反玉米素的結構及其紅外光譜性質的指認研究

杜旭升　蒲曉亞

摘要

[目的]將振動光譜（紅外光譜）試驗研究技術與理論研究方法相結合， 較詳細地探討反玉米素的幾何構型和紅外光譜數據。[方法] 采用理論化學計算的方法，得到玉米素的以上2個穩定合理幾何構型和相關的分子振動光譜數據。以阿拉丁公司的反玉米素為樣品， 采用溴化鉀壓片的方法在PerkinElmer Spectrum 100型傅立葉變換紅外光譜儀測定了其紅外光譜， 同時借助模擬計算結果，對各個紅外光譜數據進行指認。[結果] 從鍵長特點和電荷分布的角度，指出了順式構型和反式構型具有不同生物化學活性的微觀因素。同時，確定反玉米素的振動類型與屬性。[結論] 該研究有助于對反玉米素的進一步開發應用。

關鍵詞 紅外光譜；指認；反玉米素

中圖分類號 S121 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）13-03782-02

Abstract [Objective] Combining research technique of vibrational spectrum （infrared spectroscopy） with theoretical research approaches， geometry configuration and infrared spectroscopy data were analyzed in detail. [Method] The geometries and FTIR property of the transzeatin and ciszeatin were obtained by using the theoretical chemical calculation method. FTIR experiments were conducted using a PerkinElmer Spectrum 100 infrared spectrometer for the transzeatin via the KBr disk method. The results of IR spectroscopy of the transzeatin were simply identified under the aiding of theoretical calculation data. [Result] From the aspects of bond length characteristics and charge distribution， the transzeatin and ciszeatin had microfactors of different biological and chemical activities. Meanwhile， the vibration types and attributes of zeatin were determined. [Conclusion] The research contributed to the further research of zeatin.

Key words FTIR spectroscopy； Identification； Zeatin

玉米素又稱玉米因子，是從玉米嫩籽中分離出的第一種存在于高等植物中的天然細胞分裂素，屬嘌呤衍生物。按照空間微觀結構，玉米素有順式構型和反式構型2種結構。其中的反式構型就是具有生物活性功能的反玉米素，其化學名稱為6-反式-4-羥基-3-甲基-丁-2-烯基氨基嘌呤，也可命名為6-（反-4-羥基-3-甲基-2-丁烯氨基）嘌呤或N-6-（反-4-羥基-異戊烯）腺嘌呤[1]。在20世紀反玉米素的化學結構與組成被確定后，其人工合成就有報道[2]。后來，Letham等[3]改進了合成方法，得到純的反玉米素，但是產率僅為1.5%。1986年，Einset[4]以獼猴桃或其他木本植物中的N6-異戊烯腺嘌呤為原料，報道了反玉米素的生物合成。反玉米素通常為白色針狀結晶，熔點208～210 ℃，可溶于水和乙二醇。它能對某些水果誘導單性結實，也能對某些微生物促進細胞分裂，在樹葉的剪口和一些苔類中能促進芽苞的形成；在某些植物中，激發通過蒸發而造成水分損失；在土豆中，刺激塊莖的形成；此外，還在某些種類的海藻中刺激其生長，對藍莓莖段芽誘導的影響較顯著[5]，因而具有重要的生物活性功能。近年來，它被廣泛應用于促進愈傷組織發芽、座果和延緩葉片發黃。另外，反玉米素對一些作物種子處理后可促進發芽，對苗期處理有促進生長的作用。因而，玉米素在種子、食品原料與生物技術、農林生產研究領域具有重要的價值[6-15]，對其結構和性質的深入研究顯得尤為必要。筆者試圖將振動光譜（紅外光譜）試驗研究技術與理論研究方法相結合，較詳細地探討反玉米素的幾何構型和紅外光譜數據，以更進一步揭示其結構與性質。

1 材料與方法

反式和順式玉米素的幾何結構采用理論方法B3LYP/631G[16-17]進行計算優化得到，并且在同水平上進行頻率分析，確定它為穩定合理的幾何構型，并且得到它們的化學鍵振動頻率，分析其紅外光譜數據。在試驗研究方面，以阿拉丁公司的反玉米素為樣品，以溴化鉀壓片的方法用Spectrum 100型傅立葉變換紅外光譜儀（美國Perkin Elmer 公司）測定其紅外光譜，得到其紅外光譜圖。將理論計算結果和試驗測定結果進行對比，以對各個紅外光譜數據進行指認，確定其振動類型與屬性。

2 結果與分析

2.1 玉米素的結構及電荷分布

圖1a、b分別給出B3LYP/631G方法理論計算得到的反式玉米素和順式玉米素的空間幾何構型。頻率分析計算結果表明，這2個結構均為穩定結構。同時，表1、2中列出了一些重要的化學鍵長參數和原子的Mulliken電荷布居。從表1可以看出反式玉米素和順式玉米素的幾何構型，特別是化學鍵長參數存在一定程度的差異，如在反式構型中C4C5、C5C6、C6O和OH的鍵長分別是1.347 5、1.514 3、1.466 0 和0.979 6 。這明顯小于順式構型中C4C5、C5C6、C6O和OH的鍵長?？梢?，在順式構型和反式構型中，電子在原子間的分布有所不同。這也預示著整個分子中，電荷的分布也是不同的。這與表2中給出的Mulliken電荷布居數值和圖2中電荷分布情況一致。因而，反式玉米素和順式玉米素往往會表現出不同的分子極性和不同的化學生物學活性，如反式玉米素中的C4=C5雙鍵鍵長比順式結構中的大，說明反式玉米素中的C=C雙鍵更容易發生親電加成反應。

3 結論

玉米素分子有順式構型和反式構型2種分子結構，而其中的反式構型具有重要的生物活性功能。采用理論計算的方法得到玉米素的2個穩定、合理幾何構型，并且對比分析了鍵參數和原子Mulliken電荷布居。從鍵長特點和電荷分布的角度，指出順式構型和反式構型具有不同生物化學活性的微觀因素。對反式玉米素分子的振動頻率進行計算分析，并且對關鍵化學鍵的伸縮振動吸收峰進行歸屬，同時以阿拉丁公司的反玉米素為樣品，采用溴化鉀壓片的方法在Spectrum 100型傅立葉變換紅外光譜儀測定其紅外光譜，從試驗角度得到其紅外光譜數據，將理論計算結果和試驗測定結果進行對比，對各個紅外光譜數據進行指認，借助理論計算結果，準確確定其振動類型與屬性。該工作有助于對反玉米素

的進一步開發應用。

參考文獻

[1]

玉米素[EB/OL].http：//www.chemmade.com/assistant/chemdic/casDetail1637394.html.

[2] LETHAM D S，SHANNON J S，MACDONALD I R.The structure of zeatin，a factor inducing cell division[M].London：Proc Chem Soc，1964：231.

[3] LETHAM D S，YOUNG H.Regulators of cell division in plant tissues.XI.The synthesis of radioisotopically labelled zeatin[J].Phytochemistry，1971，10（9）： 2077-2081.

[4] EINSET J W.Zeatin biosynthesis from N6（Δ2isopentenyl） adenine in Actinidia and other woody plants[J].Proc Nati Acad Sci USA，1986，83（4）： 972-975.

[5] 李杰，王明瑩，黃學文，等.不同玉米素濃度對藍莓莖段芽誘導的影響[J].現代農業科技，2013（2）：85-86.

[6] 劉世琦，邢禹賢.黃瓜、西瓜和西葫蘆子房發育中ZT和GA變化的比較[J].沈陽農業大學學報，2006，37（3）：327- 330.

[7] 歐陽波，李漢霞，葉志彪.玉米素和IAA對番茄子葉再生的影響[J].植物生理通訊，2003，93（3）：217-218.

[8] 肖年湘，郁松林，王春飛.6BA、玉米素對全球紅葡萄果實發育過程中糖分含量和轉化酶活性的影響[J].西北農業學報，2008，17（ 3） ：227- 231.

[9] 黃升謀.玉米素和吲哚乙酸影響水稻結實率與充實度的機理分析[J].襄樊學院學報，2013，33（5）：12-16.

[10] 黃升謀，鄒應斌.玉米素和吲哚乙酸與強弱勢粒灌漿及胚乳細胞形成[J].現代農業科技，2004，25（6）：471-477.

[11] 林永.天然植物生長調節劑——玉米素對番茄生長、增產的影響[J].農藥，2007，46（5）：349-350.

[12] 董學會，何鐘佩，關彩虹.根系導入生長素和玉米素對玉米光合產物輸出及分配的影響[J].中國農業大學學報，2001，6（3）：21-25.

[13] 楊建昌，彭少兵，顧世梁.水稻結實期籽粒和根系中玉米素與玉米素核苷含量的變化及其與籽粒充實的關系，作物學報，2001，27（1）：35-42.

[14] 魏道智，寧書菊.玉米素、脫落酸處理對小麥葉片光合性能的影響[J].華北農學報2002，17（S1）：23-28.

[15] 姜燕琴，於虹，鄧桂秀，等.ZT和2iP對3個南方高叢藍漿果優選系叢生枝增殖及生長的影響[J].植物資源與環境學報，2009，18（4）：23-27.

[16] HOHENBERG P，KOHN W.Inhomogeneous electron gas[J].Phys Rev，1964，136（3B）：864-871.

[17] FRISCH M J，TRUCKS G W，SCHLEGEL H B，et al.Gaussian 03，Revision C.02.Wallingford，CT：Gaussian[M].Pittsburgh，PA：Gaussian，Inc，2004.