五味子中4種木脂素結構和譜學性質的比較

金利思，翁金月，鄭京勝，王朝杰

（1．溫州醫科大學定理臨床學院溫州市中心醫院藥劑科，浙江溫州 325000；2．溫州市中醫院藥劑科，浙江溫州 325000；3．溫州醫科大學藥學院，浙江溫州 325035）

·論 著·

五味子中4種木脂素結構和譜學性質的比較

金利思1，翁金月1，鄭京勝2，王朝杰3

（1．溫州醫科大學定理臨床學院溫州市中心醫院藥劑科，浙江溫州 325000；2．溫州市中醫院藥劑科，浙江溫州 325000；3．溫州醫科大學藥學院，浙江溫州 325035）

目的：通過理論計算比較五味子中4種木脂素的結構和譜學性質差異。方法：采用密度泛函理論（DFT）B3LYP方法和極化連續模型（PCM），在6-31+G**水平上對氣相和甲醇溶劑中的4種木脂素進行理論計算，對它們的分子幾何構型、紫外-可見光譜、紅外振動光譜和電子結構進行了分析。結果：4種木脂素的幾何結構參數在氣相和甲醇中計算值相差不大，紫外-可見光譜特征峰除酯甲較高外，其余三者非常接近；紅外特征峰彼此相近，在甲醇中峰強度增加，紅外光譜與官能團大致符合；4種木脂素都是極性分子，前線軌道分布基本類似，但酯甲最低未占軌道（LUMO）則是由苯甲酰基構成；計算數值與實驗值較為符合。結論：通過理論計算值與實驗值進行對比分析，用量子化學方法對五味子木脂素類化合物進行理論研究是有效的，并能通過計算來討論其電荷轉移和取代基效應，對理論研究和實驗研究具有一定的參考價值。

五味子；木脂素；密度泛函；B3LYP

五味子[1]為木蘭科植物五味子[SchisandraChinensis（Turcz.）Baill]的干燥成熟果實[2]，為著名傳統中藥。現代藥理研究發現，五味子具有抗腫瘤、保肝降酶、抗衰老等作用[3-4]；其活性衍生物SJP-L-5具有強抗HIV活性，能作用于病毒雙鏈DNA入核階段，保護HIV感染的MT-4細胞[5]；在抗HIV-1、抗HBV、神經退行性疾病和對T淋巴細胞促進增殖作用等方面的活性篩選中，發現具有較強生物活性的木脂素和三萜類化合物[6-7]。五味子木脂素類成分為其主要活性物質[8-9]。本研究僅對其提取物中含量較高且具有明確藥理活性的4種木脂素即五味子木脂素甲素（Deoxyschizandrin）、乙素（γ-Schizandrin）、醇甲（Schizantherin）和酯甲（SchisantherinA）[10-13]進行計算比較，基于量子化學計算結果對其作用機制進行初步探討。

1 計算方法

本研究運用密度泛函理論（densityfunctionaltheory，DFT）的B3LYP方法[14-15]在6-31+G**基組水平上，對五味子木脂素甲素、乙素、醇甲和酯甲4種木脂素在氣相和甲醇環境中進行結構優化和計算，得到這4種木脂素的分子幾何構型、紫外-可見光譜、紅外振動光譜、電子結構等信息，考察分析其在氣相和甲醇環境中的幾何結構、電荷分布、氫鍵特征和構象穩定性等。溶劑效應采用極化連續介質模型（polarizablecontinuummodel，PCM）進行處理，計算數據由Gaussian09[16]軟件包實現，數據可視化處理運用OriginLab8.0和ChemiBio3D Ultra12.0軟件包完成。

2 結果與討論

2.1 分子幾何構型分析

2.1.14 種木脂素在氣相和甲醇環境中的鍵長分析：4種木脂素在氣相和甲醇環境中眾原子的鍵長值彼此相近，相差不超過0.005?。在共軛效應、誘導效應、空間效應作用下，鍵長會發生一定變化[17]，優化后得到的數據基本在正常范圍之內，見圖1。

圖1 在氣相和甲醇環境中的五味子木脂素甲素、乙素、醇甲和酯甲的結構（對應環境的值從上到下，從左到右，鍵長單位為?）

2.1.24 種木脂素在氣相和甲醇環境中的二面角分析：4種木脂素在氣相和甲醇環境中眾原子的二面角值彼此相近。其中五味子甲素和乙素，結構非常相似，差異僅僅是甲素的聯苯環上的甲氧基是獨立的，而乙素則由一個亞甲基與兩個氧相連，形成一個五元環，致使其聯苯環的二面角增加了4°，同時C-O鍵的鍵長也稍微增長?？芍獋€別原子受空間位阻效應，鄰位取代基效應影響比較大，二面角發生了小幅度的變化，但這些都是在正常范圍之內，說明這些結構是較為穩定的。醇甲比甲素增加了一個羥基在環辛二烯環上，致使聯苯的二面角約增加了2°，酯甲相對于醇甲則在環辛二烯環上連接了一個苯甲?；渑c聯苯接近垂直，故聯苯間的二面角反而減小了一點。酯甲在環辛二烯環上連接的是苯甲酰基，醇甲對應位置上連接的是羥基。醇甲的取代基空間位阻小，取代基極性基團親水性大，由此推測醇甲的生物活性要比酯甲大，見圖1。

2.2 紫外-可見吸收光譜分析

2.2.1 Origin8.0繪制4種化合物在甲醇中的紫外-可見吸收光譜：表1詳細列出各化合物在甲醇中和水中的主要電子躍遷的組態系數、對應軌道、對應能量、吸光波長、振子強度數值。

表1 在甲醇和水相環境中五味子木脂素甲素、乙素、醇甲和酯甲的紫外-可見吸收光譜的主要數據

2.2.24 種木脂素在甲醇中的紫外-可見吸收光譜分析：五味子甲素和醇甲基本重合，乙素的吸收強度有所降低，波長紅移，而酯甲吸收強度最大，見圖2。陳業高等[18]分別對五味子甲素和五味子酯甲的紫外-可見吸收光譜進行了測定，其最大吸收波數為254cm-1和220cm-1，與計算值吻合非常好。母核是聯苯環辛二烯，在聯苯環上的C5和C12位有2個芳香質子，其他位置如C6-8和C9-11均為含氧取代基，即甲氧基和亞甲二氧基。五味子甲素和五味子酯甲這類聯苯環辛二烯木脂素都是較為復雜的空間分子，分子中的支鏈與環和主鏈有明顯的扭轉而沒有處在同一平面，這樣的結構受位阻效應小有利于發揮官能團的優勢作用。這類聯苯環辛二烯木脂素的紫外光譜學特征為在214～225（lgε＞4）、248～257（lgε＞4）和275～294（lgε＞3-4）nm處有吸收峰，有時后兩個峰以肩峰形式存在，為氧取代聯苯環辛二烯特征吸收峰。C25或C26位有酮基取代時，與芳環共扼，在310～325nm處還有一個吸收峰。見圖2。

2.3 紅外振動光譜分析

2.3.14 種木脂素在氣相中的紅外振動光譜分析：由于4種化合物的母體結構一致，所以譜峰形狀類似。五味子甲素其分布位于3000～3200cm-1和1750～750cm-1間，主要是甲基、亞甲基的C-H伸縮振動和苯環的特征峰，根據其他研究[19-20]不同理論方法和基組對振動光譜計算值與實驗比較，提出B3LYP/6-31+G*的約化因子為0.9614，則與實驗總結的聯苯環辛二烯類木脂素的特征峰吻合，見圖3-6。

圖2 甲醇環境中的4種五味子木脂素紫外光譜圖

圖3 在氣相和甲醇環境中的五味子木脂素甲素的紅外光譜圖

2.3.24 種木脂素在甲醇中的紅外振動光譜分析：4種化合物在甲醇中的峰強度加強而發生稍許紅移。根據紅外振動光譜的數據，可大致判斷出官能團的信息，如在1615、1590和1500cm-1左右的吸收峰，表示有芳環存在，2840～2930cm-1的吸收峰表示有甲氧基存在，1710～1740cm-1為酯羰基的特征吸收，3300～3500cm-1為羥基的特征吸收峰。當C25位或C26位有酮基，與苯環同平面而共扼，其紅外振動光譜吸收峰在1660cm-1，酮基不能與苯環同平面而共軛，其吸收峰在1690cm-1。根據該數據可推斷羰基的位置和木脂素的構象：S構型聯苯，C4位酮基能與苯環共扼，推測八元環為扭船式構象，而C28位酮基則不論八元環呈何種構象，都不能與苯環共軛；聯苯為R構型，情形則相反[21]。紅外光譜的特征峰特點較好地與官能團吻合起來，也進一步驗證了計算的準確性。見圖3-6。

圖4 在氣相和甲醇環境中的五味子木脂素乙素的紅外光譜圖

圖5 在氣相和甲醇環境中的五味子木脂素醇甲的紅外光譜圖

圖6 在氣相和甲醇環境中的五味子木脂素酯甲的紅外光譜圖

2.4 電子結構分析

2.4.14 種木脂素的結構：4種木脂素在氣相和甲醇中的一些電子結構性質，見表2。4種木脂素的最高已占軌道（HOMO）和最低未占軌道（LUMO）軌道組成圖，見圖7。甲素的各原子的Mulliken電荷數和偶極矩的方向，見圖8。

2.4.24 種木脂素在氣相和甲醇中的電子結構分析：前線軌道能差（Δε）=εLUMO-εHOMO體現其反應性的高低，能差越大，HOMO和LUMO要失去和得到電子都非常困難，其中酯甲相對反應性高些[22]。4種木脂素都是極性的，但極性不大，在甲醇中一般是極性增加。前三種化合物類似，均主要由苯環的π軌道和五元雜環的π軌道構成，而酯甲的LUMO則是苯酰的π軌道組成，見圖7。碳氧都是帶負電荷，見圖8。隨著羥基的增加，共軛體系的增大，HOMOLUMO的能級差的減小，使體系的頻率減小，波長增大，譜線發生紅移，這與實驗結果相吻合。

3 結論

本研究運用DFT-B3LYP方法在6-31+G**基組水平上對五味子中含量較高的具有重要臨床價值的4種木脂素甲素、乙素、醇甲和酯甲在氣相和甲醇中的紫外光譜、紅外光譜及電子結構和幾何結構進行了計算。通過理論計算值與實驗值進行對比分析，用量子化學計算方法處理的結果與文獻值基本吻合?？芍昧孔踊瘜W方法對五味子木脂素類化合物進行理論研究是有效的，并能通過計算來討論其電荷轉移和取代基效應，對理論研究和實驗研究具有一定的參考價值，對于理解其譜峰差異具有重要意義，尤其是在重要指紋圖譜分析方面，對鑒定該類化合物和了解其藥效差異具有直接意義。

表2 在氣相和甲醇環境中五味子木脂素甲素、乙素、醇甲和酯甲的前線軌道能差、偶極距和轉動系數

圖7 B3LYP/6-31+G*水平計算得到的甲醇環境中4種五味子木脂素前線軌道圖

圖8 B3LYP/6-31+G*計算水相中五味子甲素的Mulliken電荷分布和偶極矩方向

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（本文編輯：吳彬）

Comparision of the structures and properties of four kinds of lignans in Schisandra Chinensis (Turcz.)Baill

JIN Lisi1, WENG Jinyue1, ZHENG Jingsheng2, WANG Chaojie3. 1.Dingli Clinical Institute of Wenzhou

Medical University, Wenzhou Central Hospital, Wenzhou, 325000; 2.Wenzhou Hospital of Traditional Chinese Medicine, Wenzhou, 325000; 3.School of Pharmacy, Wenzhou Medical University, Wenzhou, 325035

Objective:To analyze the structures and spectral difference of four kinds of lignans in Schisandra Chinensis (Turcz.) Baill. through theoretical calculation.Methods:The geometrical structure, ultravioletvisible spectrum, infrared vibrational spectrum and electronic structure of four kinds of lignans in Schisandra Chinensis were studied at the level of DFT/B3LYP/6-31+G** in gas phase and methanol, the solvent effects were considered by polarizable continuum model (PCM).Results:The optimized geometrical structure parameters of the lignans were close to each other in gas phase and in methanol. The calculated UV-Vis spectral characteristic peaks were similar to each other but Schisantherin A was higher than the other three. To the IR vibrational spectra, the peak strength increased in methanol. All lignans were polar molecules, and only the LUMO of Schisantherin A located at benzoyl group. All computed data were agreed well with available reported data.Conclusion:The results of deep understanding of the structure and properties of four kinds of lignans in Schisandra Chinensis (Turcz.) Baill. have certain scientifc signifcance.

Schisandra Chinensis (Turcz.) Baill.; lignan; DFT; B3LYP

O641

A

10.3969/j.issn.2095-9400.2017.01.009

2016-01-06

金利思（1986-），女，浙江溫州人，主管中藥師。

王朝杰，教授，Email：chjwang@wmu.edu.cn。