（浙江省臺州學院醫(yī)藥化工學院， 浙江 臺州316000）

甲基苯丙胺光譜性質(zhì)的密度泛函分析與指認

陳凱浩，鐘愛國

（浙江省臺州學院醫(yī)藥化工學院， 浙江 臺州316000）

采用密度泛函理論的DFT/B3LYP/6-311+G(d,p)方法和基組, 對甲基苯丙胺的UV-Vis光譜，IR光譜, 1HNMR光譜和熒光光譜進行了理論模擬和指認。自然電荷計算表明，胺基N和H原子很可能是其發(fā)揮藥理活性的親電和親核反應中心。

冰毒；密度泛函理論；電子光譜

甲基苯丙胺(冰毒, C10H15N)是一種人工合成的中樞神經(jīng)興奮劑，是我國規(guī)定管制的精神藥品。它已逐步取代本世紀流行的鴉片、海洛因、大麻、冰毒、可卡因等常用毒品，成為21世紀全球范圍濫用最為廣泛的毒品。1919年日本化學家A. Ogata將麻黃堿與紅磷及碘還原，首次合成了甲基苯丙胺，并用于治療哮喘和鼻炎。近年境外傳入的“搖頭丸”，也是冰毒的衍生物。趙金濤等[1]對冰毒的拉曼散射振動模式進行了研究；姚紅艷等[2]對鹽酸甲基苯丙胺的核磁共振(NMR)等光譜進行了實驗測定；張金莊[3]利用紅外顯微鏡，直接采集塑料自封袋表面微量毒品的紅外光譜圖，并與毒品標準紅外光譜的吸收峰尤其是特征吸收峰進行定性比對分析。鄭天等[4]建立了應用熒光分光光度法測定繳獲冰毒中甲基苯丙胺的含量的方法。張潤生等[5]采用氣相色譜-傅立葉變換紅外光譜聯(lián)用技術(shù)，建立了9種苯丙胺類毒品及其衍生物的分析鑒別方法。由于毒物分析結(jié)果常作為法庭評判依據(jù)，所以對分析結(jié)果的評定需全面的圖譜數(shù)據(jù)作為支撐材料。本文采用密度泛函理論方法, 對甲基苯丙胺的分子光譜如紫外-可見吸收，紅外吸收，拉曼吸收，核磁共振吸收以及熒光發(fā)射光譜等進行了理論模擬和指認，取得了與實驗相吻合的結(jié)果。

1 計算方法

本文對冰毒分子采用DFT理論的B3LYP方法在6-311+G(d,p)基組水平上進行了優(yōu)化計算。在優(yōu)化得到的穩(wěn)定構(gòu)型基礎上，采用Freq方法進行了頻率分析，結(jié)果表明所有簡諧振動頻率全部為正值，表明其計算結(jié)果是可信的。本項目的全部計算工作通過Gaussian 03程序包在PC機上完成（圖1）。

圖 1 甲基苯丙胺(C10H15N)分子結(jié)構(gòu)和原子編號Fig.1 C10H15N molecular structure and atomic number

2 結(jié)果與討論

2.1 紫外吸收光譜

采用TD DFT/B3LYP/6-311+G(d,p)//DFT/B3LY P/6-311+G(d,p)方法，模擬顯示(圖2),甲基苯丙胺分

子在258 nm (強吸收)和196 nm(弱吸收)處顯示了紫外吸收峰，前者可歸屬于電子從最高占據(jù)軌道(H OMO)躍遷到最低空軌道(LUMO)，后者則可歸屬于電子從次高占據(jù)軌道(HOMO-1)躍遷到最低空軌道(LUMO)。這與其標準圖譜顯示甲基苯丙胺分子在2 60 nm處有較強的紫外吸收峰相吻合[6]。

圖2 模擬甲基苯丙胺分子的紫外吸收光譜Fig. 2 Simulation UV absorption spectrum of methamphetamine

2.2 拉曼吸收光譜

拉曼效應起源于分子振動與轉(zhuǎn)動, 因此從拉曼光譜中可以得到與紅外分子振動互補的信息。采用密度泛函理論DFT/B3LYP方法，在6-311+G(d,p)基組水平上進行了分子構(gòu)型優(yōu)化和頻率分析，得到6個特征峰。對6個特征峰的分子振動模式進行了詳細的歸屬指認。甲基苯丙胺由異丙基和甲胺構(gòu)成的支鏈，取代了苯環(huán)上的一個氫原子，形成單取代苯類化合物。圖 4是模擬的甲基苯丙胺分子的拉曼散射譜特征峰，主要位于3 450 cm-1(CH3和CH2對稱、反對稱譜線), 3 190 cm-1(單取代苯有5個C-H 伸縮振動)和1 380 cm-1(CH3和CH2基變形形式的倍頻或合頻), 1 590 cm-1(面內(nèi) C-H 變形衍生的苯環(huán)的振動)以及690 cm-1(內(nèi)環(huán)變形), 440 cm-1(三角形環(huán)呼吸振動)范圍內(nèi)。對比實驗拉曼光譜和理論拉曼光譜，它們的吸收峰基本吻合[7]。

2.3 紅外吸收光譜

物質(zhì)的紅外光譜是其分子結(jié)構(gòu)的反映，譜圖中的吸收峰與分子中各基團的振動形式相對應（圖3）。采用密度泛函理論方法DFT/B3LYP/6-311+G(d, p)模擬顯示, 冰毒分子在440 cm-1(弱，順式構(gòu)型)，690 cm-1(強，反式構(gòu)型)，1 380 cm-1(弱，甲基的C -H對稱彎曲振動)，1 590 cm-1(強，苯環(huán)的C-H面外變形振動吸收峰) ，3 190 cm-1(中強，N-H伸縮振動)，3 450 cm-1(弱，C-H基的伸縮振動)等處分別顯示了紅外吸收峰，這些峰與冰毒分子實驗IR圖譜在698.4 cm-1, 1 328.7cm-1, 1 570.7cm-1, 2 93 3.4 cm-1，3 500.8 cm-1有吸收基本吻合[5]。

圖 3 模擬甲基苯丙胺分子的IR圖譜Fig.3 Simulation IR spectrum of methamphetamine

圖4 模擬甲基苯丙胺分子的拉曼圖譜Fig.4 Simulation Raman spectra of methamphetamine

2.4 核磁共振光譜

理論模擬了甲基苯丙胺分子的氫核磁共振譜（見圖5所示），其苯環(huán)上五個氫(弱，7.12×10-6),主鏈CH2(中，2.52,2.76×10-6); 支鏈CH3(中,1.10× 10-6); 胺基上的CH3(強，2.74×10-6)；胺基氫(中，2.0 ×10-6) 。這些峰較好地與其實驗值吻合起來[2]，也進一步驗證了計算的準確性。

圖5 模擬甲基苯丙胺分子的核磁共振譜Fig.5 Simulation 1HNMR of methamphetamine

2.5 熒光發(fā)射光譜

用TD DFT/B3LYP 6-31+G//CIS HF6-31+g方法，對標題物分子進行了分子熒光模擬, 發(fā)現(xiàn)化合物在235.0 nm處的紫外光激勵下，能產(chǎn)生出弱的熒光發(fā)射強度，理論峰值位于331.5 nm(圖 6，實驗值

為360 nm)[4], 量子化學模擬計算發(fā)現(xiàn)，該分子的發(fā)光屬于苯環(huán)內(nèi)電子之間的π-π* 躍遷所為。

圖6 模擬標題物分子熒光Fig. 6 Simulation FL of methamphetamine

2.6 反應活性

原子的自然電荷是研究分子的化學活性點位及確定活性區(qū)域的親核或親電特性強弱的有效方法。表 1的數(shù)據(jù)顯示，胺基氮(N9)電荷最負(-0.320e)，其次為與胺基氮相連的碳(C8，-0.171e);電荷最正的是胺基上的氫原子(H19, 0.12e)。自然電荷計算表明，胺基(NH)原子很可能是其發(fā)揮藥理和藥理活性的親電和親核反應中心。

3 結(jié) 論

對甲基苯丙胺分子采用密度泛函理論和方法，在6-311+G(d,p)基組水平上進行了優(yōu)化計算。對其分子光譜(UV-Vis，IR, 1HNMR 以及熒光光譜)進行了理論模擬和指認，取得了與實驗基本吻合的結(jié)果。自然電荷計算表明，胺基(-NH)氮和氫原子很可能是其發(fā)揮藥理活性的親電和親核反應中心。以上理論模擬光譜峰及其指認將為甲基苯丙胺分析與檢測提供幫助。

表1 甲基苯丙胺分子的自然電荷Table 1 Molecular natural charges of methamphetamine

［1］趙金濤, 陳大鵬, 張鵬翔,等. “冰毒”拉曼散射振動模式的研究[J].光譜學與 光譜分析,1999,15(5): 687-690.

［2］姚紅艷，闕玉和，王思宏. 鹽酸甲基安非他命的分析[J].化學世界，1999, 18:568-570.

［3］張金莊. 基于紅外光譜無損檢測自封袋表面微量毒品的研究[J]. 中國人民公安大學學報(自然科學版), 2013,75(1):14-16.

［4］鄭天. 熒光分光光度法測定繳獲冰毒的純度[J]. 江蘇警官學院學報, 2013,28(2):103-105.

［5］張潤生, 王跨陡, 龔飛君,等. 苯丙胺類毒品及其衍生物的氣相色譜-紅外光譜分析[J]. 分析化學,2012, 40(6):915-919.

［6］傅強，廖林川，陳禮莉. HPLC法測定甲基苯丙胺與苯丙胺[J]. 四川大學學報(醫(yī)學版), 2007,38(6):l025-1028.

［7］王繼芬, 余靜, 孫興龍, 等. 毒品及其常見添加成分的拉曼光譜快速分析[J]. 光散射學報, 2012, 24(3):312-315.

Density Functional Analysis and Spectral Identification of Methamphetamine

CHEN Kai-hao，ZHONG Ai-guo
（College of Pharmaceutical and Chemical Engineering, Taizhou University , Zhejiang Taizhou 316000，China）

Using density functional theory DFT/B3LYP/6-311 + G (d, p) method and basis set, UV-Vis spectroscopy, IR spectroscopy,1HNMR spectrum and fluorescence spectroscopy of methamphetamine were studied by the theoretical simulation and identification. Natural charge calculation shows that N and H atoms of amine may be electrophilic and nucleophilic reaction center to play the pharmacological activity.

Ice; Density functional theory; Electronic spectra

O 641

： A

： 1671-0460（2014）01-0029-03

2013-11-18

陳凱浩（1990-），浙江奉化人，臺州學院化學教育專業(yè)，研究方向：計算化學。E-mail：zhongaiguo@tzc.edu.cn。

鐘愛國（1964-），男，研究方向: 計算化學。E-mail：xg2268@163.com。