皮质甾酮光谱的密度泛函理论研究

苏学军 梁小蕊 徐裕深

摘      要：根据密度泛函理论（DFT），选择B3LYP方法，在6-31G（d， p）基组水平上优化得到了皮质甾酮分子的稳定构型，从键长、键角和二面角入手，分析探讨了皮质甾酮分子的结构特点。在优化的稳定构型的基础上，用含时密度泛函理论方法计算了皮质甾酮分子的紫外光谱，得到了其最大吸收波长、跃迁能等理论数据。采用B3LYP/6-31G方法计算了该分子的红外光谱和核磁共振碳谱。分析了红外吸收峰出现的区域及其振动模式，结合计算数据对得到的13C NMR化学位移进行了归属。计算结果为甾体类有机化合物的结构鉴定提供了理论基础。

关  键  词：皮质甾酮;密度泛函理论;紫外光谱;红外光谱;核磁共振碳谱

中图分类号：O657.2       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2020）08-1670-05

Abstract： At the level of 6-31G（d， p） base set， the stable configuration of corticosterone was obtained by the density functional theory （DFT） method. Starting with the bond lengths， bond angles and dihedral angles， the structural characteristics of corticosterone were analyzed. Based on the stable configuration， the ultraviolet spectrum of corticosterone was calculated by the method of time-dependent density functional theory （TD-DFT）， and the maximum absorption wavelength and transition energy were obtained. The infrared vibration frequency and 13C NMR of corticosterone were calculated by B3LYP/6-31G method. The IR absorption peak region， vibration mode and chemical shift of 13C NMR were studied. The results could provide a theoretical basis for the structural identification of steroids compounds.

Key words： Corticosterone; Density functional theory; UV Spectrum; Infrared spectroscopy; 13C NMR

皮質甾酮，又名肾上腺酮、皮质酮、11β，21-二羟基-孕烯-3，20-酮等，是一种皮质激素类21碳甾体化合物，属于糖皮质激素，在免疫反应、糖代谢及神经的活动和行为中起了重要作用，在抑郁症研究中常常用皮质甾酮作为抑郁动物模型的建立，通过测定血浆中皮质甾酮的含量来反映动物是否患有焦虑症或抑郁症，也被用于肾上腺皮质功能减退症的替代治疗，但有较大副作用[1-6]。

皮质甾酮结构较为复杂，为结构鉴定带来了困难。本文从量子化学理论计算的角度研究并探讨了皮质甾酮分子的结构特点、前线轨道能量及电子云分布情况，并在稳定构型的基础上计算了皮质甾酮的紫外光谱、红外光谱和核磁共振碳谱，对分子的最大紫外吸收波长、红外谱峰的归属，以及核磁共振碳谱化学位移的归属进行了分析，为研究甾体类化合物的分子结构提供了理论依据。

1  计算方法

密度泛函理论是电子结构理论的经典方法，是基于复杂的多电子波函数的，其主要目标就是用电子密度取代波函数作为研究的基本量，在实际处理中比基于波函数的一些其他方法更为简单[7-11]，近年来，密度泛函理论被广泛用于研究分子吸附特性、振动光谱等[12-15]。

本文的计算研究利用Gaussian 09程序包完成。采用密度泛函理论的B3LYP方法，用6-31G （d，p）基组对皮质甾酮分子结构进行优化，得到其最稳定构型。在优化的稳定构型基础上，采用含时密度泛函理论TD-DFT方法，在同样的基组水平上，计算了皮质甾酮的紫外光谱;用DFT/B3LYP方法，在6-31G基组水平上，计算了皮质甾酮的红外光谱和核磁共振碳谱。

2  结果与讨论

2.1  皮质甾酮分子稳定结构

图1是利用Chemoffice构建的皮质甾酮的分子结构式。为方便讨论，将分子中的环从左至右编号为a、b、c、d。图2是利用密度泛函理论方法对皮质甾酮分子进行优化后的立体结构图，图2同时给出了皮质甾酮的原子编号及其笛卡尔坐标系，从中可以看出皮质甾酮的四个环均不在同一平面。具体键长、键角以及二面角数据如表1所示。

从表1可知，皮质甾酮的键长数据有如下特点：a环中C1=O11键长为1.224 ?，比一般羰基键长1.258 ?要短，C1—C2键长为1.473 ?，比未取代的六元环碳碳单键键长1.515 ?短，C2=C3双键长为1.350 ?，比六元环中的碳碳双键键长1.388 ?短，而a环中的其余碳碳单键键长均比未取代六元环的碳碳单键键长要长，其中C5—C45的键长最长，为1.556 ?，这种结构特点主要是由于双键及酮羰基的存在，使六元环产生扭曲;b环和c环中除了C3—C12键长比未取代六元环的碳碳单键短以外，其余键长均比未取代六元环的要长，特别是两环共用的键，如C48—C46键长为1.563 ?，这是由于环与环之间的相互作用力所致;d环结构受取代基影响较大，取代基处的C23—C29键长为1.578 ?，较未取代五元环的碳碳单键键长要长0.029 ?。从键角数据可知，a环中键角∠O11—C1—C2=121.6°，∠C1—C2—C3=124.9°，∠C2—C3—C45=122.6°，说明C1、C2、C3原子的杂化方式均为sp2杂化;∠C3—C45—C5=108.3°，∠C3—C45—C50=109.4°，说明45号碳原子采用的是sp3杂化方式成键;而∠C45—C5—C8=114.1°，∠C1—C8—C5=111.9°，∠C2—C1—C8=115.6°，即C5、C8原子是介于sp2和sp3杂化之间的成键方式;b环和c环中，与双键相近的原子C12，以及与羟基相近的原子C18、C20，杂化方式介于sp2和sp3之间，其余各原子均为sp3杂化;d环中各原子均为sp3杂化。二面角是说明分子立体结构的重要数据，一般来说未取代的普通六元环为船式或椅式结构，从优化后的立体结构图以及表1的数据来看，b环接近椅式结构，c环接近船式结构;由于酮羰基和双键的存在，a环中O11、C1、C2、C3、C8和C45基本处于同一个平面，只有C5有所扭曲，C5与a环平面存在大约55°的二面角;从表1中可以看到∠C8—C5—C45—C48=193.5°，∠C5—C45—C48—C46=166.5°，∠C2—C3—C12—C15=226.1°，∠C2—C3—C45—C48=138.8°，这说明b环与a环不在同一平面。

2.2  能量与前线分子轨道分析

有机化合物的光谱与前线分子轨道（FMO）的能量有关，特别是与最低空轨道LUMO和最高占有轨道HOMO之间的能量差有关[16-19]。用密度泛函理论B3LYP方法以6-31G（d， p）为基组计算得到的皮质甾酮分子前线轨道能量列于表2。从表2数据可得到，皮质甾酮的HOMO和LUMO能极差为4.079 eV，能级较小。

图3给出了皮质甾酮分子的各个前线分子轨道的电子云示意图。从图3中可以看出，皮质甾酮的最高占有轨道上电子云主要集中在d五元环及其取代基上，而最低空轨道上电子云主要集中在a、b两环上，若皮质甾酮从基态跃迁到激发态时，电子将从右侧的d五元环以及取代基 上转移到左侧的a环和b环上，这属于电子的推拉效应。

2.3  计算得到的皮质甾酮紫外吸收波长

采用含时密度泛函理论TD-DFT的方法，在6-31G （d， p）基组水平上对优化后的皮质甾酮分子进行紫外光谱的计算，得到的结果为：理论最大吸收波长为237.48 nm，振子强度为0.020 8，跃迁能为E=5.220 9 eV，主要贡献为HOMO-1→LUMO。

2.4  皮质甾酮分子红外光谱分析

采用密度泛函理论中的B3LYP方法，选取6-31G基组，计算了皮质甾酮分子的红外振动光谱如图4所示。按照吸收峰情况的不同，将分子的红外谱图分成两部分，图4从上到下依次是500～3 200 cm-1的完整谱图、600～1 800 cm-1和2 900～3 200 cm-1范围的谱图。没有明显吸收峰的区域不做讨论。

从完整的红外谱图可知，皮质甾酮最大的红外吸收峰位于1 817 cm-1处，这主要是由a环上羰基（1C=11O）的伸缩振动引起的，并伴随着4H和10H的弯曲振动，其中弯曲振动贡献较小，如图5所示;次强峰出现在1 857 cm-1处，主要是由d环取代基上的羰基34C=40O的伸缩振动引起的，同时伴随着30H和36H的弯曲振动，如图6;此外，在1 701 cm-1处，还有一个较弱的吸收峰，这是由a环中碳碳双键的伸缩振动引起的，见图7。

1 000～1 200 cm-1范围内出现的几个中等强度的红外吸收峰分别在1 038、1 099、1 107、1 128、1 165 cm-1的位置，这些峰主要是由皮质甾酮分子中各个环上氢原子的弯曲振动引起的，图8给出了1 038 cm-1处的红外振动模式。

2 900～3 200 cm-1处出现了一系列中等强度的红外吸收峰，这个区域的振动模式均为伸缩振动，如2 959 cm-1处的峰是35C、36H、37H的对称伸缩振动引起的（图9）;3 088 cm-1处的峰是由27H、28H、32H和33H的对称伸缩振动引起的（图10）。

2.5  皮质甾酮分子核磁共振碳谱分析

核磁共振波谱也是光谱的一种，它与红外光谱具有很强的互补性，已经成为测定各种有机和无机化合物分子结构的强有力的工具之一。由于13C核的化学位移范围为δC = 0～240 μg·g-1，远大于1H核的化学位移范围δH = 0～15 μg·g-1，因此，13C NMR谱的分辨率比1H NMR要高[20]。本文在优化后的稳定构型的基础上，采用HF/6-31G（d）方法，TMS为内标，计算了皮质甾酮分子的13C NMR谱，如图11所示。碳谱显示皮质甾酮分子有21个碳信号。

由于某些碳的化学位移相近，导致13C NMR谱中这部分碳信号较集中，难以分辨，因此表3给出了皮质甾酮分子碳谱理论计算的详细结果。结合图11和表3的数据可知皮质甾酮分子中有2个甲基，分别为41C和50C所在的甲基，它们的化学位移在整个皮质甾酮分子中是最小的，分别为28.4 μg·g-1和23.2 μg·g-1;化学位移为206.1 μg·g-1和197.8 μg·g-1指示的是兩个酮羰基碳信号，分属a环中的1C和d环取代基上的34C;化学位移为167.4和129.9 μg·g-1的位置是碳碳双键的信号，即皮质甾酮中唯一的双键2C=3C;化学位移为77.7和75.2 μg·g-1处是与羟基相连的碳信号，18C和35C;29号碳原子受与之相连的羰基影响，其化学位移为70.2 μg·g-1;除此之外，皮质甾酮中有8个亚甲基、3个次甲基和2个季碳，它们的化学位移在40～60 μg·g-1范围内。

3  结 论

本文从量子化学理论计算的角度对皮质甾酮分子进行了研究分析。利用密度泛函理论中的B3LYP方法，选用6-31G（d， p）基组，对分子结构进行了优化，得到皮质甾酮的最稳定构型。分析发现受双键和氧原子的影响，少数碳原子以sp2杂化方式成键，大部分碳原子的成键方式仍为sp3杂化;由于酮羰基和双键的存在，皮质甾酮的四个环均不在同一平面，其中b环接近椅式结构，c环接近船式结构，a环中的C5扭曲，C5与a环平面存在大约55°的二面角。采用TD-DFT方法得到皮质甾酮的紫外最大吸收波长为237.48 nm;用B3LYP/ 6-31G方法，得到皮质甾酮分子的红外振动光谱，分析显示皮质甾酮最大的红外吸收峰位于1 817 cm-1处，主要是由1C=11O的伸缩振动引起的，1 000～1 200 cm-1范围内出现的中等强度的吸收峰主要是由分子中各环上氢原子的弯曲振动引起的，而2 900～3 200 cm-1区域的振动模式均为伸缩振动;最后从碳谱的分析中得到结果：皮质甾酮中有2个甲基、8个亚甲基、3个次甲基和2个季碳，化学位移最小的碳信号为分子中仅有的两个甲基碳，化学位移最大的是两个酮羰基碳信号。本文对皮质甾酮分子各种光谱的分析结果可以为甾体类化合物的结构分析提供理论依据，简化这类化合物的结构鉴定工作。

参考文献：

[1]戴红娟，胡芳. 脊椎动物脑发育中糖皮质激素受体功能的研究进展[J]. 生命科学，2011，23（1）：96-101.

[2]李雷，王恒林，郭颖，等. 神经类固醇激素与焦虑症及抑郁症等精神疾病关系的研究进展[J]. 国际药学研究杂志，2017，44（3）：236-239.

[3]何书芬，居文政，胡浩彬，等. 糖皮质激素诱导肾阳虚抑郁症动物模型研究进展[J]. 中国实验动物学报，2016，24（6）：659-665.

[4]陈姣，楚世峰，陈乃宏. 糖皮质激素与抑郁发病相关机制研究进展[J]. 中国药理学通报，2013，29（11）：1493-1495.

[5]谭谦，曾肆，童妍. 大黄素甲醚对皮质酮损伤PC12 细胞保护作用研究[J]. 中国医药信息杂志，2018，25（10）：40-43.

[6]范琳犀，杨玉洁，姜宁. 皮质酮诱导小鼠抑郁伴发的学习记忆损伤[J]. 中国比较医学杂志，2018，28（4）：59-64.

[7]QI Q， WANG Y Q， SUN Y M. Structural effect on absorption and emission properties of 1，8-naphthalimide derivatives： a DFT study[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis， 2016， 36 （11）： 3796- 3804.

[8]ZHANG H M， LIU Y， MA F P， et al. Density functional theory studies on effect of intramolecular hydrogen bonds on reduction of nitrophenols[J]. Chemical Research in Chinese Universities， 2017， 33（5）： 785-793.

[9]贾艳辉， 汪珊珊， 李公平. 密度泛函理论对Cu6团簇异构的研究[J]. 原子核物理評论，2008，25（3）：311-315.

[10]游晓莉，徐布一，李权. 噻唑类生色分子的电子光谱和非线性光学性质[J]. 物理化学学报，2009，25（2）：314-318.

[11]曹建芳，樊江莉，郭宇，等. 密度泛函方法研究噻唑橙类菁染料的光谱性质[J]. 应用化学，2017，34（12）：1474-1480.

[12]金颖淳，郑旭明. 2，4-二硫代尿嘧啶的紫外吸收光谱和共振拉曼光谱[J]. 物理化学学报，2017，33（10）：1989-1997.

[13]龙威，杨星月，石岩. 阿莫西林光谱性质的密度泛函模拟与指认[J]. 首都师范大学学报（自然科学版），2016，37（3）：40-46.

[14]李丽清，程学礼，赵燕云，等. 敌百虫和敌敌畏光谱学特征及发光机制的密度泛函研究[J]. 光谱学与光谱分析，2014，34（1）：122-127.

[15]梁小蕊，江炎兰，张静，等. 邻硝基苯甲醛缩对乙酰基苯胺希夫碱的结构与光谱的理论计算[J]. 光谱学与光谱分析，2013，33（2）：304-307.

[16]蔺彬彬，陈涵，仇永清，等. 含有咪唑生色团系列树形有机分子二阶非线性光学性质的密度泛函理论研究[J]. 高等学校化学学报，2011，32（7）：1581-1587.

[17]邵洋帆，李重阳，冯远明，等. 1，4-苯二硫醇的表面增强拉曼光谱和激发态的密度泛函理论研究[J]. 光谱学与光谱分析，2014，34（2）：421-425.

[18]蔺彬彬，许云杰，孙世玲. [Ni（dpedt）（dddt）]系列衍生物电子光谱和二阶非线性光学性质的密度泛函研究[J]. 分子科学学报，2013，29（3）：183-189.

[19]张华. 有机结构波谱鉴定[M]. 大连：大连理工大学出版社，2009：139-148.