多巴胺構象結構和性質的密度泛函理論研究

黃旭慧，孫曉玲，蔡躍飄，王朝杰

（溫州醫學院 藥學院，浙江 溫州 325035）

藥物分子的藥理活性與其分子構型或構象結構有著十分密切的關系[1-2]。研究藥物分子電子結構以及藥物分子各種構象性質，可定量地分析藥物結構-活性關系，為藥物分子與生物體相互作用提供理論依據[3]。

多巴胺（dopamine，DA），化學名為鄰苯二酚乙胺，系統名稱為4-（2-乙胺基）苯-1，2-二酚。它是一種中樞神經系統的重要神經遞質，主要參與運動、情感和神經內分泌的調節[4]，臨床研究報道較多。曹磊等[5]觀察到小劑量多巴胺聯合前列地爾能有效延緩腎功能不全進展。楊麗娟等[6]發現硫酸鎂聯合多巴胺對新生兒低氧低血性腦病（HIE）患兒有腦保護作用，同時減少了單用硫酸鎂的不良反應。多巴胺的檢測和結構性質研究引起許多學者的興趣[7-10]。吳瑩等[11]用半微分循環伏安法（SCV）對多巴胺在酶催化下與二茂鐵[Fe（C5H5）2]在水/硝基苯（W/NB）界面發生電子傳遞的行為進行了研究，得到了良好的半微分極譜峰。Solmajer等[12]在pH為2～11.5范圍內研究了DA構象的平衡性，結果發現在高pH值時，反式異構體更穩定，然而在低pH值時其他構象優于反式異構體。李志鋒等[13]應用密度泛函理論（DFT），自然鍵軌道理論（NBO）及分子中的原子理論（AIM），對DA的構象穩定性及其相互轉換的勢能面進行了報道。Urban等[14]用AM1-SM1模型[15]對中性及電離的DA分子進行了理論計算，表明了溶劑效應對構象穩定性有重要影響。

DA在不同溶劑中的構象變化及對應性質方面的理論研究報道甚少，本工作基于密度泛函理論在量子化學計算上的優點[16-17]，采用雜化密度泛函方法B3LYP對DA的不同構象進行結構全優化，獲得最穩定結構DA1，詳細計算分析了DA1在不同溶劑中構象變化引起的性質變化狀況。

1 計算方法

本研究運用B3LYP方法[18-20]在6-311++G（2 d，p）基組水平上對氣相中DA系列初始結構進行全優化和振動分析，得到11種穩定結構，其中能量最低是DA1。以DA1中二面角φ（C4-C9-C10-N11）為變量，5°旋轉為步長，詳細考察了0°～360°范圍內構象變化引起的DA1幾何結構、電子結構、能量學及振動光譜，并用TD-B3LYP計算了紫外-可見光譜（UV-Vis）性質，采用OPBE/6-311++G（2 d，p）//B3LYP/6-311++G（2 d，p）計算二面角φ變化引起的1H、13C-NMR數據[21]，對各φ點對應構象結構運用概念密度泛函理論（C-DFT）進行了反應性分析。不同溶劑將對DA1的構象變化產生不同影響，在相同計算水平上采用極化連續模型（PCM）計算了DA1構象異構體在油相環己烷和水相中的上述性質變化。

有關C-DFT簡述如下，Parr等[22]定義了化學勢μ，化學硬度η，電負性χ，親電子反應指數ω，按照化學勢和化學硬度，ω=。根據Mulliken[23]的近似假設，μ=-χ=-（I+A），η=I-A。按照Koopmans理論假設[24]，I≈-EHOMO，A≈-ELUMO，從而計算上述各量。所有計算均在Dell精密工作站上用G03程序包[25-28]完成的。

2 結果和討論

2.1 多巴胺構象計算

2.1.1 幾何結構：圖1繪出了B3LYP/6-311++G（2 d，p）水平上氣相中DA的11種不同穩定結構，這11種結構可繞相應C1-O7[二面角φ1：H15-O7-C1-C6]、C2-O8[二面角φ2：H16-O8-C2-C3]和C9-C10[二面角φ：C4-C9-C10-N11]單鍵旋轉而相互轉化，二面角φ1，φ2和φ的旋轉是引起構象變化的主要原因。按照相對能量高低及苯環上兩個羥基H的空間取向依次編號為DA1～DA7、DA1'、DA3'～DA5'，分子中原子標示如結構DA1，在圖中標明了不同結構中的O-H和N-H鍵長，以及分子內氫鍵O…H-O、N…H-C有關數值，單位為（1=10-10m）。

從圖1可見，DA1～DA6中均能形成O…H-O型分子內氫鍵，由于分子內氫鍵的存在，在構象中均能形成一個五元環，該環與苯環處在同一平面上，容易形成大的p-π-p共軛體系。在DA4和DA5中，由于N9上有孤對電子，構象中存在N…H-C型分子內氫鍵，DA4中形成一個扭曲的四元環，而DA5中形成了一個扭曲的六元環。雖然N…H-C型分子內氫鍵的存在，但同時N9的孤對電子（LP）與苯環的π電子對間的排斥作用增加，而DA6中雖無N…H-C型氫鍵的形成，但其兩個亞甲基-CH2-上的H原子與相鄰苯環上的H產生排斥作用，因而能量升高，穩定性更低，而DA7相對于DA1無分子內氫鍵。由于苯環上兩個羥基H的空間朝向不同也會引起結構穩定性的改變，我們用同樣的方法在相同基組上對DA1～DA7中H15相對于C1-C2為順式，H16相對于C2-C3為順式的所有結構進行了幾何全優化，結果只得到了 4 種穩定結構（DA1'、3'、4'和 5'）。

2.1.2 能量學分析：對于得到4種羥基氫朝向不同穩定結構（DA1'、3'、4'和5'），分析其電子能量和吉布斯自由能，結果表明苯環上兩個羥基H的空間朝向對構象的能量影響不大，DA1'與DA1兩者相對電子能量的差值為0.46 kJ·mol-1，相對吉布斯自由能的差值為0.94 kJ·mol-1，兩者相差數值很小，因此下文討論中將不考慮羥基H的空間朝向對構象轉化的影響，只分析7種穩定結構即DA1～DA7。

表1列出了DA1～DA7的能量學相關數據，其中電子能量E是在考慮了同水平B3LYP/6-311++G（2 d，p）下的零點振動能（ZPVE）校正后的數值（熵S除外），相對能Δ E可由下式定義：

圖1 B3LYP/6-311++G（2 d，p）水平上的DA穩定結構

表1中的熱力學函數相對值均可用上式計算。

表1 B3LYP/6-311++G（2 d，p）計算DA1～DA7的相對熱力學參數值（單位：kJ·mol-1）

表1給出了1atm和298.15 K下的氣相中7種DA穩定結構的相對電子能量Δ E，相對內能Δ Δ U，相對焓Δ ΔH，相對熵Δ ΔS和相對吉布斯自由能Δ ΔG。DA1～DA4的相對能差各項值較小，穩定性相近。考慮了焓和熵的吉布斯自由能差Δ ΔG，則預示DA1在常溫存在的概率最大。DA1與DA2和DA3相比，主要是由于DA1分子中-NH2空間排列，其中φ=180°達到了一種反式垂直的結構，結果電子能量降低，結構更加穩定，而DA2和DA3在結構上僅是-NH2在空間上的取向不同，其他結構參數都非常接近。DA4和DA5中二面角C4-C7-C8-N9僅相差10°，但能量差值卻相差較大，主要是由于DA4中有π…H-N型氫鍵作用，而DA5中存在π…LP的排斥作用。DA6和DA7的能量差值都較大，尤其是DA7，與其他6種穩定結構相比，由于分子中沒有形成分子內氫鍵，而其他結構參數與DA1也接近。同時表1列出了DA1～DA7的HOMO-LUMO前線分子軌道能級差Δ ε，Δ ε的數值變化范圍在5.44～5.30 eV之間，隨著不同結構的相對吉布斯自由能逐漸升高而呈相反變化，但彼此數值相近。

2.1.3 振動光譜：在對DA進行系列結構優化的基礎上，用同樣的方法和基組對DA1～DA7進行振動光譜和相對強度的計算，對七種穩定結構的特征峰進行分析，在3 483～3 491、1 465～1 560、1 657～1 662和3 027～3 050 cm-1范圍內各有四個很強的伸縮振動峰，根據簡正振動分析，它們分別對應O7-H15，苯環上C1-C2，C1-O7和C6-H14的伸縮振動。實驗報道的數據[29]分別為νO7-H15=3368、νC1-C2=1498、νC1-O7=1614、νC6-H14=2 498 cm-1。利用文獻報道的在該方法和基組下的振動頻率校正因子為0.9692[30]，對各計算值經校正后相對應的四個強峰波數范圍是3 376～3 384、1 420～1 512、1 606～1 611和2 934～2 956 cm-1，各計算值與實驗值的絕對誤差在0～16 cm-1范圍之內，與實驗數值吻合很好。

2.2 DA1的構象變化和性質研究 首先在氣相中，以二面角φ（C4-C9-C10-N11）為變量，每5°旋轉為步長，在B3LYP/6-311++G（2 d，p）水平上計算0°～360°范圍內DA1構象變化異構體的幾何參數、能量學參數，用TD-B3LYP/6-311++G（2 d，p）計算UV-Vis光譜，基于文獻[21]報道用OPBE/6-311++G（2 d，p）計算各構象異構體的1H和13C-NMR譜。其次運用PCM對DA1的各異構體在油相環己烷和水相中進行同樣研究。下文將從溶劑效應對DA1構象變化的能量學、極性和反應性的影響，構象變化的UV-Vis光譜和NMR譜進行分析。

2.2.1 溶劑效應：圖2以水相中最穩定構象即φ=180°的電子能量為基準，計算了DA1在氣相（gas phase，g）、油相環己烷（cyclohexane phase，c）和水相（water phase，w）不同環境中DA1各種典型構象的相對電子能量Δ E ，并標出了0°～360°范圍內曲線對應的部分極大值和極小值結構圖。圖上各駐點結構數據表明，構象變化隨溶劑極性而改變，DA1不同構象中原子間的鍵長和鍵角都稍有變化。隨著溶劑極性增大，相同駐點DA1中O-H、N-H和CN間的鍵長逐漸增大，∠HOC也隨之增大。

圖2中也標示了不同范圍內DA1不同構象間在三相中的構象轉化的能壘值E（g，w，c）：當0°≤φ≤60°時，DA1構象轉化的能壘隨著介質的極性增加而增加，E1g=19.27＜E1c=19.50＜E1w=20.43 kJ·mol-1；而從60°＜φ≤120°時，轉動能壘則呈相反變化E2g=15.17＞E2c=14.62＞E2w=13.12 J·mol-1；當120°＜φ≤180°時，E3g=15.67＜E3c=16.07＜E3w=16.22 kJ·mol-1。在氣相中，DA1構象變化能閾為19.87 kJ·mol-1，在油相環己烷和水相中分別升高了1.08和3.66 kJ·mol-1。在0°～60°范圍內，水的溶劑化效應使各個構象能量差距擴大，而在60°～120°范圍內，則剛好相反。與氣態條件相比，水相和油相環己烷的溶劑化效應對DA1的構象穩定性產生了不同程度的影響，較相應的氣相具有更低的能量。同時圖2表明，水和環己烷的溶劑化效應增加了DA1轉換過程中的能壘，使構象轉換在溶液中一般較真空中難。

為進一步分析0°～360°范圍內，DA1在三相中不同構象間的相對電子能與φ之間的關系，用origin軟件對其進行三角函數擬合，得到的擬合函數方程如下：

圖2 B3LYP/6-311++G（2 d，p）水平上DA1在三相中的相對能量

圖3 B3LYP/6-311++G（2 d，p）水平上DA1構象在三相中的偶極矩

圖4 B3LYP/6-311++G（2 d，p）水平上DA1構象在三相中的親電指數ω

對DA1構象在三相中變化引起的偶極矩改變進行了計算分析，從圖3可以看出，在油相環己烷及水相中，溶劑化效應通過誘導作用使不同構象的偶極矩增加，且極性較強的溶劑水對DA1的影響大于環己烷。由于DA1本身是極性分子，其氣相真空中最穩定構象的μ=2.78D，在極性較小的油相環己烷介質中其偶極矩平均增加約0.43D，在極性強的水中增加達到1.30D，而水相與油相相比平均增加了0.87D，從而使DA1在水相中較在環己烷中具有更大的溶劑化效應，進一步說明在水相中構象具有更低的能量。

圖4繪出了不同構象DA1分子在三相中的親電反應指數ω隨二面角φ變化情況，從縱向分析可知，DA1在氣相中ω取值范圍是0.036～0.038，在環己烷中的取值范圍是0.032～0.034，在水中的取值范圍是0.031～0.033，每相中的差值都是0.002，但變化規律不全相同，且三相中ω值都沒有混交，即ωwater＜ωcyclohexane＜ωgas。由于N上的孤對電子不僅能形成分子內氫鍵，N-H鍵也可與極性大的水分子形成分子間氫鍵，同時酚羥基還可形成氫鍵，因而在極性溶劑中削弱了DA1的親電性，在水環境中降低了其親電反應活性，因此DA1在水中的構象最穩定。從橫向分析可知，在150°≤φ≤210°時，三相中DA1的ω值都最小，此時DA1的親電性最弱。

圖5 TD-B3LYP/6-311++G（2 d，p）水平上DA1的振子強度f

2.2.2 DA1不同構象的UV-Vis光譜：用B3LYP方法對三相中DA1分子的UV-Vis光譜電子躍遷主要軌道、最大吸收波長和振子強度f進行了計算，結果表明水相中的振子強度高于油相環己烷和氣相的，尤其是0°≤φ≤60°時，f的數值在0.11以上，氣相中f數值在0.05～0.07范圍之內，油相環己烷中則在0.05～0.09范圍之內，兩相中的f數值均不超過0.10。由此可知，水對DA1的UV-Vis能夠產生顯著的影響，使f數值增大。

不同溶劑對DA1的UV-Vis的影響不同，圖5列出了三相中隨二面角φ變化的f值。從圖5可知，在同一相中，f隨φ有規律的變化，不同相中，f值的變化規律是不同的。從表2中可知，在氣相和環己烷中，當f數值最大時，λmax都在260 nm附近，而DA1的電子躍遷軌道發生了改變。在水相中，f數值在0.11以上，即0°≤φ≤60°時，λmax在210 nm附近，DA1的電子躍遷軌道發生了顯著的變化，不是簡單的HOMO→LUMO的躍遷，在60°＜φ≤180°時，DA1的電子躍遷類型又變成了簡單的HOMO→LUMO的躍遷，在180°～360°之間計算的結果是重復的，溶劑極性增加使UV-Vis光譜發生藍移。

2.2.31H、13C-NMR分析：在0°≤φ≤360°范圍內以每5°為步長進行旋轉，用OPBE/6-311++G（2 d，p）//B3LYP/6-311++G（2 d，p）水平對已結構優化好的穩定的DA1分子進行1H、13C-NMR的研究，由1H、13C-NMR譜圖可知，隨著φ的轉動，DA1中的H12、H17、H20、C4、C9、C10均發生明顯的變化。0°≤φ≤180°范圍內DA1在氣相及兩種溶劑中的相關1H、13C-NMR的化學位移計算值與實驗值[29]比較可知，隨著二面角的變化，上述關注的H和C原子的化學位移值在～0.7和～8 ppm內進行變化。

圖6 OPBE/6-311++G（2 d，p）//B3LYP/6-311++G（2 d，p）水平上DA1中H17的化學位移值

表2 DA1的UV-Vis計算值

不同溶劑對DA1中不同原子化學位移值的影響不同，圖6繪出了0°≤φ≤360°范圍內，DA1分子的不同構象在氣相及兩種溶劑中H17的化學位移變化值。從圖6可知，H17的化學位移值在三相中的變化均呈“w”形，在0°～100°范圍內，H17化學位移值逐漸減小，100°～180°范圍內逐漸增大，但變化值隨溶劑極性增加而逐漸降低，其他原子H20、H21、C4、C9、C10化學位移值呈類似狀況。

分析比較1H、13C-NMR的化學位移計算值與實驗測定值可知，當φ=0°時，所對應的C4、C9、C10在水相中的化學位移值與實驗值之間的絕對誤差Δ δ均最小。對三相中的1H、13C-NMR化學位移值與實驗值之間的平均相對誤差MRE進行計算，氣態條件下，H12、H17、H20、C4、C9和C10分別為0.023、0.196、0.111、0.021、0.277、0.157；環己烷中，C4和C9的MRE為最小和最大值；水相中，C4的計算數據與實驗值吻合最好。溶劑效應對1H-NMR的化學位移值產生顯著的影響。隨著溶劑極性的增大，1H-NMR的化學位移值增大，逐漸向低場移動，而13C-NMR的化學位移向高場移動。

3 結論

本研究采用雜化密度泛函方法B3LYP，在6-311++G（2 d，p）基組水平上對DA多種初始構象進行結構全優化，得到11種氣相穩定結構，其中能量最低的是DA1，結合實驗報道的振動光譜數據進行分析，證實了計算方法的可靠性。

對DA1進行了詳細計算研究，在0°≤φ≤360°范圍內，以5°旋轉為步長，對DA1的72種構象異構體在氣相、油相環己烷和水相中的構象變化和性質進行了計算。結果表明不同溶劑環境中，DA1構象轉變難易程度不同，在0°≤φ≤60°范圍內，隨著溶劑極性增加而轉動能壘升高，在60°≤φ≤180°范圍則呈相反變化。勢能變化曲線能用正弦函數較好擬合。溶劑極性增加，構象的極性μ也增加，而親電反應指數ω則逐漸降低。運用TD-B3LYP/6-311++G（2 d，p）計算不同環境中DA1構象變化時的UV-Vis光譜，0°≤φ≤60°范圍內的水相中吸收最大峰λmax在210 nm附近都不是HOMO與LUMO之間的電子躍遷，而氣相中最大吸收峰都是HOMO與LUMO+1電子躍遷為主。在OPBE/6-311++G（2 d，p）//B3LYP/6-311++G（2 d，p）水平上對DA1在三相中的1H、13CNMR進行研究，溶劑效應對1H、13C-NMR的化學位移值產生顯著的影響。隨著溶劑極性的增大，1H和13CNMR的化學位移值分別向低場和高場移動。

[1] Owens NW, Braun C, Oneil JD, et a1. Effects of glycosylation of (2S, 4R)-4-Hydroxyproline on the conformation, kinetics and thermodynamics of prolylamide isomerization[J]. J Am Chem Soc, 2007, 129(38):11670-11671

[2] Hamelberg D, Shen T, Mccammon JA. Phosphoryl-ation effects on cis/trans isomerization and the backbone conformation of serine-proline motifs: accelerated molecular dynamics analysis[J]. J Am Chem Soc, 2005, 127(6):1969-1974.

[3] 張殿增. 量子藥理學及其應用[J]. 自然雜志, 1988, 11(10):746-749, 769.

[4] Pine A, Shiner T, Seymour B, et a1. Dopamine, time and impulsivity in humans[J]. J Neurosci, 2010, 30(26):8888-8896.

[5] 曹磊, 羅紅. 小劑量多巴胺聯合前列地爾治療慢性腎功能不全臨床研究[J]. 淮海醫藥, 2012, 30(1):31-33.

[6] 楊麗娟, 楊曉春, 袁玉芳. 硫酸鎂聯合多巴胺治療新生兒缺氧缺血性腦病的臨床研究[J]. 徐州醫學院學報, 2010, 30(2):118-120.

[7] He PG, Yu YL, Fang YZ. Determination of neurotransmit-ter dopamine in the presence of ascorbic acid using lipoic acid coated electrochemically pretreated carbon fibre microelectrode[J]. Chinese J Anal Chem, 1996, 24(4):407-410.

[8] Xu JJ, Wang Y, Fang HQ, et al. Electrochemical behaviours and amperometric determination of dopamine at gold electrode modified by thionine covalenyly bound to selfassembled monolayers[J]. Chinese J Anal Chem, 1998, 26(4):428-430.

[9] Lin XQ, Lu LP, Jiang XH. Voltammetric behavior of dopamine at ct-DNA modified carbon fiber micro-electrode[J].Microchim Acta, 2003, 143(4):229-235.

[10]Hu C, Zhang Y, Bao G, et al. DNA functionalized singlewalled carbon nanotubes for electrochemical detection[J]. J Phys Chem B, 2005, 109(43):20072-20076.

[11] 吳瑩, 范瑞溪, 狄俊偉. 多巴胺在液/液界面上電子傳遞的電化學研究[J]. 分析化學, 1996, 24(8):873-876.

[12]Solmajer P, Kocjan D, Solmajer T. Conformational study of catecholamines in solution[J]. Z Naturforsch, C: Biosci, 1983,38(9-10):758-762.

[13] 李志鋒, 李會學, 唐慧安, 等. 多巴胺DA分子的構象異構及其一水復合物的結構與性質[J]. 原子與分子物理學報, 2010,27(2):226-232.

[14]Urban JJ, Cramer CJ, Famini GR. A computational study of solvent effects on the conformation of dopamine[J]. J Am Chem Soc, 1992, 114(21):8226-8231.

[15]Cramer CJ, Truhlar DG. General parameterized SCF model for free energies of solvation in aqueous[J]. J Am Chem Soc,1991, 113(22):8305-8311.

[16] 張榮, 羅三來, 鄭敦勝. 生物分子溶液中的弱相互作用研究進展[J]. 化學研究, 2008, 19(1):102-105.

[17] 李寶宗. 可樂定分子構象異構和互變異構的理論研究[J]. 化學學報, 2006, 64(4):278-282.

[18]Barone V, Bloino J, Biczysko M. Validation of the DFT/N07D computation model on the magnetic, vibrational and electronic properties of vinyl radical[J]. Phys Chem Chem Phys, 2010, 12:1092-1101.

[19]Lee C, Yang W, Parr RG. Development of the Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron density[J]. Phys Rev, 1988, 37(2):785-789.

[20] Stephens PJ, Devlin FJ, Chabalowski CF, et al. Ab initio calculation of vibrational absorption and circular dichroism spectra using density functional force field[J]. Phys Chem,1994, 98(45):11623-11627.

[21]Wu A, Zhang Y, Xu X, et al. Systematic studies on the computation of nuclear magnetic resonance shielding constants and chemical shifts: the density functional models[J].J Comput Chem, 2007, 28(15):2431-2442.

[22]Parrr G, Yang W. Density functional theory of atoms and molecules[M]. Oxford: Oxford University Press, 1989.

[23] Mulliken RS. A new electroaffinity scale together with data on valence states and on valence ionization potentials and electron affinities[J]. J Chem Phys, 1934, 2:782-793.

[24]Ayers PW, Parr RG, Pearson RG. Elucidating the hard/soft acid/base principle: A perspective based on half-reactions[J]. J Chem Phys, 2006, 124(19):194107-194108.

[25]Hohenberg P, Kohn W. Inhomogeneous electron gas[J]. Phys Rev, 1964, 136(3B):B864-B871.

[26]Kohn W, Sham LJ. Self-consistent equations including exchange and correlation effects[J]. Phys Rev, 1965, 140(4A):A1133-A1138.

[27]Pople JA, Gill PMW, Johnson BG. The performance of a family of density functional methods[J]. Chem Phys Lett,1992, 199:557.

[28]Becke AD. Density-functional thermochemistry. III. the role of exact exchange[J]. J Chem Phys, 1993, 98(7):5648.

[29]Sivakumar R, Divakar S. Enzymatic syntheses of dopamine glycosides[J]. Enzyme Microb Technol, 2009, 44(1):33-39.

[30]Merrick JP, Moran D, Radom L. An evaluation of harmonic vibrational frequency scale factors[J]. J Phys Chem A, 2007,111(45):11683-11700.