小檗碱和9-O取代衍生物紫外光谱及构效研究

李会吉， 孙海杰， 张丽丽， 栗 婧

(1.郑州师范学院 化学化工学院, 郑州 450044； 2. 湖南大学 分子科学与生物医学实验室, 长沙 410082)

1 引 言

小檗碱是黄连根茎中所含的一种生物碱，主要存在于小檗属与黄连属植物中，如小檗、水芹、黄连等[1,2]. 它不仅具有清热燥湿，泻火解毒的功效，还可用于治疗糖尿病、腹泻、激素紊乱、冠心病、肥胖或高脂血症等多种疾病[3,4]. 小檗碱能够选择性地抑制肿瘤细胞生长，诱导细胞凋亡，且对正常细胞的细胞毒性作用较小[5,6]，但其吸收性较差、活性不高，阻碍了其充分的抗肿瘤治疗潜力[7,8]. 从而出现小檗碱的各种结构修饰与药理活性改善[9-12]. 小檗碱C8 、C9、C10和C13位取代衍生物来改善其药效，如改善诱导凋亡活性，抗癌作用，提高其生物活性等方面[3]. C9上亲脂基取代的小檗碱衍生物，增强其降血糖活性，用于治疗糖尿病[11]. 9-O-烷基修饰的小檗碱类衍生物，烷基链越长，体外抗肿瘤效果越好[8].

Viktor等人[6]新合成了9-O-取代的小檗碱衍生物(如图1)，在G2/M和S期阻滞HL-60白血病细胞，其中药效最好的9-O-(3-溴代丙基)溴化小檗碱(B3)具有较强的抗增殖活性，在IC50值是0.7 μM时是小檗碱的30倍，且HL-60白血病细胞的诱导凋亡活性是小檗碱的6倍. 无论是在生物利用度，还是脂溶性增加方面都有所提高. 紫外/可见吸收光谱实验发现小檗碱衍生物B3紫外光谱与小檗碱(B0)相似，其特征吸收峰都在348 nm和421 nm处，而9-O-(2-氯代乙酰基)氯化小檗碱(B1)和9-O-(2-溴代乙酰基)溴化小檗碱(B2)发生红移. 其推测是共轭延长. 而小檗碱与环丙沙星的结合生成的衍生物(B4)的吸收峰只提到向可见光谱区域扩大. 可见，小檗碱及其9-O-取代衍生物B1、B2、B3和B4的紫外光谱特征与它们微观结构的关系仍需详细探究. 因此，采用量子化学方法先优化了小檗碱及其9-O-取代衍生物B1、B2、B3和B4的稳定结构，利用空穴-电子分析方法探究小檗碱及其衍生物紫外光谱电子激发特征，讨论与微观结构的关系，为小檗碱的结构修饰与药理活性改善提供理论依据.

2 计算和分析方法

利用Gaussian 09软件，采用密度泛函理论(DFT)中的PBE1PBE/6-311+G(d,p)方法，基于可极化连续介质模型(PCM)优化水溶剂中小檗碱及9-O-取代的小檗碱衍生物B1、B2、B3和B4的稳定结构，且无虚频. 然后采用TD-DFT理论计算小檗碱及其9-O-取代衍生物B1、B2、B3和B4的理论紫外光谱. 利用Multiwfn波函数软件中空穴-电子分析方法全面考察电子激发特征[12].

3 结果与讨论

3.1 小檗碱紫外光谱及分析

小檗碱的理论紫外光谱图(图2)中有243 nm、344 nm和416 nm三个吸收峰，与紫外光谱实验中小檗碱的吸收峰位置一致[6]. 利用空穴-电子分析方法分析小檗碱电子激发特征如图3及相关数据见表1. 图中蓝色区域代表“空穴”，绿色区域代表“电子”，电子从蓝色区域激发到绿色区域. 小檗碱在243 nm处的吸收峰，S0→S14激发的贡献是47.7 %，S0→S16激发的贡献是34.0 %. 两者的贡献接近，将S0→S14和S0→S16激发都进行讨论. 两种激发的D值都小于C-C的键长，Sr接近1，t指数为负值，那么空穴和电子区域没有明显分离，如图3中. 两种激发由a和b环向b环、d环向c和d环的π→π*局域激发，以及9-O处氧的孤对电子向c和d环的n→π*局域激发.

对于344 nm处的吸收峰，主要贡献来自S0→S2激发(63.6 %). 结合表1中数据和图3中空穴和电子分布图，可知该处的吸收峰归因于a、b环向b、c环的π→π*电荷转移激发. 小檗碱在416 nm处的吸收峰，主要贡献来自S0→S1激发(52.9 %).D值达3.2 Å，且t值为正值，表明空穴和电子分离较为明显，归为电荷转移激发，电子被激发后分布区域发生了明显转移，即416 nm处的吸收峰主要是由a、b环到c、d环的π→π*电荷转移激发. 可见，小檗碱B0的a、b环及9-O处的氧是供电子体；c环是电子受体，尤其N处.

图2 小檗碱紫外光谱Fig. 2 UV spectrum of berberine

表1 小檗碱空穴-电子分布参数

3.2 9-O取代小檗碱衍生物B1和B2紫外光谱及分析

9-O处2-氯代乙酰基和2-溴代乙酰基取代衍生物B1和B2的理论紫外光谱如图4，空穴-电子分析电子激发特征如图5及相关数据见表2. 小檗碱衍生物B1和B2在253 nm和255 nm处的吸收峰，S0→S13激发的贡献分别是75.9 %和79.2 %. 对于两者的S0→S13激发，小檗碱衍生物B1与B2非常相似，D值小于C-C键长，属于局域激发，Sr指数都为0.85(上限值为1.0)，结合图5小檗碱衍生物B1和B2 的空穴-电子分布图，环上电子和空穴分布的重合度高，属于π→π*局域激发，而不存在9-O处氧的孤对电子与d环方向上的n→π*局域激发，从而导致与小檗碱此处吸收峰相比，红移了10 nm. 也就是说，相对于小檗碱，发生红移的原因是B1和B2只有π→π*局域激发，而小檗碱既有π→π*局域激发和n→π*局域激发，并不是Viktor 等人[6]所预测的共轭体系的延长.

表2 9-O取代小檗碱衍生物B1和B2的空穴-电子分布参数

小檗碱衍生物B1在343 nm处的吸收峰，S0→S2激发的贡献是83.7 %. 小檗碱衍生物B2在344 nm处的吸收峰，S0→S5激发的贡献是82.7 %. 两个激发的D值都为2.0 Å，且Sr值都较大，t值为负值，说明空穴和电子分散不太明显，明显可以认为两者都可能是电荷转移激发，结合图5中的B1(S0→S2)及B2(S0→S5)的空穴-电子分布，344 nm处的吸收峰归因于由a、b环到b、c环的π→π*电荷转移激发. 与B0在344 nm处的一致.

小檗碱衍生物B1在426 nm处吸收峰，S0→S1激发的贡献是65.7 %. 小檗碱衍生物B2在428 nm处的吸收峰，S0→S1激发的贡献是64.0 %.D值约为3.6 Å，t值均为正值，表明空穴区域和电子区域分离较为明显，那么归为电荷转移激发，结合图5可知是由a、b环到c、d环的π→π*电荷转移激发，形成离域π键. 相对于B0，因9-O处吸电子基团(2-氯代乙酰基和2-溴代乙酰基)引入导致发生了明显的红移. 同时，B1和B2的a、b环是供电子体，而9-O处的氧不再是供电子体；c环是电子受体，尤其N处.

图3 小檗碱空穴-电子分布图 (isovalue=0.002)Fig. 3 The hole-electron distribution of berberine (isovalue=0.002)

图4 9-O取代小檗碱衍生物B1和B2紫外光谱Fig.4 UV spectra of 9-O-substituted berberine derivatives B1 and B2

图5 9-O取代小檗碱衍生物B1和B2的空穴-电子分布图(isovalue=0.002)Fig. 5 The hole-electron distributions of 9-O-substituted berberine derivatives B1 and B2 (isovalue=0.002)

3.3 9-O取代小檗碱衍生物B3紫外光谱及分析

9-O处3-溴代丙基取代的衍生物B3理论紫外光谱如图6，有246 nm、344 nm、417 nm三处吸收峰，与B0三处的吸收峰位置完全一致，且与Viktor等人[6]紫外实验数据一致. 可见，9-O处3-溴代丙基取代未导致峰的迁移，且在417 nm处的峰强度增强. 由图7的空穴-电子分布图和表3的数据可知，同样地，246 nm处吸收峰也是由π→π*局域激发和n→π*局域激发引起，344 nm处的吸收峰由a、b环到b、c环的π→π*电荷转移激发，417 nm处的吸收峰由a、b环到c、d环方向上发生π→π*电荷转移激发.与小檗碱B0类似，a、b环及9-O处的氧是供电子体；c环是电子受体，尤其N处. 所以，解释了Viktor 等人的实验[6]中9-O处3-溴代丙基取代时小檗碱药性增强的原因.

图6 9-O取代小檗碱衍生物B3的紫外光谱Fig.6 UV spectrum of 9-O-substituted berberine derivative B3

图7 9-O取代小檗碱衍生物B3的空穴-电子分布图(isovalue=0.002)Fig. 7 The hole-electron distribution of 9-O-substituted berberine derivative B3 (isovalue=0.002)

表3 9-O取代小檗碱衍生物B3的空穴-电子分布结构参数

图8 9-O取代小檗碱衍生物B4紫外光谱Fig.8 UV spectrum of 9-O-substituted berberine derivative B4

图9 9-O取代小檗碱衍生物B4的空穴-电子分布图(isovalue=0.002)Fig. 9 The hole-electron distribution of 9-O-substituted berberine derivative B4 (isovalue=0.002)

3.4 9-O取代小檗碱衍生物B4紫外光谱及分析

小檗碱与环丙沙星结合的小檗碱衍生物B4的理论紫外光谱如图8，三个吸收峰位于284 nm、344 nm、433 nm. 由图9的空穴-电子图和表4的相关数据可知，284 nm处的吸收峰，S0→S19激发的贡献是60.4 %. 该激发的D值高达5.49 Å，属于电荷转移激发. 空穴区域主要位于小檗碱母体上，即a、b、c、d环区域，而电子区域完全出现9-O处环丙沙星取代基上. 可见，B4的S0→S19电子激发是由a、b、c、d环到取代基方向上的π→π*电荷转移激发，形成了大的离域π键，不同与小檗碱，红移约40 nm.

表4 9-O取代小檗碱衍生物B4的空穴-电子分布参数

小檗碱衍生物B4在340 nm处的吸收峰，S0→S5激发的贡献是69.8 %. 对于S0→S5激发，也是主要由于a、b环到b、c环的π→π*电荷转移激发. 9-O处环丙沙星的取代只导致相对于B0发生了4 nm的蓝移. 433 nm处的吸收峰，S0→S1激发的贡献是72.1 %.D值为2.85 Å，且t值为正值，表明空穴和电子分离较为明显，可认为是由a、b环到c、d环方向上发生π→π*电荷转移激发，仍属于小檗碱母体中离域π键，环丙沙星和小檗碱母体形成的大离域π键与此处峰无关. 相对于B0，因9-O处引入环丙沙星的引入导致红移17 nm. 那么，B4的小檗碱母体是供电子体，环丙沙星中共轭环是电子受体，且削弱了c环的受电子能力.

4 结 论

在液相(水溶剂)中使用PBE1PBE /6-311+G(d,p)方法、含时密度泛函理论(TD-DFT)和Multiwfn波函数分析软件中空穴-电子分析研究小檗碱及其9-O-小檗碱衍生物的紫外特征吸收峰，得到以下结论：理论紫外光谱与实验紫外光谱数据吻合，小檗碱9-O处3-溴代丙基的取代不改变此处氧的供电子能力，与小檗碱具有相同的紫外特征，而2-氯代乙酰基、2-溴代乙酰基、环丙沙星的取代导致9-O处氧对小檗碱母体无供电子能力，从而紫外吸收峰红移. 243 nm和416 nm处的两个吸收峰可认为是与小檗碱药性相关的特征吸收峰，a、b环及9-O处氧是小檗碱及其衍生物激发过程中供电子体，c环是电子受体，尤其N处.