云南松松塔中planchol E的手性結(jié)構(gòu)與光譜的密度泛函研究

楊 穎，劉光明，雷 婷，莽朝永，2*

（1.大理學(xué)院藥學(xué)與化學(xué)學(xué)院，云南大理 671000；2.大理學(xué)院藥物研究所，云南大理 671000）

云南松松塔中planchol E的手性結(jié)構(gòu)與光譜的密度泛函研究

楊 穎1，劉光明1，雷 婷1，莽朝永1，2*

（1.大理學(xué)院藥學(xué)與化學(xué)學(xué)院，云南大理 671000；2.大理學(xué)院藥物研究所，云南大理 671000）

立體化學(xué)結(jié)構(gòu)與手性光譜關(guān)系研究，對(duì)手性化合物在手性材料和手性藥物等方面的應(yīng)用，是前期性的基礎(chǔ)工作。對(duì)一種分離自云南松松塔的手性苯酚類(lèi)化合物（planchol E），進(jìn)行了密度泛函理論計(jì)算研究。計(jì)算結(jié)果表明：測(cè)定的NRM譜主要體現(xiàn)了異構(gòu)體1的特征，而測(cè)定IR譜主要是異構(gòu)體2的。由于異構(gòu)體2有分子內(nèi)氫鍵，導(dǎo)致兩種異構(gòu)體的光譜差異很大。

planchol E；密度泛函方法；電子圓二色譜；振動(dòng)圓二色譜；氫鍵

在云南省西北部，云南松（Pinus yunnanensis）是一種重要的資源植物，其化學(xué)成分具有抗癌和抗HIV-1活性。近年來(lái)，從云南松中已分離出了多種化合物，包括萜類(lèi)、黃酮類(lèi)、木質(zhì)素類(lèi)和生物堿類(lèi)物質(zhì)〔1-2〕。我們從云南松松塔中分離到一種罕見(jiàn)的具有手性結(jié)構(gòu)的苯酚化合物〔3〕，命名為planchol E，分子骨架是剛性的，由一個(gè)苯酚環(huán)、一個(gè)含氧六元環(huán)、兩個(gè)含氧五元環(huán)融合而成。見(jiàn)圖1。實(shí)驗(yàn)上測(cè)定了該化合物的旋光度、核磁共振譜、紅外振動(dòng)光譜和紫外電子吸收光譜。

圖1 化合物1分子結(jié)構(gòu)：異構(gòu)體1（a）和異構(gòu)體2（b）

手性化合物的不同對(duì)映異構(gòu)體，不但具有不同的手性光譜，而且常會(huì)表現(xiàn)出不同的生物活性。手性分子的立體結(jié)構(gòu)與手性光譜的關(guān)系研究，對(duì)研究手性材料和開(kāi)發(fā)手性藥物，是一項(xiàng)前期性的基礎(chǔ)工作。在目前的工作中，我們采用密度泛函（DFT）方法，優(yōu)化了planchol E的分子結(jié)構(gòu)，并計(jì)算了核磁共振譜（NRM）、紫外電子吸收光譜（UV）和電子圓二色譜（ECD）、紅外振動(dòng)吸收光譜（IR）和振動(dòng)圓二色譜（VCD）。由于酚類(lèi)化合物含有活潑的羥基而具有抗氧化活性，對(duì)人體健康起到有益作用，是許多飲料如茶、葡萄酒和咖啡的主要成分，具有抗炎癥、抗病毒、抗變態(tài)、抗腫瘤等作用，對(duì)其分子結(jié)構(gòu)和光譜特征的深入研究，對(duì)這類(lèi)化合物在手性藥物方面的應(yīng)用具有重要意義。

1 計(jì)算方法

根據(jù)圖1，planchol E有兩種結(jié)構(gòu)，一種是沒(méi)有分子內(nèi)氫鍵的異構(gòu)體1，另外一種是具有分子內(nèi)氫鍵的異構(gòu)體2。采用DFT方法〔4〕和Becke三參數(shù)雜化函數(shù)B3LYP〔5-6〕，結(jié)合全電子擴(kuò)展基組6-31+G*和6-311++G**〔7-8〕，對(duì)兩種異構(gòu)體進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算工作是采用高級(jí)量子化學(xué)程序Guassian 09W〔9〕進(jìn)行的。首先，在B3LYP/6-31+G*水平上，優(yōu)化了planchol E的幾何構(gòu)型，并計(jì)算了諧性振動(dòng)頻率。由于發(fā)現(xiàn)沒(méi)有虛頻，表明所優(yōu)化的結(jié)構(gòu)，其能量已達(dá)到局域最小值。然后，在B3LYP/6-311++G**水平上，計(jì)算了H1NRM譜的化學(xué)位移。最后，采用含時(shí)密度泛函方法（TDDFT）〔10〕，在B3LYP/6-31+G* 理論水平上，求解前20個(gè)激發(fā)態(tài)。在求解過(guò)程中，電子旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度張量元由求得，其中為電偶極矩矢量為磁偶極矩矢量〔11〕。采用自編的小程序，擬合了具有洛倫茲線型特征的UV譜和ECD譜（20 nm半波寬），以及IR譜和VCD譜（30 cm-1半波寬，并采用0.962的頻率校正因子）。

2 結(jié)果與討論

2.1 分子結(jié)構(gòu)和核磁共振譜（NRM）優(yōu)化的分子結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，planchol E具有四個(gè)手性碳中心，為RRRR結(jié)構(gòu)。在圖1（a）中，異構(gòu)體1的兩個(gè)六元環(huán)基本上是共面的（二面角小于3°），含氧六元環(huán)與中間含氧五元環(huán)之間二面角CCCC為157°和OCCO為75°；兩個(gè)含氧五元環(huán)之間二面角CCCO為120°和OCCC為117°。分子骨架為扭曲的雙螺旋結(jié)構(gòu)。分子中間的C=O鍵為1.222 ?，C-OH中的C-O鍵為 1.353 ?，O-H 鍵為 0.971 ?。在圖 1（b）中，異構(gòu)體2有一個(gè)分子內(nèi)氫鍵，導(dǎo)致比異構(gòu)體1更大的扭曲，而且比異構(gòu)體1更穩(wěn)定（能量低了37.2 kJ/mol）。兩個(gè)六元環(huán)是共面的，二面角約為2°。含氧六元環(huán)與中間含氧五元環(huán)之間二面角CCCC為87°和OCCO為160°。兩個(gè)五元環(huán)之間二面角CCCO為96°和OCCC為138°。由于分子內(nèi)氫鍵，C=O鍵被拉長(zhǎng)了（1.241 ?），C-OH 中的 C-O 鍵縮短了 （1.340 ?），O-H 鍵拉長(zhǎng)了（0.994 ?），H…O氫鍵為1.720 ?。

計(jì)算的H1NRM譜見(jiàn)圖2。在圖2（a）中，由于異構(gòu)體1中沒(méi)有分子內(nèi)氫鍵，兩個(gè)OH上的H化學(xué)位移相近，分別為11.2和11.4 ppm。實(shí)驗(yàn)上〔3〕，在氘代二甲亞砜（DMSO-d6）溶液中，測(cè)定的化學(xué)位移數(shù)值分別為11.1和11.7 ppm。可見(jiàn)，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值相符。在圖2（b）中，異構(gòu)體2中的分子內(nèi)氫鍵，使參與氫鍵的OH中的H具有強(qiáng)烈的去屏蔽作用，計(jì)算化學(xué)位移為19.5 ppm。沒(méi)有參與分子內(nèi)氫鍵的OH中的H的化學(xué)位移計(jì)算值為11.1 ppm。

圖2 在B3LYP/6-311++G**水平上計(jì)算的核磁共振譜：異構(gòu)體 1（a）和異構(gòu)體 2（b）

作為一種氣相單分子近似，計(jì)算結(jié)果表明：在氣相中異構(gòu)體2比異構(gòu)體1穩(wěn)定。但是，由于溶劑效應(yīng)等因素影響，使實(shí)驗(yàn)測(cè)定的H1NRM譜與異構(gòu)體1的計(jì)算結(jié)果更接近。我們推測(cè)，在測(cè)定NRM譜的實(shí)驗(yàn)條件下，planchol E主要以異構(gòu)體1存在。

2.2 電子吸收光譜（UV）和電子圓二色譜（ECD）計(jì)算的UV譜、根據(jù)實(shí)驗(yàn)擬合的UV譜、計(jì)算的ECD譜（920 nm半波寬），見(jiàn)圖3。

圖3 計(jì)算的UV譜（a）、根據(jù)實(shí)驗(yàn)擬合的UV譜（b）、計(jì)算的ECD譜（c）（920 nm半波寬）

根據(jù)圖3（a），計(jì)算的電子吸收光譜有三個(gè)吸收峰。異構(gòu)體1的吸收波長(zhǎng)分別為302、264和209 nm。異構(gòu)體2的吸收波長(zhǎng)分別為330、274和207 nm。根據(jù)圖3（b）所示，在化合物1的甲醇溶液中〔3〕，測(cè)定的實(shí)驗(yàn)值分別為345、301和204 nm。雖然異構(gòu)體2的計(jì)算值更接近在甲醇溶液中的實(shí)驗(yàn)值，但僅憑這一點(diǎn)，我們?nèi)匀粺o(wú)法把實(shí)驗(yàn)中的光譜歸屬到哪一個(gè)異構(gòu)體。在甲醇溶液中，異構(gòu)體2更可能穩(wěn)定一些。在圖3（c）中，我們發(fā)現(xiàn)兩種異構(gòu)體的ECD譜差異很大：異構(gòu)體2在318 nm附近有強(qiáng)的正Cotton效應(yīng)，而異構(gòu)體2卻很弱在343 nm處有弱的正Cotton效應(yīng)；異構(gòu)體2在221 nm處有強(qiáng)的負(fù)Cotton效應(yīng)，而異構(gòu)體1在218 nm處有強(qiáng)的正Cotton效應(yīng)。

異構(gòu)體1在218 nm處的強(qiáng)峰起源于S0→S11的電子躍遷，電子從HOMO-4躍遷到LUMO軌道上。可知，HOMO-4的電荷布居在整個(gè)分子骨架上（見(jiàn)圖4），而LUMO的電荷主要布居在兩個(gè)六元環(huán)上，因此，電子躍遷導(dǎo)致了電荷密度發(fā)生了從五元環(huán)到六元環(huán)的轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生了荷移峰。在343 nm處的峰起源于S0→S1的電子躍遷，是電子從HOMO-2躍遷到LUMO的結(jié)果，圖4表明這兩個(gè)分子軌道的電荷主要布居在苯環(huán)上，因此是電荷局域峰。

圖4 異構(gòu)體1對(duì)ECD譜有重要貢獻(xiàn)較大的分子軌道電荷分布

異構(gòu)體2在318 nm處的峰主要源于S0→S2的貢獻(xiàn)，是電子從HOMO-2躍遷到LUMO的結(jié)果，可知，這個(gè)峰主要是苯環(huán)電荷局域峰（見(jiàn)圖5）。在221 nm處的峰是S0→S8的電子躍遷結(jié)果（電子從HOMO-3躍遷到LUMO+3）。圖5表明電荷密度從五元環(huán)轉(zhuǎn)移到苯環(huán)，因此是一個(gè)荷移峰。

圖5 異構(gòu)體2對(duì)ECD譜有較大貢獻(xiàn)的分子軌道電荷分布

此外，我們計(jì)算了比旋度，異構(gòu)體1的比旋度是+116°，異構(gòu)體2的比旋度是+247°，都比在甲醇中的實(shí)驗(yàn)值大（-26.0°）〔3〕。由于計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值符號(hào)相反，這一結(jié)果提示我們，我們計(jì)算的異構(gòu)體可能是實(shí)驗(yàn)中的異構(gòu)體的光學(xué)對(duì)映體，需要更多的證據(jù)。

2.3 紅外振動(dòng)光譜（IR）和振動(dòng)圓二色譜（VCD）計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 計(jì)算的紅外振動(dòng)吸收光譜（IR光譜（a）和振動(dòng)圓二色譜（b））（半波寬30 cm-1）

圖6（a）為計(jì)算的IR譜。在3 606 cm-1處吸收來(lái)源于O-H伸縮。兩個(gè)異構(gòu)體的IR譜在高頻區(qū)差別很大。對(duì)異構(gòu)體1，在2 952 cm-1處有較弱的吸收，由五元環(huán)上的CH2基團(tuán)的C-H伸縮，在1 783 cm-1處的吸收為五元環(huán)上的C＝O伸縮。苯環(huán)骨架伸縮導(dǎo)致了在1 601 cm-1處的吸收峰。1 078 cm-1處的吸收是兩個(gè)五元環(huán)骨架伸縮結(jié)果。

對(duì)于異構(gòu)體2，參與形成分子內(nèi)氫鍵的羥基的O-H伸縮吸收峰出現(xiàn)在3 167 cm-1處，CH3中的C-H伸縮出現(xiàn)在3 016 cm-1處。1 786 cm-1處的吸收峰，是五元環(huán)上的C=O伸縮結(jié)果。在1 629 cm-1處的吸收，與苯環(huán)骨架伸縮有關(guān)。在1 139 cm-1處的吸收峰，來(lái)源于整個(gè)分子骨架伸縮貢獻(xiàn)。

采用KBr做壓片的planchol E樣品，實(shí)驗(yàn)測(cè)定表明：在3 415 cm-1處有強(qiáng)吸收峰〔3〕。這個(gè)峰只能起源于參與分子內(nèi)氫鍵的羥基的O-H伸縮。未校正的計(jì)算結(jié)果是3 292 cm-1，校正后是3 167 cm-1（見(jiàn)圖1）。據(jù)此推測(cè)，在實(shí)驗(yàn)條件下，化合物主要以異構(gòu)體2存在。我們把1 760 cm-1處的實(shí)驗(yàn)歸屬為C=O伸縮（計(jì)算值1 786 cm-1），1 658 cm-1處的吸收峰歸屬于苯環(huán)振動(dòng)（計(jì)數(shù)值1 629 cm-1），1 170 cm-1處的吸收峰歸屬于整個(gè)分子骨架的振動(dòng)（計(jì)數(shù)值1 139 cm-1）。

在圖6（b）中，計(jì)算的兩個(gè)異構(gòu)體的VCD譜差別很大。異構(gòu)體1在2 952 cm-1處有弱的負(fù)Cotton效應(yīng)，為五元環(huán)上CH2的C-H伸縮結(jié)果。最強(qiáng)峰出現(xiàn)在1 218 cm-1處，是苯環(huán)與端點(diǎn)五元環(huán)骨架伸縮結(jié)果。

在異構(gòu)體2的VCD譜中，在3 167 cm-1處有一個(gè)較強(qiáng)的負(fù)Cotton效應(yīng)，是參與形成分子內(nèi)氫鍵的羥基O-H伸縮結(jié)果。在1 210 cm-1處有一個(gè)強(qiáng)的負(fù)Cotton效應(yīng)，是苯環(huán)與端點(diǎn)五元環(huán)伸縮的結(jié)果，在1 084 cm-1處有一個(gè)強(qiáng)的正Cotton效應(yīng)，是兩個(gè)五元環(huán)伸縮的結(jié)果。

3 結(jié)論

在本工作中，我們采用密度泛函方法，計(jì)算了化合物planchol E的兩個(gè)異構(gòu)體的核磁共振譜、電子吸收光譜、電子圓二色譜、紅外振動(dòng)光譜和振動(dòng)圓二色譜，并進(jìn)行了分子軌道和振動(dòng)模式分析。計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)比較，推測(cè)在測(cè)定核磁共振譜的條件下，由于沒(méi)有觀察到氫鍵羥基H的化學(xué)位移，planchol E主要以沒(méi)有分子內(nèi)氫鍵的異構(gòu)體1的形成存在；而在測(cè)定紅外振動(dòng)光譜的條件下，觀察到氫鍵羥基的振動(dòng)吸收峰，表明planchol E主要以具有分子內(nèi)氫鍵的異構(gòu)體2的形式存在。因此，planchol E是以分子內(nèi)氫鍵的形式存在，會(huì)隨實(shí)驗(yàn)環(huán)境的變化而變化。

此外，我們理論上預(yù)言了兩種異構(gòu)體的手性光譜（ECD和VCD譜），發(fā)現(xiàn)它們的手性光譜顯著不同。在ECD譜中，異構(gòu)體1在218 nm附近具有強(qiáng)的正Cotton效應(yīng)，而異構(gòu)體2在221 nm附近卻出現(xiàn)強(qiáng)的負(fù)Cotton效應(yīng)。在VCD譜中，異構(gòu)體2在3167cm-1處出現(xiàn)較強(qiáng)的負(fù)Cotton效應(yīng)，起源于分子內(nèi)氫鍵的OH伸縮。

〔1〕Wang B，Ju J，He X F，et al.Three new terpenoids from Pinus yunnanensis〔J〕.Helv Chim Acta，2010，93（3）：490-496.

〔2〕楊燕，楊茂發(fā)，楊再華，等.云南松松針的揮發(fā)性化學(xué)成分〔J〕.林業(yè)科學(xué)，2009，45（5）：173-177.

〔3〕Lei T，Li Y，Li D，et al.A novel phenolic compound from Pinus yunnanensis〔J〕.J Asian Nat Prod Res，2011，13（5）：425-429.

〔4〕Parr R G，Yang W.Density-functional theory of atoms and molecules〔M〕.Oxford：Oxford University Press，1989.

〔5〕Becke A D.Density-functional exchange-energy approximation with correct asymptotic behavior〔J〕.Phys Rev A，1988，38（6）：3098-3100.

〔6〕Lee B，Yang W，Parr R G.Development of the colle-salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron density〔J〕.Phys Rev B，1988，37（2）：785-789.

〔7〕Petersson G A，Al-Laham M A.Open-shell systems and the total energies of the first-row atoms〔J〕.J Chem Phys，1991，94（9）：6081-6090.

〔8〕Petersson G A，Bennett A，Tensfeldt T G，et al.The total energies of closed-shell atoms and hydrides of the firstrow elements〔J〕.J Chem Phys，1988，89（4）：2193-2218.

〔9〕Frisch M J，Trucks G W，Schlegel H B，et al.Gaussian 09〔CP/DK〕.Wallingford CT：Gaussian，Inc.，2009.

〔10〕Bauernschmitt R，H?ser M，Treutler O，et al.Calculation of excitation energies within time-dependent density theory using auxiliary basis set expansions〔J〕.Chem Phys Lett，1997，264（6）：573-578.

〔11〕Moscowitz A.Theoretical aspects of optical activity.Part one：small molecules〔J〕.Adv Chem Phys，1962（4）：67-112.

Density Functional Study of Chiral Structures and Spectral Properties of the Phenolic Compound Planchol E from Pinecones of Pinus yunnanensis

YANG Ying1,LIU Guangming1,LEI Ting1,MANG Chaoyong1,2*
（1.College of Pharmacy and Chemistry,Dali University,Dali，Yunnan 671000,China；2.Institute of Pharmaceutical Science,Dali University,Dali,Yunnan 671000,China）

The research on the relationship between stereo-chemical structures and chiral spectra is a fundamental job for the applications of chiral compounds in chiral materials and chiral drugs.The DFT computations of a chiral phenolic compound called as planchol E show that the experimental H1NRM spectra display the feature of isomer 1 without intramolecular H-bond while the measured IR spectra originate from isomer 2 with intramolecular H-bond.Due to the intramolecular H-bond in isomer 2,there are many differences in both the chiral spectra as ECD and VCD and the achiral spectra as NRM and IR.

plancholE；densityfunctionaltheoreticalmethod；electroniccirculardichroism；vibrationalcirculardichroism；hydrogen bond

O64

A

1672-2345（2013）04-0040-04

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（81260632）

2013-01-01

2013-02-20

楊穎，碩士研究生，主要從事藥物化學(xué)和物理化學(xué)研究.

（責(zé)任編輯 袁 霞）

10.3969/j.issn.1672-2345.2013.04.011

*通信作者：莽朝永，教授，博士.