3－硝基苯并蒽酮的碳和氫的化學(xué)位移歸屬

王思宏， 尹秀梅， 闞玉和， 張敬東

（1.延邊大學(xué)分析測試中心，吉林 延吉133002；2.延邊大學(xué)藥學(xué)院，吉林 延吉133002；3.淮陰師范學(xué)院 化學(xué)系，江蘇 淮安223300）

3－硝基苯并蒽酮的碳和氫的化學(xué)位移歸屬

王思宏1， 尹秀梅2， 闞玉和3， 張敬東1

（1.延邊大學(xué)分析測試中心，吉林 延吉133002；2.延邊大學(xué)藥學(xué)院，吉林 延吉133002；3.淮陰師范學(xué)院 化學(xué)系，江蘇 淮安223300）

為探討多環(huán)芳香體系的季碳化學(xué)位移難歸屬問題，采用1H、13C、ATP等1D NMR技術(shù)以及1H－1H COSY、HMQC、HMBC等2D NMR技術(shù)，在6－311＋G（3df）水平上，結(jié)合密度泛函理論B3LYP方法，對(duì)3－硝基苯并蒽酮（3－NBA）的碳和氫的化學(xué)位移進(jìn)行歸屬.計(jì)算結(jié)果顯示，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值相吻合，該研究結(jié)果可為3－NBA基準(zhǔn)物質(zhì)標(biāo)定提供依據(jù).

3－硝基苯并蒽酮；核磁共振解析；量子化學(xué)計(jì)算

3－硝基苯并蒽酮（3－NBA）為多環(huán)芳烴酮類化合物，廣泛地存在于大氣、土壤、沉積物、機(jī)動(dòng)車尾氣等環(huán)境 介 質(zhì) 中［1－2］.3－NBA 具 有 很 強(qiáng) 的 致 突 變性，不但會(huì)使人體組織出血，還可以使腸壁的茸毛脫落并讓腸壁變脆［3－6］.由于3－NBA 是多環(huán)芳烴酮體系，因此，其季碳的化學(xué)位移難以采用一維核磁共振技術(shù)或者經(jīng)驗(yàn)規(guī)則進(jìn)行準(zhǔn)確的歸屬.本文采用 APT、HMQC、HMBC、1H－1H COSY 等核磁共振波譜技術(shù)，并結(jié)合量子化學(xué)中的密度泛函理論，對(duì)3－NBA的碳和氫的化學(xué)位移進(jìn)行歸屬［7］，為3－NBA基準(zhǔn)物質(zhì)標(biāo)定提供依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 藥品與儀器

依據(jù)文獻(xiàn)［8－11］合成3－NBA，樣品為黃色粉末，熔點(diǎn)為256～257℃.樣品的NMR實(shí)驗(yàn)均在Bruker AV 300核磁共振波儀上完成，樣品均用5 mm BBI探頭在室溫條件下測試，溶劑為氘代氯仿（Cambridge Isotope Laboratories，Inc.）.

1.2 核磁共振測試的參數(shù)

1H NMR，13C NMR觀察頻率分別為300 MHz和75 MHz，脈沖序列采用Bruker Xwinnmr 3.5標(biāo)準(zhǔn) 參 數(shù) 組，APT 及 二 維 NMR（HMBC，HMQC，1H－1H COSY）實(shí)驗(yàn)均按標(biāo)準(zhǔn)脈沖序列進(jìn)行.

1.3 計(jì)算方法

計(jì)算運(yùn)用密度泛函理論B3LYP方法，并采用6－311G（d，p）基組對(duì)模型體系進(jìn)行幾何優(yōu)化.用規(guī)范不變?cè)榆壍溃℅IAO）量化計(jì)算方法得到核磁共振屏蔽張量.參照在同一理論水平計(jì)算出的TMS的對(duì)應(yīng)值得到氫和碳的各向同性的化學(xué)位移.溶劑化對(duì)理論核磁共振的參數(shù)影響，擬合在積分方程體系的IEF－PCM 中［12－13］正常所有的量化計(jì)算均用Gaussian03程序包完成.

2 結(jié)果與討論

2.1 3－NBA的氫譜

3－NBA的結(jié)構(gòu)式和編號(hào)如圖1所示.3－NBA的核磁共振氫譜見圖2.由圖1和圖2可知，3－NBA的核磁共振氫譜中有8組峰：δH8.95（d，J＝8.6 Hz），8.84（d，J＝8.6 Hz），8.51（d，J＝7.2 Hz），8.40（d，J＝8.3 Hz），8.35（d，J＝8.1 Hz），7.99（t，J＝8.6 Hz），7.83（t，J＝7.7 Hz），7.58（t，J＝7.5 Hz）.依據(jù)偶合常數(shù)，δH8.95、8.84、7.99，δH8.51、7.58，δH8.40、8.35、7.83是在空間上分別有鄰近關(guān)系的3組氫.

圖1 B3LYP／6－311＋G＊＊優(yōu)化計(jì)算前和后的3－NBA的編號(hào)

圖2 3－NBA的氫譜圖

2.2 3－NBA的碳譜和APT譜

3－NBA的碳譜和APT譜見圖3和圖4.由圖1、圖3和圖4可知，3－NBA的碳譜和APT譜中有17種碳，說明測試結(jié)果與3－NBA的碳骨架相符.將3－NBA的碳譜與 APT譜相比較可知δC184.8、148.7、135.8、134.4、132.6、130.2 130.1、126.4是季碳的吸收峰化學(xué)位移，而δC135.9、132.5、131.8、131.7、131.1、130.0、126.9 125.7、123.8是仲碳的吸收峰化學(xué)位移.另外，由3－NBA的結(jié)構(gòu)可知，δC184.8是3－NBA 中酮羰基的碳的吸收峰化學(xué)位移.

圖3 3－NBA的碳譜圖

圖4 3－NBA的APT譜圖

2.3 3－NBA的1 H－1 H COSY譜

3－NBA的1H－1H COSY譜見圖5.由圖1和圖5可知，3－NBA的1H－1H COSY譜中δH8.95、8.84、7.99，δH8.51、7.58，δH8.40、8.35、7.83是3組相關(guān)峰，表明3－NBA中苯環(huán)上氫之間的空間臨近的位置關(guān)系.

圖5 3－NBA的1 H－1 H COSY譜圖

2.4 3－NBA的 HMQC譜

3－NBA的HMQC譜見圖6.由圖1和圖6可知，3－NBA的 HMQC譜中δC131.74（C－13）與δH8.95（H－20）相對(duì)應(yīng)，即δC131.7與δH8.95是3－NBA的13位的碳和20位的氫，δC132.5與δH8.84，δC130.0、125.7與δH8.51，δC125.7與δH8.40，δC126.9與δH8.35，δC131.8與δH7.99，δC132.5與δH7.83，δC135.8與δH7.58分別相對(duì)應(yīng)，這些對(duì)應(yīng)是3－NBA中含氫的碳之間的一鍵相連，而δC184.8、148.7、135.8、134.4、132.6、130.2、130.1、126.4在 HMQC譜中沒有對(duì)應(yīng)的氫相關(guān)，說明它們是3－NBA中季碳的吸收峰，這與ATP譜得出的結(jié)論是一致的.

2.5 3－NBA的 HMBC譜

3－NBA的HMBC譜見圖7.由圖1和圖7可知，3－NBA 的 HMBC譜中δC184.8（C－7）與δH8.84（H－12）相關(guān)，驗(yàn)證了δC184.8是酮羰基碳，是7位的碳.δC148.7與δH8.51相關(guān)，因?yàn)镃－23與強(qiáng)吸電子的硝基相連，其碳吸收峰化學(xué)位移低場移動(dòng)，δC148.7（C－23）與δH8.51（H－27）兩鍵相關(guān)，因此C－23化學(xué)位移為δC148.7.與 H－16、H－17都相關(guān)的是C－3，化學(xué)位移是δC135.8.與 H－18、H－19都相關(guān)的是 C－4，化學(xué)位移是δC132.6.與H－12、H－20都相關(guān)的是 C－10，化學(xué)位移是δC130.1.與 H－26、H－20都相關(guān)的是 C－15，化學(xué)位移是δC126.4.位于稠環(huán)中心9位的季碳，沒有與之相關(guān)的氫，其化學(xué)位移為δC130.2.

圖6 3－NBA的HMQC譜圖

圖7 3－NBA的HMBC譜圖

2.6 3－NBA的量化計(jì)算

文獻(xiàn)［14－15］利用密度泛函理論和時(shí)間相關(guān)密度泛函理論研究了單硝化苯并蒽酮的吸收譜電子親和性、電離勢、熒光譜.本文運(yùn)用密度泛函理論方法B3LYP／6－311＋＋G＊＊對(duì)模型體系進(jìn)行幾何優(yōu)化，量化計(jì)算結(jié)果見表1和表2.同時(shí)還對(duì)3－NBA氫和碳化學(xué)位移的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行了線性回歸，其相關(guān)系數(shù)（R2）氫為0.994 0，碳為0.997 9［16］，結(jié)果顯示，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值相吻合.

3 結(jié)論

采用 APT、HMQC、HMBC、1H－1H COSY等核磁共振技術(shù)，對(duì)3－NBA的碳和氫的化學(xué)位移進(jìn)行了全歸屬，解決了用經(jīng)驗(yàn)規(guī)則難以進(jìn)行準(zhǔn)確歸屬的季碳的碳化學(xué)位移歸屬問題，如3－NBA中的季碳δC148.7、135.8、134.4、132.6、130.2、130.1、126.4的歸屬結(jié)果與量化計(jì)算一致.

表1 3－NBA的氫化學(xué)位移理論值與計(jì)算值

表2 3－NBA的碳化學(xué)位移理論值與計(jì)算值

［1］ Tang N，Taga R，Hattori T，et al.Determination of atmospheric nitrobenzanthrones by high－performance liquid chromatography with chemiluminescence detection［J］.Analytical Sciences，2004，20（1）：119－123.

［2］ Linhart I，Mráz J，HanzlíkováI，et al.Carcinogenic 3－nitrobenzanthrone but not 2－nitrobenzanthrone is metabolised to an unusual mercapturic acid in rats［J］.Toxicology Letters，2012，208（3）：246－253.

［3］ Enya T，Kawanishi M，Suzuki H，et al.An unusual dna adduct derived from the powerfully mutagenic envi－ronmental contaminant 3－nitrobenzanthrone［J］.Chemical Research in Toxicology，1998，11（12）：1460－1467

［4］ Arlt V M.3－Nitrobenzanthrone，a potential human cancer hazard in diesel exhaust and urban air pollution：a review of the evidence［J］.Mutagenesis 2005，20（6）：399－410.

［5］ Reynisson J，StiborováM，Martínek V，et al.Mutagenic potential of nitrenium ions of nitrobenzanthrones：correlation between theory and experimen［J］.Environmental and Molecular Mutagenesis 2008，49（8）：659－667.

［6］ Takamura－Enya T，Suzuki H，Hisamatsu Y.Mutagenic activities and physicochemical properties o selected nitrobenzanthrones［J］.Mutagenesis，2006 21（6）：399－404.

［7］ Wang S，Kan Y.Experimental and theoretical studies of the absolute configuration of（2S，1′R）and（2R，1′R）－2－acetoxymethyl－3－phenyl－N－（1′－phenylethyl）－propionamide［J］.Journal of Molecular Structure，2010，981（1／3）：159－162.

［8］ Ohshima S，Onozato M，F(xiàn)ujimaki Y，et al.Analysis of the metabolic transformation of mutagenic nitrobenzobenzanthrones by molecular orbital calculations［J］.Polycyclic Aromatic Compounds，2008 28（4／5）：418－433.

［9］ Takekawa M，F(xiàn)ujimaki Y，Ohshima S，et al.Synthesis of 1－and 2－chloro－7H－benz［de］anthr－7－on［J］.Polycyclic Aromatic Compounds，2002，22（3／4）：259－266.

［10］ Suzuki H，Enya T，Hisamatsu Y.Synthesis and characterization of some nitrobenzanthrones：suspected new mutagens in atmospheric environmen［J］.Synthesis，1997（11）：1273，1276.

［11］ Enya T，Suzuki H，Hisamatsu Y.Reaction o benzanthrone（7H－benz［d，e］anthracen－7－one）with nitrogen dioxide alone or in admixture with ozone Implications for the atmospheric formation of genotoxic 3－nitrobenzanthrone［J］.Bulletin of the Chemical Society of Japan，1998，71（9）：2221－2228.

［12］ Frisch M J，Trucks G W，Schlegel H B，et al Gaussian 03，Revision C02［CP］.Gaussian，Inc Wallingford CT，2004.

［13］ Kan Y H，Li Q.DFT studies on the structure and e

lectronic spectra of C－62 and its pyridinyl derivative

［J］.Chem J Chin Univ－Chin，2009，30（1）：174－177［14］ Onchoke K K.DFT／TD－DFT investigation of optical absorption spectra，electron affinities，and ionization potentials of mono－nitrated benzanthrones［J］.Computational and Theoretical Chemistry 2011，963（1）：40－50.

［15］ Ohshima S，F(xiàn)ujimaki Y，Takekawa M，et al.Absorption and fluorescence spectra of nitrobenzanthrones［J］.Polycyclic Aromatic Compounds 2002，22（3／4）：433－440.

［16］ Li XF，Zhang DH，Lee U，et al.Bromomyrothenon B and botrytinone，cyclopentenone derivatives from marine isolate of the fungus botrytis［J］.Journal o Natural Products，2007，70（2）：307－309.

Assignment of carbon and proton chemical shifts of 3－nitrobenzanthrone

WANG Si－h(huán)ong1， YIN Xiu－mei2， KAN Yu－h(huán)e3， ZHANG Jing－dong1
（1.Center of Analysis and Test，Yanbian University，Yanji 133002，China；2.College of Pharmacy，Yanbian University，Yanji 133002，China；3.Department of Chemistry，Huaiyin Normal University，Huai’an 223300，China ）

The carbon and proton chemical shifts of 3－nitrobenzanthrone is elucidated by 1D NMR using1H，13C，APT and the homo／hetero－nuclear 2D NMR techniques，combining density functional theory （DFT）calculations for the NMR spectra using the B3LYP functional and the 6－311＋G＊＊basis set.Assignment puzzle to quarterly carbon of polycyclic aromatic compound is solved.The results can supply the foundation to calibration of standard substance of 3－nitrobenzanthrone.

3－nitrobenzanthrone；NMR assignments；quantum chemistry calculation

O641

A

1004－4353（2012）02－0138－04

2012－03－28

延邊大學(xué)科研項(xiàng)目（601010003）

王思宏（1969—），男，博士，副教授，研究方向?yàn)椴ㄗV分析.