五味子中4種木脂素結(jié)構(gòu)和譜學(xué)性質(zhì)的比較

金利思，翁金月，鄭京勝，王朝杰

（1．溫州醫(yī)科大學(xué)定理臨床學(xué)院溫州市中心醫(yī)院藥劑科，浙江溫州 325000；2．溫州市中醫(yī)院藥劑科，浙江溫州 325000；3．溫州醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院，浙江溫州 325035）

·論 著·

五味子中4種木脂素結(jié)構(gòu)和譜學(xué)性質(zhì)的比較

金利思1，翁金月1，鄭京勝2，王朝杰3

（1．溫州醫(yī)科大學(xué)定理臨床學(xué)院溫州市中心醫(yī)院藥劑科，浙江溫州 325000；2．溫州市中醫(yī)院藥劑科，浙江溫州 325000；3．溫州醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院，浙江溫州 325035）

目的：通過(guò)理論計(jì)算比較五味子中4種木脂素的結(jié)構(gòu)和譜學(xué)性質(zhì)差異。方法：采用密度泛函理論（DFT）B3LYP方法和極化連續(xù)模型（PCM），在6-31+G**水平上對(duì)氣相和甲醇溶劑中的4種木脂素進(jìn)行理論計(jì)算，對(duì)它們的分子幾何構(gòu)型、紫外-可見光譜、紅外振動(dòng)光譜和電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。結(jié)果：4種木脂素的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)在氣相和甲醇中計(jì)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(qiáng)度增加，紅外光譜與官能團(tuán)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?；鶚?gòu)成；計(jì)算數(shù)值與實(shí)驗(yàn)值較為符合。結(jié)論：通過(guò)理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比分析，用量子化學(xué)方法對(duì)五味子木脂素類化合物進(jìn)行理論研究是有效的，并能通過(guò)計(jì)算來(lái)討論其電荷轉(zhuǎn)移和取代基效應(yīng)，對(duì)理論研究和實(shí)驗(yàn)研究具有一定的參考價(jià)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(shí)[2]，為著名傳統(tǒng)中藥?，F(xiàn)代藥理研究發(fā)現(xiàn)，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(qiáng)抗HIV活性，能作用于病毒雙鏈DNA入核階段，保護(hù)HIV感染的MT-4細(xì)胞[5]；在抗HIV-1、抗HBV、神經(jīng)退行性疾病和對(duì)T淋巴細(xì)胞促進(jìn)增殖作用等方面的活性篩選中，發(fā)現(xiàn)具有較強(qiáng)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(zhì)[8-9]。本研究?jī)H對(duì)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(jìn)行計(jì)算比較，基于量子化學(xué)計(jì)算結(jié)果對(duì)其作用機(jī)制進(jìn)行初步探討。

1 計(jì)算方法

本研究運(yùn)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(duì)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(huán)境中進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和計(jì)算，得到這4種木脂素的分子幾何構(gòu)型、紫外-可見光譜、紅外振動(dòng)光譜、電子結(jié)構(gòu)等信息，考察分析其在氣相和甲醇環(huán)境中的幾何結(jié)構(gòu)、電荷分布、氫鍵特征和構(gòu)象穩(wěn)定性等。溶劑效應(yīng)采用極化連續(xù)介質(zhì)模型（polarizablecontinuummodel，PCM）進(jìn)行處理，計(jì)算數(shù)據(jù)由Gaussian09[16]軟件包實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)可視化處理運(yùn)用OriginLab8.0和ChemiBio3D Ultra12.0軟件包完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 分子幾何構(gòu)型分析

2.1.14 種木脂素在氣相和甲醇環(huán)境中的鍵長(zhǎng)分析：4種木脂素在氣相和甲醇環(huán)境中眾原子的鍵長(zhǎng)值彼此相近，相差不超過(guò)0.005?。在共軛效應(yīng)、誘導(dǎo)效應(yīng)、空間效應(yīng)作用下，鍵長(zhǎng)會(huì)發(fā)生一定變化[17]，優(yōu)化后得到的數(shù)據(jù)基本在正常范圍之內(nèi)，見圖1。

圖1 在氣相和甲醇環(huán)境中的五味子木脂素甲素、乙素、醇甲和酯甲的結(jié)構(gòu)（對(duì)應(yīng)環(huán)境的值從上到下，從左到右，鍵長(zhǎng)單位為?）

2.1.24 種木脂素在氣相和甲醇環(huán)境中的二面角分析：4種木脂素在氣相和甲醇環(huán)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(jié)構(gòu)非常相似，差異僅僅是甲素的聯(lián)苯環(huán)上的甲氧基是獨(dú)立的，而乙素則由一個(gè)亞甲基與兩個(gè)氧相連，形成一個(gè)五元環(huán)，致使其聯(lián)苯環(huán)的二面角增加了4°，同時(shí)C-O鍵的鍵長(zhǎng)也稍微增長(zhǎng)。可知個(gè)別原子受空間位阻效應(yīng)，鄰位取代基效應(yīng)影響比較大，二面角發(fā)生了小幅度的變化，但這些都是在正常范圍之內(nèi)，說(shuō)明這些結(jié)構(gòu)是較為穩(wěn)定的。醇甲比甲素增加了一個(gè)羥基在環(huán)辛二烯環(huán)上，致使聯(lián)苯的二面角約增加了2°，酯甲相對(duì)于醇甲則在環(huán)辛二烯環(huán)上連接了一個(gè)苯甲?；?，其與聯(lián)苯接近垂直，故聯(lián)苯間的二面角反而減小了一點(diǎn)。酯甲在環(huán)辛二烯環(huán)上連接的是苯甲?；?，醇甲對(duì)應(yīng)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(tuán)親水性大，由此推測(cè)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(xì)列出各化合物在甲醇中和水中的主要電子躍遷的組態(tài)系數(shù)、對(duì)應(yīng)軌道、對(duì)應(yīng)能量、吸光波長(zhǎng)、振子強(qiáng)度數(shù)值。

表1 在甲醇和水相環(huán)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(shù)據(jù)

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(qiáng)度有所降低，波長(zhǎng)紅移，而酯甲吸收強(qiáng)度最大，見圖2。陳業(yè)高等[18]分別對(duì)五味子甲素和五味子酯甲的紫外-可見吸收光譜進(jìn)行了測(cè)定，其最大吸收波數(shù)為254cm-1和220cm-1，與計(jì)算值吻合非常好。母核是聯(lián)苯環(huán)辛二烯，在聯(lián)苯環(huán)上的C5和C12位有2個(gè)芳香質(zhì)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(lián)苯環(huán)辛二烯木脂素都是較為復(fù)雜的空間分子，分子中的支鏈與環(huán)和主鏈有明顯的扭轉(zhuǎn)而沒有處在同一平面，這樣的結(jié)構(gòu)受位阻效應(yīng)小有利于發(fā)揮官能團(tuán)的優(yōu)勢(shì)作用。這類聯(lián)苯環(huán)辛二烯木脂素的紫外光譜學(xué)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(shí)后兩個(gè)峰以肩峰形式存在，為氧取代聯(lián)苯環(huán)辛二烯特征吸收峰。C25或C26位有酮基取代時(shí)，與芳環(huán)共扼，在310～325nm處還有一個(gè)吸收峰。見圖2。

2.3 紅外振動(dòng)光譜分析

2.3.14 種木脂素在氣相中的紅外振動(dòng)光譜分析：由于4種化合物的母體結(jié)構(gòu)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(dòng)和苯環(huán)的特征峰，根據(jù)其他研究[19-20]不同理論方法和基組對(duì)振動(dòng)光譜計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)比較，提出B3LYP/6-31+G*的約化因子為0.9614，則與實(shí)驗(yàn)總結(jié)的聯(lián)苯環(huán)辛二烯類木脂素的特征峰吻合，見圖3-6。

圖2 甲醇環(huán)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(huán)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(dòng)光譜分析：4種化合物在甲醇中的峰強(qiáng)度加強(qiáng)而發(fā)生稍許紅移。根據(jù)紅外振動(dòng)光譜的數(shù)據(jù)，可大致判斷出官能團(tuán)的信息，如在1615、1590和1500cm-1左右的吸收峰，表示有芳環(huán)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(dāng)C25位或C26位有酮基，與苯環(huán)同平面而共扼，其紅外振動(dòng)光譜吸收峰在1660cm-1，酮基不能與苯環(huán)同平面而共軛，其吸收峰在1690cm-1。根據(jù)該數(shù)據(jù)可推斷羰基的位置和木脂素的構(gòu)象：S構(gòu)型聯(lián)苯，C4位酮基能與苯環(huán)共扼，推測(cè)八元環(huán)為扭船式構(gòu)象，而C28位酮基則不論八元環(huán)呈何種構(gòu)象，都不能與苯環(huán)共軛；聯(lián)苯為R構(gòu)型，情形則相反[21]。紅外光譜的特征峰特點(diǎn)較好地與官能團(tuán)吻合起來(lái)，也進(jìn)一步驗(yàn)證了計(jì)算的準(zhǔn)確性。見圖3-6。

圖4 在氣相和甲醇環(huán)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(huán)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(huán)境中的五味子木脂素酯甲的紅外光譜圖

2.4 電子結(jié)構(gòu)分析

2.4.14 種木脂素的結(jié)構(gòu)：4種木脂素在氣相和甲醇中的一些電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)，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(shù)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(jié)構(gòu)分析：前線軌道能差（Δε）=εLUMO-εHOMO體現(xiàn)其反應(yīng)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(duì)反應(yīng)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(huán)的π軌道和五元雜環(huán)的π軌道構(gòu)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(fù)電荷，見圖8。隨著羥基的增加，共軛體系的增大，HOMOLUMO的能級(jí)差的減小，使體系的頻率減小，波長(zhǎng)增大，譜線發(fā)生紅移，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。

3 結(jié)論

本研究運(yùn)用DFT-B3LYP方法在6-31+G**基組水平上對(duì)五味子中含量較高的具有重要臨床價(jià)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(jié)構(gòu)和幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算。通過(guò)理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比分析，用量子化學(xué)計(jì)算方法處理的結(jié)果與文獻(xiàn)值基本吻合?？芍昧孔踊瘜W(xué)方法對(duì)五味子木脂素類化合物進(jìn)行理論研究是有效的，并能通過(guò)計(jì)算來(lái)討論其電荷轉(zhuǎn)移和取代基效應(yīng)，對(duì)理論研究和實(shí)驗(yàn)研究具有一定的參考價(jià)值，對(duì)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(duì)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(huán)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(zhuǎn)動(dòng)系數(shù)

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

圖8 B3LYP/6-31+G*計(jì)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。