吳茱萸堿結構和振動光譜的理論研究

劉靖麗, 郭 惠, 張 拴

(陜西中醫藥大學 藥學院, 陜西 咸陽 712046)

中藥吳茱萸為蕓香科植物吳茱萸、石虎和疏毛吳茱萸的干燥近成熟的果實，吳萸堿(Evo)是其重要的生物堿活性成分[1].研究表明，Evo具有抗腫瘤、降血壓、抗炎、減肥、鎮痛、免疫調節等多種藥理學作用[2-4].因此，研究吳茱萸堿的構效關系[5]在藥理學、生物化學、藥物設計以及新藥開發中具有重要意義.李書華[6]從吳茱萸中分離得到吳茱萸堿，利用核磁共振對其結構進行了鑒定，最后通過X-單晶衍射測得其晶體結構.郭惠等[7]等利用化學方法合成了吳茱萸堿，對其結構進行了表征，測得了其紅外振動光譜，并對主要基團的振動模式進行了指認.吳茱萸堿分子中含有吲哚環、喹啉環和吡啶環，結構較為復雜，環與環之間可能存在一定的作用力，分子內部各基團存在著一定的耦合作用，使得對于這類天然化合物的振動吸收光譜的指認存在困難.目前尚未見對吳茱萸堿的結構和振動光譜進行理論研究的報道.本文采用DFT方法研究了去氫抗壞血酸[8]、兒茶素[9]、咖啡酸[10]和槲皮素[11]分子的振動光譜，對它們的振動模式進行了理論歸屬和指認，與實驗光譜吻合的較好，說明DFT方法是探討分子振動光譜的較好方法.基于此，本文采用密度泛函B3LYP和B3PW91方法，對吳茱萸堿分子進行了幾何結構優化(幾何結構示意圖及原子編號見圖1)和振動光譜的計算，并與實驗結果進行比較，對其振動模式進行指認和歸屬，以期對于研究吳茱萸堿及其衍生物的藥物構效關系提供理論基礎.

1 計算方法

采用密度泛函B3LYP和B3PW91方法，以6-311++G**為基組對吳茱萸堿的幾何結構(幾何結構示意圖及原子編號見圖1)進行全優化，得到吳茱萸堿的理論幾何平衡結構.然后在相同的理論水平上計算其平衡構型下的振動諧力常數和振動頻率以及紅外光譜和拉曼光譜.所有的計算均由Gaussian 09[12]程序完成.

2 結果與討論

2.1分子幾何構型分析采用密度泛函理論B3LYP和B3PW91方法，以6-311++G**為基組對吳茱萸堿(Evo)的分子結構進行了全優化，兩種方法計算所得的理論平衡幾何結構一致.由此結構計算所得到的頻率中沒有虛頻，說明相應的理論計算幾何結構為穩定結構，如圖1所示.2種方法計算所得的部分幾何結構參數列于表1和2，可見，2種方法所得的結構參數與X射線晶體衍射實驗數據[6]相一致.

表 1 在B3LYP和B3PW91水平上結合6-311++G**基組計算得到吳茱萸堿的鍵長

表 2 在B3LYP和B3PW91水平上結合6-311++G**基組計算得到吳茱萸堿的鍵角

由圖1可見，優化得到的吳茱萸堿分子中A環是一個平面構型，B環是一個平面五元環系，C環是一個信封式的構型，C2—C3—C5—C6—C7共5個碳原子在一個平面，N4為信封封口.D環也采用信封式構型，N14—C15—C20—C21—N4共5個原子在一個平面，C3為信封封口，E環是一個平面的六元環系.計算得到的幾何平衡結構與吳茱萸堿的X射線單晶衍射的構型完全吻合，說明選取的計算方法是可行的.

2.2吳茱萸堿的紅外光譜分子的紅外吸收光譜，不但可以研究分子的結構，分析化學鍵的強弱，判斷分子的活性位點，還用于表征和鑒別各種化學物質.在得到吳茱萸堿分子的幾何平衡構型后，使用2種方法B3LYP和B3PW91，結合6-311++G**基組計算了吳茱萸堿平衡構型的振動光譜，用高斯函數描述紅外光譜峰形曲線，繪制了吳茱萸堿的理論紅外光譜圖，并與其實驗紅外光譜圖進行了比較(見圖2～4).計算結果表明，該分子屬于C1點群，有40個原子，對應有114個振動模式，皆具有紅外和拉曼活性，沒有出現虛頻，表明得到的吳茱萸堿幾何構型處于勢能面上能量極小點.

圖 2 吳茱萸堿的實驗紅外光譜圖[7]

圖 3 吳茱萸堿在B3LYP/6-311++G**下計算的理論紅外光譜圖

圖 4 吳茱萸堿在B3PW91/6-311++G**下計算的理論紅外光譜圖

計算得到的頻率范圍分布為40～3 680 cm-1，其中ν114(3 660 cm-1)，摩爾吸光系數為222 L/(mol·cm)，歸屬于N—H的伸縮振動，是譜圖上峰型最為尖銳的峰，可作為吳茱萸堿的特征鑒別峰.實驗光譜中N—H的伸縮振動吸收峰出現在3 220 cm-1處，可能由于吳茱萸堿分子間氫鍵的存在[6]，使得譜帶變寬并向低波數方向移動.最強的譜線頻率為ν97(1 720 cm-1)，摩爾吸光系數為631 L/(mol·cm)，歸屬于C21O22的伸縮振動，實驗譜圖在1 633 cm-1處出現了CO的特征吸收峰.3 200～3 100 cm-1之間的8處吸收峰為苯環A和E上C—H的伸縮振動，3 100～3 000之間的振動吸收峰，歸屬于D環上甲基的C—H對稱和反對稱伸縮振動以及C環上CH2的伸縮振動，對應于實驗譜圖中的2 940和2 904 cm-1處的吸收峰.1 700～1 600 cm-1之間的振動吸收峰，歸屬于苯環A和E骨架伸縮振動，它們是苯環的特征振動，對應于實驗譜圖中1 503和1 466 cm-1處的吸收.由于苯環和五元環結構間的耦合作用，波數在1 600 cm-1以下的振動頻率分布密集，從而使得振動模式的歸屬較為復雜.其中ν81(1 430 cm-1)，摩爾吸光系數為680 L/(mol·cm)，主要由C3—H48的面內搖擺和環變形振動貢獻.ν72(1 290 cm-1)，摩爾吸光系數為297 L/(mol·cm)，是由N1—C2和N1—C13伸縮振動同整個分子的環伸縮耦合的結果.通過圖2可以看出，2種方法計算所得吳茱萸堿分子的理論光譜圖與其實驗光譜圖基本一致，尤其是CO作為最強振動，對于苯環上的C—H伸縮振動，CC伸縮振動以及N—H的伸縮振動等特征振動，有關理論計算和實驗光譜圖均達到較好的一致.可以看到N—H和C—H鍵的振動頻率都在3 000 cm-1以上,苯環骨架的伸縮振動在1 700～1 500 cm-1之間，而低頻率主要是環的搖擺和變形等，有關光譜圖及其有關振動模式的指認和實驗一致.

2.3吳茱萸堿的拉曼光譜吳茱萸堿的紅外光譜和拉曼光譜比較相近，同一基團在紅外光譜和拉曼光譜上都有顯示，只是振動強弱有差異，有些基團在紅外光譜圖上吸收峰很明顯但是在拉曼光譜圖上活性較弱，相反的有些峰在拉曼譜圖上活性較強但是在紅外光譜圖上吸收較弱，因此可以把紅外光譜和拉曼光譜結合起來分析吳茱萸堿的性質.

圖 5 吳茱萸堿在B3LYP/6-311++G**水平上計算的拉曼光譜

圖 6 吳茱萸堿在B3PW91/6-311++G**水平上計算的拉曼光譜

在2種水平B3LYP/6-311++G**和B3PW91/6-311++G**上計算所得的吳茱萸堿的拉曼光譜，如圖5和6所示.吳茱萸堿分子所有振動模式都具有拉曼活性，振動頻率在1 000 cm-1以下和3 200 cm-1以上的吸收峰，拉曼活性很小.最強的吸收峰頻率為3 200 cm-1，吸收強度為19.6 kM/mol，是N—H鍵的伸縮振動吸收峰.頻率范圍在3 200～2 900 cm-1的吸收峰具有較強的拉曼活性，歸屬于環上C—H的伸縮振動.頻率在1 600～1 700 cm-1的吸收峰具有中等強度的拉曼活性，是CO的伸縮振動及苯環C—H鍵扭轉及C—C鍵的伸縮振動.

3 結論

采用密度泛函理論B3LYP和B3PW91方法，在6-311++G**水平上研究了吳茱萸堿的平衡幾何結構、紅外和拉曼振動光譜.2種方法計算所得的吳茱萸堿均是一個非平面結構的分子，與實驗晶體結構吻合的很好.吳茱萸堿分子有40個原子，對應有114個振動模式，均具有紅外和拉曼活性.紅外吸收最強的吸收峰的振動頻率為1 720 cm-1，摩爾吸光系數為631 L/(mol·cm)，歸屬于C21O22雙鍵的伸縮振動.拉曼吸收最強的吸收峰的振動頻率為3 200 cm-1，吸收強度為19.6 kM/mol，是N—H鍵的伸縮振動吸收峰.研究結果可為進一步研究吳茱萸堿及其衍生物的結構和生物活性提供一定的理論基礎.

致謝陜西中醫藥大學重點培育項目(2015PY11)對本文給予了資助，謹致謝意.