（无机化学专业论文）拉曼光谱在复合纳米粒子和生物活性分子研究中的应用.pdf

摘要 拉曼散射是光散射现象的一种，是光照射到物质上发生非弹性散射，散射光波长 不同于激发光波长的一种现象，又称为拉曼效应。拉曼光谱分析技术是以拉曼效应 为基础建立起来的分子结构表征技术，其信号来源于分子的振动和转动。拉曼光谱技 术能够提供快速、简单、可重复且无损伤的分析，它无需样品制备，样品可直接通过光 纤探头或者通过玻璃和石英测量，因此广泛应用于有机化学、无机化学、生物化学、催 化、表面化学、分子结构、矿物学和半导体材料等研究领域。 本论文中的主要工作分为以下三个部分： 1 通过微乳液法制备了银二氧化硅复合结构纳米粒子，并以荧光染料异硫氰酸 罗丹明b 和抗癌药物5 一氟尿嘧啶为拉曼标记分子，将它们分别包覆在复合纳 米粒子中，制备出表而增强拉曼散射标记物。用红外光谱、拉曼光谱以及透 射电j f 显微镜对其进行了表征。结果表明，二氧化硅的包覆，能够减少染料 分子的荧光干扰，并导致抗癌药物在金属表面的吸附状态发生了改变。 2 测定了抗菌药物加替沙星的红外及拉曼光谱，运用g a u s s i a n0 3 量子化学程 序包，采用密度泛函理论的b 3 l y p 方法和从头算理论的h f 方法对其几何 结构进行优化并计算了它的振动光谱。结果表明，实验测量值与理论计算值 具有高度的一致性，冈此理论计算的结果可以很好地对化合物振动波数的归 属进行辅助。 3 合成了六种具有生物活性的二氯嘧啶类约物，以拉曼光谱为辅助表征手段证 实了农药的结构，并用密度泛函理论的b 3 l y p 方法对其几何结构和振动光 谱进行了量子化学计算。结果表明，拉曼光谱能够反映一个系列中小同化合 物在结构上的异同，并再次证实了理论计算结果的可靠性。 关键词：拉曼光谱：复合纳米粒子；5 氟尿嘧啶；加替沙星：生物活性；量子化学 计算 a b s t r a c t r a m a ns c a t t e r i n gi so n eo ft h el i g h ts c a t t e r i n gp h e n o m e n o n s w h e nab e a mo fl i g h t i r r a d i a t e sa tas u b s t a n c ea n di n d u c e si n e l a s t i cs c a t t e r i n g ，t h ew a v e l e n g t ho fs c a t t e r e dl i g h ti s d i f f e r e n tf r o mt h a to fe x c i t i n gl i g h t ，t h a ti sr a m a ne f f e c t r a m a ns p e c t r o s c o p yi sat e c h n i q u e b a s eo nt h er a m a ne f f e c tt oc h a r a c t e r i z et h es t r u c t u r eo fm o l e c u l e s ，t h es i g n a lo fw h i c h d e r i v e sf r o mv i b r a t i o na n dr o t a t i o no fm o l e c u l e s r a m a ns p e c t r o s c o p yc a na f f o r dq u i c k ， s i m p l e ，r e p e a t a b l ea n dl o s s l e s sa n a l y s i s i tn e e d sn os a m p l ep r e p a r a t i o n ，a n ds a m p l ec a nb e d e t e c t e dd i r e c t l yt h r o u g hf i b e rp r o b eo rg l a s sa n dq u a r t z t h e r e f o r e ，i th a sb e e nw i d e l yu s e di n t h ei n v e s t i g a t i o no fo r g a n i cc h e m i s t r y , i n o r g a n i cc h e m i s t r y , b i o c h e m i s t r y , c a t a l y s i s ，s u r f a c e c h e m i s t r y , m o l e c u l a rs t r u c t u r e ，m i n e r a l o g ya n ds e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l t h em a i na c h i e v e m e n to f t h i st h e s i si st o t a l l yd e v i d e di n t ot h r e ep a r t s ： a g s i 0 2n a n o - c o m p o s i t ep a r t i c l e sw e r ep r e p a r e db ym i c r o - e m u l s i o nm e t h o da n d f l u o r e s c e n c ed y er b i t ca sw e l la sa n t i c a n c e rd r u g5 - f uw e r ee m p l o y e da s r a m a nl a b e lm o l e c u l et ob ee m b e d d e di nt h en a n o - c o m p o s i tp a t i c l e st os e r v ea s t h es e r st a g c h a r a t e r i z e dt h en a n o p a r t i c l e sw i t hi r ，r a m a ns p e c t r aa n dt e m t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h ec o a t i n go fs i 0 2c o u l dd e c r e a s et h ef l u o r e s c e n c e d i s t u r b a n c eo fd y em o l e c u l ea n dc h a n g et h ea d s o r p t i o ns t a t eo fa n t i c a n c e rd r u g o nt h em e t a ls u r f a c e 2 i ra n dr a m a ns p e c t r ao fa n t i b a c t e r i a lg a t i f l o x a c i nw e r ed e t e r m i n e da n di t s g e o m e t r yw a so p t i m i z e da sw e l l a st h ev i b r a t i o n a ls p e c t r aw a sc a l c u l a t e db y d f t b 3 l y pa n da b i n i t i o h fm e t h o d su s i n gg a u s s i a n 0 3q u a n t u mc h e m i s t r y p r o g r a m m e t h er e s u l t s h o w e dt h a tt h ee x p e r i m e n t a lv a l u e sw e r ei ng o o d a g r e e m e n tw i t ht h ec a l c u l a t e do n e s s ot h er e s u l to ft h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nc a n h e l pu sa s s i g nt h ew a v e n u m b e r so fc o m p o u n d se x a c t l y 3 s i xb i o a c t i v ed i h y d r o p y r i m i d i n eb a s e dd r u g sw e r es y n t h e s i z e da n dt h e i rr a m a n s p e c t r aw e r ed e t e r m i n e dt oh e l pw i t ht h ec h a r a c t e r i z a t i o no ft h es t r u c t u r eo f p e s t i c i d e sw h i l eq u a n t u mc h e m i c a lc a l c u l a t i o nb y d f t b 3 l y pm e t h o dw a s i n t r o d u c e dt o o p t i m i z e t h e i rg e o m e t r ya n dc a l c u l a t et h e f r e q u e n c yo ft h e v i b r a t i o n t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a tr a m a ns p e c t r ac o u l dr e f l e c tt h es i m i l a r i t i e s a n dd i f f e r e n c e so fas e r i e so fc o m p o u n d sa n di tv e r i f i e da g a i nt h er e l i a b i l i t yo f t h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n k e y w o r d s ：r a m a ns p e c t r a ；n a n o c o m p o s i t ep a r t i c l e s ；5 - f u ；g a t i f l o x a c i n ；b i o a c t i v e ； q u a n t u mc h e m i c a lc a l c u l a t i o n 湖北大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特另t l d l ：l 以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 论文作者签名： 日期：年月日 学位论文使用授权说明 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印 刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以允许采用影印、缩印、数字 化或其它复制手段保存学位论文；在不以赢利为目的的前提下，学校可以公开学位 论文的部分或全部内容。( 保密论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 指导教师签名： 日期： 日期： 第章绪论 第一章绪论 1 1 拉曼光谱技术概述 1 1 1 拉曼光谱的发现和发展 1 9 2 8 年印度科学家拉曼( c v r a m a n ) 在研究苯的光散射时发现，在散射光中除了 有与入射光频率相同的谱线外，还有与入射光频率发生位移( 频率增加或减少) 且强度 极弱的谱线。前者是已知的瑞利散射光，称为瑞利效应。而后者是新发现的，后来以发 现者拉曼的名字将其命名为拉曼散射光，称为拉曼散射效应，拉曼也因在光散射领域作 出的杰出工作而获得了1 9 3 0 年度的诺贝尔物理学奖金。几乎在同时，前苏联物理学家 g s l a n d s b e r g 和l 1 m a n d e l e s t a m 在研究石英的光散射时也发现了相同的效应，而法国 的学者r o c a r d 和c a b a n u e s 则是在研究气体的光散射时也观察到了这种效应。拉曼效应 的发现并非偶然。2 0 世纪2 0 年代，光散射的量子理论蓬勃发展，斯迈克尔、海森伯格、 薛定谔和狄拉克等著名物理学家在1 9 2 3 1 9 2 7 年间根据量子力学理论就先后预言过单色 光被物质散射时可能有频率改变的散射光，即随后不久被拉曼等人在实验过程中发现的 拉曼效应。 每个分子所产生的拉曼谱带的数目多少、位移大小、谱带强度和形状等都直接与分 子的振动和转动相关联，所以拉曼光谱属于分子的振动和转动光谱，通常称为分子光谱。 由于分子光谱跟分j 厂结构有关，所以研究分j 厂的拉曼光谱町以得到有关分j f 结构的信 息。凶此，拉曼效应被发现后的十余年问，拉曼光谱在分子结构和分析化学研究中发挥 了巨大的作用。 但在随后的几十年内，由于拉曼散射光强度很弱，激发光源( 汞弧灯) 的能量低，曝 光时问长达数小时到数十天，样品用量大，只限于测试无色液体样品，以及荧光干扰大 等困难，它在相当长一段时问里未能真正成为一种有实际应用价值的t 具。直到使用单 色性好、能量集中、功率高的激光作为激发光源以及傅靠叶变换技术的出现，拉曼光谱 检测灵敏度才大大提高，其应用范罔也在不断地扩大。目前，拉曼光谱己广泛应用于材 料、化工、石油、高分子、生物、环保、地质等领域1 。 1 1 2 拉曼光谱的基本原理 光与物质相互作用的现象早己为人们所了解， 例如瑞利敞射使大气层辇现蔚蓝色 湖北大学硕上学位论文 的天空、丁铎尔现象、颗粒的米氏散射等，这些都是弹性散射，即入射光频率与散射光 频率相等的光散射作用。而在探究物质的微观结构研究中，更有用的是分子转动振动、 晶格振动及各类激发元参与的非弹性散射。拉曼散射就是能反映分子转动振动的非弹性 散射。所谓光的非弹性散射现象是指散射光频率对于入射光频率有所偏离的辐射。当一 束光入射到分子上时，除了与入射光频率相同的散射光以外，还有频率分量为c o o a ：c o k 的 散射光，0 ) o 为入射光频率，c o k 是与分子振动或转动相关的频率。这种光散射现象就称为 拉曼散射。在激发线低频一侧的谱线为斯托克斯线( s t o k e s ) ，也叫红伴线。在激发线 高频一侧的线为反斯托克斯线( a n t i s t o k e s ) ，也叫紫伴线。激发线处的散射谱线则称为 瑞利线。 斯托克斯线或反斯托克斯线与入射光频率之差称为拉曼位移。拉曼位移的大小和分 子的跃迁能级差一样。因此，对应于同一分子能级，斯托克斯线和反斯托克斯线的拉曼 位移应该相等，而且跃迁频率也应该相等。但在正常情况下，由于分了大多数是处于基 态，测量到的斯托克斯线强度比反斯托克斯线强得多，所以在一般拉曼光谱分析中，都 采用斯托克斯线研究拉曼位移。拉曼位移的大小与入射光的频率无关，只与分子的能级 结构有关，其范围为2 5 4 0 0 0c m ，因此，入射光的能量应大于分子振动跃迁所需能量， 小于电子能级跃迁的能量。 1 1 3 拉曼光谱与红外光谱的比较 红外光谱是四大波谱( 坌1 ：外、紫外、核磁和质谱) 之一，拉曼光谱与红外光谱一样，属 分子振动光谱范畴，只是研究分子问作用力的类型1 i 同。红外光谱的产生是由于吸收光 的能量，引起分子中偶极矩改变的振动；拉曼光谱的产生是由丁单色光照射后产牛光的 综合散射效应，引起分子中极化率改变的振动。所以，红外光潜是吸收光谱，拉曼光谱 是散射光谱，它们虽然同属于研究分子振动转动的谱学方法，但侧罩= 点不同。与红外光 谱相比，拉曼光谱有以下独特的优点【2 ，3 】： ( 1 ) 对待测物进行拉曼散射测量时，待测物彳i 需要制样就可以测量出分子的骨架； ( 2 ) 水对。丁拉曼光谱来说是良好的溶剂，而对红外光谱来说则是较差的溶剂； ( 3 ) 拉曼光谱使用的器件和样t 冒i i 也材料可以是玻璃或石英制成的，而红外光谱测量则需 要用盐材料； ( 4 ) 拉曼光谱使用的激光光源使：l e 相当容易探测到微量样品，如表面、薄膜、粉末、溶 液、气体和其它类型的丰羊品； 第一章绪论 ( 5 ) 拉曼光谱仪中所用的传感器都是标准的紫外、可见光器件，检测响应非常快，所以 拉曼光谱法可用于快速检测，并可用于跟踪快速反应的动力学过程； ( 6 ) 单独一台拉曼光谱仪就可覆盖整个振动频率范围，而在用傅立叶红外光谱仪进行测 量时，为了覆盖整个范围就必须改变检测器或用光束劈裂器，用传统的红外光谱仪 测量必须使用两台以上仪器才能覆盖这一区域； ( 7 ) 因为谐波和合频带都不是非常强，所以拉曼光谱一般都比红外光谱简单，重叠带很少见； ( 8 ) 偏振测量给拉曼光谱所得信息增加了一个额外的因素，这对谱带的认定和结构测定有很 大帮助。 就分析测试而言，红外和拉曼光谱在研究分子结构及振动光谱时可以相互补充，是不可 缺少的两种测试手段。拉曼光谱技术和红外光谱技术梢配合使用，可以更加伞面地研究分子 的振动状态，提供更多分子结构方而的信息。 1 2 拉曼光谱新技术 随着拉曼光谱分析方法的飞速发展，又相继出现了一些新的拉曼光谱技术以及拉曼 光谱与其它技术的联用，如共振拉曼光谱，傅立叶变换拉曼光谱和表面增强拉曼光谱等。 1 2 1 共振拉曼光谱 在正常拉曼光谱实验中，使用的激发线波长远离化合物的电子吸收光谱带。当改变 激发线的波长并使之接近或落在化合物的电子吸收光谱带内时，某些拉曼谱带的强度将 大大增强，这种现象叫做共振拉曼效应( r e s o n a n c er a m a ne f f e c t ) ，它是电子态跃迁和 振动态相耦合作用的结果。通常共振拉曼光谱强度较之正常拉曼光谱能增强几个数量 级。 共振拉曼光谱有以下特点： ( 1 ) 基频的强度可以达到瑞利线的强度； ( 2 ) 泛频和合频的强度有时大于或等于基频的强度： ( 3 ) 通过改变激发频率，使之仅与样品中某一种物质发生共振，从而选择性的研究某 一种物质； ( 4 ) 和普通拉曼相比，其散射时间短，一般为1 0 。2 1 0 一s 。 在共振拉曼光谱巾，只是由生色吲或与生色团相连接基团的振动被有选择地增强， 而与此无关的振动o tj j b 被增强。所以被共振拉曼效应增强的谱；蒂数目一般要小于正常挣 曼光谱的潜带数目。i 大j 此，从共振拉曼光谱可以得到有关生色基团的结构信息。由共振 3 湖北大学硕上学位论文 拉曼光谱可以得到正常拉曼光谱中失去的、可能是更重要的分子结构信息。生物化学研 究表明，很多生物样品的活性部位往往接近于生色基团，所以在研究生物物质的结构与 功能的关系时，共振拉曼光谱有其独特的优势。 例如共振拉曼效应用来激发乳腺肿瘤细胞中不同核苷的电子念。共振拉曼光谱随着 波长变化很大，通过改变激光的波长，核苷可以根据光谱互相分离。但是共振拉曼光谱 固有的灵敏度会干扰大量d n a 的分析，因为j 有一种核苷是在一贯给定的辐射波长下激 发的。 细菌和病毒的分子动力学在生物医学领域很受关注。这是因为它们既是生化体系相 对简单的模型义与其它活的有机体直接反应。病毒、细菌和细菌孢子的多乓振拉曼光谱很 强，因其在u v 中有强的电子吸收。紫外共振拉曼光谱最主要的优点是在波长小于2 7 0 n m 处蛋白荧光很少。在激发波长1 9 0 2 5 0 n m 之间获得了细菌和病毒的无荧光的共振拉曼光 谱。c h a d h a 等1 4 】用激发所研究的牛色团增强分析其它现有的目标分j f 的信号来证明共振 拉曼效应的灵敏度。嘌呤、嘧啶和蛋白质芳香基团残基通过将激光波长分别改变至1 j 2 4 2 ， 2 5 l ，2 3 1 n m 可以被选择性激发。 许多研究者用共振拉曼光谱法研究了光合作用细菌。细菌是它们植物对应物的极好 的模型，用来研究光收集效率。在体监测完整细菌与入射光子的反应来研究细菌叶绿素 a 分子。也研究了细菌1 绿素分子中金属离子的取代。细菌叶绿素a 中的镁离子被锌、 镍、钻和刑离子所取代。观察到多e 振拉曼光谱中，托生高至4 0 c m 。1 的位移。这被认为是分 子核尺寸中小位移的结果【5 1 。t u m a 等6 1 研究了病毒的共振拉曼光谱来探讨寄主有机体中 的复制机理。 w e n 等7 1 片j 氩离子激光器双频输出消除病毒中蛋白质和核酸谱峰的光谱重叠。他们 计算的截面显示出受激光波长的强烈影响。用内标n a 2 s 0 4 ，核酸。口j 以定量。d n a 荩础单 元中强的拉曼峰可以通过切换氚离子激光器的输出波长相互辨别= f 米。 1 2 2 傅立叶变换拉曼光谱 傅立叶变换拉曼( f t r a m a n ) 光谱在消除荧光方面具有显著的优越性。它以激发 波长为10 6 4 n m 的近红外激光为激发光源，能晕低，分子的荧光不被激发，基本，i ：避免了 拉曼光谱图中的荧光：f 二扰。并且引进了傅立叶变换红外光谱仪中常j l h 的傅立叶变换技 术，具有分辨率高，波数精度高和重现性好的优点，可进行光谱减法等光谱数据的处理。 傅立叶变换拉曼光谱已应用r 丁传统拉曼涉及的所有领域并获得巨人发展，在无机、高分 4 第章绪论 子、有机、生物及医学方面得到广泛应用。 例如f t 拉曼光谱法在分析指甲和牙齿方面的应用。由氦氖和二极管激光器产生低 功率的激光，对减少光热降解效应尤为重要。过去在光谱的红光和绿光区域的激光被用 作激发光源，但先要光淬灭试样3 0 分钟来减少荧光。冗长的光淬灭时间在快速、常规临 床分析中是无法接受的。f t 拉曼光谱法用n d ：y a g 激光器以1 0 6 4 n m 波长激光作激发光 源较好地解决了这一问题，可以在无需对样品进行光淬灭的条件下得到光谱。b y r n e t 8 】等 分析了牙齿的光谱，崩显微镜激发和搜集光谱。牙齿的截面通过化学函数成像，并使牙 质和牙釉质的有机和无机部分的分布可视化了。w o o d 等【9 】为测量胶黏剂在牙齿中的扩散 而用f t 拉曼光谱技术对牙胶黏剂进行了研究。 1 2 3 表面增强拉曼光谱 一般的拉曼光谱，即测晕散射光子与入射光子的频率差a v ，通常称之为拉曼位移， 其对应的能量即分子的振动能。入射光的光子约有百万分之一会被样品分子散射，其中 大部分的散射光均为瑞利散射，而拉曼散射仪约瑞利散射强度的干分之一，因此拉曼 散射的强度是非常微弱的。表面增强拉曼散射( s u r f a c e e n h a n c e dr a m a ns c a t t e r i n g ， s e r s ) 现象的发现恰好克服了常规拉曼光谱法灵敏度低的缺点。下面我们对表面增强拉 曼光谱作了较为详细的介绍。 1 3 表面增强拉曼光谱概述 1 9 7 4 年，m f l e i s c h m a n n 发现吸附在粗糙的银电极上的吡啶分子能产牛很强的拉曼 散射。表面增强拉曼散射效应是指当+ 些分子被吸附到某些金属表面或溶胶中时，它们 的拉曼散射强度会增加，信号强度一般比普通拉曼强几个数量级。表面增强拉曼光谱技 术具有高分辨率、可淬灭荧光、稳定性好的特点，能够检测到吸附在金属表面的单分子 和亚单分子层的分子，能够给出表而分子的结构信息，被认为是一种很好的表面研究技 术。与普通挣曼技术相比较，表面增强拉曼散射效应能够体现出其无法表现的谱带。且 由于s e r s 是一种表面效应，可提供真实吸附于或靠近于金属表面分子的结构信息，故 可用于界面与表面吸附分子的排列取向及结构研究，因而很快引起轰动。 1 3 1 表面增强拉曼光谱的优缺点 表面增强拉曼光潜具有以下主要优点： ( 1 ) 金属表面吸附了分子后，形成类似于配合物中的金属一吸附物的电荷转移过程。 因此可以通过分析吸附物的s e r s 图谱研究吸附物分子； 5 湖北大学硕上学位论文 ( 2 ) 对金属表面第一、二层吸附分子的散射增强作用具有专一性， 本体信号干扰不再是一个严重的问题； ( 3 ) 在拉曼光谱中键的相对强度与吸附物在基体表面的取向有关， 吸附物在基体表面的取向； 几千埃厚的膜的 可以用此来判定 ( 4 ) 基底与分子问的能量转移，使得很容易获取检测灵敏度和精度都高的谱图。 但表而增强拉曼光谱也有一定的局限性【l o - 1 3 1 ： ( 1 ) 对于单层膜的腐蚀和钝化的研究，因为腐蚀过程本身造成了金属表面的粗糙，增 加了背景吸收，其检测灵敏度还有待提高： ( 2 ) 对基体的要求苛刻：阻抗很大的d 区元素，p t 、n i 、r h 、p d 的氧化物和一些非金 属表面，s e r s 信号弱： ( 3 ) 因为吸附物分子在金属表面彳i 同的地方有不同的电荷传递增强，粗糙度不同的金 属表面有不同的场增强，所以s e r s 的峰强度不能用于表面的定量分析； ( 4 ) 激光会造成样品的结构和组成的改变，例如使得含水的表面膜层失水。 1 3 2 表面增强拉曼光谱的增强机理 自1 9 7 4 年s e r s 的发现，经过研究t 作者的不懈努力，多方面的实验反复论证，配 合若t 理论研究，人们对s e r s 机制进行了不断的探索，获得如下兆谚 【1 4 l ： ( 1 ) 能产生s e r s 效应的金属中以银的增强效果最佳，所以最为常用； ( 2 ) 表面增强效应只有当化合物分子吸附在特定形态的金属表面( 微粒、粗糙表面或 刁 ：16 5 0 2 - 16 513 【9 】f r i s c hm j e ta l ，g a u s s i a n 0 3 ，r e v i s i o nc 0 2 ，g a u s s i a ni n c ，w a l l i n g f o r d ，c t , 2 0 0 4 【10 】j k l a b a b o w s k i ，j a n d z e l m ，d e n s i t yf u n c t i o n a lm e t h o d si nc h e m i s t r y m s p r i n g e r , v e r l a g ，n e wy o r k ，19 9 1 4 5 湖北大学硕士学位论文 第四章二氢嘧啶类药物的拉曼光谱研究 引言 含氮杂环化合物具有独特的生物和生理活性，一直以米都是人们研究的热点。吡啶、 噻唑和嘧啶等含氮杂环化合物都具有广泛的生物活性。 吡啶在有机合成中是一个常见并且十分重要的杂环，南吡啶取代苯环而得到的新化 合物往往具有更高的生物活性、更低的毒性、更高的内吸活性或更高的选择性。正因为 吡啶环在农药分子中的独特效应，人们对含有吡啶杂环的化合物的研究与日剧增，大量 的专利和文献报道其在农药和医药的广泛应用。许多含吡啶环的农药己经开发出来并商 品化。 噻哗类化合物因具有不同的生物活性，如杀虫、杀菌、除草、植物生长调：符、抗病 毒等，从而引起人们对这类化合物的，“泛兴趣并进行了深入研究。因为噻唑杂环具有对 人体低毒的特点和优良的生物活性，冈此成为绿色农药研究的一个热点。 二氢嘧啶类化合物是目前研究的最多的一类钙离子通道抑制剂l ，它代表了一类具 有明显药理活性的杂环体系。在过去的十年里，发现了二氢嘧啶酮类化合物有着很广泛 的生物活性，包括抗病毒、抗肿瘤、抗菌，以及抗炎症等2 3 】。朱小飞等4 1 根据活性亚 结构的拼接原理，将_ 氯血氯甲基吡啶和王氯血氯甲基噻唑引入_ 氢嘧啶类化合物中， 设计合成新的化合物，并测试了其生物活性，证实其具有杀虫和杀菌活性。 密度泛函理论( d f t ) 与从头算( a bi n i t i o ) 方法相比，是更好的研究有机化学体系 的方法f 卯，并且可以用来研究人分子6 1 。有研究表明，用d f t 的b 3 l y p 方法对具有生物 活性的农药的几何构型和振动频率进行理论研究，能够对农药的这些性质进行预测，实 验结果和理论计算可以较好地互市兀支撑【7 1 0 本章合成了六种吡啶噻唑取代的二氢嘧啶类化合物，测定了它们的拉曼光谱。用密 度泛函理论的b 3 l y p 方法对这一系列二氢嘧啶类药物进行了理论研究，探讨了物质的红 外振动和拉曼振动频率归属，并与有关实验数据相比较，以印证理论计算结果的可靠性。 4 1 实验部分 4 1 1 合成路线 将二氯j “氯甲基吡啶和二氯j 氯甲基噻唑引入二氢嘧啶类化合物中，共合成了入个 4 6 第四章_ 氢嘧啶类药物的拉曼光谱研究 化合物，合成路线如下【8 】： r ，c h o + 邺从吼+ 州儿s 呲彳t m s c i n a l 叫。 坠 -02h50k2c03dmf h r l _ 2 ，4 二氯甲基苯基、3 , 4 二氯二甲荩苯基、4 甲氧基苯基 r 2 = 二氯五氯l f j 基吡啶基、二氯五氯甲基噻唑基 4 1 2 实验步骤 向1 0 0m l 圆底烧瓶中加入相应的苯甲醛衍生物、乙酰丙酮各1 0m m o l ，硫脲 1 2 m m o l 、碘化钠8 m m o l 和新制的无水乙腈3 0 m l ，常温搅拌几分钟后，再往瓶中加入 8 m m 0 1 2 三甲基氯硅烷，继续搅拌。瓶中立即有黄色【+ l 体生成，反应在6 0 m i n 内完成( t l c 监测) ，此时瓶中充满了大量的黄色固体。停止反应，过滤水洗，甲醇重结晶得纯品二 氢嘧啶硫酮。 在5 0 m l 圆底烧瓶中，加入2 m m o l - - 氢嘧啶硫酮、2 0 m l 无水乙腈和l2 m m o l 碳酸钾。 常温搅拌，再往反应瓶中加入4 m m o l z 氯五氯甲基毗啶氯五氯甲基噻唑。加毕，继续 室温搅拌至反应完全( t l c 监测) 。过滤，保留滤液，减压蒸出溶剂。残液通过快速柱 层析( 洗脱剂为乙酸乙酯：石油醚= 3 ：4v v ) 分离得黄色同体即为目标化合物。 4 2 结果与讨论 经比较，合成的化合物其核磁共振氢谱与文献【4 1 所述基本一致，证明产物为目标化 合物。用拉曼光谱测定了药物的振动谱峰，进一步证实了药物的结构，并用理论计算的 方法辅助进行谱峰的归属。 量子化学理论计算在p e n t i u mi vp c 机上用g a u s s i a n0 3 w 程序包完成，波数归属 1 g a u s s v i e w 程序比较直观地辅助进行。用密度泛函理论的b 3 l y p 方法，选用标准的 6 3 1 g * 基组【1 2 。3 1 对吡啶和噻唑取代的二氢嘧啶类药物的儿何构型进行优化，同时在 b 3 l y p 6 3 1 g 幸水平下计算其振动波数。由于d f t 理论计算通常会高出实际的振动波数， 这些偏差可以通过引入适当的校止因子进行校正。因此，我们b 3 l y p 6 3 l g 幸水平下引 a o 9 6 14 进行校i t ! 1 1 4 - 1 6 1 。 4 7 湖北大学硕士学位论文 将三种吡啶取代的二氢嘧啶类药物分别以a l 、b l 、c 1 表示，将三种嘧啶取代的二氢 嘧啶类药物分别以a 2 、b 2 、c 2 表示。 42 1 化合物a l 的拉曼光谱及其计算结果讨论 用d f t 的b 3 l y p 方法，选用标准的6 3 1 g * 基组对台成的六种吡啶，噻畦取代的二氢嘧 啶类药物进行了非对称限制的几何结构优化和计算。毗啶取代的二氢嘧啶类药物a l 的结 构示意图和优化结构如图4 - 1 所示： 图4 1 毗啶取代的药物a l 的分子结构式和优化结构示意图 图4 2 对a l 的实测拉曼光谱和计算的红外及拉曼光谱进行了比较： m h r ( 口l 图4 - 2 吡啶取代的药物a 1 的( a ) 未经校正所得计算i r 同( b ) 未经校正所得计算r a m a n 图和( c ) 实测r a m a n 光谱图 药物a l 的实验拉曼光谱图通过理论计算的结果进行了很好的归属。训算波数在 b 3 l y p 6 3 1 0 t 水平下引入校正因子09 6 1 4 。将讲算得到的强度、波数和引入校正因子后 的值以及实验结果及其对应的归属列十表4 - 2 。 第四章_ 氢啼啶类药物的拉曼光谱研究 表4 1 吡啶取代的药物a 1 的振动光谱对应的计算及实验波数( c m 一) 归属 v ( c - h ) p y r i n g v a s ( - c h 3 ) v s ( 一c h 3 ) v ( c h e - n ) v ( c = o ) vs k eo f p y r i n g v ( c = n ) 6 ( c h 2 - o 、 6 ( c h 2 - n 1 6 ( c h 2 - s 1 ( c h ) ( c h 2 一o ) c o ( c h 2 一n ) vs k eo f b e n zr i n g vs k eo f p y r i n g + p ( c - h ) ( o ( c h 2 一s ) vs k eo f b e n zr i n g p ( c - h ) b e n z r i n g 3 1 8 8 3 1 3 6 3 0 7 4 3 0 5 7 1 7 5 5 1 6 4 6 l5 5 4 l5 2 7 l5 0 0 1 4 9 8 1 3 8 8 1 3 7 6 1 3 2 3 1 3 10 3 0 6 4 9 4 3 3 0 1 4 9 5 2 9 5 5 3 4 4 2 9 3 9 16 8 7 2 5 7 15 8 2 4 6 4 1 4 9 4 0 1 6 l4 6 8 0 5 8 1 4 4 2 1 1 4 4 0 1 7 7 13 3 4 4 2 3 l3 2 2 8 8 6 1 2 7 1 9 3 2 12 5 9 4 3 4 1 3 0 5 12 5 4 6 2 7 1 2 9 0 1 2 1 2 1 1 7 0 l2 4 0 2 0 6 11 6 5 2 1 7 1 1 2 4 8 3 8 7 5 l l 1 1 2 8 4 5 9 5 4 2 3 1 6 7 1o 6 0 4 2 3 2 3 6 1 0 9 5 0 2 9 6 8 6 l 1 8 8 1 2 9 1 4 9 1 4 7 3 2 7 1 9 5 2 4 l l 1 0 8 10 2 9 1 4 4 1 8 2 3 v ( c c 1 ) 11 2 41 0 8 0 6 1 41 2 8 4 4 b r e a t h i n g v i b r a t i o no fl0 4 0 9 9 9 8 5 62 4 p yr i n g 4 9 3 0 7 2 2 9 3 0 1 6 8 2 1 6 1 3 1 5 1 5 1 4 2 l 1 3 3 7 1 1 6 8 1 1 0 5 湖北大学硕士学位论文 篮- 岫h ) 。6 9州s 9 6 s，s，2 9 ( c = o ) + ( c h ) v ( c s ) 0 3 ( c h ) vs k eo f b c n zr i n g ( c - h ) ( c h ) ( c = c ) b e n zr i n g p ( c h 1 ( c - n ) n n g 7 5 7 7 2 3 6 7 8 6 6 7 6 1 5 5 5 7 3 0 4 2 1 4 7 2 7 j 7 9 8 6 9 5 0 9 2 2 6 5 18 2 9 2 6 4 l2 5 8 3 5 9 l2 6 l 2 4 8 7 4 7 2 3 4 1 3 4 1 1 6 5 3 - - 5 7 8 5 3 54 9 9 843 2 9 22 6 5 6232 9 0 2 0 57 3 9 62l - - ( c - m 1 1 21 0 7 6 7 6 8 211 0 4 用d f t 的b 3 l y p 方法，选用标准的6 - 3 i g * 基组对药物a 1 的几何结构进行了优化。 在b 3 l y p 6 3 i g * 水平下计算了a l 的振动波数。引入校正因子后计算数据与实验结果吻 合较好。 4 2 2 化合物b 1 的拉曼光谱及其计算结果讨论 吡啶取代的二氢暗啶类药物b 1 的结构示意图和优化结构如同4 0 所示： j j 一 一弼。 j 争 图4 3 吡啶取代的药物b l 的分子结构式和优化结构示意图 图4 _ 4 对b 1 的实测拉曼光谱和计算的红外及拉曼光谱进行了比较： 第四亭二氢嘧啶类药物的拉曼光谱研究 3 5 0 03 0 0 02 5 0 0 2 0 1 5 1 o 5 0 0 w a v e n u m b e r ( c m 4 ) 图4 - 4 吡啶取代的药物b 1 的( a ) 未经校正所得计算i r 图( b ) 未经校正所得计算 r a m a n 图和( c ) 实测r a m a n 光谱图 药物b 1 的实验拉曼光谱图通过理论计算的结果进行了很好的归属。计算波数在 b 3 l y p 6 3 1 g * 水平卜引入校正因子0 9 6 1 4 。将计算得到的强度、波数和引入校止冈子后 的值以及实验结果及其对应的归属列于表4 2 。 表4 2 吡啶取代的药物b 1 的振动光谱对应的计算及实验波数( c m 。1 ) 归属 v ( c h ) b e n z r i n g v a s ( c - h ) p y r i n g v ( c - h ) p yr i n g v a s ( - c h 2 ) v a s ( 一c h 3 ) v a s ( ch 2 - n ) v ( c h ) r i n g v ( c h 2 - 0 1 v s ( 一c h 3 ) v ( c h 2 一n 、 3 2 3 03 1 0 5 3 2 243 7 3 2 l8 3 1 7 6 3 1 6 7 31 3 2 3l3 0 3 0 9 3 3 0 7 6 3 0 7 1 3 0 5 6 3 0 9 3 7 8 5 3 0 5 3 4 0 6 3 0 4 4 7 5 4 3 0 11 1 0 5 3 0 0 9 18 2 2 9 7 3 6 1 2 9 57 2 6 6 2 9 5 2 4 5 9 2 9 3 8 0 3 8 5 l 3 8 7 4 5 0 1 3 0 6 2 4 5 8 3 1 6 7 i2 9 3 0 5 7 2 9 3 5 侉 坦猫 5 7 掩 湖北大学硕上学位论文 v ( c = o ) vs k eo f p y r i n g 1 7 3 7 1 6 4 5 l6 6 9 9 5 2 1 5 8 1 5 0 3 1 8 5 2 9 l 2 0 7 “嵩京 1 6 3 81 5 7 4 7 7 31 1 51 2 5 vs k eo f p y r i n g + p ( c h ) p y r i n g 8 ( c h 2 一o ) 6 ( c h 2 一n 1 6 ( c h t ) 6 ( c h 2 - s ) f o ( 一c 2 h 5 ) 1 6 1 4 15 4 8 15 0 6 1 5 0 2 1 4 9 8 1 4 5 0 1 5 5 1 7 l4 8 8 2 4 7 l4 4 7 8 6 8 l4 4 4 0 2 3 1 4 4 0 1 7 7 1 3 9 4 0 3 2 2 3 2 4 8 7 3 7 2 1 2 3 1 6 18 5 2 2 1 3 5 3 8 1 6 7 3 1 6 0 9 1 5 0 9 1 4 4 3 1 4 1 6 r i n g p + ( c ( 0 - h ( ) c p y h ) l4 2 413 6 9 0 3 43 32l3 6 9 0 3 ( c h 2 - n ) 1 4 0 11 3 4 6 9 2 13 81 3 4 3 r i 蒜：盛， m 。 1 2 6 9 0 4 8 35啪4 vs k eo f b e n z r i n g c o ( c h 2 - o ) 0 3 ( c h 2 - s ) 1 3 15 1 3 0 5 1 2 8 6 1 2 6 4 2 4 l l2 5 4 6 2 7 1 2 3 6 3 6 r i n g p ( + c t - ( h c ) h p 2 y s ) l2 4 2119 4 0 5 9 2 9 1 7 2 6 1 0 1 2 6 8 3 311 9 9 ，：跺譬为 911 7 1 9 4 75 23 3 p ( c h ) p yr i n g t ( c h 2 - s 1 ll5 9 1 1 4 4 1 114 2 6 3 l0 9 9 8 4 2 5 2 4 7 7 6 l7 8 1 10 7 第四章二氢嘧啶类药物的拉曼光谱研究 嶙高 m -1 0 8 7 3 4 35 4 v ( c c 1 ) + ( c h ) + p ( c - h ) ( c h ) b r e a t h i n g v i b r a t i o no fp y r i n g ( c - h ) p y r i n g 1 1 2 81 0 8 4 4 5 98 62 4 1 0 6 71 0 2 5 8 1 4421 0 2 6 1 0 4 21 0 0 1 7 7 9 2 91 0 0 3 8 6 08 2 6 8 0 43 728 3 3 ( c h )7 9 77 6 6 2 3 5 83 587 7 5 ：算然亏7 9 3 7 6 2 3 9 0 2t 4 ( c j h ) p y7 6 77 3 7 3 9 3 8 r i n g ( c h ) vs k eo f b e n z r i n g ( c h ) ( c - h ) p y r i