云南松松塔中planchol E的手性结构与光谱的密度泛函研究

杨 颖，刘光明，雷 婷，莽朝永，2*

（1.大理学院药学与化学学院，云南大理 671000；2.大理学院药物研究所，云南大理 671000）

云南松松塔中planchol E的手性结构与光谱的密度泛函研究

杨 颖1，刘光明1，雷 婷1，莽朝永1，2*

（1.大理学院药学与化学学院，云南大理 671000；2.大理学院药物研究所，云南大理 671000）

立体化学结构与手性光谱关系研究，对手性化合物在手性材料和手性药物等方面的应用，是前期性的基础工作。对一种分离自云南松松塔的手性苯酚类化合物（planchol E），进行了密度泛函理论计算研究。计算结果表明：测定的NRM谱主要体现了异构体1的特征，而测定IR谱主要是异构体2的。由于异构体2有分子内氢键，导致两种异构体的光谱差异很大。

planchol E；密度泛函方法；电子圆二色谱；振动圆二色谱；氢键

在云南省西北部，云南松（Pinus yunnanensis）是一种重要的资源植物，其化学成分具有抗癌和抗HIV-1活性。近年来，从云南松中已分离出了多种化合物，包括萜类、黄酮类、木质素类和生物碱类物质〔1-2〕。我们从云南松松塔中分离到一种罕见的具有手性结构的苯酚化合物〔3〕，命名为planchol E，分子骨架是刚性的，由一个苯酚环、一个含氧六元环、两个含氧五元环融合而成。见图1。实验上测定了该化合物的旋光度、核磁共振谱、红外振动光谱和紫外电子吸收光谱。

图1 化合物1分子结构：异构体1（a）和异构体2（b）

手性化合物的不同对映异构体，不但具有不同的手性光谱，而且常会表现出不同的生物活性。手性分子的立体结构与手性光谱的关系研究，对研究手性材料和开发手性药物，是一项前期性的基础工作。在目前的工作中，我们采用密度泛函（DFT）方法，优化了planchol E的分子结构，并计算了核磁共振谱（NRM）、紫外电子吸收光谱（UV）和电子圆二色谱（ECD）、红外振动吸收光谱（IR）和振动圆二色谱（VCD）。由于酚类化合物含有活泼的羟基而具有抗氧化活性，对人体健康起到有益作用，是许多饮料如茶、葡萄酒和咖啡的主要成分，具有抗炎症、抗病毒、抗变态、抗肿瘤等作用，对其分子结构和光谱特征的深入研究，对这类化合物在手性药物方面的应用具有重要意义。

1 计算方法

根据图1，planchol E有两种结构，一种是没有分子内氢键的异构体1，另外一种是具有分子内氢键的异构体2。采用DFT方法〔4〕和Becke三参数杂化函数B3LYP〔5-6〕，结合全电子扩展基组6-31+G*和6-311++G**〔7-8〕，对两种异构体进行计算。计算工作是采用高级量子化学程序Guassian 09W〔9〕进行的。首先，在B3LYP/6-31+G*水平上，优化了planchol E的几何构型，并计算了谐性振动频率。由于发现没有虚频，表明所优化的结构，其能量已达到局域最小值。然后，在B3LYP/6-311++G**水平上，计算了H1NRM谱的化学位移。最后，采用含时密度泛函方法（TDDFT）〔10〕，在B3LYP/6-31+G* 理论水平上，求解前20个激发态。在求解过程中，电子旋转强度张量元由求得，其中为电偶极矩矢量为磁偶极矩矢量〔11〕。采用自编的小程序，拟合了具有洛伦兹线型特征的UV谱和ECD谱（20 nm半波宽），以及IR谱和VCD谱（30 cm-1半波宽，并采用0.962的频率校正因子）。

2 结果与讨论

2.1 分子结构和核磁共振谱（NRM）优化的分子结构见图1，planchol E具有四个手性碳中心，为RRRR结构。在图1（a）中，异构体1的两个六元环基本上是共面的（二面角小于3°），含氧六元环与中间含氧五元环之间二面角CCCC为157°和OCCO为75°；两个含氧五元环之间二面角CCCO为120°和OCCC为117°。分子骨架为扭曲的双螺旋结构。分子中间的C=O键为1.222 Å，C-OH中的C-O键为 1.353 Å，O-H 键为 0.971 Å。在图 1（b）中，异构体2有一个分子内氢键，导致比异构体1更大的扭曲，而且比异构体1更稳定（能量低了37.2 kJ/mol）。两个六元环是共面的，二面角约为2°。含氧六元环与中间含氧五元环之间二面角CCCC为87°和OCCO为160°。两个五元环之间二面角CCCO为96°和OCCC为138°。由于分子内氢键，C=O键被拉长了（1.241 Å），C-OH 中的 C-O 键缩短了 （1.340 Å），O-H 键拉长了（0.994 Å），H…O氢键为1.720 Å。

计算的H1NRM谱见图2。在图2（a）中，由于异构体1中没有分子内氢键，两个OH上的H化学位移相近，分别为11.2和11.4 ppm。实验上〔3〕，在氘代二甲亚砜（DMSO-d6）溶液中，测定的化学位移数值分别为11.1和11.7 ppm。可见，计算值与实验值相符。在图2（b）中，异构体2中的分子内氢键，使参与氢键的OH中的H具有强烈的去屏蔽作用，计算化学位移为19.5 ppm。没有参与分子内氢键的OH中的H的化学位移计算值为11.1 ppm。

图2 在B3LYP/6-311++G**水平上计算的核磁共振谱：异构体 1（a）和异构体 2（b）

作为一种气相单分子近似，计算结果表明：在气相中异构体2比异构体1稳定。但是，由于溶剂效应等因素影响，使实验测定的H1NRM谱与异构体1的计算结果更接近。我们推测，在测定NRM谱的实验条件下，planchol E主要以异构体1存在。

2.2 电子吸收光谱（UV）和电子圆二色谱（ECD）计算的UV谱、根据实验拟合的UV谱、计算的ECD谱（920 nm半波宽），见图3。

图3 计算的UV谱（a）、根据实验拟合的UV谱（b）、计算的ECD谱（c）（920 nm半波宽）

根据图3（a），计算的电子吸收光谱有三个吸收峰。异构体1的吸收波长分别为302、264和209 nm。异构体2的吸收波长分别为330、274和207 nm。根据图3（b）所示，在化合物1的甲醇溶液中〔3〕，测定的实验值分别为345、301和204 nm。虽然异构体2的计算值更接近在甲醇溶液中的实验值，但仅凭这一点，我们仍然无法把实验中的光谱归属到哪一个异构体。在甲醇溶液中，异构体2更可能稳定一些。在图3（c）中，我们发现两种异构体的ECD谱差异很大：异构体2在318 nm附近有强的正Cotton效应，而异构体2却很弱在343 nm处有弱的正Cotton效应；异构体2在221 nm处有强的负Cotton效应，而异构体1在218 nm处有强的正Cotton效应。

异构体1在218 nm处的强峰起源于S0→S11的电子跃迁，电子从HOMO-4跃迁到LUMO轨道上。可知，HOMO-4的电荷布居在整个分子骨架上（见图4），而LUMO的电荷主要布居在两个六元环上，因此，电子跃迁导致了电荷密度发生了从五元环到六元环的转移，产生了荷移峰。在343 nm处的峰起源于S0→S1的电子跃迁，是电子从HOMO-2跃迁到LUMO的结果，图4表明这两个分子轨道的电荷主要布居在苯环上，因此是电荷局域峰。

图4 异构体1对ECD谱有重要贡献较大的分子轨道电荷分布

异构体2在318 nm处的峰主要源于S0→S2的贡献，是电子从HOMO-2跃迁到LUMO的结果，可知，这个峰主要是苯环电荷局域峰（见图5）。在221 nm处的峰是S0→S8的电子跃迁结果（电子从HOMO-3跃迁到LUMO+3）。图5表明电荷密度从五元环转移到苯环，因此是一个荷移峰。

图5 异构体2对ECD谱有较大贡献的分子轨道电荷分布

此外，我们计算了比旋度，异构体1的比旋度是+116°，异构体2的比旋度是+247°，都比在甲醇中的实验值大（-26.0°）〔3〕。由于计算值和实验值符号相反，这一结果提示我们，我们计算的异构体可能是实验中的异构体的光学对映体，需要更多的证据。

2.3 红外振动光谱（IR）和振动圆二色谱（VCD）计算结果见图6。

图6 计算的红外振动吸收光谱（IR光谱（a）和振动圆二色谱（b））（半波宽30 cm-1）

图6（a）为计算的IR谱。在3 606 cm-1处吸收来源于O-H伸缩。两个异构体的IR谱在高频区差别很大。对异构体1，在2 952 cm-1处有较弱的吸收，由五元环上的CH2基团的C-H伸缩，在1 783 cm-1处的吸收为五元环上的C＝O伸缩。苯环骨架伸缩导致了在1 601 cm-1处的吸收峰。1 078 cm-1处的吸收是两个五元环骨架伸缩结果。

对于异构体2，参与形成分子内氢键的羟基的O-H伸缩吸收峰出现在3 167 cm-1处，CH3中的C-H伸缩出现在3 016 cm-1处。1 786 cm-1处的吸收峰，是五元环上的C=O伸缩结果。在1 629 cm-1处的吸收，与苯环骨架伸缩有关。在1 139 cm-1处的吸收峰，来源于整个分子骨架伸缩贡献。

采用KBr做压片的planchol E样品，实验测定表明：在3 415 cm-1处有强吸收峰〔3〕。这个峰只能起源于参与分子内氢键的羟基的O-H伸缩。未校正的计算结果是3 292 cm-1，校正后是3 167 cm-1（见图1）。据此推测，在实验条件下，化合物主要以异构体2存在。我们把1 760 cm-1处的实验归属为C=O伸缩（计算值1 786 cm-1），1 658 cm-1处的吸收峰归属于苯环振动（计数值1 629 cm-1），1 170 cm-1处的吸收峰归属于整个分子骨架的振动（计数值1 139 cm-1）。

在图6（b）中，计算的两个异构体的VCD谱差别很大。异构体1在2 952 cm-1处有弱的负Cotton效应，为五元环上CH2的C-H伸缩结果。最强峰出现在1 218 cm-1处，是苯环与端点五元环骨架伸缩结果。

在异构体2的VCD谱中，在3 167 cm-1处有一个较强的负Cotton效应，是参与形成分子内氢键的羟基O-H伸缩结果。在1 210 cm-1处有一个强的负Cotton效应，是苯环与端点五元环伸缩的结果，在1 084 cm-1处有一个强的正Cotton效应，是两个五元环伸缩的结果。

3 结论

在本工作中，我们采用密度泛函方法，计算了化合物planchol E的两个异构体的核磁共振谱、电子吸收光谱、电子圆二色谱、红外振动光谱和振动圆二色谱，并进行了分子轨道和振动模式分析。计算结果与实验比较，推测在测定核磁共振谱的条件下，由于没有观察到氢键羟基H的化学位移，planchol E主要以没有分子内氢键的异构体1的形成存在；而在测定红外振动光谱的条件下，观察到氢键羟基的振动吸收峰，表明planchol E主要以具有分子内氢键的异构体2的形式存在。因此，planchol E是以分子内氢键的形式存在，会随实验环境的变化而变化。

此外，我们理论上预言了两种异构体的手性光谱（ECD和VCD谱），发现它们的手性光谱显著不同。在ECD谱中，异构体1在218 nm附近具有强的正Cotton效应，而异构体2在221 nm附近却出现强的负Cotton效应。在VCD谱中，异构体2在3167cm-1处出现较强的负Cotton效应，起源于分子内氢键的OH伸缩。

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Density Functional Study of Chiral Structures and Spectral Properties of the Phenolic Compound Planchol E from Pinecones of Pinus yunnanensis

YANG Ying1,LIU Guangming1,LEI Ting1,MANG Chaoyong1,2*
（1.College of Pharmacy and Chemistry,Dali University,Dali，Yunnan 671000,China；2.Institute of Pharmaceutical Science,Dali University,Dali,Yunnan 671000,China）

The research on the relationship between stereo-chemical structures and chiral spectra is a fundamental job for the applications of chiral compounds in chiral materials and chiral drugs.The DFT computations of a chiral phenolic compound called as planchol E show that the experimental H1NRM spectra display the feature of isomer 1 without intramolecular H-bond while the measured IR spectra originate from isomer 2 with intramolecular H-bond.Due to the intramolecular H-bond in isomer 2,there are many differences in both the chiral spectra as ECD and VCD and the achiral spectra as NRM and IR.

plancholE；densityfunctionaltheoreticalmethod；electroniccirculardichroism；vibrationalcirculardichroism；hydrogen bond

O64

A

1672-2345（2013）04-0040-04

国家自然科学基金资助项目（81260632）

2013-01-01

2013-02-20

杨颖，硕士研究生，主要从事药物化学和物理化学研究.

（责任编辑 袁 霞）

10.3969/j.issn.1672-2345.2013.04.011

*通信作者：莽朝永，教授，博士.