芦竹碱分子的密度泛函理论研究

孙彩霞,焉炳飞,李文佐,程建波

(烟台大学化学化工学院,山东 烟台 264005)

海洋中生活着大量的微生物、植物(藻类)和动物(软体类和甲壳类), 其中有数千种具有污损性, 能附着在海洋中的固体上生长繁殖, 从而形成海洋生物污损. 海洋生物污损会导致船体重量增加,航行速度降低, 能源消耗增加, 在附着过程中分泌的酸性物质会腐蚀船体, 加速船体损坏[1-6]. 此外,海洋生物污损还会对水中的平台设施和水产养殖造成危害, 引起电厂冷却水管道阻塞. 涂装防污涂层是目前最经济有效和普遍采用的方法. 开发低毒、高效、光谱抗污损性能的防污剂迫在眉睫.

芦竹碱(gramine)是一种吲哚族生物碱,其化学名称为吲哚-3-基-N,N-二甲基甲胺, 分子式为C11H16N2,有毒. 关于芦竹碱的实验研究较多. 2002年王天桃等[7]对其合成新工艺进行了研究, 2004年许前会等[8]对其应用与合成进行了研究, 杨保平等[9]介绍了新型防污剂二羟基芦竹碱的应用与合成, Quartarone等[10]研究了芦竹碱对低碳钢腐蚀的抑制作用, Li等[11]研究了含酯基芦竹碱化合物的合成、抑制藻类的活性及其定量构效关系. 然而,关于芦竹碱的理论研究尚不多见. 2007年孙玮[5]曾对芦竹碱类化合物防污活性的定量构效关系进行过研究. 目前对于芦竹碱的抗污损机制尚不清楚, 对其构效关系和稳定性等缺乏全面的认识. 鉴于其特殊性质, 本文运用量子化学方法研究了芦竹碱, 为进一步研究该类化合物的结构与活性关系提供理论依据.

1 计算方法

计算使用密度泛函理论中的B3LYP (Becke’s three-parameter hybrid functional with the non-local correlation of Lee-Yang-Parr)[6-7]方法对芦竹碱分子进行全参数优化, 这是目前被广泛使用且优化构型相对准确的方法[8-11]. 优化时采用6-311+G(d, p)[12]基组. 在相同计算水平上进行振动频率分析计算, 以确定构型是否对应于位能面上的最低点. 在结构优化的基础上进行了自然键轨道 (NBO) 分析. 所有计算使用Gaussian 09程序[13].

2 结果和讨论

2.1 分子构型

图1示意了芦竹碱分子在B3LYP/6-311+G(d,p)水平上全优化的几何构型. 优化结果表明, 芦竹碱分子属于C1点群. 表1给出了优化得到的芦竹碱分子的主要几何参数. 这是迄今为止关于该分子最详细的结构信息.

图1 在B3LYP/6-311+G(d, p)水平上计算的芦竹碱分子的几何构型

表1在B3LYP/6-311+G(d,p)水平上计算的芦竹碱分子中的键长,键角及二面角

Tab.1 The B3LYP/6-311+G(d, p) calculated bond lengths, bond angles and dihedral angles of gramine

参数键长/nm参数键角/(°)参数二面角/(°) R(C1—C4)0.140∠C1C4C3121.1二面角C1-C4-C3-C2-0.02 R(C4—C3)0.141∠C4C3C2121.1二面角C4-C3-C2-C90.16 R(C3—C2)0.139∠C3C2C9119.2二面角C3-C2-C9-C10-0.27 R(C2—C9)0.141∠C2C9C10118.7二面角C2-C9-C10-C10.25 R(C9—C10)0.142∠C9C10C1112.3二面角N6-C10-C1-C4-179.88 R(C10—C1)0.140∠C10C9C18107.2二面角C18-C9-C2-C3179.68 R(C9—C18)0.144∠C9C10N6107.1二面角C5-C10-C1-C4-179.20 R(C10—N6)0.138∠C9C18C5106.5二面角C5-C9-C2-C3179.81 R(C5—C18)0.137∠C18C5N6109.9二面角C15-C18-C9-C10-177.88 R(C5—N6)0.138∠C5C18C15126.5二面角C15-C18-C5-N6177.84 R(C15—C18)0.150∠C15N19C20111.6二面角C15-C18-C10-N6-174.12 R(C15—N19)0.147∠C15N19C24112.1二面角C15-N19-C24-C20125.52 R(N19—C24)0.146∠C20N19C24111.0二面角C20-N19-C15-C18-163.14 R(N19—C20)0.146∠C2C9C18134.1二面角C24-N19-C15-C1871.62 R(N6—H70.101)∠C1C10N6130.6二面角C24-N19-C20-C15125.82 R(C5—H80.108)∠C9C18C15126.9二面角C19-C15-C18-C532.50

2.2 前线轨道分析

根据福井谦一的前线轨道理论, 前线轨道的能量及其分布情况直接影响分子的活性, 分子的化学反应主要是由其前线轨道决定. 芦竹碱的最高占据轨道(HOMO)的能级为EHOMO=-5.614 5 eV, 最低空轨道(LUMO)能级为ELUMO=-0.600 0 eV, HOMO与LUMO的轨道能级差为ΔE=-5.014 5 eV. 芦竹碱分子的最高占据轨道及最低空轨道见图2. 表2中列出了芦竹碱分子的HOMO和LUMO原子轨道分布. 从图2、表2可以看出芦竹碱分子的HOMO遍布在整个分子上, 表明可以形成大的共轭体系, LUMO主要分布在苯环及五元杂环上.

图2 芦竹碱分子的前线轨道示意图

表2芦竹碱的分子轨道系数

Tab.2 Coefficients of molecular orbital of gramine

AtomHOMO(-3)HOMO(-2)HOMO(-1)HOMOLUMOLUMO(+1)LUMO(+2)LUMO(+3) C10.411 4-0.172 20.326 50.028 50.532 8-0.140 90.381 40.463 6 C2-0.371 00.0062 5-0.363 00.034 60.550 7-0.293 30.167 2-0.506 3 C30.393 6-0.104 0-0.174 60.014 0-0.180 60.639 80.122 40.465 1 C40.255 90.314 60.280 4-0.027 9-0.421 8-0.430 3-0.341 6-0.446 5 C5-0.178 60.358 50.351 6-0.046 60.490 60.149 6-0.588 90.049 5 N60.227 90.296 8-0.435 60.047 6-0.209 4-0.360 10.335 10.156 4 C9-0.377 7-0.406 9-0.018 90.016 9-0.302 1-0.337 9-0.366 70.591 0 C100.225 3-0.438 0-0.129 00.021 3-0.069 40.607 8-0.213 4-0.525 1 C150.093 10.003 7-0.060 6-0.084 0-0.016 90.011 70.107 5-0.121 0 C18-0.347 0-0.014 60.493 5-0.087 0-0.267 80.101 10.646 9-0.235 3 N19-0.045 5-0.003 80.123 10.806 80.033 7-0.013 6-0.130 10.143 8 C200.008 2-0.000 70.011 9-0.077 3-0.010 2-0.005 30.042 3-0.052 5 C240.041 00.009 5-0.030 70.235 40.008 1-0.008 1-0.031 30.037 8 H160.061 20.001 1-0.044 10.238 30.030 9-0.019 2-0.031 2-0.018 2 H17-0.128 7-0.005 60.131 2-0.064 3-0.071 60.027 20.215 9-0.133 3 H22-0.010 40.000 30.030 60.240 6-0.004 00.000 80.013 2-0.018 2 H250.020 20.005 30.041 80.235 40.000 10.003 80.009 5-0.019 7

2.3 电荷分析

分子的电荷分布对分子活性有重要影响,分析分子的电荷分布可以揭示其与其他分子的作用位点.芦竹碱分子主要原子的电荷分布见表3.从表3可以看出氮原子带有最大的负电荷;碳原子中C20和C24有较大的负电荷, C10有较大正电荷, C5有少量正电荷. 显然, N6原子的存在, 是造成分子体系中正负电荷分布的主要原因. 说明芦竹碱分子的活性部位是在吲哚环上. N6原子有较大负电荷, 有强的亲核活性, 与受体相互作用时, 可作为氢键的受体, 是关键的活性部位. C10原子与N6原子形成一对偶极, 当与受体作用时, 也是关键的活性部位.

表3 芦竹碱主要原子的电荷分布

3 结 论

用B3LYP/6-311+G(d, p)方法优化了芦竹碱分子, 得到了在B3LYP/6-311+G(d, p) 水平下的全优化立体结构以及几何参数. 前线轨道分析与电荷分析揭示了前线轨道、电荷分布与反应活性之间的关系. 本工作为研究芦竹碱类化合物提供了有益参考.

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