拓展实验白藜芦醇谱学指认与分析

2020-08-23蒋鑫施琪浩吴贤达李淑芳陈星梁诗格陈诗雨张英杰陈丹钟爱国

当代化工 2020年7期

蒋鑫　施琪浩　吴贤达　李淑芳　陈星　梁诗格　陈诗雨　张英杰　陈丹　钟爱国

摘要：采用密度泛函理论的方法（DFT B3LYP/6-31++G），优化白藜芦醇（BLLC）及其16种衍生物的结构，通过改变不同类型的取代基和不同位置的取代基，来分析不同的取代基对白藜芦醇饱和蒸汽压p有着不同的影响，并通过计算得到相关性系数R最大的 ESP-O7电荷值与饱和蒸气压的线性方程（y=-48.6x+15.55;R=0.676 8 7）;用DFT方法预测了16种白藜芦醇衍生物的红外光谱（IR），对其的特征峰进行指认和归属，模拟了白藜芦醇及其16种白藜芦醇衍生物的C原子核磁共振光谱图、圆二色光谱（ECD）等分子光谱，并对其特征峰进行一一指认和归属，这些模拟研究将为制药专业拓展实验白藜芦醇及其衍生物的光谱以及构效关系提供基础数据。

关键词：制药专业实验;密度泛函理论;白藜芦醇;ECD; 核磁共振光谱;谱学分析

中图分类号：G822.8 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2020）07-1337-05

Identification and Spectroscopic Analysis of Resveratrol

for Pharmaceutical Professional Expansion Experiments

JIANG Xin， SHI Qi-hao， WU Xian-da， LI Shu-fang， CHEN Xing， LIANG Shi-ge，

CHEN Shi-yu， ZHANG Ying-jie， CHEN Dan， ZHONG Ai-guo*

（College of Pharmaceutical， Chemical and Materials Engineering， Taizhou University， Taizhou Zhejiang 318000， China）

Abstract： The method of density functional theory （ DFT） was used to optimize the structure of resveratrol and its derivatives at DFT B3LYP/6-31++G level. Through changing different types of substituents and different positions of substituents， the effect of different substituents on saturated vapor pressure of resveratrol was analyzed.The linear equation （y =-48.6x + 15.55） with the highest correlation of ESP-O7 charge value and saturated vapor pressure was obtained，and DFT was also use to predict infrared spectrum of 16 kinds of derivatives， and its characteristic peaks were identified and assigned. This paper can provide powerful reference for the study of the spectral prediction and structure activity relationship of other resveratrol derivatives.

Key words： Pharmaceutical engineering experiments; DFT; Resveratrol; ECD; NMR spectroscopy; Spectral analysis

隨着时代的发展，肿瘤和心血管疾病却一直困扰着我们，然而偶然发现白藜芦醇有着这方面独一无二的作用^[1-2]，生物谷^[3]发现，白藜芦醇自然状态下存在于红葡萄皮中，而白藜芦醇作为一种天然的植物抗毒素，它还存在于多种植物，比如说花生、藜芦和虎杖。白藜芦醇分子式从C₁₄H₁₂O₃，分子量为228.25，白藜芦醇的外观为无色针状结晶体，无味难溶于水，易溶于各种有机溶剂，熔点256～259 ℃，升华温度261 ℃，天然的白藜芦醇有顺反结构，自然界中反式结构居多，都可与葡萄糖结合，它是一种多酚类化合物，又被称为芪三酚，一种生物性很强的天然多酚物质^[4-5]，是肿瘤的化学预防药剂，对多种疾病都有着一定的作用，随着研究的深入已经证明白藜芦醇有着抗炎、抗癌、抗氧化、抗心血管疾病作用^[6-7]，但其机制依然不是很明确。但由于白藜芦醇有着很多的生物和药理活性。它已被广泛的应用于其他地方，如化妆品、保健品、食品、医药等领域，白藜芦醇功能广泛市场需求也就增加，已有很多的地区都开始开发白藜芦醇及其制品^[8]。密度泛函理论简称DFT，它是一种可以处理非均匀相互作用多粒子体系的估算方法。在计算量子化学方法中这种方法已经取得巨大的成功。每个工具都有其漏洞，这种方法也不例外，也有一定的缺点，比如在处理相对原子质量较大的原子的时候还存在许多的麻烦。对于相对分子质量比较小的物质，用密度泛函理论的方法比HF的方法要简单的多。寻找相关类似的结构改变，空间改变，基团改变，位置互换，是密度泛函理论的起初主要成长历程。但随着人类的发展，科学的进步技术的提高设备的完善，DFT的相关泛函种类也变的越来越多，可以提供的信息也越来越多，精确度方面也变得越来越精确。本文先采用密度泛函理论简称DTF的方法，这种方法已经在其他化学研究领域有了很多成功，用它来预测白芦藜醇及其衍生物的饱和蒸气压和红外光谱，从中比较发现其特性，从物理性质到化学性质来为预测提供坚实的理论支持。从其他文献中发现了白藜芦醇各种衍生物的效果与功效，本文主要根据它们的衍生物进行红外光谱与饱和蒸气压的探究，从这两方面来发现白藜芦醇与它的衍生物的区别，并从中了解和证实它们的物化性质差异。分析光谱学（analytical spectroscopy）应用光谱学的原理和实验方法，根据光谱现象，分析测定物质的结构及其组成;解析光谱本身物理性质及规律;以及对光谱现象进行数学分析和解释。光谱灵敏性较高，是一种应用较普遍的分析方法。应用于冶金、地质、生物和半导体。分子光谱是提供分子内部信息的主要途径，根据分子光谱可以确定分子的转动惯量、分子的键长和键强度以及分子离解能等许多性质，从而可推测分子的结构。分子光谱学曾对物质结构的了解和量子力学的发展起了关键性作用;而现在，分子光谱学的成果对天体物理学、等离子体和激光物理学有着极重要的意义。光谱学在应用领域中的迅速发展，对医学、环保、化工和能源研究等都有显著的影响;特别是电子和激光光谱学技术大大挖掘了光谱学的分析潜力。静态法多适用于常压和高压场合，装置简单，操作方便，因此使用较多，但是试样用量大，测量费时; 动态法多用于常压下蒸气压的测量，也是使用较多的方法;拟静态法在多组分体系（如石油馏分、煤液化油馏分）的蒸气压测量时，具有独特的优势，可以省去液氮脱气操作，测量迅速;极微蒸气压的测定近几年有很大的现实意义，研究也较多，需要采用专门的实验研究方法如knudsen 隙透法;雷德法和参比法多用于工厂检测油品质量，实验研究多不采用;热分析法和色谱法是现代的测量方法，样品用量少，测量迅速，准确度高，国外对这方面的研究很多，而国内研究则较少，应该探索这些现代分析仪器对特定样品的适宜的操作条件。本文还采用密度泛函理论模拟预测了白藜芦醇取代分子光谱图。本文试图从波谱学和分子手性两个角度分析其特征，所得结果为白藜芦醇异构体的检测提供数据参考（图1）。

1 计算方法

利用PC電脑上安装的Chem3D、Chem Draw 8.0、Gauss View 5.0.9、Gaussian 09W、Origin 8.5、ACD-Labs6.0 等软件进行计算。具体步骤如下：使用 Chem3D 和 Chem Draw 8.0 软件，构建15个白藜芦醇衍生物的模型，并使其能量最低化，保存（保存为x.mole）。运用ACD Labs 6.0软件，将Chem office 2004软件里面保存的摩尔格式文件，导入到ACD Lab 6.0软件里面（使用import 导入分子结构），点击鼠标左键，就得到分子结构图，找到工具栏中的Tools-calculate boiling point，跳出窗口，选择vapor pressure，就可以得到16种白藜芦醇衍生物的饱和蒸气压。使用 Chem3D 和 ChemDraw 8.0 软件，构建19个BLLC衍生物的模型，并使其能量最低化;在GaussView 5.0.9 软件中，先使其能量构型优化到最低，然后使用 DFT/ B3LYP 方法在6-31+G 水平下优化结构，计算关键词为iop（5/33） =1;pop=（nbo， chelpg， hirshfeld）的条件下，分别计算16个白藜芦醇衍生物的原子电荷。

2 结果与讨论

2.1 白藜芦醇及其衍生物的饱和蒸气压与原子电荷

在密闭条件中，在一定温度下，与固体或液体处于相平衡的蒸气所具有的压强称为饱和蒸气压。同一物质在不同温度下有不同的饱和蒸气压，并随着温度的升高而增大。纯溶剂的饱和蒸气压大于溶液的饱和蒸气压;对于同一物质，固态的饱和蒸气压小于液态的饱和蒸气压。对于采样工来说，通过使用饱和蒸气压推估模型，可以初步筛选哪些物质需要优先检测，例如像氢氧化钠等物质饱和蒸气压极低，预估浓度也极低，那么可以不列为优先采样物质。当然实际应用也要随机应变，例如铬酸的饱和蒸气压极低，几乎不挥发，但是电镀过程还是会以铬酸雾形式逸散进入作业场所空气中。早期的蒸气压方程有1794年提出的普罗尼方程;1841年提出的雷德方程，两者都是经验方程。1834年，法国化学家克拉珀龙分析了包含汽液平衡的卡诺循环后，提出饱和蒸气压的理论方程。1850年德国化学家R.克劳修斯为此方程作了严格的热力学推导，并把它推广到其他相平衡系统。此方程后来称为克劳修斯-克拉珀龙方程。由 GaussView 5.0.9计算所得的16种白藜芦醇衍生物7-O原子的 Mulligen、ESP、NBO 和HIR 的电荷值以及由 ACD Labs 6.0 软件预测得到的相应衍生物在某一温度的饱和蒸气压如表1所示。为了直观的表现出电荷值变化与200 ℃的白藜芦醇及其衍生物的饱和蒸气压p之间的线性关系，分别用7-O的Mulligen、ESP、NBO和HIR的电荷值与饱和蒸气压p进行拟合作图分析。7-O的 Mulligen 电荷与 200 ℃的饱和蒸气压的相关系数R较小（R=0.466 87，标准差S_D=24.43）;7-O的 ESP 电荷与200 ℃的饱和蒸气压的相关系数R较大（R=0.676，标准差S_D=20.33）;7-O的 NBO 电荷与200℃的饱和蒸气压的相关系数R较小（R=0.475 44，标准差S_D=24.30）;7-O的HIR电荷与 200 ℃的饱和蒸气相关系数R较小（R=0.406，标准差S_D=25.24）。根据模拟结果可以发现，8个线性方程中，只有ESP-O7电荷值与饱和蒸气压的线性方程的R值最大，即相关性最好。

2.2 BLLC的核磁共振（¹³C-NMR）光谱

在DFT/B3LYP/6-31++G 水平优化结构下，采用NMR-GIAO方法分别计算得到BLLC分子的¹³C-NMR核磁光谱图如图2所示。图2中102.80×10^-6和127.47×10^-6处的峰为BLLC母体片段上的两个甲基碳;130.64×10^-6处的峰为 —14N—16C—片段上的甲基碳;124.43×10^-6 处的峰为BLLC母体上的亚甲基碳;139.58×10^-6处的峰为五元环上连接两个甲基的碳;157.18、180.00、183.23和186.23×10^-6处的峰均为母体上的碳;198.89×10^-6处的峰为 —7O—11C=O—片段上的碳;199.56×10^-6处的峰为 —7O—3C—片段上的碳;105.42×10^-6处的峰为 —1C—4O—片段上碳。

2.3 红外（IR）吸收光谱

在 GaussView 5.0.9 中导入用 Chemdraw 8.0，生成的能量最低模式的分子，点击 calculate中的 Gauss calculate setup，在 Job Type 大选项中选择 Frequency，在 Compute Roman 中选择NO，Compute ROA中选择NO，在 Read Incident Light Freqs 中选择 Default;在 Method 大选项中依次选择 Ground State，Custom，{No Method}，在 Basis 选项中选择 6-31+G，在Charge中填写0，在 Spin 中选择 Singlet;在 Link0 大选项中依次选择 Memory Limit 中的 Specify，60 MW，在 Breakpoints File 中选择 Do not save，在 Read-write File 选项中也选择 Do not save，在 Linda worker 选项中选择 Do not use，在 Shared processors 中选择 Default;在 General大选项中取消所有的勾;其余大选项不变。点击 Submit 按钮，再点击 Save 按钮，同其他16种衍生物同上述步骤进行操作，保存时按照顺序保存。之后打开 Origin 8.5，点击第二项打开保存 x.text 文件，对 X/Y 值做线状图，后期美化（坐标轴、框架、标峰）。在弹出框中点击4次 Next，设置后点击Finish。

在DFT/B3LYP/6-31+G（d，p）水平優化结构，采用 Frequency 方法计算得到白藜芦醇光谱图如图3所示。白藜芦醇红外光谱图的吸收峰如下：在3 720 cm^-1处的吸收峰为苯环上—OH的伸缩振动;在1 840 cm^-1处的吸收峰为两苯环之间的C=C的伸缩振动，在1 580 cm^-1处的一系列吸收峰为苯环骨架的伸缩振动;在1 010 cm^-1处的吸收峰为C—H面内弯曲振动，在950 cm^-1处的吸收峰为苯环面外

C—H弯曲伸缩振动。在DFT/B3LYP/6-31+G（d，p）水平优化结构，采用 Frequency 方法计算得到白藜芦醇光谱。白藜芦醇羟基衍生物红外光谱图的吸收峰如下：在3 830 cm^-1处的吸收峰为苯环上—OH的伸缩振动;在1 940 cm^-1处的吸收峰为两苯环之间的C=C的伸缩振动，在1 450 cm^-1处的一系列吸收峰为苯环骨架的伸缩振动;在1 330 m^-1处的吸收峰为C—H面内弯曲振动，在950 cm^-1处的吸收峰为苯环面外C-H弯曲伸缩振动。在 DFT/B3LYP/6- 31+ G（d，p）水平优化结构，采用Frequency方法计算得到 5—CH₃取代的BLLC衍生物红外光谱图，如图3 所示。5—-CH₃取代的BLLC衍生物在红外光谱图的吸收峰如下：在4 437 cm^-1处的吸收峰为13O—H 及10O—H的伸缩振动;在3 762 cm^-1处的吸收峰为30C—H的反对称变形振动;在

3 573 cm^-1处的吸收峰为30C-H 的对称变形振动;在1 205 cm^-1处的吸收峰为4C—H的伸缩振动和

8C—H的弯曲振动和 6C—H的摇摆振动。进一步的模拟表明，增加—OH可以增加白藜芦醇衍生物的饱和蒸气压，对研究白藜芦醇酚类衍生物有着重大的作用。

2.4 园二色（ECD）吸收光谱

使用 GaussView 5.0.9 软件建模，在母分子的立体结构1.mol基础上，将其导入，在菜单栏中选择Calculate-Gaussian Calculate Setup，在Job Type中选择Energy，然后设置Method为：TD-SCF，DFT，Default Spin，B3LYP;Basis Set：6-31+G;Charge：0;Spin：Singlet;在Link 0的Memory Limit选择Specify，60MV，Chkpoint File选择 Dont save;在General中将 Write Connectivity前面的勾去掉;其他保持不变，然后点击下方的 Submit，弹出框中点击Save，在文件名栏中手动输入文件名“1-UV.gjf”，然后 Save，弹出框点击 OK，将计算的数据保存在我的电脑 C 盘中的桌面上。等待计算结束，重复此类操作11次，保存并记录数据。光谱提取：打开计算好的 *.log 文件，选择菜单栏中 Results-UV-Vis，在弹出框中点击下方的Spectrum，弹出窗口中出现的第一个为园二色谱图，第二个为拉曼谱图，右键谱图，选择 Save Data，文件命名保存。谱图处理：打开 Origin 8.5，点击第二项打开保存的*.txt 文件，对 X，Y 值做线状图，后期美化（坐标轴、框架、标峰）。在 Gaussview 5.0.9 中导入 mol 形式的分子，使用clean功能优化结构，在calculate中使用 DFT/B3LYP/ 6-31G（d，p）水平优化结构功能计算原分子的园二色谱数据，输出数据保存，把计算结果在Origin 8.5中导入，可以做出母体分子的园二色谱图，如上图 4 所示。显示了 BLLC在 235 nm 处有最大紫外吸收波长，位于近紫外区。这是因为苯环电子 π→π^*的跃迁，吸收波长较短。以 -F 作为取代基对吸收峰影响小，只是最大吸收峰的位置稍稍往右移动几个 nm 单位。

3 结论

测定饱和蒸气压的方法主要有：静态法：在一定温度下，直接测量饱和蒸气压。此法适用于具有较大蒸汽压的液体。动态法：测量沸点随施加的外压力而变化的一种方法。液体上方的总压力可调，而且用一个大容器的缓冲瓶维持给定值，汞压力计测量压力值，加热液体待沸腾时测量其温度。饱和气流法：在一定温度和压力下，用干燥气体缓慢地通过被测纯液体，使气流为该液体的蒸汽所饱和。用吸收法测量蒸汽量，进而计算出蒸汽分压，此即该温度下被测纯液体的饱和蒸气压。该法适用于蒸汽压较小的液体。蒸气压方程是纯物质的饱和蒸气压与温度间的函数关系式。常用于标准态逸度、蒸发热、升华热及相平衡关联等方面的计算。光谱学在应用领域中的迅速发展，对医学、环保、化工和能源研究等都有显著的影响;特别是电子和激光光谱学技术大大挖掘了光谱学的分析潜力。高斯软件系统构建了白藜芦醇和它的15 种衍生物模型，优化筛选后得出以下结论：

1）采用B3YLYP/6-31+G（d，p）水平下优化白藜芦醇16种衍生物的结构，通过比较白藜芦醇不同衍生物在200摄氏温度的饱和蒸气压，预测其他白藜芦醇衍生物的饱和蒸汽压，再通过电荷的计算得到相关性最高的关于预测白藜芦醇饱和蒸气压的线性方程，其中ESP-O7电荷值与饱和蒸气压的线性方程最好（0.676 9），从而用这条线性方程来预测白藜芦醇其他衍生物的饱和蒸气压，这对研究白藜芦醇的作用和开发白藜芦醇药物有着重要的意义。

2）本文对16种不同的白藜芦醇衍生物进行红外光谱的进行了模拟预测，对谱图中的特征峰进行指认和归属，这为拓展及研究其他的白藜芦醇衍生物的光谱预测以及构效关系提供了有力的借鉴。

（3）通过模拟核磁共振谱图（¹³C-NMR）和圆二色（ECD）谱，对部分白藜芦醇衍生物进行了模拟预测和描述，并指认了谱图中的特征峰，这对我院制药工程专业学生专业拓展训练以及专业认证，综合实验白藜芦醇衍生物检测提供基础性參考数据。

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基金项目： 2019 年度台州市大学生科技创新项目资助（项目编号：2019121）和台州学院校立学生科研项目（S202010350159）。