制药工程专业拓展实验百克威的谱学分析与指认

来源：核心期刊咨询网时间：2020-08-25 10:3812

摘要：摘 要：采用基于密度泛函理论(DFT)的方法，在GaussView 5.0.9 软件中的B3LYP/6-31+G 水平下进行优化克百威的结构，使克百威的结构达到最稳定且能量最小化的状态，并作为其衍生物的母体。采用密度泛函理论的方法，在B3LYP/6-31+G 水平下进行优化19种克百威衍

　　摘 要：采用基于密度泛函理论(DFT)的方法，在GaussView 5.0.9 软件中的B3LYP/6-31+G 水平下进行优化克百威的结构，使克百威的结构达到最稳定且能量最小化的状态，并作为其衍生物的母体。采用密度泛函理论的方法，在B3LYP/6-31+G 水平下进行优化19种克百威衍生物的结构，并通过计算得到相关性最高 NBO-N14原子电荷值与pKa 值的线性方程(y=3.771+0.989x)，可以选用此条线性方程来预测克百威衍生物的pKa。模拟了克百威及其19种克百威衍生物的C原子和H原子的核磁共振光谱图、前线分子轨道、红外和拉曼光谱、荧光和磷光等分子光谱，并对其特征峰进行一一指认和归属，这为制药专业拓展实验识别克百威衍生物的光谱以及构效关系提供了基础数据。

　　关 键 词：制药专业实验;密度泛函理论;克百威;pKa;核磁共振光谱;谱学分析

　　克百威(Carbofuran， 化學名称2，3-二氢-2，2-二甲基-7-苯并呋喃基-N-甲基氨基甲酸酯)，目前商品名称呋喃丹(FND，图1)，他作为一种高效、广谱的杀虫、杀线虫剂，现在已经广泛用于粮食与蔬菜作物[1]、水果和经济林等[2-3]害虫的防治与杀灭，致使土壤和水环境污染严重[4]，已引起人们的广泛关注[5]。从农业部了解到，克百威即将被禁用，因此为得到更适用于农业且对人体危害低的杀虫剂而对克百威的衍生物进行研究发展具有重大意义。2014年，欧阳静怡等分析了鸭肉中克百威和西维因的同步荧光光谱解析及定量分析，他们采用同步荧光法分析了鸭肉中农药的荧光特征，其次利用同步荧光峰值法对鸭肉中农药残留进行定量分析[6]。

　　呋喃丹能被植物根系吸收，并能输送到植株各器官，以叶部积累较多，特别是叶缘，在果实中含量较少，在土壤中半衰期为30～60 d。稻田水面撒药，残效期较短，施于土壤中残效期较长，在棉花和甘蔗田药效可维持40 d左右。受呋喃中毒致死的小鸟或其他昆虫，被猛禽类、小型兽类或爬行类动物觅食后，可引起二次中毒而致死。呋喃丹是一种氨基甲酸酯类杀虫剂和杀线虫剂。1963年由美国创制，1967年推广。纯品为白色结晶，25 ℃时水中溶解度为700 μg·g-1，在中性和酸性条件下较稳定，在碱性介质中不稳定，水解速度随pH值和温度的升高而加快。

　　按中国农药毒性分级标准，呋喃丹高毒农药，不能用在蔬菜和果树上。 呋喃丹对鸟类危害性最大，一只小鸟只要觅食一粒呋喃丹足以致命。2013年，肖海斌等人用支持向量回归-同步荧光光谱法预测鸭肉中克百威残留，为了满足鸭肉中克百威残留分析及快速检测的要求，基于克百威水解物在巯基乙醇存在的条件下能与邻苯二甲醛反应产生具有强荧光性衍生物的方法，建立了应用同步荧光光谱法测定鸭肉中克百威残留量的预测模型[7]。2010年卿湘东等用三维荧光二阶校正法快速测定块茎类蔬菜、土壤和污水中克百威残留量，利用分子荧光光谱仪操作非常简单而又灵敏度极高，化学分析计量学方法二阶校正算法具有的"二阶优势"，将三维荧光(EEM)与化学计量学交替三线性分解(ATLD)算法相结合，实现了红薯、土豆、红萝卜、土壤和污水5种实际复杂体系中克百威残留量的直接快速定量测定[8]。

　　本文将采用密度泛函理论的方法，在B3LYP/6-31+G 水平下优化克百威的结构，获得实验所需的一些基础相关数据。其次，鉴于先前已有研究采用密度泛函理论取得了很多成果，在B3LYP/6-31+G 水平下优化克百威衍生物的结构。本文用密度泛函理论模拟预测了克百威一元取代核磁光谱图。本文试图从波谱学和分子酸碱性两个角度分析其特征，所得结果可为呋喃丹农药残留检测提供基础数据参考。

　　1 计算方法

　　使用 Chem3D 软件模块和 ChemDraw 8.0 软件模块，分别构建19个克百威衍生物的模型，并使其结构优化和能量最低化;在GaussView 5.0.9 软件模块中，先使其能量构型优化到最低，然后使用 密度泛函理论DFT/ B3LYP 方法，在基组6-31+G 水平下优化他们的分子结构，在优化19个相关分子计算模拟的关键词分别：iop(5/33)=1;POP=(NBO， HIRSHEDLF， CHELPG) 的约束条件下，分别计算19个克百威衍生物的原子电荷。记录14-N和28-H的Mulligen电荷、ESP电荷、NBO电荷 和HIR 的原子电荷值;然后用ACD Labs 6.0软件模块，分别得到19种克百威衍生物相应分子解离常数(pKa)预测值;分别将19种克百威衍生物的Mulligen、ESP、NBO 和HIR 的电荷值与得到的解离常数(pKa)用Origin 8.5作图，得到相应的线性回归方程，比较R2值(相关系数)大小，确定R2值最大的为预测方程。核磁共振光谱法等分子光谱 是鉴定有机化合物结构的重要手段之一，可以提供丰富的化学结构信息，他可以通过化合物所显示的化学位移来鉴定化合物的结构信息。在此基础上，借助量子化学计算可以提高谱峰归属的准确性。

　　2 结果与讨论

　　2.1 克百威及其衍生物的原子电荷与pKa关系

　　由 GaussView 5.0.9 软件模块计算所得的19种克百威的衍生物14-N原子的Mulligen电荷、ESP电荷、NBO电荷 和HIR 的原子电荷值以及由 ACD Labs 6.0 软件模块预测得到的相应衍生物电离常数pKa，充分显示了当取代基以及取代基位置不同时，14-N的4种电荷值的变化，同时衍生物pKa 也隨之变化。这意味着使用这些数据，可以得到14-N的某一电荷值与pKa 之间的线性关系，从而在得知14-N的电荷值的前提下可以预测其他克百威衍生物的pKa。

　　同理由 GaussView 5.0.9 软件模块计算拟合所得的19种克百威的衍生物28-H原子的Mulligen电荷、ESP电荷、NBO电荷 和HIR 的原子电荷值以及由 ACD Labs 6.0 软件模块预测得到的相应衍生物电离常数pKa，显示了当取代基以及取代基位置不同时，28-H的4种电荷值的变化。在此为了直观的表现出原子电荷值变化与电离常数pKa 值之间的线性函数关系，分别用14-N的Mulligen电荷、ESP电荷、NBO电荷 和HIR 的原子电荷值与电离常数pKa 值进行详细作图分析。由于28-H的ESP和HIR的电荷值都为零，因此用28-H的Mulligen和HIR 的电荷值与pKa 值进行作图分析。14-N的 Mulligen 电荷与pKa 的关系如图2所示。

　　由图2可知，相关系数R2较大(R2=0.964);14-N的 ESP 电荷与pKa 的相关系数R2较小 (R2=0.944 6);14-N的 NBO 电荷与 pKa 的相关系数R2 (R2=0.976);14-N的HIR电荷与 pKa的相关系数R2 (R2=0.972);28-H的 Mulligen 电荷与pKa 的相关系数R2(R2=0.959);28-H的NBO电荷与pKa 的相关系数R2较小(R2=0.948)。根据这6幅线性图我们可以发现，NBO-N14电荷值与pKa 值的线性方程的R2值最大，即相关性最好。因此可选用NBO-N14对pKa方程来预测其他克百威衍生物的pKa。

　　2.2 FND分子及其衍生物前线轨道分析

　　绿色和红色表示轨道波函数的相位，绿色为负，红色为正。前线分子轨道的关键性质就是看波函数的相位：对于一个原子轨道的相位可以看出原子参与组成分子时的基函数类型。对于一个分子轨道的相位可以看出原子之间是成键还是反键。对于一个分子的HOMO和另一分子的LUMO，比较二者相位的对称性是否相符、是否正交，是前线分子轨道的核心。右边是原子的P型轨道同相位结合，具有π性质的成键。中间上、下，应是两个孤对电子，他们都与右边的π性质的成键相位相反，表明他们之间是排斥的。左边是相位相反的邻接，表明他们之间是排斥的。他与中间上、下孤对电子相位相反，他们之间也是排斥的。这些成键与排斥，正是该轨道性质的根源。FND分子及其常见5种单取代基衍生物的前线轨道图列于表1。其前线轨道能级差?E随着取代基顺序增大：-H、-CH3、-C2H5、-NH3、-OH、- NO2。

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