抗腦卒中病化合物ZL006光學活性密度泛函研究

朱明臣，鮑 穎，葉余原

抗腦卒中病化合物ZL006光學活性密度泛函研究

朱明臣，鮑 穎，葉余原

（臺州學院醫(yī)藥化工學院，浙江 臺州 318000）

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

ZL006；密度泛函理論；電子光譜

腦卒中學名腦中風，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，是嚴重危害人類生命健康安全的常見難治性疾病[1]。又因各種誘導引起腦內(nèi)動脈閉塞、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、腦保護藥等[3-5]，但是對神經(jīng)都有很大的毒副作用。新型的靶點藥物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)過多重篩選，研究發(fā)現(xiàn)的一種針對新藥物作用靶點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，即在藥理上通過阻斷細胞漿內(nèi)的神經(jīng)元型一氧化氮合酶（nNOS）與細胞膜上的突觸后密度蛋白（PSD-95）的“結(jié)合”來發(fā)揮藥力作用，避免了直接干預NMDAR或nNOS帶來的副作用。該藥物從眾多實驗數(shù)組中篩選得到，通過轉(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。實驗人員繼續(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。從該藥物雖還未進行過臨床試驗投入生產(chǎn)，但是這種研究創(chuàng)新，為治療腦卒中病開辟了新的天地。本文在優(yōu)化結(jié)構(gòu)的基礎上，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行了指認，同時通過對原子電荷、分子極性、等參數(shù)進行了理論預測，獲得了有價值的結(jié)果。

1 計算與參數(shù)

對標題分子 ZL006 (C13H11NO4Cl2)， 采用 DFT B3LYP/6-311+G(d,p) 理論和方法水平, 進行了標題分子基態(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，對標題分子的幾何結(jié)構(gòu)進行了基態(tài)優(yōu)化模擬計算。模擬數(shù)據(jù)表明，正常的C = C和C-C鍵鍵長為（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 ?)。表中部分分子鍵長數(shù)據(jù)優(yōu)化表明： 除C17-N18(1.42 ?)的鍵長稍小外，其他均在正常范圍內(nèi)。結(jié)合圖1分析，C17-N18(1.42 ?)的鍵長稍微小是因為C原子出現(xiàn)在苯環(huán)上，而苯環(huán)是比較穩(wěn)定的。

對應的C29= O30雙鍵(1.236 3 ?) 鍵長稍小于C6-O11鍵(1.374 5 ?)、C23-O27鍵(1.369 1 ?)和C29-O31鍵(1.410 7 ?)的鍵長， 符合穩(wěn)定空間結(jié)構(gòu)的構(gòu)象要求。對比C6、C23和C29三個位置的羥基鍵長，發(fā)現(xiàn)C6位置的酚羥基中O11-H12鍵長為0.992 3 ?，比C23（O27-H28）和C29（O31-H32）上羥基的鍵長大，這可能與鄰位的氯基和長支鏈有關(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。

由分子價鍵理論可得，分子的鍵長越長，其鍵能越小，反應活性越強。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伸長的同時，又可以穩(wěn)定C23上酚羥基的氫，使其不易離去，降低其反應活性，所以不能僅憑借酚羥基的鍵長大小來衡量其活性，還需結(jié)合后續(xù)的光譜分析等來綜合判斷。

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個六元環(huán)不在同一個平面。分子中的支鏈如-CH2-NH-等與苯環(huán)分子沒有處于同一平面上。

2.2 紫外-可見（UV-Vis）吸收光譜

紫外分析對研究共軛程度、氫鍵、空間效應等有很大的作用。全部過程均采用Gaussian 09W軟件計算完成。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）在不同溶劑中進行計算；（2）利用半經(jīng)驗方法ZINDO計算不同溶劑中的紫外-可見光譜。通過比較兩種方法的計算結(jié)果，尋找到最接近實驗數(shù)據(jù)的模擬條件。采用第二種方法，模擬顯示了紫外-可見吸收光譜(圖2)。在圖2中， ZL006分子在267.3 nm (強吸收) 處出現(xiàn)了紫外吸收峰，說明有苯環(huán)的存在，很好地模擬指認了ZL006分子，也進一步驗證了計算的準確性。

2.3 紅外（IR）吸收光譜

標題分子的模擬紅外振動光譜（見圖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)；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頻率決定的，其化學鍵的力常數(shù)K越大，則原子折合質(zhì)量m越小，鍵的振動頻率越大，吸收峰將出現(xiàn)在高波數(shù)區(qū)（短波長區(qū)）；反之，則會出現(xiàn)在低波數(shù)區(qū)（高波長區(qū)）。比較3個羥基（O31-H32，O27-H28，O11-H12）的伸縮振動頻率可得，B 環(huán)羧基上的羥基（O31-H32）的振動頻率最大，B 環(huán)上的酚羥基（O27-H28）的振動頻率次之，A 環(huán)上的酚羥基（O11-H12）最小。因為化學鍵的鍵強度與其振動頻率成正比，且化學鍵越強越不容易斷開，所以B 環(huán)羧基上的羥基（O31-H32）鍵強最大，則其活性就越小?；钚源笮椋篛11-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)目反映有機分子中氫原子的化學環(huán)境種類。從不同特征峰的強度比能反映不同化學環(huán)境下氫原子的數(shù)目比。

采用密度泛函理論方法（DFT），對1HNMR 譜，采用DFT/B3LYP/6-31G//DFT/B3LYP/6-31G水平上進行優(yōu)化計算, 得到ZL006分子的核磁共振氫譜數(shù)據(jù)。同時用ChemDraw模擬得到ZL006分子的核磁共振譜圖，見圖4。二者的數(shù)據(jù)相近，進一步驗證了計算的準確性。

2.5 原子電荷

優(yōu)化后ZL006分子中各原子的NBO電荷分布見表1。由于N和O原子的電負性比C和H原子大。因此,在ZL006分子中，10個C原子 ( - 0.310e ～ -0.055e ) 、4個O原子( - 0.740e ～ - 0.558 e )和N原子 ( - 0.677e )均帶有凈的負電荷。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( - 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，由自然電荷計算表明，O31，O27，O11，N16，O30原子很可能是親電反應作用點，H17，H32原子很可能是親核反應作用點。綜上可推測得胺基，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中心。

2.6 極性和反應活性

偶極矩是用來表示藥物分子極性的重要物理量。用量子化學程序計算得到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電子一樣是化學反應中最活潑的電子，它也是有機化學反應的核心。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的空間取向等化學性質(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)上是遍布這個六元環(huán)的大π鍵，分子骨架外圍羧基的2個氧原子上的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。又因為HOMO上電子云成分多的原子是親核活性點，而LUMO上電子云成分多的原子是親電活性點。由此可見，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中心。

能差 ΔE(ELUMO- EHOMO) 的大小，反映其參加化學反應活性的大小和潛力。如果它的差值越大，分子穩(wěn)定性就越強；相反就越不穩(wěn)定，就越易參與化學反應等。標題分子ZL006的計算結(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。由計算結(jié)果可知該分子能隙較大，所以參加化學反應活性將會較弱。

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吻合較準確，并通過紫外吸收光譜和核磁共振進一步驗證了實驗的準確性。而且通過紅外和結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)羥基和胺基具有活性。

（2）通過對偶極矩的測定，推測ZL006在水中的溶解能力較強，在生物體極性環(huán)境中活性會更高。

（3）通過NBO電荷分布和前線軌道分析，我們推測分子活性最強的部位在胺基和羧基上，通過親核反應和親電反應來發(fā)揮其毒理和藥理作用。

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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

浙江省大學生科技創(chuàng)新項目（新苗人才計劃），項目號：2014R428015。

2015-03-27

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