莲心碱定量分子表面分析及反应位点预测

唐海飞，颜 涛，吴梅青

(湘潭医卫职业技术学院，湖南 湘潭 411104)

1 前言

莲心碱为中药莲子心所含生物碱中含量最高、活性最强的有效成分[1]。莲心碱是一种双苄基异喹啉类生物碱(结构见图1)，药理作用广泛，具有抗心律不齐、抗氧化、调血脂和降压等作用[2]。此外，研究表明[3]莲心碱还具有较好的抗癌活性，有望被开发成辅助抗癌药物，有广阔应用前景。然而，在进行药物构效关系、药理作用和辅料筛选研究时必须考虑由药物分子表面性质决定的分子相互反应的位点及分子之间的结合模式，但是传统的化学结构分析并无法得到分子表面性质定量分析结果。近年来，越来越多的量子化学方法被用来研究分子表面性质[4]，因所得结果定量、准确和可视化，给药物研究带来了极大的方便。定量分子表面性质可以采用分子表面静电势和平均局部离子化能进行衡量[5]。通过分析分子表面静电势数值的分布可以预测发生化学反应的种类以及可能存在的位点，这对于药物合成及改造方法的预测及路线的选择具有重要意义。分子表面平均局部离子化能可以理解为分子表面对电子的束缚能力，可以很好地被应用于预测分子亲电反应位点。但是由于平均局部离子化能和静电势在单独预测分子反应位点时各有缺点，通常情况下需要综合两者考虑。

图1 莲心碱化学结构

本文对莲心碱药物分子表面进行定量分析，预测其反应活性位点，为进一步理解莲心碱构效关系和作用机理，以及药物结构改造，剂型开发和改进中辅料的合理选择提供理论依据。

2 方法

依据量子化学密度泛函理论，在B3LYP/6-311++G**方法水平下运用Gaussian 03软件对莲心碱分子结构进行优化，得到稳定结构及波函数文件。利用Multiwfn 3.7软件将波函数文件进行表面静电势和平均局部离子化能分析并生成可视化结果。

3 结果

3.1 表面静电势分析

通过分子表面静电势分析，可以得到莲心碱药物分子表面若干极大值点和极小值点(见图2和表1)。将静电势和分子表面积做成条形图可以看到不同静电势区间内的表面积，结果见图3。结合VMD程序可以把分子表面所有静电势值利用渐变色表示出来，具体见图4。

图4 莲心碱分子表面静电势分布示意图

依据表1可知，莲心碱分子有40个极大值点和22个极小值点。在电负性强的氧原子及氮原子附近主要分布极小值点，因电负性越小吸电子能力越强，从而附近呈现极小值点。类似地，电负性弱氢原子附近主要分布极大值点。结合图2可以看出，编号为35的极大值点在H(20)附近，即酚羟基中氢原子的附近。此处的静电势数值远大于其他极值点，在整个分子中最大。由于苯环和氧原子形成的p-π共轭效应，使得酚羟基氢原子附近电子较少，从而静电势值较大。一般地，复合物的形成主要由于静电吸引，且趋向于静电势最大值和最小值相互靠近。因此，我们可以预测莲心碱在以氢键、卤键等形成复合物时，酚羟基将发挥主要的作用。特别是在研究莲心碱分子晶体堆积、莲心碱与受体结合等过程时，需要着重考虑酚羟基的影响。而标号为16的最小值点在两苯环间醚键氧原子O(1)附近，且为整个分子最小的极值点。另一方面，O(21)附近的标号为17的极小值点数值也较小。这两处电子丰富，在发生静电吸引时形成复合物时比较活泼。从富含电子角度上看，这两处也可能易发生亲电反应。但是亲电反应还要考虑电子的束缚能力，因此还需要结合平均局部离子化能分析。

表1 莲心碱分子表面静电势极值点大小及编号*

图3为莲心碱分子表面不同静电势区间内的表面积分布图。从图中可以看出，分子表面的静电势值主要集中在-20 ～ 20 kcal/mol之间。而决定反应位点的大于50 kcal/mol或小于-70 kcal/mol的分布区域面积虽小，却比较集中，表明反应位点也较为集中。结合表1分析可知，该面积主要集中在酚羟基和O(1)及O(21)附近，与我们之前的预测吻合。

图4为整个分子表面的静电势分布示意图，红色区域表明静电势数值越大，蓝色区域表明静电势数值越小。分析结果显示出酚羟基氢原子周围红色在整个分子中最为明显，O(1)及O(21)附近蓝色最为明显，也印证了我们之前的分析。

综上，静电势分析预测莲心碱分子中酚羟基及两苯环间醚键氧原子为反应活性位点，主导着静电吸引为主的化学反应。

3.2 平均局部离子化能分析

为进一步考察莲心碱分子亲电反应活性位点，进行了平均局部离子化能分析(具体见图5)。因极小值点在预测亲电反应活性位点较为重要，故表2列出了平均局部离子化能极值小点数值及对应编号。

表2 莲心碱平均局部离子化能极值小点及编号1)

从图5可知，平均局部离子化能分析也得到了一系列极值点，且比表面静电势多，这与以往研究结果类似[4]。进一步分析可知，在所有最小值中N(37)的12号极小值点在整个体系中最小，表明此处最易发生亲电反应。此外N(86)附近的49号极小值点也在体系中相对偏小，也值得关注。根据图5可知，两个氮原子分别为分子中两个氢化异喹啉环上氮原子，均为叔胺氮原子，均有电子裸露。从分子的稳定构型分析可知N(37)空间位阻效应比N(86)更小，更易发生反应。

图5 莲心碱平均局部离子化能极值点分布示意图(蓝色点表示极小值，红色点表示极大值)

4 结论

莲心碱酚羟基、两苯环间醚键氧原子及叔氨基氮原子为反应活性位点。酚羟基及两苯环间醚键氧原子主导着静电吸引为主的化学反应。发生亲电反应时，氢化异喹啉环上叔氨基氮原子为主要反应位点。