密度泛函理论研究奈韦拉平结构，芳香性和电荷性质

郭雅晶，薛乃涛，李秀燕

(1. 太原师范学院物理系，晋中 030619； 2. 太原理工大学物理与光电工程学院，太原 030024)

1 引 言

奈韦拉平作为一种核苷类抗病毒药物，特别是用作抑制药物，在人体免疫缺陷病毒(HIV)中占有重要地位[1,2]. 一些临床试验证明，奈韦拉平是相当多的HIV蛋白酶的基础抑制剂[3,4]. 一些分析表明奈韦拉平可能对这些病毒载量高或CD4计数低的患者有效[5,6]. 为此，Govindaswamy研究组从实验角度分析了奈韦拉平上的IR、UV、量子力学和核磁共振(NMR)性质以及药理性质[7]. Govindaswamy研究组侧重于奈韦拉平的药理性质，并且未对该物质的芳香性进行研究，基于奈韦拉平分子的特殊性，也为了进一步了解奈韦拉平的微观物理性质和化学性质，因此从团簇水平了解奈韦拉平的结构性质是非常必要的. 所以，文中通过应用理论计算方法研究了该分子的几何结构、芳香性和电荷性质. 据研究所知，奈韦拉平的芳香性尚未得到研究. 下文计算结果表明，该分子的所有环均具有共轭效应.

2 计算细节

所有理论计算都是在奔腾(R)/2.70GHz个人计算机上，使用Gaussian 09软件包[8]分别在B3LYP/6-31g和HF/6-31g基组水平上运用密度泛函理论(DFT)和Hartree-Fock方法进行的. 通过使用B3LYP/6-31g和HF/6-31g基组水平上对奈韦拉平几何结构进行了优化. 为了证实奈韦拉平团簇结构的稳定性，还分析了振动频率. 谐波振动频率分析也在相同的理论水平上进行，以找出势能面上的最小值. 这里优化所得的分子具有零数量的虚频率(NIMAG=0). 基态分子的几何结构图像通过GAUSSVIEW 5.0[9,10]软件生成. 为了验证此处使用优化水平的有效性，在理论计算中，选取了与Govindaswamy研究组[7]所得键长和键角进行了对比，发现所得的计算值与Govindaswamy研究组所得的理论计算值相比更接近Govindaswamy研究组所得的实验值. 因此可得出，这些方法和基组水平适用于该分子体系. 随后，采用规范不变的原子轨道(GIAO)方法研究了奈韦拉平的芳香性，在优化后的基态奈韦拉平中，鬼原子(Bq)被分别放置在四个环的几何中心，用来计算核独立化学位移(NICS)值. NICS是一个分子芳香性标准，它是由施莱尔提出的[11,12]. NICS负值表征芳香性，NICS正值表征反芳香性，当NICS值趋于零时，表现为非芳香性. 最后，利用自然键轨道(NBO)方法研究了基态奈韦拉平的电荷性质.

3 结果和讨论

3.1 几何结构

图1给出的奈韦拉平原子几何结构，通过HF/6-31g和B3LYP/6-31g优化所得的奈韦拉平几何结构参数分别列于表1中. 计算得出的几何参数(键长和键角)接近于Govindaswamy所得的实验数据[7]. 从表1中可得出，与实验值相比，对于奈韦拉平的键长，使用B3LYP/6-31g计算所得结构参数优于HF/6-31g计算所得值；对于键角，优化所得相关系数不如计算所得键长完美，例如表1中C2-C1-H7、C4-C5-N6、C17-C16-N18、C16-C17-C24、H21-C20-C24的键角结果. 计算所得结果与实验值的一致性略有差异是因为程序优化是在计算机封闭隔离条件下进行的，没有X射线和外界电压环境的干扰.

图1 奈韦拉平几何结构Fig. 1 Structure of nevirapine.

表1 奈韦拉平的键长(Å)和键角(°)

3.2 稳定性

表2总结了奈韦拉平的基态参数，即点对称性、最低频率(cm-1)、结合能(eV)、平均结合能(eV)、温度(K)、压力(Atm)、零点能(eV)、HOMO能级(eV)、LUMO能级(eV)和能隙(eV). 能量间隙被定义为HOMO与LUMOM差值的绝对值[8]. 在整个计算过程中，优化环境温度为298.15 K，压力为1 Atm. 采用DFT和HF分别计算所得的最低频率都是正数，这意味着优化所得的几何结构位于势能面的局部最小值上，即该结构为基态结构. 结合能与平均结合能的均为负数，这进一步说明优化的奈韦拉平是稳定的基态结构. 表2中HOMO、LUMO和能隙的结果与Govindaswamy所得结果一致[7].

表2 奈韦拉平基态参数

3.3 芳香性

奈韦拉平的芳香性采用核独立化学位移值(NICS)衡量，并且通过GIAO-B3LYP/6-31g和GIAO-HF/6-31g方法在基态的基础上进行测量. 在奈韦拉平分子上设置四个参考点，每个参考位置分别放置一个鬼原子(Bq)，并计算相应的NICS值. 对于表3，NICS(0.00 nm)位于奈韦拉平各环的几何中心，NICS(0.05 nm)、NICS(0.10 nm)、NICS(0.15 nm)分别位于几何中心垂直距离0.05 nm、0.10 nm、0.15 nm处. 结合图1和表3，可以得出结论，环1、环3、环4具有芳香性，环2具有反芳香性，这表明四个环均为共轭体系，但是环1、环3和环4较稳定，环2能量大大提高力学稳定性较差易发生跃迁. 对于奈韦拉平，芳香性强度按环4>环3>环1的顺序依次降低；另外，环1、环2和环3在NICS(0.05 nm)处芳香性和反芳香性最强.

3.4 自然键轨道

使用NBO方法分析基态奈韦拉平的电荷性质. 表4分别列出了使用HF和DFT理论从自然键轨道(NBO)计算得到的自然电子构型值和从自然总体分析(NPA)计算得到的自然原子电荷值. 由表4可看出，O15上的2s轨道所得到的电荷比2p轨道失去的电荷多，因此导致O15上呈现负电荷. N6、N13、N18、N31的2s、2p和3p轨道都从碳原子C1、C5、C10—C12、C16的2s、2p和3p轨道上获得电荷，这导致N6、N13、N18、N31呈负电性、C1、C5、C10—C12、C16呈正电性. 此外，所有氢原子上的电荷分布基本没有差异. 从表4和上述分析中可以得出，氮原子和碳原子形成sp2杂化，氧原子形成sp杂化.

表3 奈韦拉平基态下的核独立化学位移值NICS(ppm)

表4 奈韦拉平的自然键轨道和电荷

4 结 论

分别基于密度泛函理论(DFT)和Hartree-Fock方法，结合B3LYP/6-31g和HF/6-31基组水平研究了奈韦拉平分子的基态结构性质(例如：基态结构几何参数、结合能、能隙、芳香性、电荷性质等). 结果表明，C1点群对称性是基态奈韦拉平的几何结构. 对于奈韦拉平，环1、环3、环4具有芳香性，环2具有反芳香性；四个环均为共轭体系，但是环1、环3和环4较稳定，环2能量大大提高力学稳定性较差易发生跃迁；芳香性强度按环4>环3>环1的顺序依次降低. 氮原子和碳原子形成sp2杂化，氧原子形成sp杂化.