抗腦卒中病化合物ZL006光學(xué)活性密度泛函研究

朱明臣，鮑 穎，葉余原

抗腦卒中病化合物ZL006光學(xué)活性密度泛函研究

朱明臣，鮑 穎，葉余原

（臺(tái)州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院，浙江 臺(tái)州 318000）

采用密度泛函理論的DFT/B3LYP/6-31+G(d,p)方法和基組, 對(duì)抗腦卒中病化合物ZL006分子的紫外-可見(jiàn)（UV-Vis）吸收光譜，紅外（IR）吸收光譜，核磁共振（1HNMR）吸收光譜等譜學(xué)性質(zhì)，進(jìn)行了模擬和歸屬分析，所得模擬結(jié)果基本與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合。

ZL006；密度泛函理論；電子光譜

腦卒中學(xué)名腦中風(fēng)，是腦溢血、腦梗塞和蛛網(wǎng)膜下腔出血等腦血液循環(huán)障礙性疾病的總稱，又叫腦血管意外，是嚴(yán)重危害人類生命健康安全的常見(jiàn)難治性疾病[1]。又因各種誘導(dǎo)引起腦內(nèi)動(dòng)脈閉塞、狹窄或破裂等急性腦血液循環(huán)障礙因素的不同，分為缺血性和出血性腦卒中。而后者又分為腦出血和蛛網(wǎng)膜下隙出血；前者則又區(qū)分為動(dòng)脈硬化血栓性腦梗死和腔隙性腦梗死心以及源性腦栓塞[2]。目前醫(yī)療界治療腦卒中的一線藥物有抗血栓藥、溶栓藥、抗凝藥、抗血小板藥、降纖藥、他汀類藥物、腦保護(hù)藥等[3-5]，但是對(duì)神經(jīng)都有很大的毒副作用。新型的靶點(diǎn)藥物ZL006是一種一端親水另一端疏水的小分子化合物，是朱東亞教授等經(jīng)過(guò)多重篩選，研究發(fā)現(xiàn)的一種針對(duì)新藥物作用靶點(diǎn)且能有效避免副作用的治療腦卒中的小分子藥物。ZL006改變了以往的研究方向，另辟蹊徑，從源頭上去治療，即在藥理上通過(guò)阻斷細(xì)胞漿內(nèi)的神經(jīng)元型一氧化氮合酶（nNOS）與細(xì)胞膜上的突觸后密度蛋白（PSD-95）的“結(jié)合”來(lái)發(fā)揮藥力作用，避免了直接干預(yù)NMDAR或nNOS帶來(lái)的副作用。該藥物從眾多實(shí)驗(yàn)數(shù)組中篩選得到，通過(guò)轉(zhuǎn)變苯環(huán)上的取代基為鹵素、羥基、羧基等，最后得ZL001～ZL010藥物。實(shí)驗(yàn)人員繼續(xù)研究這 10種藥物阻斷兩種蛋白耦聯(lián)能的能力，最終選出了ZL006。從該藥物雖還未進(jìn)行過(guò)臨床試驗(yàn)投入生產(chǎn)，但是這種研究創(chuàng)新，為治療腦卒中病開(kāi)辟了新的天地。本文在優(yōu)化結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，模擬得到ZL006分子的紅外吸收光譜、紫外吸收光譜以及核磁共振光譜并進(jìn)行了指認(rèn)，同時(shí)通過(guò)對(duì)原子電荷、分子極性、等參數(shù)進(jìn)行了理論預(yù)測(cè)，獲得了有價(jià)值的結(jié)果。

1 計(jì)算與參數(shù)

對(duì)標(biāo)題分子 ZL006 (C13H11NO4Cl2)， 采用 DFT B3LYP/6-311+G(d,p) 理論和方法水平, 進(jìn)行了標(biāo)題分子基態(tài)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化（如圖1）。

2 討論與結(jié)果

2.1 分子幾何結(jié)構(gòu)分析

用密度泛函理論（DFT）的 B3LYP 方法，在6-311+G（d,p) 基組水平上，對(duì)標(biāo)題分子的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行了基態(tài)優(yōu)化模擬計(jì)算。模擬數(shù)據(jù)表明，正常的C = C和C-C鍵鍵長(zhǎng)為（1.33 ? ～1.54 ?），C-Cl單鍵(1.72 ? ～1.85 ?)， C-O單鍵(1.20 ? ～1.43 ?) ，C = O雙鍵(1.21 ? ～1.23 ?)， C-N單鍵(1.47 ? ～1.52 ?)，O-H(0.96 ? ～1.52 ?)。表中部分分子鍵長(zhǎng)數(shù)據(jù)優(yōu)化表明： 除C17-N18(1.42 ?)的鍵長(zhǎng)稍小外，其他均在正常范圍內(nèi)。結(jié)合圖1分析，C17-N18(1.42 ?)的鍵長(zhǎng)稍微小是因?yàn)镃原子出現(xiàn)在苯環(huán)上，而苯環(huán)是比較穩(wěn)定的。

對(duì)應(yīng)的C29= O30雙鍵(1.236 3 ?) 鍵長(zhǎng)稍小于C6-O11鍵(1.374 5 ?)、C23-O27鍵(1.369 1 ?)和C29-O31鍵(1.410 7 ?)的鍵長(zhǎng)， 符合穩(wěn)定空間結(jié)構(gòu)的構(gòu)象要求。對(duì)比C6、C23和C29三個(gè)位置的羥基鍵長(zhǎng)，發(fā)現(xiàn)C6位置的酚羥基中O11-H12鍵長(zhǎng)為0.992 3 ?，比C23（O27-H28）和C29（O31-H32）上羥基的鍵長(zhǎng)大，這可能與鄰位的氯基和長(zhǎng)支鏈有關(guān)。H28-O31鍵(1.732 9 ?)是原構(gòu)建的結(jié)構(gòu)上不存在的鍵，可能是氫鍵。而且分子內(nèi)氫鍵的形成使分子結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。

由分子價(jià)鍵理論可得，分子的鍵長(zhǎng)越長(zhǎng)，其鍵能越小，反應(yīng)活性越強(qiáng)。我們已從ZL006的分子結(jié)構(gòu)上可以看出，化合物C23上的酚羥基與鄰位C25上羧基的羥基形成了分子內(nèi)氫鍵。而氫鍵的形成可以使得酚羥基的鍵長(zhǎng)伸長(zhǎng)的同時(shí)，又可以穩(wěn)定C23上酚羥基的氫，使其不易離去，降低其反應(yīng)活性，所以不能僅憑借酚羥基的鍵長(zhǎng)大小來(lái)衡量其活性，還需結(jié)合后續(xù)的光譜分析等來(lái)綜合判斷。

表中列出的鍵角數(shù)據(jù)表明：由 C6-C5-C4-C3-C2-C1原子形成的六元環(huán)的角數(shù)據(jù)和 C18-C19-C21-C25-C23-C20原子組成的六元環(huán)的夾角數(shù)據(jù)均在120.0 ° 附近，表明其環(huán)狀結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的。表中也列出的二面角數(shù)據(jù)表明：2個(gè)六元環(huán)不在同一個(gè)平面。分子中的支鏈如-CH2-NH-等與苯環(huán)分子沒(méi)有處于同一平面上。

2.2 紫外-可見(jiàn)（UV-Vis）吸收光譜

紫外分析對(duì)研究共軛程度、氫鍵、空間效應(yīng)等有很大的作用。全部過(guò)程均采用Gaussian 09W軟件計(jì)算完成。在用上述程序建構(gòu)分子模型后，利用Ground State，B3LYP方法進(jìn)行了優(yōu)化。然后采用兩種不同方法：（1）TD-DFT下使用不同基組（包括STO-3G, 3-21G, 3-21+G, 6-31G, 6-31+G）在不同溶劑中進(jìn)行計(jì)算；（2）利用半經(jīng)驗(yàn)方法ZINDO計(jì)算不同溶劑中的紫外-可見(jiàn)光譜。通過(guò)比較兩種方法的計(jì)算結(jié)果，尋找到最接近實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的模擬條件。采用第二種方法，模擬顯示了紫外-可見(jiàn)吸收光譜(圖2)。在圖2中， ZL006分子在267.3 nm (強(qiáng)吸收) 處出現(xiàn)了紫外吸收峰，說(shuō)明有苯環(huán)的存在，很好地模擬指認(rèn)了ZL006分子，也進(jìn)一步驗(yàn)證了計(jì)算的準(zhǔn)確性。

2.3 紅外（IR）吸收光譜

標(biāo)題分子的模擬紅外振動(dòng)光譜（見(jiàn)圖3）。在圖3中出現(xiàn)了 ZL006分子的特征峰值: 3 644.76 cm-1(O31-H32，伸縮)；3 560.54 cm-1(N-H，伸縮)； 3 444.67 cm-1(O27-H28，伸縮)；3 370.31 cm-1(O11-H12，伸縮)；3 076.06 cm-1(亞甲基伸縮)；1 739.87 cm-1（C = O伸縮）； 1 692.22～1 464.11 cm-1（C = C骨架伸縮)；1 001.11～628.31 cm-1(C-H面外彎曲振動(dòng))；715.25 cm-1(C-Cl伸縮)；在低頻率范圍內(nèi)（< 450 cm-1）還出現(xiàn)較多發(fā)散的吸收峰，這主要是苯環(huán)上的H原子的特征指紋區(qū)。

紅外光譜峰的位置是由振動(dòng)頻率決定的，其化學(xué)鍵的力常數(shù)K越大，則原子折合質(zhì)量m越小，鍵的振動(dòng)頻率越大，吸收峰將出現(xiàn)在高波數(shù)區(qū)（短波長(zhǎng)區(qū)）；反之，則會(huì)出現(xiàn)在低波數(shù)區(qū)（高波長(zhǎng)區(qū)）。比較3個(gè)羥基（O31-H32，O27-H28，O11-H12）的伸縮振動(dòng)頻率可得，B 環(huán)羧基上的羥基（O31-H32）的振動(dòng)頻率最大，B 環(huán)上的酚羥基（O27-H28）的振動(dòng)頻率次之，A 環(huán)上的酚羥基（O11-H12）最小。因?yàn)榛瘜W(xué)鍵的鍵強(qiáng)度與其振動(dòng)頻率成正比，且化學(xué)鍵越強(qiáng)越不容易斷開(kāi)，所以B 環(huán)羧基上的羥基（O31-H32）鍵強(qiáng)最大，則其活性就越小。活性大小為：O11-H12＞O27-H28＞ N-H ＞ O31-H32。

2.4 核磁共振吸收光譜

核磁共振氫譜圖能很好地從特征峰的數(shù)目反映有機(jī)分子中氫原子的化學(xué)環(huán)境種類。從不同特征峰的強(qiáng)度比能反映不同化學(xué)環(huán)境下氫原子的數(shù)目比。

采用密度泛函理論方法（DFT），對(duì)1HNMR 譜，采用DFT/B3LYP/6-31G//DFT/B3LYP/6-31G水平上進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算, 得到ZL006分子的核磁共振氫譜數(shù)據(jù)。同時(shí)用ChemDraw模擬得到ZL006分子的核磁共振譜圖，見(jiàn)圖4。二者的數(shù)據(jù)相近，進(jìn)一步驗(yàn)證了計(jì)算的準(zhǔn)確性。

2.5 原子電荷

優(yōu)化后ZL006分子中各原子的NBO電荷分布見(jiàn)表1。由于N和O原子的電負(fù)性比C和H原子大。因此,在ZL006分子中，10個(gè)C原子 ( - 0.310e ～ -0.055e ) 、4個(gè)O原子( - 0.740e ～ - 0.558 e )和N原子 ( - 0.677e )均帶有凈的負(fù)電荷。其余的碳 、氫和氯原子均帶有部分正電荷，且氫原子帶有較大的正電荷。而羧基羥基上的O31電荷最負(fù)( - 0.740 e )，其次為其鄰位羥基上的O27電荷（- 0.705 e )； 電荷最正的是羧基羥基上的H32電荷( 0.514 e )。因此，由自然電荷計(jì)算表明，O31，O27，O11，N16，O30原子很可能是親電反應(yīng)作用點(diǎn)，H17，H32原子很可能是親核反應(yīng)作用點(diǎn)。綜上可推測(cè)得胺基，羧基很可能是其發(fā)揮藥理和毒理活性的親電和親核反應(yīng)中心。

2.6 極性和反應(yīng)活性

偶極矩是用來(lái)表示藥物分子極性的重要物理量。用量子化學(xué)程序計(jì)算得到ZL006分子的偶極矩為(3.5725 D)，為弱極性。根據(jù)前線軌道理論，最高電子占據(jù)軌道（HOMO）和最低電子未占軌道（LUMO）分子中的電子就像原子軌道中的價(jià)電子一樣是化學(xué)反應(yīng)中最活潑的電子，它也是有機(jī)化學(xué)反應(yīng)的核心。在分子中，HOMO軌道反映了失電子能力，其軌道能量最高，該軌道上的電子越不穩(wěn)定，容易失電子；而LUMO軌道能量越低，越容易得到部分電子。所以這兩個(gè)軌道能量的高低決定著分子的電子得失和轉(zhuǎn)移電子的能力和分子間反應(yīng)的空間取向等化學(xué)性質(zhì)。

圖5為ZL006分子的前線軌道分布示意圖。

從圖中可以看出該分子的HOMO和LUMO。首先從HOMO結(jié)構(gòu)看B環(huán)上是遍布這個(gè)六元環(huán)的大π鍵，分子骨架外圍羧基的2個(gè)氧原子上的p軌道存有明顯的成分，胺基和亞甲基上也有明顯的成分；A環(huán)上的酚羥基有一定分布，但電子云密度很小。而從LUMO結(jié)構(gòu)看, 只有B環(huán)上有較明顯分布，且羧基上的2個(gè)氧原子上的p軌道仍存有明顯的成分，而A環(huán)上的酚羥基電子云密度分布更小了。又因?yàn)镠OMO上電子云成分多的原子是親核活性點(diǎn)，而LUMO上電子云成分多的原子是親電活性點(diǎn)。由此可見(jiàn)，胺基、羧基很可能是其發(fā)揮藥理和毒理活性的親電和親核反應(yīng)中心。

能差 ΔE(ELUMO- EHOMO) 的大小，反映其參加化學(xué)反應(yīng)活性的大小和潛力。如果它的差值越大，分子穩(wěn)定性就越強(qiáng)；相反就越不穩(wěn)定，就越易參與化學(xué)反應(yīng)等。標(biāo)題分子ZL006的計(jì)算結(jié)果為：EHOMO= -0.23797 au = -624.79 kJ.mol-1，ELUMO=-0.06177au =-162.17 kJ.mol-1，ΔE=ELUMO- EHOMO=462.62 kJ.mol-1。由計(jì)算結(jié)果可知該分子能隙較大，所以參加化學(xué)反應(yīng)活性將會(huì)較弱。

3 結(jié) 論

（1）幾何優(yōu)化表明，ZL006存在氫鍵且具有穩(wěn)定的分子構(gòu)型，紅外吸收光譜表征與官能團(tuán)吻合較準(zhǔn)確，并通過(guò)紫外吸收光譜和核磁共振進(jìn)一步驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。而且通過(guò)紅外和結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)羥基和胺基具有活性。

（2）通過(guò)對(duì)偶極矩的測(cè)定，推測(cè)ZL006在水中的溶解能力較強(qiáng)，在生物體極性環(huán)境中活性會(huì)更高。

（3）通過(guò)NBO電荷分布和前線軌道分析，我們推測(cè)分子活性最強(qiáng)的部位在胺基和羧基上，通過(guò)親核反應(yīng)和親電反應(yīng)來(lái)發(fā)揮其毒理和藥理作用。

［1］李 旭, 劉慶山. 抗腦卒中藥物的研究進(jìn)展[J]. 中央民族大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2013,22(01):56-59.

［2］張國(guó)瑾, 趙增榮. 國(guó)外醫(yī)學(xué)腦血管病研究進(jìn)展 [M]. 第一版. 北京:中國(guó)醫(yī)藥科技出版社, 2000:179-186.

［3］江勝?gòu)?qiáng), 夏文燕. 南醫(yī)大教授發(fā)現(xiàn)治療腦卒中新藥物作用靶點(diǎn)[N].江蘇科技報(bào), 2011，11（2）：26-27.

［4］任小巧, 郭麗婭. 缺血性腦卒中藥物治療現(xiàn)狀分析[J]. 新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào), 2005(06):621-623.

［5］范峰滔, 徐倩, 夏海岸, 孫科舉, 馮兆池, 李燦. 催化材料的紫外拉曼光譜研究[J]. 催化學(xué)報(bào), 2009,30(08):717-739.

Study on Optical Activity of Anti-stroke Compound ZL006 by Density Functional Theory

ZHU Ming-chen，BAO Ying,YE Yu-yuan
（ College of Chemical Engineering and Pharmacy, Taizhou University, Zhejiang Taizhou 318000, China）

Using density functional theory DFT/B3LYP/6-31+G(d,p) method and basis set, electronic spectra of UV-Vis spectroscopy, IR spectroscopy,1HNMR spectrum and NBO of anti-stroke compound ZL006 were studied by the theoretical simulation and identifying.

ZL006; Density functional theory; Electronic spectra

TQ 624.2

： A

： 1671-0460（2015）05-0904-03

浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目（新苗人才計(jì)劃），項(xiàng)目號(hào)：2014R428015。

2015-03-27

朱明臣(1990-)，男，11級(jí)高分子專業(yè)，河南開(kāi)封市，研究方向：有機(jī)合成。從事技術(shù)工作：化學(xué)制藥E-mail： 519700998@qq.com