甲卡西酮光谱性质的密度泛函模拟与指认

徐鹏宇，苏婉芬，钟爱国

（浙江省台州学院医药化工学院，浙江 台州316000）

甲卡西酮（又名“浴盐”，C10H13NO）是近年来出现的对人体有相当危害的新型毒品，属于国家管制的第一类精神类药物[1]。吸食甲卡西酮可引起幻觉、鼻出血、鼻灼伤、恶心、呕吐和血液循环问题，出现皮疹、焦虑、偏执狂、痉挛和妄想。其他副作用还包括注意力差，短期记忆不足，心率增加，心跳异常，抑郁，出汗增加，瞳孔散大，无法正常的打开嘴巴和磨牙。英国国家成瘾中心调查资料显示，在甲卡西酮使用者中，51%自述头疼，43%出现心悸，27%出现恶心，15%有寒冷或手指发绀症状。甲卡西酮于1928年首次合成[2]；1982年在列宁格勒市首次发现甲卡西酮；1989年，美国密歇根州出现滥用的现象；三年后的1992年，威斯康辛州也出现此类现象；2007年，法国警方也在毒品中发现甲卡西酮；2010年，该毒品在英国和爱尔兰已至少造成37人死亡；2005年，中国国家药品食品监督管理局将甲卡西酮规定为 I类精神药品管理，2005版和2007版《麻醉药品和精神药品品种目录》中甲卡西酮均被列入其中，不论生产还是销售都受到严格管制的。据文献报道[3-5]，分析甲卡西酮较常用的方法是气质联用方法，该方法既可以分析体外甲卡西酮，也可以分析尿中甲卡西酮。此外，也有报道使用HPLC方法测定血液中甲卡西酮和毛发中甲卡西酮[6]。文献中还报道了使用红外光谱、气相色谱、紫外光谱、 H核磁和C核磁等分析甲卡西酮的方法[7]。较新型的技术是使用 CD-modified毛细管区带电泳技术分离甲卡西酮与结构类似物伪麻黄碱[8,9]。由于毒物分析结果常作为法庭评判依据，所以对分析结果的评定需全面的图谱数据作为支撑材料。本文采用密度泛函理论方法, 对甲卡西酮的分子光谱如紫外-可见吸收，红外吸收，拉曼吸收，核磁共振吸收以及荧光发射光谱等进行了理论模拟和指认，取得了与实验相吻合的结果[10]。

1 计算方法

对甲卡西酮分子（R-C10H13NO）采用DFT理论的B3LYP方法在 6-311+G(d,p)基组水平上, 进行了优化计算（图1）。在优化得到的稳定构型基础上，采用频率分析法，结果表明所有简谐振动频率全部为正值，表明其计算结果是可信的。本项目的全部计算工作通过Gaussian 09W程序包在PC机上完成。

2 结果与讨论

2.1 紫外吸收光谱

采用TD DFT/B3LYP/6-311+G(d,p)方法，理论模拟显示,甲卡西酮分子在149.5 nm (弱吸收)，203.5 nm (极弱吸收)和225.9 nm (强吸收)处显示了紫外吸收峰（图2）。第一个弱吸收峰可归属于电子从最高占据轨道(HOMO)跃迁到最低空轨道(LUMO)，第二个极弱吸收峰可归属于电子从次高占据轨道(HOMO-1)跃迁到最低空轨道(LUMO)。第三个强吸收峰则可归属于电子从第二高占据轨道(HOMO-2)跃迁到最低空轨道(LUMO)。这与其分子标准UV-Vis图谱显示甲卡西酮分子在225.0 nm处有较强的紫外吸收峰相吻合[6]。

图1 甲卡西酮(R-C10H13NO)分子结构和原子编号Fig.1 C10H13NO molecular structure and atomic number

图2 模拟甲卡西酮分子的紫外吸收光谱Fig.2 Simulation UV absorption spectrum of methcathinone

2.2 电子园二色吸收光谱

采用量子化学密度泛函理论在B3LYP/6-311++G**水平上对甲卡西酮分子几何构型进行优化;在优化的基础上进行电子圆二色谱模拟（图 3）。 计算结果表明，甲醇溶液中的理论ECD谱, 227 nm处存在正性康登效应, 这是由侧链芳香基团的电子跃迁引起，与实验值符合较好[7];同时,理论计算还预测标题化合物在150 nm以及201 nm处存在负性康登效应，200 nm以下的远紫外光谱区，圆二色性主要由肽键的电子跃迁引起。

2.3 红外吸收光谱

物质的红外吸收光谱是其分子骨架结构的反映，谱图中的大多数吸收峰可与分子中各基团的简谐振动形式相对应。采用密度泛函理论方法DFT/B 3LYP/6-311+G(d,p)模拟显示, “浴盐”分子在430 cm-1(弱，顺式构型)，680 cm-1(强，反式构型)，1 3 70 cm-1(弱，甲基的 C-H 对称弯曲振动)，1 593 c m-1(强，苯环的C-H面外变形振动吸收峰)，3 192 cm-1(中强，N-H 伸缩振动)，3 452 cm-1(弱，C-H基的伸缩振动)等处分别显示了红外吸收峰，这些峰与甲卡西酮分子的实验IR图谱在440.50 cm-1, 698.4 cm-1, 1 328.7 cm-1, 1570.7 cm-1, 2 933.4 cm-1和3 500.8 cm-1有吸收野基本吻合[5,7]（图4）。

图3 模拟甲卡西酮分子的ECD吸收光谱Fig.3 Simulation ECD absorption spectrum of methcathinone

图4 模拟甲卡西酮分子的IR图谱Fig.4 Simulation IR spectrum of methcathinone

2.4 拉曼吸收光谱

拉曼效应起源于分子振动与转动, 因此从拉曼光谱中可以得到与红外分子振动互补的信息。采用密度泛函理论 DFT/B3LYP方法，在 6-311+G(d,p)基组水平上进行了分子构型优化和频率分析，得到6个特征峰。对6个特征峰的分子振动模式进行了详细的归属指认。甲卡西酮由异丙基和甲胺构成的支链，取代了苯环上的一个氢原子，形成单取代苯类化合物。图5是模拟的甲基苯丙胺分子的拉曼散射谱特征峰，主要位于3 451 cm-1(CH3和CH2对称、反对称谱线), 3 192 cm-1(单取代苯有五个C-H 伸缩振动)和1 380 cm-1(CH3和CH2基变形形式的倍频或合频), 1 592 cm-1(面内 C-H 变形衍生的苯环的振动)以及691 cm-1(内环变形), 441 cm-1(三角形环呼吸振动)范围内。对比实验拉曼光谱和理论拉曼光谱，它们的吸收峰基本吻合[7]。

图5 模拟甲基苯丙胺分子的拉曼图谱Fig.5 Simulation Raman spectra of methcathinone

2.5 核磁共振光谱

理论模拟了甲卡西酮分子的氢核磁共振谱（1H NMR，见图6所示），其苯环上5个氢(弱，7.34 ~7.89×10-6),主链 CH2(中，4.30×10-6); 支链 CH3(中,1.32×10-6); 胺基上的 CH3(强，2.47×10-6)；胺基氢(中，2.0×10-6)。这些吸收峰较好地与其实验值吻合起来[8]，也进一步验证了模拟计算的可行性。

图6 模拟甲卡西酮分子的核磁共振氢谱Fig.6 Simulation 1HNMR of methcathinone

2.6 荧光发射光谱

用TD DFT/B3LYP 6-31+G//CIS HF/6-31+G方法，对甲卡西酮的分子荧光进行了理论模拟, 发现化合物在155.0 nm处的紫外光激励下，能产生出弱的荧光发射强度，理论峰值位于235.0 nm(图7，实验值为 260 nm)[4], 量子化学模拟计算发现，该分子的发光属于苯环到氨基电子之间的π-π* 跃迁所为。

2.7 反应活性

原子的自然电荷是研究分子的化学活性点位及确定活性区域的亲核或亲电特性强弱的有效方法。表1的数据显示，甲基碳(C3，-0.702 e)最负，其次为胺基氮(N11)电荷(-0.679 e)，; 电荷最正的是羰基上的C原子(C1, 0.516 e)。Fukin函数图8也表明，胺基N原子和甲基C原子，很可能是其发挥药理和药理活性的亲核反应中心，而羰基C可能是亲电中心。

图7 模拟甲卡西酮分子的荧光吸收Fig.7 Simulation FL of methcathinone

表1 甲卡西酮分子的自然原子电荷值Table 1 Molecular natural charges of methcathinone

图8 甲卡西酮分子的福井函数图Fig.8 Simulation Fukin function of methcathinone

3 结 论

对甲卡西酮分子采用密度泛函理论和方法，在6-311+G(d,p)基组水平上进行了优化计算。对其分子光谱(UV-Vis谱，ECD谱，IR, 拉曼光谱,11HNMR 以及荧光光谱等)进行了理论模拟和指认，取得了与实验数据基本吻合的结果。自然原子电荷（NBO）计算表明，胺基N和与其相连的C原子很可能是其发挥药理活性的亲电和亲核反应中心。Fukin函数图也支持以上结论。本文采用理论模拟光谱峰及其指认将为甲卡西酮的物证分析与检测提供有益的帮助。

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