吴茱萸碱结构和振动光谱的理论研究

刘靖丽, 郭 惠, 张 拴

(陕西中医药大学 药学院, 陕西 咸阳 712046)

中药吴茱萸为芸香科植物吴茱萸、石虎和疏毛吴茱萸的干燥近成熟的果实，吴萸碱(Evo)是其重要的生物碱活性成分[1].研究表明，Evo具有抗肿瘤、降血压、抗炎、减肥、镇痛、免疫调节等多种药理学作用[2-4].因此，研究吴茱萸碱的构效关系[5]在药理学、生物化学、药物设计以及新药开发中具有重要意义.李书华[6]从吴茱萸中分离得到吴茱萸碱，利用核磁共振对其结构进行了鉴定，最后通过X-单晶衍射测得其晶体结构.郭惠等[7]等利用化学方法合成了吴茱萸碱，对其结构进行了表征，测得了其红外振动光谱，并对主要基团的振动模式进行了指认.吴茱萸碱分子中含有吲哚环、喹啉环和吡啶环，结构较为复杂，环与环之间可能存在一定的作用力，分子内部各基团存在着一定的耦合作用，使得对于这类天然化合物的振动吸收光谱的指认存在困难.目前尚未见对吴茱萸碱的结构和振动光谱进行理论研究的报道.本文采用DFT方法研究了去氢抗坏血酸[8]、儿茶素[9]、咖啡酸[10]和槲皮素[11]分子的振动光谱，对它们的振动模式进行了理论归属和指认，与实验光谱吻合的较好，说明DFT方法是探讨分子振动光谱的较好方法.基于此，本文采用密度泛函B3LYP和B3PW91方法，对吴茱萸碱分子进行了几何结构优化(几何结构示意图及原子编号见图1)和振动光谱的计算，并与实验结果进行比较，对其振动模式进行指认和归属，以期对于研究吴茱萸碱及其衍生物的药物构效关系提供理论基础.

1 计算方法

采用密度泛函B3LYP和B3PW91方法，以6-311++G**为基组对吴茱萸碱的几何结构(几何结构示意图及原子编号见图1)进行全优化，得到吴茱萸碱的理论几何平衡结构.然后在相同的理论水平上计算其平衡构型下的振动谐力常数和振动频率以及红外光谱和拉曼光谱.所有的计算均由Gaussian 09[12]程序完成.

2 结果与讨论

2.1分子几何构型分析采用密度泛函理论B3LYP和B3PW91方法，以6-311++G**为基组对吴茱萸碱(Evo)的分子结构进行了全优化，两种方法计算所得的理论平衡几何结构一致.由此结构计算所得到的频率中没有虚频，说明相应的理论计算几何结构为稳定结构，如图1所示.2种方法计算所得的部分几何结构参数列于表1和2，可见，2种方法所得的结构参数与X射线晶体衍射实验数据[6]相一致.

表 1 在B3LYP和B3PW91水平上结合6-311++G**基组计算得到吴茱萸碱的键长

表 2 在B3LYP和B3PW91水平上结合6-311++G**基组计算得到吴茱萸碱的键角

由图1可见，优化得到的吴茱萸碱分子中A环是一个平面构型，B环是一个平面五元环系，C环是一个信封式的构型，C2—C3—C5—C6—C7共5个碳原子在一个平面，N4为信封封口.D环也采用信封式构型，N14—C15—C20—C21—N4共5个原子在一个平面，C3为信封封口，E环是一个平面的六元环系.计算得到的几何平衡结构与吴茱萸碱的X射线单晶衍射的构型完全吻合，说明选取的计算方法是可行的.

2.2吴茱萸碱的红外光谱分子的红外吸收光谱，不但可以研究分子的结构，分析化学键的强弱，判断分子的活性位点，还用于表征和鉴别各种化学物质.在得到吴茱萸碱分子的几何平衡构型后，使用2种方法B3LYP和B3PW91，结合6-311++G**基组计算了吴茱萸碱平衡构型的振动光谱，用高斯函数描述红外光谱峰形曲线，绘制了吴茱萸碱的理论红外光谱图，并与其实验红外光谱图进行了比较(见图2～4).计算结果表明，该分子属于C1点群，有40个原子，对应有114个振动模式，皆具有红外和拉曼活性，没有出现虚频，表明得到的吴茱萸碱几何构型处于势能面上能量极小点.

图 2 吴茱萸碱的实验红外光谱图[7]

图 3 吴茱萸碱在B3LYP/6-311++G**下计算的理论红外光谱图

图 4 吴茱萸碱在B3PW91/6-311++G**下计算的理论红外光谱图

计算得到的频率范围分布为40～3 680 cm-1，其中ν114(3 660 cm-1)，摩尔吸光系数为222 L/(mol·cm)，归属于N—H的伸缩振动，是谱图上峰型最为尖锐的峰，可作为吴茱萸碱的特征鉴别峰.实验光谱中N—H的伸缩振动吸收峰出现在3 220 cm-1处，可能由于吴茱萸碱分子间氢键的存在[6]，使得谱带变宽并向低波数方向移动.最强的谱线频率为ν97(1 720 cm-1)，摩尔吸光系数为631 L/(mol·cm)，归属于C21O22的伸缩振动，实验谱图在1 633 cm-1处出现了CO的特征吸收峰.3 200～3 100 cm-1之间的8处吸收峰为苯环A和E上C—H的伸缩振动，3 100～3 000之间的振动吸收峰，归属于D环上甲基的C—H对称和反对称伸缩振动以及C环上CH2的伸缩振动，对应于实验谱图中的2 940和2 904 cm-1处的吸收峰.1 700～1 600 cm-1之间的振动吸收峰，归属于苯环A和E骨架伸缩振动，它们是苯环的特征振动，对应于实验谱图中1 503和1 466 cm-1处的吸收.由于苯环和五元环结构间的耦合作用，波数在1 600 cm-1以下的振动频率分布密集，从而使得振动模式的归属较为复杂.其中ν81(1 430 cm-1)，摩尔吸光系数为680 L/(mol·cm)，主要由C3—H48的面内摇摆和环变形振动贡献.ν72(1 290 cm-1)，摩尔吸光系数为297 L/(mol·cm)，是由N1—C2和N1—C13伸缩振动同整个分子的环伸缩耦合的结果.通过图2可以看出，2种方法计算所得吴茱萸碱分子的理论光谱图与其实验光谱图基本一致，尤其是CO作为最强振动，对于苯环上的C—H伸缩振动，CC伸缩振动以及N—H的伸缩振动等特征振动，有关理论计算和实验光谱图均达到较好的一致.可以看到N—H和C—H键的振动频率都在3 000 cm-1以上,苯环骨架的伸缩振动在1 700～1 500 cm-1之间，而低频率主要是环的摇摆和变形等，有关光谱图及其有关振动模式的指认和实验一致.

2.3吴茱萸碱的拉曼光谱吴茱萸碱的红外光谱和拉曼光谱比较相近，同一基团在红外光谱和拉曼光谱上都有显示，只是振动强弱有差异，有些基团在红外光谱图上吸收峰很明显但是在拉曼光谱图上活性较弱，相反的有些峰在拉曼谱图上活性较强但是在红外光谱图上吸收较弱，因此可以把红外光谱和拉曼光谱结合起来分析吴茱萸碱的性质.

图 5 吴茱萸碱在B3LYP/6-311++G**水平上计算的拉曼光谱

图 6 吴茱萸碱在B3PW91/6-311++G**水平上计算的拉曼光谱

在2种水平B3LYP/6-311++G**和B3PW91/6-311++G**上计算所得的吴茱萸碱的拉曼光谱，如图5和6所示.吴茱萸碱分子所有振动模式都具有拉曼活性，振动频率在1 000 cm-1以下和3 200 cm-1以上的吸收峰，拉曼活性很小.最强的吸收峰频率为3 200 cm-1，吸收强度为19.6 kM/mol，是N—H键的伸缩振动吸收峰.频率范围在3 200～2 900 cm-1的吸收峰具有较强的拉曼活性，归属于环上C—H的伸缩振动.频率在1 600～1 700 cm-1的吸收峰具有中等强度的拉曼活性，是CO的伸缩振动及苯环C—H键扭转及C—C键的伸缩振动.

3 结论

采用密度泛函理论B3LYP和B3PW91方法，在6-311++G**水平上研究了吴茱萸碱的平衡几何结构、红外和拉曼振动光谱.2种方法计算所得的吴茱萸碱均是一个非平面结构的分子，与实验晶体结构吻合的很好.吴茱萸碱分子有40个原子，对应有114个振动模式，均具有红外和拉曼活性.红外吸收最强的吸收峰的振动频率为1 720 cm-1，摩尔吸光系数为631 L/(mol·cm)，归属于C21O22双键的伸缩振动.拉曼吸收最强的吸收峰的振动频率为3 200 cm-1，吸收强度为19.6 kM/mol，是N—H键的伸缩振动吸收峰.研究结果可为进一步研究吴茱萸碱及其衍生物的结构和生物活性提供一定的理论基础.

致谢陕西中医药大学重点培育项目(2015PY11)对本文给予了资助，谨致谢意.