一種一枝黃花內(nèi)酯分子結(jié)構(gòu)與構(gòu)象的計算研究

朱天文

(云南大學化學科學與工程學院，云南昆明 650500)

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一種一枝黃花內(nèi)酯分子結(jié)構(gòu)與構(gòu)象的計算研究

朱天文

(云南大學化學科學與工程學院，云南昆明 650500)

一枝黃花內(nèi)酯是一種從一枝黃花植物中提取到的克羅烷二萜類天然產(chǎn)物，對許多昆蟲具有拒食活性.構(gòu)建了Solidagolactone (4)分子的4種不同的空間結(jié)構(gòu)，利用密度泛函理論（DFT）計算各個構(gòu)象的能量值，找到相對穩(wěn)定的兩種構(gòu)象進行化學位移值計算.研究表明，支鏈的構(gòu)象會影響分子的穩(wěn)定性；通過計算得到的化學位移值與實驗值存在的誤差，可引入校正因子對結(jié)果進行修正.

一枝黃花內(nèi)酯；克羅烷二萜；分子構(gòu)象；化學位移；支鏈

一枝黃花（Solidago decurrens Lour.）是一種菊科植物，可用于治療慢性腎炎、膀胱炎、結(jié)石、風濕、糖尿病等疾病，具有抗氧化、抗菌等藥理作用[1].其化學成分比較復雜，主要是二萜、黃酮類化合物.一枝黃花內(nèi)酯是從該植物中提取到的一種天然產(chǎn)物，屬于克羅烷二萜（Clerodane Diterpenes）范疇.

一般將克羅烷二萜分為兩大類[2]：克羅烷型（Clerodane）（圖1中A和B所示）和對映-克羅烷型（ent-Clerodane）（圖1中C和D所示）.這兩大類中均包含順式（trans-）和反式（cis-）兩種構(gòu)象，其主要區(qū)別在于C5與C10的取代基朝向是否在同一側(cè).此外，這兩大類克羅烷二萜在相同順反式的條件下互為對映異構(gòu)體，即C5、C8、C9、C10的立體化學剛好相反.

圖1 克羅烷二萜的基本構(gòu)象

本文研究選擇了一種一枝黃花內(nèi)酯分子，其平面結(jié)構(gòu)如圖2[3]所示.

顯然，該分子屬于對映-反式-克羅烷類化合物，擁有較長的支鏈以及一個不飽和的內(nèi)酯環(huán).Enriz等[4]通過克羅烷二萜對黃粉蟲的拒食活性研究指出，該類化合物側(cè)鏈上的呋喃環(huán)和α,β-不飽和羰基（或環(huán)氧螺環(huán)）結(jié)構(gòu)片段是拒食活性必不可少的.Solidagolactone (4)分子的支鏈上恰好含有類似的結(jié)構(gòu)，因而可以推測出該分子有一定的拒食活性.此外，支鏈空間取向的不同會影響分子的穩(wěn)定性，從而可能進一步影響分子的生物活性，所以對Solidagolactone (4)分子結(jié)構(gòu)的解析顯得很有必要.

構(gòu)建出Solidagolactone (4)分子的4種擁有不同支鏈構(gòu)型的三維結(jié)構(gòu)，通過密度泛函理論（DFT）并使用Gaussian 09軟件對于這4種構(gòu)象進行優(yōu)化，得到各個構(gòu)象的能量.通過不同構(gòu)象間的平行比較可確定出幾種相對穩(wěn)定的構(gòu)象，并預測出這些構(gòu)象是該分子中的主要構(gòu)象.對于這幾種構(gòu)象進行13C NMR化學位移值的計算，并與實驗值進行比較，通過計算值與實驗值的擬合直線引入校正因子，即可確定出理論計算的方法對于該分子解析的可行性.

圖2 Solidagolactone (4)平面結(jié)構(gòu)與碳原子編號

1 計算方法

實驗所有的DFT計算均通過Gaussian 09軟件包實現(xiàn).首先，利用GaussView 5.0.9構(gòu)建目標分子的4種不同空間構(gòu)象，再調(diào)用Becke型3參數(shù)密度泛函模型、Lee-Yang-Parr泛函（B3LYP），6-31G(d,p)基組在以氯仿為溶劑的環(huán)境中對各個構(gòu)象進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化與振動頻率計算，最終得到勢能最低的4種構(gòu)象.對于13C NMR化學位移值的計算，使用Gauge-Independent Atomic Orbital（GIAO）方法[5]，參照文獻中的天然產(chǎn)物的化學位移計算方法，調(diào)用MPW1PW 91密度泛函模型[5]，6-311+G(2d,p)基組[5]，同樣選擇氯仿構(gòu)造溶劑環(huán)境，對已優(yōu)化的構(gòu)象進行計算.此外采用四甲基硅烷（TMS）為基準物，設置上述條件進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化得到化學位移基準值，為187.316 7 ppm.

圖3 Solidagolactone (4) 分子的4種構(gòu)象

2 結(jié)果與討論

2.1 分子結(jié)構(gòu)與構(gòu)象的性質(zhì)

如圖3所示為Solidagolactone (4)分子的四種無虛頻的穩(wěn)定空間構(gòu)象.顯然，這四種構(gòu)象可通過分子內(nèi)單鍵的旋轉(zhuǎn)相互轉(zhuǎn)化得到.構(gòu)象1為分子的平面結(jié)構(gòu)通過Chem 3D軟件構(gòu)建，在4種構(gòu)象中可認為是最原始的構(gòu)象.旋轉(zhuǎn)構(gòu)象1中的C12-C13單鍵，可得到構(gòu)象2.再旋轉(zhuǎn)構(gòu)象2中的C11-C12單鍵，可得到構(gòu)象3.同理，旋轉(zhuǎn)構(gòu)象3的C12-C13單鍵得到構(gòu)象4，而構(gòu)象4則也可以通過構(gòu)象1直接旋轉(zhuǎn)C11-C12得到.4種構(gòu)象的支鏈結(jié)構(gòu)有明顯不同，導致了能量與部分鍵角角度存在差異.Solidagolactone (4)分子的4種構(gòu)象的支鏈結(jié)構(gòu)見圖4.

圖4 Solidagolactone (4)分子的4種構(gòu)象的支鏈結(jié)構(gòu)

通過圖4發(fā)現(xiàn)，構(gòu)象1與構(gòu)象4擁有相同的內(nèi)酯環(huán)結(jié)構(gòu)，而構(gòu)象3和構(gòu)象4擁有相同的除內(nèi)酯環(huán)外的鏈狀結(jié)構(gòu)，這也就導致了4種構(gòu)象在某些鍵角角度上的兩兩相似的情況.表1反映了4種構(gòu)象通過計算得到的各項參數(shù)的數(shù)值情況.在結(jié)構(gòu)的能量方面，若以構(gòu)象1的能量為零點，可得出構(gòu)象2、構(gòu)象3和構(gòu)象4的能量相對值.通過比較發(fā)現(xiàn)，構(gòu)象1和構(gòu)象2能量非常接近，這是由于內(nèi)酯環(huán)空間結(jié)構(gòu)的微小差異導致了能量的不同，但相較于構(gòu)象3和構(gòu)象4而言要穩(wěn)定很多，因此可以預測出Solidagolactone (4)分子主要是以構(gòu)象1和構(gòu)象2存在的.而構(gòu)象3與構(gòu)象4的內(nèi)酯環(huán)由于非?？拷Y(jié)構(gòu)的母環(huán)，有很強的空間位阻效應，結(jié)構(gòu)的能量迅速升高.構(gòu)象4的內(nèi)酯環(huán)具有與構(gòu)象1相同的空間取向，因而能量值略低于構(gòu)象3.在偶極矩方面，4種構(gòu)象的偶極矩非常接近.在鍵角角度方面，出現(xiàn)了兩兩相似的情況.例如，構(gòu)象3與構(gòu)象4都有C11-C12的旋轉(zhuǎn)，所以兩種構(gòu)象各自的∠C11-C12-C13數(shù)值較為接近，∠C9-C11-C12亦是如此.同理，構(gòu)象2與構(gòu)象 3的內(nèi)酯環(huán)有相同的空間取向，因此兩種構(gòu)象各自的∠C12-C13-C14數(shù)值也非常接近，∠C12-C13-C16亦是如此.

表1 Solidagolactone (4)分子的4種構(gòu)象的能量、偶極矩和鍵角

2.213C NMR化學位移值

為了進一步對結(jié)構(gòu)展開解析工作，利用Gaussian 09軟件包對于構(gòu)象1和構(gòu)象2進行13C NMR化學位移值計算，并結(jié)合Müller等[3]利用CDCl3為溶劑，TMS作為基準物的實驗化學位移值，得到表2.對照實驗化學位移值，注意到，C15受到羰基的強吸電子作用，屏蔽效應減弱，化學位移值應該為最大，而實驗值符合這一點，然而在計算中2種構(gòu)象的計算值均顯示C13的化學位移值最大，顯然計算與實驗在分析結(jié)果上存在很大不同.

表2 構(gòu)象1和構(gòu)象2的13C NMR的計算值與實驗值

可將計算值與實驗值的差值以柱形圖的形式反映出來，如圖5所示.

圖5 構(gòu)象1和構(gòu)象2的13C NMR化學位移計算值與實驗值之差

通常計算值與實驗值的差值往往只有幾個ppm，而圖5中所示構(gòu)象1和構(gòu)象2均有碳原子的化學位移差值超過12 ppm的情況，比如構(gòu)象1的C13，構(gòu)象2的C11和C13.目前的結(jié)論并不讓人滿意.此時可人為引入一個校正因子來提高結(jié)果的精確度，即將表2中每種構(gòu)象計算值為縱坐標，實驗值為橫坐標進行線性擬合.在極限情況下，若實驗值為0 ppm時，計算值也應為0 ppm，因而擬合直線的截距可作為一個校正因子引入，同時直線的斜率也能為計算機模擬核磁共振譜的可行性提供依據(jù).圖6為構(gòu)象1和構(gòu)象2的13C NMR化學位移計算值與實驗值擬合直線.

圖6 構(gòu)象1和構(gòu)象2的13C NMR化學位移計算值與實驗值擬合直線

圖6反映了以構(gòu)象1和構(gòu)象2各自的13C NMR的計算值為縱坐標，實驗值為橫坐標，利用Origin Pro 9.0軟件得到的一組擬合直線.以構(gòu)象1為例分析，如圖所示，該擬合直線的方程為y=3.004 62+1.048 4x（R2=0.996 32)，線性良好.因此，該直線方程的截距3.00 462 ppm可作為一個校正因子引入，從而得到了校正后的計算與實驗化學位移差值（Δδ值），如圖5中構(gòu)象1的灰色系列所示.不難發(fā)現(xiàn)，原本有部分差值在12 ppm左右，經(jīng)過校正后，除了存在明顯系統(tǒng)誤差的C13，整體的差值在8 ppm左右，效果明顯.此外，該擬合直線的斜率為1.048 4≈1，證實了通過計算方法得到的化學位移值的合理性，但是顯然核磁計算的泛函模型對于該分子并不是最合適的，有待于進一步的研究.

同理，構(gòu)象2的擬合方程為y=3.406 15+1.047 68x（R2=0.995 4)，最終經(jīng)過校正，同樣除去存在明顯系統(tǒng)誤差的C13，整體的差值在9 ppm左右.相比之下，校正后的化學位移差值構(gòu)象1比構(gòu)象2整體更小一點，可以預測出Müller等[3]通過全合成得到的Solidagolactone (4)分子中主要有構(gòu)象1和構(gòu)象2，構(gòu)象1所占比例略大.

3 結(jié) 論

通過對一種一枝黃花內(nèi)酯分子—— Solidagolactone (4)結(jié)構(gòu)的解析，找到了該分子的幾種穩(wěn)定構(gòu)象，討論了不同支鏈構(gòu)象對分子的影響以及利用計算化學軟件得到了13C NMR的化學位移計算值.顯然，計算軟件的系統(tǒng)誤差無法避免，此外模擬的氯仿溶劑環(huán)境與實驗條件下氘代氯仿的溶劑環(huán)境也存在一定的差異，通過引入校正因子對計算值進行合理修正能夠得到令人滿意的結(jié)果.計算化學方法的優(yōu)勢在于能夠簡化許多復雜的工作，特別是對于天然產(chǎn)物分子結(jié)構(gòu)的解析.對于Solidagolactone (4) 結(jié)構(gòu)的解析，能夠為今后研究該物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)對生物活性影響方面提供理論基礎.

[1] 馬騰, 翟晶, 白虹, 等. 加拿大一枝黃花化學成分的研究[J]. 食品與藥品, 2011, 13(3): 104-106.

[2] 孫漢董. 二萜化學[M]. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2012: 54-55.

[3] Müller D S, Untiedt N L, Dieskau A P, et al. Constructing quaternary stereogenic centers using tertiary organocuprates and tertiary radicals. Total synthesis of trans-clerodane natural products [J]. J Am Chem Soc, 2015, 137: 660-663.

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Computation Study on Molecular Structure and Conformation of Solidago Lactone

ZHU Tianwen
(College of Chemical Science and Engineering, Yunnan University, Kunming, China 650500)

Solidago Lactone is a sort of Clerodane Diterpenoid natural products extracted from the solidago decurrens lour. It has antifeedant property to many insects. Firstly, this study builds 4 different kinds of spatial structures of the solidago lactone (4). Then, the energy value of all molecular conformations is calculated by means of DFT (Density Functional Theory) in order to discover thr relatively stable chemical shift value calculation from two conformations. The research shows that the branched chain conformation will have some influence on the molecular stability. Besides, there exist some errors between the chemical shift values and the experimental values. The correction factor can be introduced to modify the results.

Solidago Lactone ; Clerodane Diterpenoid; Molecular Conformation; Chemical Shift; Branched Chain

O6-04

A

1674-3563(2016)01-0036-06

10.3875/j.issn.1674-3563.2016.01.005 本文的PDF文件可以從xuebao.wzu.edu.cn獲得

(編輯：封毅)

2015-06-12

朱天文(1993- )，男，浙江溫州人，研究方向：天然產(chǎn)物的理論計算