烟花苷与Cu、Zn金属离子相互作用的理论研究

罗冬梅 靳瑞发 肖文敏

摘要：文章采用Gaussian09，在B3LYP/6-311++g（d，p）的水平上计算了铜、锌离子和烟花苷（5-hydroxyl-4-hydroxy methyl-r-butyrolactone）的相互作用，得到几何结构、紫外光谱图、偶极矩以及电荷分布等数据，并在该水平上计算了它们的结合能.结果表明烟花苷降糖中药分子与金属离子有一定的相互作用，它们之间的相互作用能较大，两种金属离子对分子构型的影响较大，络合体系稳定.

关键词：烟花苷;金属离子;密度泛函理论;相互作用

中图分类号：O642.0  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2019）12-0017-05

1 前言

目前，糖尿病[1]已成为临床医学上一种常见的多发病，全世界糖尿病的平均患病率已达百分之三，且其发病率正在逐年升高.为此人们在积极努力的探索降糖药物的合成和应用工作.在种类繁多的具有降低血糖作用的中药中，白背三七[2]因为具有食用和药用的双重功效，被广泛应用于降糖药物的研究中.本实验所研究的工作就是中药白背三七中的一种降糖分子[3]——烟花苷[4]（5-hydroxyl- 4-hydroxy methyl-r-butyrolactone）与Cu、Zn金属离子的相互作用.进而找到具有降低血糖的作用的有效成分，并研究该成分在人体内的反应机理[5]，为降糖药物的研发提供一些数据.

2 计算细节

在实验过程中，实验基组有举足轻重的作用.对于基组的选择，即对整个计算量有严格要求，对结果也要求准确可靠.所以基组可以尽可能的大一点.基组如果越大，那么它就会更准确的描述它的轨道，所得到的解也会更加准确，但是，计算量也相对增加，选用6-311++g（d，p）[6]基组较为合理.首先使用了Gaussian09[7]程序，在B3LYP[8]/6-311++g（d，p）的水平上，完成了对烟酸酐分子与铜、锌两种离子（采用LANL2DZ[9]基组）相互作用的结构优化、激发态计算、NBO电荷分布计算及相互作用能的计算.并且运用了GaussView5.0.8和GaussSum等软件，绘制出了各分子的电子云分布图、原子轨道图以及它们的紫外光谱图.更直观系统的给出了烟酸酐分子与铜和锌的作用结果以及作用原理.

3 结果与讨论

能否正确设计出烟花苷分子与铜和锌作用后的构型对本次实验起着重要作用.分子的构型[10]是所有化合物的性质研究的基础.由于烟花苷分子在优化后没有产生虚频，因此在计算后所得结构就是该分子稳定势能面上的最低点[11]，计算结果有效.现在，对得到的结果进行如下讨论：

3.1 烟花苷与Cu、Zn络合物的分子结构

3.1.1 键长的变化

由表1可以得到烟花苷与Cu、Zn作用前后键长变化.在与金属Cu作用后，发生明显变化的有R（1，5）、R（11，12）、R（13，14），它们之间的键长都略有改变，从1.55？魡到1.54？魡，从1.43？魡到1.40？魡，其中可以清晰发现，因为O为缺电子原子，C和O双方只能共用电子，相互吸引，而使C10与O11间的化学键键长缩短，因此，C-O间的键长经络合作用后，有明显的缩短.由于键合位置不同，O11與Cu31间的键长为1.78？魡，O24与Cu31间的键长为1.79？魡，相差不大.

烟花苷在与金属Zn原子作用后R（1，2）由1.44？魡增大到1.45？魡，而R（24，33）为1.87？魡，即与Zn相连的键长较长.由于键合位置不同，O11与Zn33间的键长，因为O原子把较多的电子提供给了金属Zn原子，所以R（11，33）变为1.87？魡.而O24与Zn33间的键长1.87？魡，大小相近.5-hydroxyl-4-hydroxymethyl-Cu络合体系和5-hydroxyl-4-hydroxy methyl-Zn络合体系中，其他原子的键长，因为不直接参与络合物的形成，即不直接参与配位，虽发生变化，但变化程度不大.分析上表可以得出烟花苷分子中的O原子与Cu作用后的键长R（11，31）为1.78？魡小于烟花苷分子中的O原子与Zn作用后的键长R（11，33）为1.87？魡，说明金属铜和金属锌相比，Cu所形成的络合物构型更稳定一些.金属Cu和金属Zn对烟花苷的配位部分的键长，有较大影响.

3.1.2 键角的变化

由表2烟花苷与Cu、Zn作用前后键角可知，烟花苷分子本身的空间离域并不大，比较稳定.而当烟花苷分子与金属Cu原子作用后，体系的A（2，1，5）键角由106.4°减小为105.4°，而对于A（19，24，31）变为129.3°，该角是整个分子间最大的角，观察整组数据，也可发现分子的构型在此处发生的偏转较大.烟花苷在与Zn作用后，A（19，18，27）为109.1°而A（19，24，33）为121.4°，A（18，19，28）为107.1°，A（11，10，12）为113.6°，均可看出烟花苷分子在与Zn作用后，两边的原来的烟花苷分子都要发生了较大程度的改变.综上所述，在与表4-3烟花苷与Cu、Zn作用前后键长对比数据相互对照，可以看出烟花苷分子在与金属Cn和Zn络合后，整体的空间构型均发生了改变，分子的对称性也明显降低.但由于变化的幅度并不是整体偏高，所以两种金属离子只是在一定程度上影响了络合体系的键角.

3.2 电荷的变化（The change in charge）

根据表3可见烟花苷与Cu、Zn两种金属作用前后电荷.其中，烟花苷在与Cu作用后，原来的C1 的电荷由0.089e-分别减小到了0.043e-和0.029e-，电荷发生了较大的变化，说明作用前后该碳原子的电子云层发生了较大的改变.而C4原子由-0.511e-分别减少到了-0.590e-和-0.575e-，C5原子由0.108e-分别减少到了0.048e-和0.045e-，说明烟花苷在与金属作用后，环状结构的电荷发生较大变化.O13由-0.749e-也变化到-0.757e-和-0.773e-，说明此处的O原子参与了5-hydroxyl-4-hydroxymethyl-Cu络合体系的配位，为配位提供了电子，此O原子只需与金属原子的共用电子对配位即可.而烟花苷在与金属Zn作用后，原来的C1的电荷由0.089e-分别减小到了0.037e-和0.018e-，而C4原子由-0.511e-分别减少到了-0.589e-和-0.577e-，说明金属在环外可对环状结构产生较大影响，O原子同样参与了络合体系的配位.对于其他原子的电荷，由于配位作用，它们的电荷也发生了一些变化，但因它们不直接参与配位作用，变化程度不大.

3.3 烟花苷与Cu、Zn络合物的轨道图

图4-6以及表4分别列出了体系的激发态的电荷转移跃迁性质，图中左面的HOMO部分为分子的最高占有轨道，右边的LUMO部分为分子最低空轨道.对于5-hydroxyl-4-hydroxymethyl，在HOMO+34轨道，电子云散漫的分布在苯环上，在LUMO+39的轨道时电子云全部集中在苯环上下两面，这说明有电荷转移.对于5-hydroxyl-4-hydroxymethyl-Cu分子在HOMO+78轨道上的时候，电子云密度全部集中在右边的苯环上和金属Cu上，而当LUMO+79轨道上的时候，电子云分散在右边的苯环上和左右两边的Cu-C位置和金属Cu上，而金属Cu上的电子最多，发生了明显的电子跃迁.对于体系5-hydroxyl-4-hydroxymethyl-Zn分子的电子跃迁，在HOMO+73轨道上时，电子云大部分集中在左右两边的C-Zn位置上，而在LUMO+76轨道上时，电子云大多分布在两边的苯环上，电子密度发生了巨大变化，发生了明显的电子跃迁，此时的跃迁能ΔEeg=5.63a.u.大于5-hydroxyl-4-hydroxymethyl分子与金属Cu作用时的跃迁能ΔEeg=1.68a.u..

3.4 烟花苷与Cu、Zn络合物的紫外光谱图分析

分析烟花苷分子及其与Cu和Zn两种金属作用后的络合体系的紫外光谱图可以清晰发现：5-hydroxyl-4-hydroxymethyl在125-215nm附近有吸收，最大吸收峰在135nm附近，有多个峰值，说明体系中存在小的原子团.而当5-hydroxyl-4-hydroxymethyl与Cu作用后，吸收峰向右移动，既向长波方向移动，发生红移，变成了单峰.当5-hydroxyl-4-hydroxymethyl与Zn作用后，吸收峰右移，最大吸收峰在170nm左右，向右发生了偏移，且仍有多个峰值，体系中C-O吸收峰的峰值及位置的改变，与上文键角及键长的数据结果，形成了相互照应.共同说明了5-hydroxyl-4-hydroxymethyl分子与Cu和Zn两种金属作用后的络合体系的空间构型发生了变化.

3.5 烟花苷与Cu、Zn络合物的相互作用能分析

在b3lyp/6-311++g（d，p）水平上，算出了烟花苷与金属Cu离子作用时烟花苷的能量为-991.210 a.u.，而其与Cu所形成的络合物分子5-hydroxyl-4-hydroxymethyl-Cu的能量为-1187.447a.u.，Cu离子本身的能量为-195.068a.u.，则5-hydroxyl-4-hydroxymethyl与Cu离子相互作用后能量的变化量为ΔE（a.u.）为-1.169a.u..而当烟花苷分子与Zn离子作用时，烟花苷本身的的能量为-991.212a.u.，所形成的络合物分子5-hydroxyl-4-hydroxymethyl-Zn的能量為-64.631a.u.，Zn本身的能量为-1056.941a.u.，则5-hydroxyl-4-hydroxymethyl与Zn离子相互作用后能量的变化量为ΔE（a.u.）为-1.098a.u..

其中换算系数为1Hartree=4.36×10-18J，1mol=6.02×1023Particle.比较烟花苷与两种金属相互作用的不同状态时的能量变化，即用体系的总能量减去Cu或Zn和烟花苷的总能量，得到参与作用的能量，从能量的数据分析出体系的相对稳定程度.

计算出5-hydroxyl-4-hydroxymethyl和Cu相互作用的能量为-5.10×10-18J，即：每摩尔烟花苷分子与Cu分子的相互作用能为3.07×103kJ/mol.而烟花苷和Zn相互作用的能量为-4.79×10-18J，即：每摩尔烟花苷分子与Zn分子的相互作用能为2.88×103kJ/mol，二者的相互作用能均较大，说明金属离子与药物分子是以稳定的化学键相结合的，络合体系稳定.

5 结语

烟花苷与Cu和Zn两种金属离子的相互作用，探讨这两种金属离子对烟花苷分子的几何结构以及性质的影响.烟花苷分子在与Cu和Zn两种金属离子分别作用后均形成络合物.通过数据可以分析得出，烟花苷在与它们作用时，均以配位方式相结合，形成较稳定的络合体系，所形成的各个建均有所拉伸，键长增长，键角增大.

烟花苷与Cu和Zn两种金属离子的分别相互作用形成的络合体系的分子对称性均降低，极性增强.说明白背三七中的5-hydroxyl-4-hydroxymethyl降糖中药分子与金属离子有一定的相互作用，相互作用能较大，络合体系稳定.后续的研究将继续探索，能使烟花苷5-hydroxyl-4-hydroxymethyl结构发生明显改变以及发生相互作用的络合分子，为糖尿病人带去福音.

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