美托洛尔的药理特性提供理论支持。

2. 计算方法

首先,运用GaussView图形构建软件猜测构建两了美托洛尔分子的初始构型,然后运用Gaussian 09计算程序先后在hf/3-21g和b3lyp/6-31G(d)的水平上,并在标准状况下对初始构型进行了结构优化,频率计算发现该构型所对应的分子振动频率中未出现虚频,进而确定该构型即为稳定构型,然后经频率分析获得了该稳定构型的红外光谱,并对光谱中出现的各条谱线进行了指认,对谱线形成的机理进行了分析。文中对计算所得到的振动频率均采用0.9613 [6] 的修正因子进行修正。

3. 结果与讨论

3.1. 美托洛尔的结构特点

美托洛尔分子的稳定构型如图1所示,在苯环的对位位置出现两个链式结构。表1中列出了美托洛尔分子的相关结构参数。计算结果表明,整个美托洛尔分子的构型存在非对称性的结构特点。整个分子中含有C-H、C-C、C-O、C-N、H-N和H-O和键六种化学键。在分子结构中仅有一个H-O键,即21H-20O键,键长为0.947 Å,而22N所形成的分子键中,22N-17C和24C-22N的键长分别为1.446 Å和1.454 Å, 23H-22N的键长仅为1.000 Å。在各C-C键中,苯环中2C-1C和4C-3C的键长相同,均为1.384 Å,3C-2C和5C-4C键长均为1.385 Å,6C-5C键长1.390 Å,而所有C-C键中30C-24C的键长最长,为1.535 Å,而在两个链式结构所形成的C-C键中,37C-34C的键长为1.524 Å,15C-12C和34C-6C的键长分别为1.522 Å和1.513 Å,17C-15C和26C-24C的两键长仅相差0.001 Å,分别为1.527 Å和1.528 Å。在所形成的C-O键中,20O-15C的键长最长为1.411 Å,11O-3C和12C-11O的键长分别为1.365 Å和 1.408Å,而40O-37C和41C-40O的键长分别为1.392 Å和1.392 Å。在N原子所参与形成的化学键中,24C-22N的键长最大,为1.454 Å,22N-17C和23H-22N的键长分别为1.446 Å和1.000Å。而分子结构中存在的唯一一个H-O键,即21H-20O,其键长为0.947 Å。在分子结构中的C-H键中,苯环中的7H-1C和10H-5C两键长均为1.076 Å,8H-2C和9H-4C的键长分别为1.075 Å。对分子结构中的H-C键而言,各化学键的键长相差较小,其中44H-41C、38H-37C和39H-37C的键长均为1.089 Å,14H-12C、19H-17C、29H-26C、31H-30C和42H-41C五个H-C键键长均为1.088 Å,13H-12C、27H-26C和33H-30C三个键的键长为1.086 Å,18H-17C和28H-26C的键长均为1.083 Å,而43H-41C和25H-24C两化学键的键长分别为1.081 Å和1.087 Å。

Figure 1. Stable structure of Metoprolol

图1. 美托洛尔分子稳定构型

分子结构中,苯环中的骨架C原子所形成的∠3C-2C-1C、∠4C-3C-2C、∠5C-4C-3C和∠6C-5C-4C均,以及∠11O-3C-2C均为120˚,∠7H-1C-2C、∠9H-4C-3C、∠10H-5C-4C和∠24C-22N-17C均为119˚,∠41C-40O-37C和∠22N-17C-15C分别为114˚和115˚,∠43H-41C-40O、∠18H-17C-15C和∠20O-15C-12C均为109˚,而∠12C-11O-3C和∠30C-24C-22N均为116。在各原子所形成地二面角中,中也存在大量0˚和180˚二面角,表面参与形成这些二面角的各原子出现在同一面内。但也存在其他角度的二面角,这也间接表明美托洛尔分子构型的对称性比较差的现象。

Table 1. Structure parameters of Metoprolol

表1. 美托洛尔分子的结构参数

3.2. 美托洛尔的红外振动光谱

红外振动光谱是由分子的振动能级发生跃迁而产生的。红外谱线的强度主要取决于分子振动时偶极矩的变化大小和跃迁几率的大小 [7] 。分子振动时偶极矩的变化大小确定了红外吸收的强弱,若振动时无偶极矩的变化,即红外光谱的强度为零,这种形成红外吸收的振动称为“红外活性的”,相反则称为“无红外活性的”。

在标准状况下,美托洛尔分子的红外光谱如图2所示,分析发现在整个光谱中出现两红外活性和简并现象,致使光谱中实际出现的谱线数目较理论数偏少,根据分子振动模式的不同,可将红外光谱划分为(0~1000) cm−1、(1000~1600) cm−1、(1600~3000) cm−1和(3000~4000) cm−1四个区域。

Figure 2. Infra-red spectrum of Metoprolol

图2. 美托洛尔分子的红外光谱

在(0~1000) cm−1区域,分子振动类型主要是各基团的整体转动或摆动,以及苯环的呼吸振动。该区域中红外光谱的整体强度较低,这主要是由于该区域中的谱峰所对应的分子振动没有引起分子偶极矩的较大变化,甚至大量分子振动模式出现了无红外活性的现象造成地。该区域的最强峰出现在332 cm−1位置,它是由含26C的甲基基团整体转动和含30C的甲基基团整体转动的复合振动引起地,次强峰出现在740 cm−1位置,其对应的分子振动模式主要是含41C的甲基基团整体转动。此外,含41C的甲基基团整体转动和含30C的甲基基团整体摆动的复合振动在969 cm−1位置引起一较强共振峰,而含30C的甲基基团的整体摆动在499 cm−1位置引起一共振峰,但强度较前者低;945 cm−1位置共振峰是由苯环的呼吸振动引起地,而苯环的呼吸振动与含41C的甲基基团的整体摆动的复合振动在919 cm−1位置形成一较强共振峰。在525 cm−1位置出现两双重简并的现象,其分子振动模式分别为含30C的甲基基团的整体转动和26C的甲基基团整体摆动,而同时在612 cm−1位置出现了三重简并现象,其分子振动模式分别为含41C的甲基基团整体摆动、苯环的呼吸振动与含40C的甲基基团的整体摆动的复合振动,以及含26C、30C和41C三个甲基集团的整体转动的复合振动。此外,在55 cm−1、38 cm−1和703 cm−1三个位置出现了无红外活性的现象,对应的分子振动模式分别为羟基基团的整体摆动、含26C的甲基集团的整体转动,以及含26C和41C两个甲基集团的整体摆动的复合振动。

在(1000~1600) cm−1区域,分子振动类型主要是面外弯曲振动(含面外摇摆振动和扭曲振动)和变形振动(含对称变形振动和不对称变形振动)。该区域中红外光谱的整体强度较强,该区域的最强峰出现在1396 cm−1位置,其分子振动模式为9H和10H的扭曲振动与13H和14H的面外摇摆振动的复合振动,该振动峰也是整个红外光谱的最强峰;该区域最强峰出现在1178 cm−1位置,它主要是由27H和28H的扭曲振动造成地,它也是整个红外光谱的次强峰。27H和29H的面外摇摆振动与31H和32H的扭曲振动的复合振动在1284 cm−1位置引起一共振峰,而同时27H和29H的面外摇摆振动与31H和32H的面外振动的复合振动在1362 cm−1位置形成一较强共振峰,但强度相比前者略低。含26C的甲基基团中三个碳氢键的对称变形振动在1376 cm−1位置形成一共振峰,而同时含30C的甲基基团中三个碳氢键的不对称变形振动在1577 cm−1位置引起一共振峰,二者强度无较大差别。35H和36H的面外摇摆振动在1236 cm−1位置引起一共振峰,但二者的扭曲振动在1309 cm−1位置形成一共振峰。1224 cm−1位置的共振峰分子振动模式主要是38H和39H的扭曲振动,但该振动峰强度较低,1290 cm−1位置共振峰则是由43H和42H的扭曲振动形成地。42H和44H的面外摇摆振动与38H和39H的扭曲振动的复合振动在1432 cm−1位置引起一共振峰,1209 cm−1位置的共振峰是由35H和36H的面外摇摆振动与13H和14H的扭曲振动的复合振动引起地。含41C的甲基集团中的三个碳氢键的对称变形振动在1097 cm−1位置一较强共振峰,而含41C的甲基集团中的三个碳氢键的不对称变形振动与31H和32H的复合振动在1259 cm−1位置造成一共振峰的出现,但强度较弱。此外,在1479 cm−1位置出现了三重简并的现象,其对应的分子振动模式分别为含41C的甲基集团中的三个碳氢键的不对称变形振动、35H和36H的面外摇摆振动和32H和33H的扭曲振动的复合振动,以及27H和29H的面外摇摆振动、38H和39H的扭曲振动及42H和44H的扭曲振动的复合振动。在1006 cm−1、1150 cm−1和1025 cm−1三个位置出现了无红外活性的现象,其对应的分子振动模式分别为13H和14H的扭曲振动与43H和44H的扭曲振动的复合振动、38H和39H的面外摇摆振动与28H和29H的面外摇摆振动的复合振动,以及含41C、30C和26C的三个甲基基团中的碳氢键的对称变形振动的复合振动。

在(1600~3000) cm−1区域,分子振动类型主要是面内曲振动(含面内摇摆振动和剪式振动)。该区域中红外光谱主要集中在(1600~1850) cm−1区域,而在(1850~3000) cm−1区域没有振动峰的出现。该区域的最强峰出现在1695 cm−1位置,其分子振动模式为7H、8H、9H和10H的面内摇摆振动,分子振动模式如图3所示。该区域次强峰出现在1675 cm−1位置,是由23H的面内摇摆振动造成地,振动模式如图4所示。1822 cm−1位置共振峰是由7H和8H的剪式振动与9H和10H的剪式振动的复合振动引起地,1672 cm−1位置共振峰是由13H和14H的剪式振动造成地,如图5所示。1675 cm−1位置的共振峰是由18H和19H的剪式振动、28H和29H的剪式振动,以及31H和33H的剪式振动的复合振动引起地。42H和43H的剪式振动在1645位置形成一共振峰,分子振动模式如图6所示。18H和19H的剪式振动与42H和43H的剪式振动的复合振动在1641 cm−1位置引起一较强共振峰。此外,在1636 cm−1、1643 cm−1和1682 cm−1三个位置出现两无红外活性的现象,其对应的分子振动模式分别为42H和43H的剪式振动与42H和44H的剪式振动的复合振动、38H和39H的面内摇摆振动,以及13H和14H的扭曲振动与28H和29H的剪式振动的复合振动。

在(3000~4000) cm−1区域,分子的振动类型主要为各原子的伸缩振动。该区域最强峰出现在3259 cm−1位置,对应的分子振动模式为31H和33H的不对称伸缩振动与27H和29H不对称伸缩振动的复合振动,次强峰出现在3251 cm−1位置,它是由13H和14H的不对称伸缩振动与16H的伸缩振动的复合振动造成地。3221 cm−1位置的共振峰是由42H和44H的不对称伸缩振动引起地,而38H、39H、42H、43H和44H的对称伸缩振动复合振动在3179 cm−1位置引起一较强共振峰。3194 cm−1位置的共振峰对应的振动模式为13H、14H和19H的伸缩振动的复合振动,如图7所示。43H的伸缩振动在3303 cm-1位置引起一较强共振峰,如图8所示。此外,3199 cm−1位置出现了双重简并现象,其分子振动模式分别为27H、28H、29H、32H和33H的伸缩振动的复合振动、21H的伸缩振动。此外,在3783 cm−1和3383 cm−1两个位置对应的分子振动没有引起偶极矩的较大变化,出现了无红外活性的现象,对应的分子振动模式分别为23H的伸缩振动,以及7H、8H、9H和10H的伸缩振动。

Figure 3. 1695 cm−1 vibration mode

图3. 1695 cm−1振动模式

Figure 4. 1675 cm−1 vibration mode

图4. 1675 cm−1振动模式

Figure 5. 1672 cm−1 vibration mode

图5. 1672 cm−1振动模式

Figure 6. 1645 cm−1 vibration mode

图6. 1645 cm−1振动模式

Figure 7. 3194 cm−1 vibration mode

图7. 3194 cm−1振动模式

Figure 8. 3303 cm−1 vibration mode

图8. 3303 cm−1振动模式

4. 小结

本文通过理化计算获得了美托洛尔分子的稳定构型及红外振动光谱,并在此基础上详细分析了分子的结构特点。通过对红外光谱的研究发现,美托洛尔分子的红外光谱主要分布在四个区域,在(0~1000) cm−1区域,分子振动类型主要是各基团的整体转动或摆动,以及苯环的呼吸振动;在(1000~1600) cm−1区域,分子振动类型主要是面外弯曲振动和变形振动;在(1600~3000) cm−1区域,分子振动类型主要是面内曲振动;在(3000~4000) cm−1区域,分子的振动类型主要为各原子的伸缩振动。此外,光谱中出现了简并和无红外活性的现象。

文章引用:
刘存海, 柳叶, 王玉良, 张纪磊. 美托洛尔的密度泛函理论研究[J]. 应用物理, 2019, 9(5): 217-225. https://doi.org/10.12677/APP.2019.95026

参考文献

[1] 孙建华, 李海霞, 张红岭, 等. 毛细管电泳法测定酒石酸美托洛尔片的含量[J]. 郑州大学学报(医学版), 2008, 43(6): 1239-1241.
[2] 李东辉, 李潇. 碳糊电极法测定美托洛尔片中的美托洛尔[J]. 华西药学杂志, 2012, 27(2): 214-216.
[3] 张文骥, 陈卓, 张婷, 许英健, 林子清. 汗液中美托洛尔及其代谢物的提取与检测[J]. 中国司法鉴定, 2016(6): 28-32.
[4] 陈晓岚, 张守仁, 屈凌波, 等. 新型白杨素-7-氨基磷酸酯衍生物的合成与波谱学研究[J]. 波谱学杂志, 2009, 26(2): 239-246.
[5] 张伏龙. 硅锗杂硫烯酮及其相关分子的量子化学计算研究[J]. 甘肃联合大学学报(自然科学版), 2008, 22(6): 135-139.
[6] Wong, M.W., Wiberg, K.B. and Frisch, M.J. (1991) Hartree-Fock Second Derivatives and Electric Field Properties in a Solvent Reaction Field: Theory and Application. The Journal of Chemical Physics, 95, 8991-8996.
https://doi.org/10.1063/1.461230
[7] 宁永成. 有机化合物结构鉴定与有机波谱学[M]. 北京: 科学出版社, 2000: 223-227.