基于密度泛函的白藜蘆醇順反式結構的光譜計算

張 祥， 趙思宇， 李玉江， 劉 清， 王 強

（1.河南省科學院高新技術研究中心，鄭州 450002； 2.華僑大學材料科學與工程學院，福建廈門 361021）

白藜蘆醇（Resveratrol）是一種在植物中分布廣泛的非黃酮多酚茋類化合物，現今至少存在于21科、31屬的72種植物中［1］. 1976年，Langcake和Pryce通過對受傷的葡萄葉進行研究，發(fā)現了植物抗生素，其主要成分為白藜蘆醇［2-3］. 經過數年的研究，白藜蘆醇逐漸受到了眾多專家學者的重視，逐漸發(fā)展成為一種抗腫瘤、抗氧化、降血壓和治療心腦血管疾病的藥物［4-7］.

在自然界中，白藜蘆醇主要以兩種自由態(tài)形式存在，包括反式trans-Res 和順式cis-Res，如圖1 所示.trans-Res具有更高的反應活性，但是具有不穩(wěn)定性，在光照條件下很容易轉化成為cis-Res，從而降低物質的反應活性［8-12］. 目前獲得白藜蘆醇的方法主要有植物提取法和化學制備法. 其中植物提取法主要包括酶法提取、溶劑提取、超臨界流體萃取、超聲波輔助提取和微波輔助提取等. 由于白藜蘆醇在植物中同時存在trans-Res 和cis-Res 兩種天然產物，并且存在含量低、提取產率低及提取成本高昂等問題，因此增加了后期分離以及檢測的難度［13-19］. 化學制備法主要包括Witting反應、Witting-Horner反應、Perkin反應、Heck反應和利用碳負離子與羰基縮合5種方法. 化學合成方法的優(yōu)勢在于對合成順反異構的trans-Res和cis-Res具有很好的選擇性，一般可直接制備出trans-Res. 另外，與生物提取法相比，化學合成法擁有產率高、價格低的優(yōu)勢，因此成為制備白藜蘆醇的首選方法.

圖1 自然界中存在的trans-Res和cis-Res結構Fig.1 Trans-Res and cis-Res structures existing in nature

在對白藜蘆醇進行檢測時，一般使用高效液相色譜法，其優(yōu)點是快速、分辨率高、用量少，缺點是維護費用和成本較高，并且分析時間較長. 色譜質譜連用可以用來分離trans-Res和cis-Res，但是該方法的重復性和穩(wěn)定性較差，設備也較為昂貴. 而毛細管電泳法不僅分離效果較差，而且對設備與技術的要求較高，不利于大規(guī)模應用. 化學發(fā)光法和熒光法只對部分樣品適用，局限性較大，也無法測定樣品中是否同時存在trans-Res 與cis-Res 兩種化合物，并且在檢測過程中，標準品的保質期限較短，trans-Res 的標準品需要隨配隨用，降低了標準品的使用周期［20-23］.

本文利用計算化學中的密度泛函理論，對trans-Res與cis-Res的結構及其光譜進行了計算，從理論上驗證了紅外光譜和拉曼光譜方法測試的可行性，為實際使用這兩種測試方法提供了參考依據. 同時對兩種物質的最高占據軌道（highest occupied molecular orbital，HOMO）和最低未占據軌道（lowest unoccupied molecular orbital，LUMO）進行了理論分析，為順式cis-Res穩(wěn)定存在的原因提供了理論基礎.

1 計算及測試方法

本計算方法首先利用Gaussian View 5.0 軟件分別對trans-Res 和cis-Res 進行空間構型的架構，然后在Gaussian 09中進行結構的優(yōu)化計算，取空間上能量最小值（即最小的勢能面）的結構為穩(wěn)定結構，并要求其最大力、最大力的均方差、最大位移、最大位移的均方差，四項指標均達到收斂. 因此，本文使用密度泛函中的B3LYP方法，6-311++G（d，p）基組進行結構優(yōu)化，對優(yōu)化后的結構進行頻率計算，并去除倍頻干擾，分別得到紅外光譜及拉曼光譜. 根據自洽反應場（SCRF）理論與極化統(tǒng)一場模型（PCM），在相同的方法和基組下對兩種物質在不同溶劑中的分子吸收光譜進行了分析. 使用TD-SCF模式對分子進行前線軌道計算，得到其HOMO 與LUMO在空間的分布，并對其進行理論分析. 圖2為優(yōu)化后的結構，其中紅色代表氧原子，數字編號代表原子編號.

圖2 在B3LYP/6-311++G（d，p）基組優(yōu)化后trans-Res與cis-Res結構Fig.2 Optimized structure of trans-Res and cis-Res at B3LYP/6-311++G（d，p）levels

空間優(yōu)化后，對主要幾何數據進行分析，列于表1中，其中主要包括主要典型原子之間的鍵長、鍵角與空間二面角的數據. 在空間中，順式與反式結構的鍵長變化不大，在兩個苯環(huán)中，碳碳鍵均呈現出trans-Res的鍵長較長趨勢，而在環(huán)外的其他鍵中，C3—C10、C10—H11、C12—H13、C12—C14、C10—C12的化學鍵均呈現出cis-Res鍵長較長的特點，這主要是由于分子在空間中的扭曲結構所造成的，同時也使分子的能量升高，分子更加趨向于不穩(wěn)定的狀態(tài). 從空間的角度分析，其中大多數的鍵角變化不太明顯，但是空間的C3—C4—C10的差別卻十分明顯，偏離普通乙烯分子121.3°，H11—C10—C12的鍵角偏差也較為明顯，偏離普通乙烯分子117.4°.trans-Res 與cis-Res 的主要區(qū)別在于二面角的空間構型，從數據中可以看出存在較大差異的二面角均出現在乙烯雙鍵附近，trans-Res的二面角在空間均接近0°或者是180°，分子呈現出最大的展開趨勢，使分子的能量可以進一步降低，從而保證分子的穩(wěn)定性. 但是cis-Res在空間中，二面角呈現出較大夾角，兩個苯環(huán)的距離更為接近，從而使分子的穩(wěn)定程度降低.

表1 trans-Res和cis-Res優(yōu)化后的幾何參數Tab.1 Optimized geometrical parameters of trans-Res and cis-Res

2 基于DFT計算方法計算兩種物質的紅外光譜和拉曼光譜圖

從圖3中可以直觀看出，trans-Res和cis-Res有著很大的不同. 從紅外光譜圖中可以看出，trans-Res與cis-Res 有一部分相同的波數，其中3838 cm-1為O—H 的伸縮振動峰，3170 cm-1為苯環(huán)上的C—H 伸縮振動峰，3147 cm-1為環(huán)外雙鍵上的C—H伸縮振動，1624、1543和1516 cm-1為苯環(huán)上的C==C骨架振動，1363 cm-1和1283 cm-1為C—H的彎曲振動（包括苯環(huán)上和環(huán)外雙鍵上），1128 cm-1為C—O的伸縮振動（部分峰）.

圖3 trans-Res與cis-Res理論紅外光譜以及拉曼光譜的比較Fig.3 Comparison between theoretical infrared spectra and Raman spectra of trans-Res and cis-Res

在紅外光譜上兩種物質存在著諸多區(qū)別，trans-Res 和cis-Res 的環(huán)外雙鍵的伸縮振動峰有所不同，trans-Res 為1642 cm-1，而cis-Res 為1660 cm-1. 由于cis-Res 的分子苯環(huán)上C==C骨架振動更為劇烈，因此cis-Res在1460 cm-1和1444 cm-1處有一組小雙峰，但是trans-Res卻并沒有這一組峰的出現，這為判斷分子是否由trans-Res 轉變?yōu)閏is-Res 提供了一定的依據. cis-Res 在C—H 的彎曲振動劇烈，導致分子在1345 cm-1和1309 cm-1處有峰，但是trans-Res 并沒有，而是僅僅在1318 cm-1處有峰，這也是區(qū)分兩種物質的重要依據之一. cis-Res 在1000 cm-1附近會出現裂分峰，分別位于1021 cm-1處和988 cm-1處，但是trans-Res 僅僅在993 cm-1處有峰，這是由于C—O 伸縮振動造成的，波數較低是由于兩個苯環(huán)的共軛體系經過環(huán)外雙鍵相連造成的，這也是茋類化合物一個明顯的特征，這同樣也是區(qū)分兩種化合物的依據之一. 900～650 cm-1為苯環(huán)上C—H的面外彎曲振動峰，由于兩種物質的酚羥基的取代方式相同，故沒有明顯的差異. 從整體來看cis-Res比trans-Res的峰要多，這主要是由于cis-Res會出現峰的裂分，但是其波數基本上是一致的.

trans-Res 與cis-Res 在拉曼光譜圖上與紅外光譜圖相比，各個峰的出現更為簡單直觀. trans-Res 轉變?yōu)閏is-Res，其峰的個數有所減少，其中相同峰主要出現在3000 cm-1處以上，3838 cm-1為O—H的伸縮振動、3199 cm-1與3172 cm-1為苯環(huán)上的C—H的伸縮振動峰，3145 cm-1為環(huán)外雙鍵的伸縮振動峰. 主要區(qū)別在于cis-Res 在1651 cm-1處的峰相比較trans-Res 在1642 cm-1處的峰，峰的強度有所減小，峰形也有所不同，trans-Res中1516 cm-1處的峰為苯環(huán)上碳氫的彎曲振動峰（部分），也包括苯環(huán)上C==C骨架的彎曲振動峰（部分）、1363 cm-1為環(huán)外雙鍵上的碳氫彎曲振動峰、1246 cm-1為羥基氫的彎曲振動峰、1165 cm-1為靠近環(huán)外雙鍵的苯環(huán)上氫原子的彎曲振動峰，而這些峰無法在化合物cis-Res中觀測到.

3 分子吸收光譜

圖4是對兩種物質分別在不同溶劑中進行的紫外吸收光譜模擬分析圖，除固體之外，其他溶劑中大多有兩個吸收峰，其紅移和藍移并沒有太大的趨勢變化，最大吸收波長為300～325 nm，這是由于在溶劑中，物質與溶劑之間存在能量交換，從而使物質均可達到相同或者相似的穩(wěn)定狀態(tài). 并且在不同溶劑中均有一個相對較小的吸收峰.

圖4 trans-Res與cis-Res在各種溶劑中的理論紫外吸收光譜圖Fig.4 Theoretical UV absorption graphs of trans-Res and cis-Res in various solvents

4 分子前線軌道

在優(yōu)化后的結構基礎上，對其進行DFT計算，在TD-SCF模式下，采用B3LYP方法，6-311++G（d，p）基組對分子的前線軌道進行分析模擬，得到其HOMO與LUMO圖（圖5）. 其中trans-Res的HOMO與LUMO在圖中分布相對均勻，而cis-Res 的HOMO 與LUMO 的分布則相對集中，從空間上看，cis-Res 分子的LUMO 軌道出現了一條新的折疊軌道，這個軌道是由兩個苯環(huán)上的兩個軌道重合得來的，使得cis-Res在空間中出現了一個大的相對穩(wěn)定而閉合的軌道，使得cis-Res可以穩(wěn)定的存在，這應該是cis-Res能夠在自然界中穩(wěn)定存在的原因之一，同時也為研究物質的順反異構提供了新的思路.

圖5 trans-Res與cis-Res在空氣中的分子前線軌道Fig.5 The molecular frontier orbits of trans-Res and cis-Res in the air

5 結果與討論

使用Gaussian 09對trans-Res與cis-Res進行了空間的結構架構，在空間中找到結構勢能面的最低點（即能量最低處）作為分子的穩(wěn)定結構，得到兩組分子的鍵長、鍵角以及空間二面角的數據，從數據中可以看出，C3—C10、C10—H11、C12—H13、C12—C14、C10—C12的化學鍵呈現出cis-Res 鍵長較長的特點，而對于兩個苯環(huán)鍵長來說影響不大. 從化合物的空間結構來看，兩種化合物在空間的二面角差異較大，trans-Res 在空間中基本上是一個平面結構，但是cis-Res在空間上卻是一個扭曲的結構，致使其空間中的二面角發(fā)生了20°～40°的夾角變化，扭曲結構也使得順式分子的能量增大. 兩種物質的紅外光譜圖相較而言，不同點在于波數1660 cm-1處的峰、1462 cm-1和1444 cm-1處的雙峰以及1021 cm-1和988 cm-1處的裂分峰，這幾處峰是區(qū)分trans-Res和cis-Res的重要依據. 而在拉曼圖譜中，兩種化合物除了在1642 cm-1與1651 cm-1處存在明顯的差別外，對比臨近的1687 cm-1和1677 cm-1處的峰在峰形和強度上也存在著很大的不同. 另外，trans-Res在1516、1363、1165 cm-1等處的峰在cis-Res中均很難觀測到，這也是兩種物質重要的區(qū)分依據，這為利用紅外和拉曼光譜分析檢測兩種物質提供了理論依據. 從化合物的紫外吸收光譜圖的角度分析，由于物質與溶劑之間存在能量交換，因此分子的紫外吸收峰并沒有明顯的變化. 分子的前線軌道顯示，trans-Res 的HOMO 與LUMO 分布較為均勻，而cis-Res的分布則相對集中，并且在cis-Res的LUMO上存在著兩個苯環(huán)軌道的重合，從而使得分子在空間中形成了一個相對穩(wěn)定而閉合的軌道，這可能是cis-Res 可以在自然界中穩(wěn)定存在的原因之一，也為更好地研究物質的順反異構提供了新的思路.