张嘉琪　施琪浩　潘梓豪　魏煌　赵帅　张英杰　余彬彬　金燕仙　章少阳　钟爱国

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pK_a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pK_a。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;pK_a;核磁共振光谱;谱学分析

中图分类号：G822.8       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2020）06-1085-05

Spectroscopic Analysis and Identification of Carbofuran

for Pharmaceutical Professional Expansion Experiments

ZHANG Jia-qi，SHI Qi-hao， PAN Zi-hao，WEI Huang，ZHAO Shuai，

ZHANG Yin-jie，YU Bin-bin，JIN Yan-xian，ZHANG Shao-yang，ZHONG Ai-guo^*

（College of Pharmaceutical， Chemical and Materials Engineering， Taizhou University， Taizhou Zhejiang 318000， China）

Abstract： The density functional theory was used to optimize the structure of carbofuran derivatives at B3LYP/6-31+G level. The linear equation（y=3.771+0.989x） with the highest correlation between the NBO-N14 charge value and the pK_avalue was obtained by calculation. Therefore， this linear equation was used to predict the pK_aof other carbofuran derivatives. This method is of great significance for studying the structure and physicochemical properties of carbofuran， and developing carbofuran's medicine. The density functional theory was also used to predict the nuclear magnetic spectra of C and H atoms of carbofuran and 19 kinds of carbofuran derivatives， and its characteristic peaks were identified and assigned one by one. This paper can provide powerful reference for the study of the spectral prediction and structure activity relationship of other carbofuran derivatives.

Key words： Pharmaceutical engineering experiments;DFT; Carbofuran; pK_a; NMR spectroscopy;Spectral analysis

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（pK_a）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（pK_a）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pK_a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pK_a，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pK_a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pK_a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pK_a。

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pK_a，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pK_a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pK_a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pK_a值进行作图分析。14-N的 Mulligen 电荷与pK_a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pK_a的相关系数R²较小 （R²=0.944 6）;14-N的 NBO 电荷与 pK_a的相关系数R²（R²=0.976）;14-N的HIR电荷与 pK_a的相关系数R²（R²=0.972）;28-H的 Mulligen 电荷与pK_a的相关系数R²（R²=0.959）;28-H的NBO电荷与pK_a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pK_a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pK_a方程来预测其他克百威衍生物的pK_a。

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。

2.3  克百威的核磁共振光谱

在密度泛函理论和密度泛函活性理论方法DFT/B3LYP/6-31+G//DFT/B3LYP/6-311+G 水平优化其分子结构下，然后采用模拟核磁共振NMR方法分别计算得到克百威分子的C原子核磁光谱图（图3）、H原子核磁光谱图。图3 中 -12.00和 -10.47处的峰为克百威母体片段上的两个甲基碳;3.64处的峰为 -14N-16C- 片段上的甲基碳;4.43处的峰为克百威母体上的亚甲基碳;39.58处的峰为五元环上连接两个甲基的碳;75.18、80.00、83.23和86.23处的峰均为克百威母体上的碳;98.89处的峰为 -7O-11C=O- 片段上的碳;99.56处的峰为 -7O-3C- 片段上的碳;105.42处的峰为 -1C-4O- 片段上的碳。其中图 3中 -0.27、-0.09、0.15、0.30、0.51和0.57处的峰为克百威母体片段上的两个甲基氢;1.14和1.63处的峰均为克百威母体上的亚甲基氢;1.36、2.21和2.26处的峰为 -14N-16C- 片段上的甲基氢;4.00处的峰为14号N上的氢;6.26、6.46和6.67处的峰均为苯环上的氢。在DFT/B3LYP/6-31+G 水平优化结构下，采用NMR方法分别计算得到-CH₃取代的克百威衍生物的C核磁光谱图、H核磁光谱图。其中-11.95、-11.56和 -10.47处的峰为克百威母体片段上的三个甲基碳;3.57处的峰为 -14N-16C- 片段上的甲基碳;3.67处的峰为克百威母体上的亚甲基碳;39.511处的峰为五元环上连接两个甲基的碳;75.45、83.16和84.94处的峰均为克百威苯环上的碳;86.07处的峰为 -6C-17CH₃片段上的碳;98.85处的峰为 -7O-3C- 片段上的碳;98.93处的峰为 -7O-11C=O- 片段上的碳;105.55处的峰为 -1C-4O- 片段上的碳。其中 -0.25、-0.11、0.15、0.30、0.50、0.58、0.83、0.90和0.08处的峰为克百威母体片段上的三个甲基氢;1.09和1.56处的峰均为克百威母体上的亚甲基氢;1.35、2.19和2.27处的峰为 -14N-16C- 片段上的甲基氢;3.99处的峰为14号N上的氢;6.44处的2个峰均为克百威苯环上的氢（图省）。

2.4  红外-拉曼吸收光谱

在有机物分子中，组成化学键或官能团的原子处于不断振动的状态，其振动频率与红外光的振动频率相当。所以，用红外光照射有机物分子时，分子中的化学键或官能团可发生振动吸收，不同的化学键或官能团吸收频率不同，在红外光谱上将处于不同位置，从而可获得分子中含有何种化学键或官能团的信息。20世纪60年代，随着Norris等所做的大量工作，提出物质的含量与近红外区内多个不同的波长点吸收峰呈线性关系的理论，并利用近红外漫反射技术测定了农产品中的水分、蛋白、脂肪等成分，才使得近红外光谱技术一度在农副产品分析中得到广泛应用。60年代中后期，随着各种新的分析技术的出现，加之经典近红外光谱分析技术暴露出的灵敏度低、抗干扰性差的弱点，使人们淡漠了该技术在分析测试中的应用，此后，近红外光谱再次进入了一个沉默的时期。在本中通过 Gauss View 5.0.9 实现建模并算，得到FND红外吸收谱图（图4）和拉曼吸收光谱图，频率则通过利用 Frequency 计算得到，最后用 Origin 8.5 进行谱图处理。拉曼光谱是印度物理学家 Raman 于 1928 年发现的，上述给我们通过拉曼光谱来实现对FND分子主要官能团与结构特征的探究提供依据。FND的红外光谱图的吸收峰如下：在776 cm^-1處的吸收峰是苯环上的一取代特征峰;在1 352 cm^-1处的吸收峰可以归属为 R—SO₂—OH 的基团反对称伸缩振动;在1 504 cm^-1处的吸收峰可以归属为 C—C 的伸缩振动所为;在3 960 cm^-1处的吸收峰可以归属为 C=O 的伸缩振动所致。在谱图中还存着某些吸收频率较小基团的吸收峰。FND的拉曼光谱图的吸收峰如下：在1 024 cm^-1处的吸收峰为单取代苯 C—H 的变形振动;在3 360 cm^-1处的吸收峰为 C—H 对称伸缩振动;在 3 960 cm^-1处的吸收峰为 O—H 的对称伸缩振动。比较图谱与实验数值会发现波峰值和实验数值之间有所差异，这是因为在通过 GaussView 5.0.9 实现建模，结构优化时与实际存在一定误差，但这对基本官能团的判断，几乎不会受到影响。拉曼光谱图的吸收峰如下：在      1 584 cm^-1处的吸收峰为 OH 的对称伸缩振动;在3 360 cm^-1处的吸收峰为 C—H 对称伸缩振动;在 3 960 cm^-1处的吸收峰为 C—H 的对称伸缩振动。比较图谱波峰与实验数值，会发现两者之间有所差异，这是因为在通过软件实现建模优化时存在一定误差，但这对基本官能团判断不会受到影响。

2.5  荧光和磷光发射光谱

人们对分子的磷光和荧光辐射探索由来已久。他们可以看做是分子从其激发状态垂直跃迁，自发辐射产生的分子发射光谱。分子荧光是分子单重激发态所发的光，而分子磷光则是三重激发态所发的光。目前人们通常认为，垂直自发辐射强度都有一个衰减过程，衰减过程最初的一段时间内的辐射称之为荧光光谱，后面的激发态衰减过程称之为磷光光谱;荧光是由激发单重态最低振动能层至基态各振动能层间跃迁产生的;而分子磷光则是由分子激发最低振动能的三重态降低至各振动能层间基态跃迁产生的辐射。通过高斯 09 软件模块，OPT/TD DFT方法，实现了 FND 建模和结构优化，荧光和磷光发射光谱图频率则通过 Energy 方法计算得到，再借助 Origin 8.5 作图分析如图5所示。显示了FND 在 248.2 nm 处有最大荧光发射波长，且产生在近紫外区范围内。而其磷光发射在 302.4 nm 处（省去），有较长发射波长原因是发生分子内发生电子 n→π* 跃迁。这些模拟图谱与使用相近。荧光，又作“萤光”，是指一种光致发光的冷发光现象。当某种常温物质经某种波长的入射光（通常是紫外线或X射线）照射，吸收光能后进入激发态，并且立即退激发并发出比入射光的波长长的出射光（通常波长在可见光波段）;很多荧光物质一旦停止入射光，发光现象也随之立即消失。具有这种性质的出射光就被称之为荧光。另外有一些物质在入射光撤去后仍能较长时间发光，这种现象称为余辉。在日常生活中，人们通常广义地把各种微弱的光亮都称为荧光，而不去仔细追究和区分其发光原理。荧光是物质吸收光照或者其他电磁辐射后发出的光。大多数情况下，发光波长比吸收波长较长，能量更低。但是，当吸收强度较大时，可能发生双光子吸收现象，导致辐射波长短于吸收波长的情况发生。当辐射波长与吸收波长相等时，即是共振荧光。常见的例子是物质吸收紫外光，发出可见波段荧光，生活中的荧光灯就是这个原理，涂覆在灯管的荧光粉吸收灯管中汞蒸气发射的紫外光，而后由荧光粉发出可见光，实现人眼可见。

3  结 论

通过高斯软件系统构建了FND和他的19 种衍生物模型，优化筛选之后得出以下结论：

1）采用密度泛函理论的方法，B3LYP/ 6-31+G 水平下优化克百威衍生物的结构，通过计算得到相关性最高的关于预测pK_a的线性方程，其中NBO-N14电荷值与pK_a值的線性方程的R²值最大（R²=0.976），即相关性最好，从而起到预测克百威其他衍生物的pK_a的作用。

2）采用 NMR方法分别计算得到19种克百威衍生物的核磁共振图，用 Origin 8.5 制作C谱图和H谱图，并对谱图中的特征峰进行指认和归属，这为拓展至研究其他的克百威衍生物的光谱预测以及构效关系提供了有力的借鉴。

3）通过红外光谱（IR）、拉曼光谱 （Raman）、前线轨道、核磁共振谱图（¹H-NMR，¹³C-NMR）和荧光和磷光发射，对FND及部分衍生物进行模拟预测和描述，并指认了谱图中的特征峰，这对制药专业学生学习FND衍生物检测提供基础性参考数据。

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