煙花苷與Cu、Zn金屬離子相互作用的理論研究

羅冬梅 靳瑞發(fā) 肖文敏

摘要：文章采用Gaussian09，在B3LYP/6-311++g（d，p）的水平上計(jì)算了銅、鋅離子和煙花苷（5-hydroxyl-4-hydroxy methyl-r-butyrolactone）的相互作用，得到幾何結(jié)構(gòu)、紫外光譜圖、偶極矩以及電荷分布等數(shù)據(jù)，并在該水平上計(jì)算了它們的結(jié)合能.結(jié)果表明煙花苷降糖中藥分子與金屬離子有一定的相互作用，它們之間的相互作用能較大，兩種金屬離子對分子構(gòu)型的影響較大，絡(luò)合體系穩(wěn)定.

關(guān)鍵詞：煙花苷;金屬離子;密度泛函理論;相互作用

中圖分類號：O642.0 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1673-260X（2019）12-0017-05

1 前言

目前，糖尿病[1]已成為臨床醫(yī)學(xué)上一種常見的多發(fā)病，全世界糖尿病的平均患病率已達(dá)百分之三，且其發(fā)病率正在逐年升高.為此人們在積極努力的探索降糖藥物的合成和應(yīng)用工作.在種類繁多的具有降低血糖作用的中藥中，白背三七[2]因?yàn)榫哂惺秤煤退幱玫碾p重功效，被廣泛應(yīng)用于降糖藥物的研究中.本實(shí)驗(yàn)所研究的工作就是中藥白背三七中的一種降糖分子[3]——煙花苷[4]（5-hydroxyl- 4-hydroxy methyl-r-butyrolactone）與Cu、Zn金屬離子的相互作用.進(jìn)而找到具有降低血糖的作用的有效成分，并研究該成分在人體內(nèi)的反應(yīng)機(jī)理[5]，為降糖藥物的研發(fā)提供一些數(shù)據(jù).

2 計(jì)算細(xì)節(jié)

在實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)基組有舉足輕重的作用.對于基組的選擇，即對整個計(jì)算量有嚴(yán)格要求，對結(jié)果也要求準(zhǔn)確可靠.所以基組可以盡可能的大一點(diǎn).基組如果越大，那么它就會更準(zhǔn)確的描述它的軌道，所得到的解也會更加準(zhǔn)確，但是，計(jì)算量也相對增加，選用6-311++g（d，p）[6]基組較為合理.首先使用了Gaussian09[7]程序，在B3LYP[8]/6-311++g（d，p）的水平上，完成了對煙酸酐分子與銅、鋅兩種離子（采用LANL2DZ[9]基組）相互作用的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、激發(fā)態(tài)計(jì)算、NBO電荷分布計(jì)算及相互作用能的計(jì)算.并且運(yùn)用了GaussView5.0.8和GaussSum等軟件，繪制出了各分子的電子云分布圖、原子軌道圖以及它們的紫外光譜圖.更直觀系統(tǒng)的給出了煙酸酐分子與銅和鋅的作用結(jié)果以及作用原理.

3 結(jié)果與討論

能否正確設(shè)計(jì)出煙花苷分子與銅和鋅作用后的構(gòu)型對本次實(shí)驗(yàn)起著重要作用.分子的構(gòu)型[10]是所有化合物的性質(zhì)研究的基礎(chǔ).由于煙花苷分子在優(yōu)化后沒有產(chǎn)生虛頻，因此在計(jì)算后所得結(jié)構(gòu)就是該分子穩(wěn)定勢能面上的最低點(diǎn)[11]，計(jì)算結(jié)果有效.現(xiàn)在，對得到的結(jié)果進(jìn)行如下討論：

3.1 煙花苷與Cu、Zn絡(luò)合物的分子結(jié)構(gòu)

3.1.1 鍵長的變化

由表1可以得到煙花苷與Cu、Zn作用前后鍵長變化.在與金屬Cu作用后，發(fā)生明顯變化的有R（1，5）、R（11，12）、R（13，14），它們之間的鍵長都略有改變，從1.55？魡到1.54？魡，從1.43？魡到1.40？魡，其中可以清晰發(fā)現(xiàn)，因?yàn)镺為缺電子原子，C和O雙方只能共用電子，相互吸引，而使C10與O11間的化學(xué)鍵鍵長縮短，因此，C-O間的鍵長經(jīng)絡(luò)合作用后，有明顯的縮短.由于鍵合位置不同，O11與Cu31間的鍵長為1.78？魡，O24與Cu31間的鍵長為1.79？魡，相差不大.

煙花苷在與金屬Zn原子作用后R（1，2）由1.44？魡增大到1.45？魡，而R（24，33）為1.87？魡，即與Zn相連的鍵長較長.由于鍵合位置不同，O11與Zn33間的鍵長，因?yàn)镺原子把較多的電子提供給了金屬Zn原子，所以R（11，33）變?yōu)?.87？魡.而O24與Zn33間的鍵長1.87？魡，大小相近.5-hydroxyl-4-hydroxymethyl-Cu絡(luò)合體系和5-hydroxyl-4-hydroxy methyl-Zn絡(luò)合體系中，其他原子的鍵長，因?yàn)椴恢苯訁⑴c絡(luò)合物的形成，即不直接參與配位，雖發(fā)生變化，但變化程度不大.分析上表可以得出煙花苷分子中的O原子與Cu作用后的鍵長R（11，31）為1.78？魡小于煙花苷分子中的O原子與Zn作用后的鍵長R（11，33）為1.87？魡，說明金屬銅和金屬鋅相比，Cu所形成的絡(luò)合物構(gòu)型更穩(wěn)定一些.金屬Cu和金屬Zn對煙花苷的配位部分的鍵長，有較大影響.

3.1.2 鍵角的變化

由表2煙花苷與Cu、Zn作用前后鍵角可知，煙花苷分子本身的空間離域并不大，比較穩(wěn)定.而當(dāng)煙花苷分子與金屬Cu原子作用后，體系的A（2，1，5）鍵角由106.4°減小為105.4°，而對于A（19，24，31）變?yōu)?29.3°，該角是整個分子間最大的角，觀察整組數(shù)據(jù)，也可發(fā)現(xiàn)分子的構(gòu)型在此處發(fā)生的偏轉(zhuǎn)較大.煙花苷在與Zn作用后，A（19，18，27）為109.1°而A（19，24，33）為121.4°，A（18，19，28）為107.1°，A（11，10，12）為113.6°，均可看出煙花苷分子在與Zn作用后，兩邊的原來的煙花苷分子都要發(fā)生了較大程度的改變.綜上所述，在與表4-3煙花苷與Cu、Zn作用前后鍵長對比數(shù)據(jù)相互對照，可以看出煙花苷分子在與金屬Cn和Zn絡(luò)合后，整體的空間構(gòu)型均發(fā)生了改變，分子的對稱性也明顯降低.但由于變化的幅度并不是整體偏高，所以兩種金屬離子只是在一定程度上影響了絡(luò)合體系的鍵角.

3.2 電荷的變化（The change in charge）

根據(jù)表3可見煙花苷與Cu、Zn兩種金屬作用前后電荷.其中，煙花苷在與Cu作用后，原來的C1 的電荷由0.089e-分別減小到了0.043e-和0.029e-，電荷發(fā)生了較大的變化，說明作用前后該碳原子的電子云層發(fā)生了較大的改變.而C4原子由-0.511e-分別減少到了-0.590e-和-0.575e-，C5原子由0.108e-分別減少到了0.048e-和0.045e-，說明煙花苷在與金屬作用后，環(huán)狀結(jié)構(gòu)的電荷發(fā)生較大變化.O13由-0.749e-也變化到-0.757e-和-0.773e-，說明此處的O原子參與了5-hydroxyl-4-hydroxymethyl-Cu絡(luò)合體系的配位，為配位提供了電子，此O原子只需與金屬原子的共用電子對配位即可.而煙花苷在與金屬Zn作用后，原來的C1的電荷由0.089e-分別減小到了0.037e-和0.018e-，而C4原子由-0.511e-分別減少到了-0.589e-和-0.577e-，說明金屬在環(huán)外可對環(huán)狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響，O原子同樣參與了絡(luò)合體系的配位.對于其他原子的電荷，由于配位作用，它們的電荷也發(fā)生了一些變化，但因它們不直接參與配位作用，變化程度不大.

3.3 煙花苷與Cu、Zn絡(luò)合物的軌道圖

圖4-6以及表4分別列出了體系的激發(fā)態(tài)的電荷轉(zhuǎn)移躍遷性質(zhì)，圖中左面的HOMO部分為分子的最高占有軌道，右邊的LUMO部分為分子最低空軌道.對于5-hydroxyl-4-hydroxymethyl，在HOMO+34軌道，電子云散漫的分布在苯環(huán)上，在LUMO+39的軌道時(shí)電子云全部集中在苯環(huán)上下兩面，這說明有電荷轉(zhuǎn)移.對于5-hydroxyl-4-hydroxymethyl-Cu分子在HOMO+78軌道上的時(shí)候，電子云密度全部集中在右邊的苯環(huán)上和金屬Cu上，而當(dāng)LUMO+79軌道上的時(shí)候，電子云分散在右邊的苯環(huán)上和左右兩邊的Cu-C位置和金屬Cu上，而金屬Cu上的電子最多，發(fā)生了明顯的電子躍遷.對于體系5-hydroxyl-4-hydroxymethyl-Zn分子的電子躍遷，在HOMO+73軌道上時(shí)，電子云大部分集中在左右兩邊的C-Zn位置上，而在LUMO+76軌道上時(shí)，電子云大多分布在兩邊的苯環(huán)上，電子密度發(fā)生了巨大變化，發(fā)生了明顯的電子躍遷，此時(shí)的躍遷能ΔEeg=5.63a.u.大于5-hydroxyl-4-hydroxymethyl分子與金屬Cu作用時(shí)的躍遷能ΔEeg=1.68a.u..

3.4 煙花苷與Cu、Zn絡(luò)合物的紫外光譜圖分析

分析煙花苷分子及其與Cu和Zn兩種金屬作用后的絡(luò)合體系的紫外光譜圖可以清晰發(fā)現(xiàn)：5-hydroxyl-4-hydroxymethyl在125-215nm附近有吸收，最大吸收峰在135nm附近，有多個峰值，說明體系中存在小的原子團(tuán).而當(dāng)5-hydroxyl-4-hydroxymethyl與Cu作用后，吸收峰向右移動，既向長波方向移動，發(fā)生紅移，變成了單峰.當(dāng)5-hydroxyl-4-hydroxymethyl與Zn作用后，吸收峰右移，最大吸收峰在170nm左右，向右發(fā)生了偏移，且仍有多個峰值，體系中C-O吸收峰的峰值及位置的改變，與上文鍵角及鍵長的數(shù)據(jù)結(jié)果，形成了相互照應(yīng).共同說明了5-hydroxyl-4-hydroxymethyl分子與Cu和Zn兩種金屬作用后的絡(luò)合體系的空間構(gòu)型發(fā)生了變化.

3.5 煙花苷與Cu、Zn絡(luò)合物的相互作用能分析

在b3lyp/6-311++g（d，p）水平上，算出了煙花苷與金屬Cu離子作用時(shí)煙花苷的能量為-991.210 a.u.，而其與Cu所形成的絡(luò)合物分子5-hydroxyl-4-hydroxymethyl-Cu的能量為-1187.447a.u.，Cu離子本身的能量為-195.068a.u.，則5-hydroxyl-4-hydroxymethyl與Cu離子相互作用后能量的變化量為ΔE（a.u.）為-1.169a.u..而當(dāng)煙花苷分子與Zn離子作用時(shí)，煙花苷本身的的能量為-991.212a.u.，所形成的絡(luò)合物分子5-hydroxyl-4-hydroxymethyl-Zn的能量為-64.631a.u.，Zn本身的能量為-1056.941a.u.，則5-hydroxyl-4-hydroxymethyl與Zn離子相互作用后能量的變化量為ΔE（a.u.）為-1.098a.u..

其中換算系數(shù)為1Hartree=4.36×10-18J，1mol=6.02×1023Particle.比較煙花苷與兩種金屬相互作用的不同狀態(tài)時(shí)的能量變化，即用體系的總能量減去Cu或Zn和煙花苷的總能量，得到參與作用的能量，從能量的數(shù)據(jù)分析出體系的相對穩(wěn)定程度.

計(jì)算出5-hydroxyl-4-hydroxymethyl和Cu相互作用的能量為-5.10×10-18J，即：每摩爾煙花苷分子與Cu分子的相互作用能為3.07×103kJ/mol.而煙花苷和Zn相互作用的能量為-4.79×10-18J，即：每摩爾煙花苷分子與Zn分子的相互作用能為2.88×103kJ/mol，二者的相互作用能均較大，說明金屬離子與藥物分子是以穩(wěn)定的化學(xué)鍵相結(jié)合的，絡(luò)合體系穩(wěn)定.

5 結(jié)語

煙花苷與Cu和Zn兩種金屬離子的相互作用，探討這兩種金屬離子對煙花苷分子的幾何結(jié)構(gòu)以及性質(zhì)的影響.煙花苷分子在與Cu和Zn兩種金屬離子分別作用后均形成絡(luò)合物.通過數(shù)據(jù)可以分析得出，煙花苷在與它們作用時(shí)，均以配位方式相結(jié)合，形成較穩(wěn)定的絡(luò)合體系，所形成的各個建均有所拉伸，鍵長增長，鍵角增大.

煙花苷與Cu和Zn兩種金屬離子的分別相互作用形成的絡(luò)合體系的分子對稱性均降低，極性增強(qiáng).說明白背三七中的5-hydroxyl-4-hydroxymethyl降糖中藥分子與金屬離子有一定的相互作用，相互作用能較大，絡(luò)合體系穩(wěn)定.后續(xù)的研究將繼續(xù)探索，能使煙花苷5-hydroxyl-4-hydroxymethyl結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯改變以及發(fā)生相互作用的絡(luò)合分子，為糖尿病人帶去福音.

參考文獻(xiàn)：

〔1〕莫一菲，周健，賈偉平.國際糖尿病聯(lián)盟2011～2021年全球糖尿病計(jì)劃解讀[J].中國醫(yī)學(xué)前沿雜志（電子版），2012（09）：1-2.

〔2〕郭紫娟.白背三七細(xì)胞懸浮培養(yǎng)體系的建立及主要成分分析[D].江西農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013.1-2.

〔3〕倪德江.烏龍茶多糖的形成特征、結(jié)構(gòu)、降血糖作用及其機(jī)理[D].華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院，2003.1-2.

〔4〕陳磊.白背三七降血糖物質(zhì)基礎(chǔ)研究[D].第二軍醫(yī)大學(xué)，2009.1-6.

〔5〕宋超.天然降血糖多糖的研究進(jìn)展[J].山東醫(yī)藥，2011，51（41）：1-5.

〔6〕McLean A. D.， Chandler G. S.， Contracted Gaussian-basis sets for molecular calculations. 1. 2nd row atoms， Z=11-18， J. Chem. Phys.， 1980，72 （5639）：48.

〔7〕Frisch M. J.， Trucks G. W.， Schlegel H. B.， Scuseria G. E.， Robb M. A.， Cheeseman J. R.， Montgomery J. A.， Jr.， Vreven T.， Kudin K. N.， Burant J. C.， Millam J. M.， Iyengar S. S.， Tomasi J.， Barone V.， Mennucci B.， Cossi M.， Scalmani G.， Rega N.， Petersson G. A.， Nakatsuji H.， Hada M.， Ehara M.， Toyota K.， Fukuda R.， Hasegawa J.， Ishida M.， Nakajima T.， Honda Y.， Kitao O.， Nakai H.， Klene M.， Li X.， J. E.， Hratchian H. P.， Cross J. B.， Bakken V.， Adamo C.， Jaramillo J.， Gomperts R.， Stratmann R. E.， Yazyev O.， Austin A. J.， Cammi R.， Pomelli C.， Ochterski J. W.， Ayala P. Y.， Morokuma K.， Voth G. A.， Salvador P.， Dannenberg J. J.， Zakrzewski V. G.， Dapprich S.， Daniels A. D.， Strain M. C.， Farkas O.， Malick D. K.， Rabuck A. D.， Raghavachari K.， Foresman J. B.， Ortiz J. V.， Cui Q.， Baboul A. G.， Clifford S.， Cioslowski J.， Stefanov B. B.， Liu G.， Liashenko A.， Piskorz P.， Komaromi I.， Martin R. L.， Fox D. J.， Keith T.， Al-Laham M. A.， Peng C. Y.， Nanayakkara A.， Challacombe M.， Gill P. M. W.， Johnson B.， Chen W.

〔8〕Tirado-Rives J.， Jorgensen W. L.， Performance of B3LYP density functional methods for a large set of organic molecules， J. Chem. Theory and Comput.， 2008， 4：297-306.

〔9〕Dunning Jr.T. H.，Hay P. J.， in Modern Theoretical Chemistry， Ed. H. F. Schaefer III， 1977， 3：1-28.

〔10〕羅冬梅，肖文敏，張曉艷.量子化學(xué)基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].哈爾濱：黑龍江人民出版社，2012.1-3.

〔11〕Luo D.， Wang Y. A.， Theoretical investigation of the superoxide anion free radicalelimination by quercetin–metal complexes [J]. Theoretical Chemistry Accounts， 2018， 137：71.