小檗堿和9-O取代衍生物紫外光譜及構(gòu)效研究

李會吉， 孫海杰， 張麗麗， 栗 婧

(1.鄭州師范學院 化學化工學院, 鄭州 450044； 2. 湖南大學 分子科學與生物醫(yī)學實驗室, 長沙 410082)

1 引 言

小檗堿是黃連根莖中所含的一種生物堿，主要存在于小檗屬與黃連屬植物中，如小檗、水芹、黃連等[1,2]. 它不僅具有清熱燥濕，瀉火解毒的功效，還可用于治療糖尿病、腹瀉、激素紊亂、冠心病、肥胖或高脂血癥等多種疾病[3,4]. 小檗堿能夠選擇性地抑制腫瘤細胞生長，誘導細胞凋亡，且對正常細胞的細胞毒性作用較小[5,6]，但其吸收性較差、活性不高，阻礙了其充分的抗腫瘤治療潛力[7,8]. 從而出現(xiàn)小檗堿的各種結(jié)構(gòu)修飾與藥理活性改善[9-12]. 小檗堿C8 、C9、C10和C13位取代衍生物來改善其藥效，如改善誘導凋亡活性，抗癌作用，提高其生物活性等方面[3]. C9上親脂基取代的小檗堿衍生物，增強其降血糖活性，用于治療糖尿病[11]. 9-O-烷基修飾的小檗堿類衍生物，烷基鏈越長，體外抗腫瘤效果越好[8].

Viktor等人[6]新合成了9-O-取代的小檗堿衍生物(如圖1)，在G2/M和S期阻滯HL-60白血病細胞，其中藥效最好的9-O-(3-溴代丙基)溴化小檗堿(B3)具有較強的抗增殖活性，在IC50值是0.7 μM時是小檗堿的30倍，且HL-60白血病細胞的誘導凋亡活性是小檗堿的6倍. 無論是在生物利用度，還是脂溶性增加方面都有所提高. 紫外/可見吸收光譜實驗發(fā)現(xiàn)小檗堿衍生物B3紫外光譜與小檗堿(B0)相似，其特征吸收峰都在348 nm和421 nm處，而9-O-(2-氯代乙酰基)氯化小檗堿(B1)和9-O-(2-溴代乙?；?溴化小檗堿(B2)發(fā)生紅移. 其推測是共軛延長. 而小檗堿與環(huán)丙沙星的結(jié)合生成的衍生物(B4)的吸收峰只提到向可見光譜區(qū)域擴大. 可見，小檗堿及其9-O-取代衍生物B1、B2、B3和B4的紫外光譜特征與它們微觀結(jié)構(gòu)的關系仍需詳細探究. 因此，采用量子化學方法先優(yōu)化了小檗堿及其9-O-取代衍生物B1、B2、B3和B4的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，利用空穴-電子分析方法探究小檗堿及其衍生物紫外光譜電子激發(fā)特征，討論與微觀結(jié)構(gòu)的關系，為小檗堿的結(jié)構(gòu)修飾與藥理活性改善提供理論依據(jù).

2 計算和分析方法

利用Gaussian 09軟件，采用密度泛函理論(DFT)中的PBE1PBE/6-311+G(d,p)方法，基于可極化連續(xù)介質(zhì)模型(PCM)優(yōu)化水溶劑中小檗堿及9-O-取代的小檗堿衍生物B1、B2、B3和B4的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，且無虛頻. 然后采用TD-DFT理論計算小檗堿及其9-O-取代衍生物B1、B2、B3和B4的理論紫外光譜. 利用Multiwfn波函數(shù)軟件中空穴-電子分析方法全面考察電子激發(fā)特征[12].

3 結(jié)果與討論

3.1 小檗堿紫外光譜及分析

小檗堿的理論紫外光譜圖(圖2)中有243 nm、344 nm和416 nm三個吸收峰，與紫外光譜實驗中小檗堿的吸收峰位置一致[6]. 利用空穴-電子分析方法分析小檗堿電子激發(fā)特征如圖3及相關數(shù)據(jù)見表1. 圖中藍色區(qū)域代表“空穴”，綠色區(qū)域代表“電子”，電子從藍色區(qū)域激發(fā)到綠色區(qū)域. 小檗堿在243 nm處的吸收峰，S0→S14激發(fā)的貢獻是47.7 %，S0→S16激發(fā)的貢獻是34.0 %. 兩者的貢獻接近，將S0→S14和S0→S16激發(fā)都進行討論. 兩種激發(fā)的D值都小于C-C的鍵長，Sr接近1，t指數(shù)為負值，那么空穴和電子區(qū)域沒有明顯分離，如圖3中. 兩種激發(fā)由a和b環(huán)向b環(huán)、d環(huán)向c和d環(huán)的π→π*局域激發(fā)，以及9-O處氧的孤對電子向c和d環(huán)的n→π*局域激發(fā).

對于344 nm處的吸收峰，主要貢獻來自S0→S2激發(fā)(63.6 %). 結(jié)合表1中數(shù)據(jù)和圖3中空穴和電子分布圖，可知該處的吸收峰歸因于a、b環(huán)向b、c環(huán)的π→π*電荷轉(zhuǎn)移激發(fā). 小檗堿在416 nm處的吸收峰，主要貢獻來自S0→S1激發(fā)(52.9 %).D值達3.2 ?，且t值為正值，表明空穴和電子分離較為明顯，歸為電荷轉(zhuǎn)移激發(fā)，電子被激發(fā)后分布區(qū)域發(fā)生了明顯轉(zhuǎn)移，即416 nm處的吸收峰主要是由a、b環(huán)到c、d環(huán)的π→π*電荷轉(zhuǎn)移激發(fā). 可見，小檗堿B0的a、b環(huán)及9-O處的氧是供電子體；c環(huán)是電子受體，尤其N處.

圖2 小檗堿紫外光譜Fig. 2 UV spectrum of berberine

表1 小檗堿空穴-電子分布參數(shù)

3.2 9-O取代小檗堿衍生物B1和B2紫外光譜及分析

9-O處2-氯代乙?；?-溴代乙酰基取代衍生物B1和B2的理論紫外光譜如圖4，空穴-電子分析電子激發(fā)特征如圖5及相關數(shù)據(jù)見表2. 小檗堿衍生物B1和B2在253 nm和255 nm處的吸收峰，S0→S13激發(fā)的貢獻分別是75.9 %和79.2 %. 對于兩者的S0→S13激發(fā)，小檗堿衍生物B1與B2非常相似，D值小于C-C鍵長，屬于局域激發(fā)，Sr指數(shù)都為0.85(上限值為1.0)，結(jié)合圖5小檗堿衍生物B1和B2 的空穴-電子分布圖，環(huán)上電子和空穴分布的重合度高，屬于π→π*局域激發(fā)，而不存在9-O處氧的孤對電子與d環(huán)方向上的n→π*局域激發(fā)，從而導致與小檗堿此處吸收峰相比，紅移了10 nm. 也就是說，相對于小檗堿，發(fā)生紅移的原因是B1和B2只有π→π*局域激發(fā)，而小檗堿既有π→π*局域激發(fā)和n→π*局域激發(fā)，并不是Viktor 等人[6]所預測的共軛體系的延長.

表2 9-O取代小檗堿衍生物B1和B2的空穴-電子分布參數(shù)

小檗堿衍生物B1在343 nm處的吸收峰，S0→S2激發(fā)的貢獻是83.7 %. 小檗堿衍生物B2在344 nm處的吸收峰，S0→S5激發(fā)的貢獻是82.7 %. 兩個激發(fā)的D值都為2.0 ?，且Sr值都較大，t值為負值，說明空穴和電子分散不太明顯，明顯可以認為兩者都可能是電荷轉(zhuǎn)移激發(fā)，結(jié)合圖5中的B1(S0→S2)及B2(S0→S5)的空穴-電子分布，344 nm處的吸收峰歸因于由a、b環(huán)到b、c環(huán)的π→π*電荷轉(zhuǎn)移激發(fā). 與B0在344 nm處的一致.

小檗堿衍生物B1在426 nm處吸收峰，S0→S1激發(fā)的貢獻是65.7 %. 小檗堿衍生物B2在428 nm處的吸收峰，S0→S1激發(fā)的貢獻是64.0 %.D值約為3.6 ?，t值均為正值，表明空穴區(qū)域和電子區(qū)域分離較為明顯，那么歸為電荷轉(zhuǎn)移激發(fā)，結(jié)合圖5可知是由a、b環(huán)到c、d環(huán)的π→π*電荷轉(zhuǎn)移激發(fā)，形成離域π鍵. 相對于B0，因9-O處吸電子基團(2-氯代乙?；?-溴代乙?；?引入導致發(fā)生了明顯的紅移. 同時，B1和B2的a、b環(huán)是供電子體，而9-O處的氧不再是供電子體；c環(huán)是電子受體，尤其N處.

圖3 小檗堿空穴-電子分布圖 (isovalue=0.002)Fig. 3 The hole-electron distribution of berberine (isovalue=0.002)

圖4 9-O取代小檗堿衍生物B1和B2紫外光譜Fig.4 UV spectra of 9-O-substituted berberine derivatives B1 and B2

圖5 9-O取代小檗堿衍生物B1和B2的空穴-電子分布圖(isovalue=0.002)Fig. 5 The hole-electron distributions of 9-O-substituted berberine derivatives B1 and B2 (isovalue=0.002)

3.3 9-O取代小檗堿衍生物B3紫外光譜及分析

9-O處3-溴代丙基取代的衍生物B3理論紫外光譜如圖6，有246 nm、344 nm、417 nm三處吸收峰，與B0三處的吸收峰位置完全一致，且與Viktor等人[6]紫外實驗數(shù)據(jù)一致. 可見，9-O處3-溴代丙基取代未導致峰的遷移，且在417 nm處的峰強度增強. 由圖7的空穴-電子分布圖和表3的數(shù)據(jù)可知，同樣地，246 nm處吸收峰也是由π→π*局域激發(fā)和n→π*局域激發(fā)引起，344 nm處的吸收峰由a、b環(huán)到b、c環(huán)的π→π*電荷轉(zhuǎn)移激發(fā)，417 nm處的吸收峰由a、b環(huán)到c、d環(huán)方向上發(fā)生π→π*電荷轉(zhuǎn)移激發(fā).與小檗堿B0類似，a、b環(huán)及9-O處的氧是供電子體；c環(huán)是電子受體，尤其N處. 所以，解釋了Viktor 等人的實驗[6]中9-O處3-溴代丙基取代時小檗堿藥性增強的原因.

圖6 9-O取代小檗堿衍生物B3的紫外光譜Fig.6 UV spectrum of 9-O-substituted berberine derivative B3

圖7 9-O取代小檗堿衍生物B3的空穴-電子分布圖(isovalue=0.002)Fig. 7 The hole-electron distribution of 9-O-substituted berberine derivative B3 (isovalue=0.002)

表3 9-O取代小檗堿衍生物B3的空穴-電子分布結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖8 9-O取代小檗堿衍生物B4紫外光譜Fig.8 UV spectrum of 9-O-substituted berberine derivative B4

圖9 9-O取代小檗堿衍生物B4的空穴-電子分布圖(isovalue=0.002)Fig. 9 The hole-electron distribution of 9-O-substituted berberine derivative B4 (isovalue=0.002)

3.4 9-O取代小檗堿衍生物B4紫外光譜及分析

小檗堿與環(huán)丙沙星結(jié)合的小檗堿衍生物B4的理論紫外光譜如圖8，三個吸收峰位于284 nm、344 nm、433 nm. 由圖9的空穴-電子圖和表4的相關數(shù)據(jù)可知，284 nm處的吸收峰，S0→S19激發(fā)的貢獻是60.4 %. 該激發(fā)的D值高達5.49 ?，屬于電荷轉(zhuǎn)移激發(fā). 空穴區(qū)域主要位于小檗堿母體上，即a、b、c、d環(huán)區(qū)域，而電子區(qū)域完全出現(xiàn)9-O處環(huán)丙沙星取代基上. 可見，B4的S0→S19電子激發(fā)是由a、b、c、d環(huán)到取代基方向上的π→π*電荷轉(zhuǎn)移激發(fā)，形成了大的離域π鍵，不同與小檗堿，紅移約40 nm.

表4 9-O取代小檗堿衍生物B4的空穴-電子分布參數(shù)

小檗堿衍生物B4在340 nm處的吸收峰，S0→S5激發(fā)的貢獻是69.8 %. 對于S0→S5激發(fā)，也是主要由于a、b環(huán)到b、c環(huán)的π→π*電荷轉(zhuǎn)移激發(fā). 9-O處環(huán)丙沙星的取代只導致相對于B0發(fā)生了4 nm的藍移. 433 nm處的吸收峰，S0→S1激發(fā)的貢獻是72.1 %.D值為2.85 ?，且t值為正值，表明空穴和電子分離較為明顯，可認為是由a、b環(huán)到c、d環(huán)方向上發(fā)生π→π*電荷轉(zhuǎn)移激發(fā)，仍屬于小檗堿母體中離域π鍵，環(huán)丙沙星和小檗堿母體形成的大離域π鍵與此處峰無關. 相對于B0，因9-O處引入環(huán)丙沙星的引入導致紅移17 nm. 那么，B4的小檗堿母體是供電子體，環(huán)丙沙星中共軛環(huán)是電子受體，且削弱了c環(huán)的受電子能力.

4 結(jié) 論

在液相(水溶劑)中使用PBE1PBE /6-311+G(d,p)方法、含時密度泛函理論(TD-DFT)和Multiwfn波函數(shù)分析軟件中空穴-電子分析研究小檗堿及其9-O-小檗堿衍生物的紫外特征吸收峰，得到以下結(jié)論：理論紫外光譜與實驗紫外光譜數(shù)據(jù)吻合，小檗堿9-O處3-溴代丙基的取代不改變此處氧的供電子能力，與小檗堿具有相同的紫外特征，而2-氯代乙酰基、2-溴代乙?；?、環(huán)丙沙星的取代導致9-O處氧對小檗堿母體無供電子能力，從而紫外吸收峰紅移. 243 nm和416 nm處的兩個吸收峰可認為是與小檗堿藥性相關的特征吸收峰，a、b環(huán)及9-O處氧是小檗堿及其衍生物激發(fā)過程中供電子體，c環(huán)是電子受體，尤其N處.