基于密度泛函理論的腎上腺素分子的光譜分析

陸利敏，施 斌，唐天宇，趙先豪，魏曉楠，唐延林

貴州大學(xué)物理學(xué)院，貴州 貴陽 550025

引 言

腎上腺素是由腎上腺髓質(zhì)分泌的主要激素[1]，作為一種重要的生物分子，腎上腺素具有特殊的生理功能和藥理性能，其中樞作用弱而外周作用強(qiáng)。在醫(yī)藥領(lǐng)域，腎上腺素藥物可以被用來作為過敏性休克的急救、治療心臟疾病和支氣管哮喘等[2]。作為一種生理活性物質(zhì)，腎上腺素的生理作用主要表現(xiàn)為對(duì)生物體的代謝作用、各器官的作用和全身作用，控制著神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行一系列的生物反應(yīng)及神經(jīng)化學(xué)過程。通過計(jì)算分析腎上腺素分子的光譜對(duì)于了解腎上腺素的生物化學(xué)性質(zhì)至關(guān)重要。

由于腎上腺素是具有多種活性基團(tuán)(羥基、氨基)的功能性化合物，對(duì)其應(yīng)用和結(jié)構(gòu)性能的研究一直是醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)等多門學(xué)科的熱門課題。李萍等[3]研究了復(fù)方注射液中腎上腺素及其代謝產(chǎn)物的高效液相色譜-電化學(xué)(HPLC-ECD)檢測(cè)方法，結(jié)果表明該方法快速簡單、選擇性好、靈敏度及準(zhǔn)確度高，可用于腎上腺素及其相關(guān)物質(zhì)的分析測(cè)定；張占軍等[4]在 1.0 mol·L-1H2SO4溶液中借助快速掃描循環(huán)伏安(CV)法估算出了腎上腺素在鉑電極上發(fā)生電化學(xué)氧化反應(yīng)時(shí)該過程的傳遞系數(shù)和電化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)，表明在快速電勢(shì)掃描條件下，腎上腺素電氧化過程遵從4G反應(yīng)機(jī)理；魏國等[5]對(duì)以氨甲環(huán)酸聯(lián)合腎上腺素減少單側(cè)全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后出血的有效性及安全性進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示氨甲環(huán)酸(TXA)聯(lián)合腎上腺素減少單側(cè)全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)(TKA)后出血的療效明顯且安全；近年來，有報(bào)道研究了酸堿性條件下的腎上腺素表面增強(qiáng)拉曼(SERS)實(shí)驗(yàn)光譜，但對(duì)腎上腺素分子光譜理論分析比較少。本工作將利用Gaussian軟件，通過模擬計(jì)算來分析腎上腺素分子紅外光譜、振動(dòng)類型，紫外光譜，以便更好地了解腎上腺素分子的結(jié)構(gòu)特性，為腎上腺素結(jié)構(gòu)改造與應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 計(jì)算及分析方法

使用Gaussian 09軟件包，以Gaussian View建模，在氣相環(huán)境下，利用密度泛函(DFT)[6]的B3LYP方法在6-311G(d,p)的基組水平上對(duì)腎上腺素分子進(jìn)行幾何構(gòu)型優(yōu)化和頻率計(jì)算，結(jié)果均收斂，無虛頻且達(dá)到能量極小值點(diǎn)，表明優(yōu)化后結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的[7-9]。在優(yōu)化的基礎(chǔ)上采用含時(shí)密度泛函理論(TD-DFT)[6]的PBE計(jì)算方法在def2tzvp的基組水平上計(jì)算腎上腺素分子在氣相中的前20個(gè)激發(fā)態(tài)，利用Multiwfn3.7多功能波函數(shù)軟件[10-12]分析了紫外峰的躍遷模式。最后利用密度泛函(DFT)的PBE計(jì)算方法在6-311G(d,p)的基組水平上對(duì)腎上腺素分子優(yōu)化和頻率計(jì)算，用Multiwfn軟件對(duì)其頻率校正，得到紅外光譜，分析腎上腺素分子紅外光譜所對(duì)應(yīng)的各個(gè)特征基團(tuán)的振動(dòng)模式。

2 結(jié)果與討論

2.1 分子構(gòu)型

腎上腺素分子是碳，氫，氧，氮四種元素構(gòu)成，其分子式為C9H13O3N，分子量為183.204。腎上腺素分子優(yōu)化后的幾何構(gòu)型如圖1所示，由一個(gè)苯環(huán)、兩個(gè)酚羥基、一個(gè)醇羥基、一個(gè)次甲基、一個(gè)亞甲基和一個(gè)甲氨基組成，形成一個(gè)空間立體結(jié)構(gòu)。

圖1 優(yōu)化后腎上腺素分子的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of epinephrine after optimization

分子結(jié)構(gòu)優(yōu)化和頻率計(jì)算的結(jié)果表明，腎上腺素分子同時(shí)滿足結(jié)構(gòu)優(yōu)化和頻率計(jì)算的收斂標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化結(jié)果收斂且頻率分析無虛頻，優(yōu)化結(jié)構(gòu)是合理的。優(yōu)化后腎上腺素分子的能量為-630.595 295 0 Hartree。

2.2 分子光譜

2.2.1 紫外光譜

紫外光譜可以反映分子的電子結(jié)構(gòu)、能級(jí)和化學(xué)穩(wěn)定性。采用TD-DFT方法，在優(yōu)化結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上計(jì)算了腎上腺素分子的前20個(gè)激發(fā)態(tài)，并設(shè)振子強(qiáng)度的閾值為0.03，得到了相應(yīng)的紫外光譜如圖2所示，圖中S0表示基態(tài)，Sx表示第x個(gè)激發(fā)態(tài)。計(jì)算得出腎上腺素有兩個(gè)紫外吸收峰，波長分別為206.23和273.92 nm，摩爾吸收系數(shù)分別為10 282.96和4 212.54 L·mol-1·cm-1，主要由苯環(huán)中π→π*躍遷產(chǎn)生。腎上腺素分子紫外光譜對(duì)應(yīng)的主要躍遷從基態(tài)分別到第1，2，4，8，15和16激發(fā)態(tài)的躍遷，其中在206.23 nm處的峰包含了從基態(tài)到第8激發(fā)態(tài)的躍遷、貢獻(xiàn)率為0.81%，基態(tài)到第15激發(fā)態(tài)的躍遷、貢獻(xiàn)率為14.00%，基態(tài)到第16激發(fā)態(tài)的躍遷、貢獻(xiàn)率為61.31%；273.92 nm處吸收峰包含了基態(tài)到第1激發(fā)態(tài)的躍遷、貢獻(xiàn)率為0.54%，基態(tài)到第2激發(fā)態(tài)的躍遷、貢獻(xiàn)率為48.62%，基態(tài)到第4激發(fā)態(tài)的躍遷、貢獻(xiàn)率為42.66%，基態(tài)到第8激發(fā)態(tài)的躍遷、貢獻(xiàn)率為0.06%。其他強(qiáng)度低于閾值0.03的躍遷就不一一分析。理論計(jì)算得出的紫外光譜圖與中國科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究的化學(xué)專業(yè)數(shù)據(jù)庫[13]的實(shí)驗(yàn)譜圖對(duì)比吻合較好。

圖2 腎上腺素分子紫外光譜Fig.2 UV spectrum of epinephrine molecule

紫外吸收光譜是由于價(jià)電子的躍遷而產(chǎn)生的。紫外光譜吸收帶的位置與所吸收的光的波長相對(duì)應(yīng)，即與電子躍遷吸收的能量相對(duì)應(yīng)，而吸收帶的強(qiáng)度在很大程度取決于吸收光的能量與分子由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)這一電子體系之間互相作用的幾率和激發(fā)態(tài)的極性。表1給出了腎上腺素分子從基態(tài)躍遷到各個(gè)激發(fā)態(tài)的所對(duì)應(yīng)的能量間隔、紫外光譜波長、振子強(qiáng)度、軌道躍遷及各軌道躍遷的權(quán)重。腎上腺素分子的最高占據(jù)軌道(HOMO)和最低未占據(jù)軌道(LUMO)分別為第49電子軌道和第50電子軌道，從表1中還可以看出這些躍遷都是在最高占據(jù)軌道和最低未占據(jù)軌道附近軌道間的躍遷。在較強(qiáng)的6個(gè)激發(fā)態(tài)中，從基態(tài)到第16激發(fā)態(tài)躍遷的振子強(qiáng)度最大。

表1 腎上腺素分子激發(fā)態(tài)的性質(zhì)Table 1 Properties of excited states of epinephrine molecule

2.2.2 紅外光譜

分子紅外光譜吸收峰的頻率、強(qiáng)度及形狀都與分子的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。紅外光譜峰的位置由振動(dòng)頻率決定，化學(xué)鍵的振動(dòng)頻率與鍵的力常數(shù)和成鍵原子的折合質(zhì)量有關(guān)[14]，鍵的力常數(shù)越大，表明該鍵越穩(wěn)定，對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率越高。利用密度泛函(DFT)的PBE方法在6-311G(d,p)的基組水平上對(duì)腎上腺素分子優(yōu)化和頻率計(jì)算，計(jì)算得到無虛頻的情況下，再利用Multiwfn3.7軟件對(duì)所有頻率進(jìn)行校正，校正因子為0.99，并繪制氣相下腎上腺素分子4 000～400 cm-1的紅外光譜圖并與實(shí)驗(yàn)譜圖進(jìn)行比較如圖3(a,b)示，其特征吸收峰的振動(dòng)歸屬分析如表2。在3 738和3 662 cm-1吸收峰是由酚羥基O—H伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的特征吸收峰，3 715 cm-1峰是由醇羥基O—H伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的特征吸收峰，2 854 cm-1峰是甲基的C18—H20鍵伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的特征吸收峰，1 516和1 439 cm-1處峰是由苯環(huán)骨架的伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的特征吸收峰，1 279與1 057 cm-1處峰分別是由C6—O10和C12—O23鍵伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的特征吸收峰，620 cm-1處峰是N22—H17鍵搖擺振動(dòng)產(chǎn)生的特征吸收峰。

圖3 腎上腺素分子的紅外光譜(a)：理論圖；(b)：實(shí)驗(yàn)圖Fig.3 Infrared spectra of epinephrine molecule(a)：The theory of figure；(b)：The experimental figure

表2 腎上腺素分子紅外峰對(duì)應(yīng)的主要振動(dòng)歸屬Table 2 Major vibration attribution corresponding to infrared peaks of epinephrine molecule

對(duì)比腎上腺素分子紅外光譜的理論計(jì)算圖與實(shí)驗(yàn)圖(中國科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所化學(xué)專業(yè)數(shù)據(jù)庫)，可知兩者特征吸收峰基本吻合，但在3 000 cm-1以上特征吸收峰有較大的差異。理論圖在3 650～3 750 cm-1有O—H的特征吸收峰，而實(shí)驗(yàn)譜圖在3 500～2 500 cm-1處出現(xiàn)了一個(gè)寬峰，這是腎上腺素分子二聚體和多聚體之間形成了不同強(qiáng)弱的氫鍵，形成的分子間氫鍵削弱了原分子中酚羥基O—H鍵和醇羥基O—H鍵的強(qiáng)度，導(dǎo)致其伸縮振動(dòng)頻率減小，從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)光譜在3 500～2 500 cm-1之間呈現(xiàn)出一個(gè)寬峰。

為了探究腎上腺素分子鍵能否形成氫鍵，用genmer軟件和molclus1.9.6 軟件[15]搜索了20個(gè)腎上腺素二聚體構(gòu)象和5個(gè)腎上腺素三聚體構(gòu)象，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化無虛頻之后再通過Multiwfn3.7軟件和VMD軟件繪制出腎上腺素二聚體和三聚體的RDG函數(shù)等值面圖，分別如圖4(a,b)所示，圖中藍(lán)色等值面表示的是氫鍵、綠色表示范德華作用和棕色表示的是弱位阻作用，發(fā)現(xiàn)有16個(gè)二聚體構(gòu)象和5個(gè)腎上腺素三聚體構(gòu)象中都存在不同強(qiáng)度的氫鍵，且腎上腺素二聚體和多聚體中是—NH和—OH基團(tuán)形成了氫鍵，從而導(dǎo)致—OH基團(tuán)的紅外吸收頻率會(huì)向低頻方向移動(dòng)。

圖4 腎上腺素二聚體與三聚體RDG函數(shù)等值面圖(a)：二聚體構(gòu)象；(b)：三聚體構(gòu)象Fig.4 RDG function isosurface map of dimer and trimer(a)：Dimer conformation；(b)：Trimer conformation

3 結(jié) 論

腎上腺素是一種神經(jīng)和激素的傳送體，研究腎上腺素分子的光譜和能級(jí)有助于了解其化學(xué)穩(wěn)定性和藥理作用。同時(shí)也為腎上腺素分子的實(shí)驗(yàn)光譜奠定理論基礎(chǔ)。本理論研究表明：腎上腺素分子紫外光譜對(duì)應(yīng)的主要躍遷是從基態(tài)分別到第1，2，4，8，15和16激發(fā)態(tài)的躍遷，其他的激發(fā)態(tài)的振子強(qiáng)度低于閾值0.03。理論計(jì)算得出腎上腺素的紫外光譜有兩個(gè)吸收峰，波長分別位于206.23和273.92 nm，206.23 nm峰主要由基態(tài)躍遷到第16激發(fā)態(tài)形成，273.92 nm的峰主要由基態(tài)躍遷到第2、4激發(fā)態(tài)形成，它們主要由苯環(huán)上π→π*躍遷所產(chǎn)生，并與實(shí)驗(yàn)光譜吻合較好。對(duì)腎上腺素分子的激發(fā)態(tài)性質(zhì)分析可知，上述吸收峰都是在最高占據(jù)軌道和最低空軌道的臨近軌道躍遷產(chǎn)生的。在紅外譜圖中，3 738和3 662 cm-1處的吸收峰是由酚羥基O—H伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的特征吸收峰，3 715 cm-1處峰是由醇羥基O—H伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的特征吸收峰，2 854 cm-1處峰是甲基的C18—H20鍵伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的特征吸收峰，1 516和1 439 cm-1處峰是由苯環(huán)骨架伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的特征吸收峰，1 279與1 057 cm-1處峰分別是由C6—O10和C12—O23鍵伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的特征吸收峰，620 cm-1處峰是N22—H17鍵搖擺振動(dòng)產(chǎn)生的特征吸收峰。對(duì)比腎上腺素的實(shí)驗(yàn)紅外光譜，發(fā)現(xiàn)理論計(jì)算光譜與實(shí)驗(yàn)光譜中各基團(tuán)的特征吸收峰都較為明顯且總體吻合較好。腎上腺素分子二聚體和多聚體之間形成的分子間氫鍵削弱了單個(gè)腎上腺素分子中O—H鍵的強(qiáng)度，降低了其伸縮振動(dòng)頻率，從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)光譜在3 500～2 500 cm-1之間呈現(xiàn)出一個(gè)寬峰。本研究對(duì)更深入了解腎上腺素的生化活性、化學(xué)穩(wěn)定性和神經(jīng)遞質(zhì)作用有一定的幫助。