基于密度泛函理论对咖啡因和尼古丁在 CC4与 DMSO 溶剂中的量子物理分析：结构、光谱与光学性质洞察

为探究咖啡因和尼古丁在不同溶剂中的物理化学性质，研究人员运用密度泛函理论（DFT）等方法开展研究。结果表明，二者在不同溶剂中稳定性、光谱特征和非线性光学（NLO）性质等存在差异。该研究为相关领域提供理论依据。

　　在生活中，咖啡因和尼古丁十分常见。咖啡因存在于咖啡、茶等饮品中，能让人提神醒脑；尼古丁则主要存在于烟草里，对人体健康有诸多危害。然而，尽管它们与人们的生活紧密相关，但目前对于咖啡因和尼古丁在四氯化碳（CCl₄）和二甲基亚砜（DMSO）溶剂中的性质，在计算研究方面还不够深入。为了填补这一空白，来自尼泊尔圣 Xavier 学院、Rajarshi Janak 大学，以及印度、埃塞俄比亚等多所高校的研究人员，开展了一项基于密度泛函理论（DFT）的研究。这项研究成果发表在《Scientific Reports》上，为深入了解这两种物质的性质提供了重要依据。

研究人员在研究过程中，主要采用了高斯 09W 软件和 Multiwfn 3.8 软件包等技术手段。借助高斯 09W 软件，利用 6-311++G (d, p) 基组，结合 DFT 和 B3LYP、CAM-B3LYP 函数进行计算。同时，运用 Multiwfn 3.8 软件包来研究分子的拓扑性质。

在优化几何结构的研究中，研究人员通过高斯 09W 软件对咖啡因和尼古丁分子进行优化计算。结果发现，在不同相态下，二者的稳定性有所不同。在气相中，咖啡因分子的最低总能量为 - 18518.8 eV，尼古丁分子为 - 13581.43 eV。而且，在 CCl₄和 DMSO 溶剂中，咖啡因分子的最低能量均小于尼古丁分子，这表明咖啡因分子在这些环境中更稳定。从偶极矩来看，在不同溶剂中，咖啡因的偶极矩均高于尼古丁，说明咖啡因的极性更强。此外，对比 B3LYP 和 CAM-B3LYP 两种函数，发现分子在不同相态下，使用 CAM-B3LYP 函数时偶极矩更高（除咖啡因在 CCl₄溶剂中）。

在振动光谱分析方面，研究人员运用振动光谱研究咖啡因和尼古丁分子在 CCl₄和 DMSO 溶剂中的拉曼（Raman）和紫外 - 可见（UV-Vis）光谱。在拉曼光谱分析中，发现咖啡因分子在 600 - 1750 cm^-1（指纹区）有峰簇，最高峰在 3100 - 3250 cm^-1左右，主要由 C - H 伸缩振动引起；尼古丁分子指纹区在 900 - 1650 cm^-1，最高峰在 2900 - 3200 cm^-1左右，同样存在由 C - H 伸缩振动导致的峰。由于尼古丁分子结构更复杂，其拉曼光谱的高峰数量多于咖啡因分子。在 UV-Vis 吸收光谱研究中，使用 TD-DFT 方法得到吸收光谱。咖啡因分子在 CCl₄和 DMSO 溶剂中的最大波长（λ_max）均为 271.625 nm；尼古丁分子在 CCl₄溶剂中 λ_max为 258.994 nm，在 DMSO 溶剂中为 250.991 nm，处于电磁光谱的中紫外区域。二者在不同溶剂中的吸收情况存在差异，尼古丁分子在 CCl₄溶剂中的吸光能力更强。

关于非线性光学性质（NLO）的研究，研究人员计算了分子的偶极矩、极化率和超极化率。结果显示，由于 DMSO 溶剂的高极性，咖啡因和尼古丁分子在其中的偶极矩较高；在所有相态下，尼古丁分子的极化率均高于咖啡因分子，这意味着尼古丁分子的电子云更灵活，分子间相互作用更强；同时，尼古丁分子的一阶超极化率在所有相态下也大于咖啡因分子，表明尼古丁在 NLO 应用方面更具潜力。

在分子中的原子（AIM）分析中，研究人员利用 Multiwfn 3.8 软件获取分子的键临界点（BCPs）、临界点（CPs）和盆地间路径等信息。通过分析发现，咖啡因分子的临界点、键路径和盆地间路径比尼古丁分子更连续，且咖啡因分子的平面性更强。

利用非共价相互作用 - 约化密度梯度（NCI-RDG）分析，研究人员借助 Multiwfn 3.8 软件绘制 NCI-RDG 图，以此识别和可视化非共价键。从图中可以看出分子体系中的电子密度、范德华（VWD）相互作用、空间位阻效应、弱相互作用以及氢键区域。不同颜色区域代表不同的相互作用类型，蓝色区域（λ2 <0）表示氢键（弱键），红色区域（λ2> 0）表示强排斥相互作用，绿色区域（λ2 = 0）表示范德华相互作用。

研究人员还使用 Multiwfn 3.8 软件绘制电子定域函数（ELF）和局域轨道定位器（LOL）图。在咖啡因分子中，ELF 显示有四个 H 原子接近定域化，多数 C 原子为离域化；LOL 显示有三个 H 原子和一个 N 原子为定域化，其余 C 原子为离域化。尼古丁分子在 ELF 和 LOL 中均显示有两个 H 原子定域化，C 原子离域化。这些结果表明，咖啡因和尼古丁分子中的原子存在定域化和离域化区域，且 ELF 和 LOL 能体现孤对电子和共价键所在区域。

综上所述，该研究利用 6-311++G (d, p) 基组结合 B3LYP 和 CAM-B3LYP 方法，对咖啡因和尼古丁分子进行了全面表征。研究明确了二者在不同溶剂中的稳定性、极性、光谱特征以及非线性光学性质等差异，为相关领域的进一步研究提供了重要的理论基础，有助于深入理解咖啡因和尼古丁在不同环境中的行为，在药物研发、材料科学等领域具有潜在的应用价值，也为后续研究提供了新的思路和方向。