謝玉玉，侯雪玲，陳志慧，阿吉艾克拜爾·艾薩, 3*

1.中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所干旱區(qū)植物資源與化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830011 2.中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所分析測(cè)試中心，新疆 烏魯木齊 830011 3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

引 言

紅景天(Rhodiola rosea)又名薔薇紅景天，為多年生草本植物，常見(jiàn)于我國(guó)的新疆、西藏和四川，是一種常見(jiàn)的“藥食同源”中藥，有著“高原人參”、“北極玫瑰”之美稱[1]。經(jīng)現(xiàn)代藥理藥效研究證明，紅景天除了具有清肺止咳，清熱涼血和活血止血的作用外，還具有強(qiáng)壯機(jī)體，抗衰老、抗疲勞、抗腫瘤、抗過(guò)敏、抗抑郁、耐缺氧、抗輻射功能和雙向調(diào)節(jié)作用，具有治療冠心病和高血壓等功效[2-5]。紅景天是一個(gè)具有應(yīng)用前景的民族藥，值得深入研究與開(kāi)發(fā)。我國(guó)科研人員已經(jīng)從紅景天中提取、分離并通過(guò)FTIR，NMR，MS和UV/Vis等手段鑒定出皂苷類、多糖類和揮發(fā)油等化學(xué)成分[6-9]。現(xiàn)有紅景天的研究主要集中在對(duì)有效成分的分離、純化、結(jié)構(gòu)鑒定等方面，但對(duì)其最主要成分紅景天苷的幾何構(gòu)型、電荷分布、前線軌道和表面靜電勢(shì)鮮有報(bào)道。結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，這些都是決定其藥理、藥效的重要因素。隨著計(jì)算機(jī)硬件和軟件的開(kāi)發(fā)與利用，量子化學(xué)計(jì)算已經(jīng)在分析化學(xué)領(lǐng)域逐漸起到了不可替代的作用，并逐步應(yīng)用于藥物分析領(lǐng)域。Gaussian軟件是一款常用的量子化學(xué)計(jì)算軟件，在分子模型構(gòu)建、優(yōu)化分子構(gòu)型、計(jì)算前線軌道、表面靜電勢(shì)和模擬紅外、核磁等方面得到了較好的效果，常用于理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)比和預(yù)測(cè)活性位點(diǎn)。本工作采用密度泛函理論，對(duì)紅景天苷分子穩(wěn)定構(gòu)型、前線軌道、表面靜電勢(shì)、紅外與核磁共振等進(jìn)行了理論模擬和指認(rèn)，取得了與文獻(xiàn)報(bào)道相吻合的結(jié)果；活性位點(diǎn)的指認(rèn)可以為進(jìn)一步研究該分子如何誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡、影響細(xì)胞周期、抑制腫瘤細(xì)胞增殖、增強(qiáng)機(jī)體免疫力、誘導(dǎo)自噬等[10-12]機(jī)理提供了有用的信息和依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

首先使用GaussView5對(duì)紅景天苷分子立體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初始構(gòu)建如圖1(a)所示，在Gaussian09W程序中，采用密度泛函理論中的雜化密度泛函B3LYP/基組6-31G(d)，對(duì)其初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，得到紅景天苷分子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，如表1鍵長(zhǎng)、表2鍵角和表3二面角所示。在優(yōu)化的基礎(chǔ)上，采用同樣的方法和基組計(jì)算得出分子的最低空軌道(LUMO)、最高空軌道(HOMO)、表面靜電勢(shì)、紅外光譜振動(dòng)頻率和核磁共振的化學(xué)位移，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了全面指認(rèn)和詳細(xì)歸屬，取得了與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合的結(jié)果。本項(xiàng)目的全部計(jì)算工作通過(guò)Gaussian09W程序包在PC機(jī)上完成。

圖1 優(yōu)化后紅景天苷分子的平面結(jié)構(gòu)圖(a)和優(yōu)化后的立體構(gòu)型(b)

表1 Salidroside分子優(yōu)化后的鍵長(zhǎng)參數(shù)

表2 Salidroside分子優(yōu)化后的鍵角參數(shù)

表3 Salidroside分子優(yōu)化后的二面角參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 鍵長(zhǎng)、鍵角和二面角參數(shù)

利用密度泛函理論方法優(yōu)化后的紅景天苷分子的立體構(gòu)型由圖1(b)所示?？梢钥闯鲈摲肿拥钠咸烟黔h(huán)和苯環(huán)并不在一個(gè)平面內(nèi)，由于苯環(huán)上的酚羥基與苯環(huán)共平面從而對(duì)苯環(huán)有所擠壓，3C—4C鍵長(zhǎng)與苯的鍵長(zhǎng)相等為1.4 ?，4C—5C鍵長(zhǎng)為1.403 ?，略大于苯環(huán)的碳碳鍵長(zhǎng)，其余均小于苯環(huán)的碳碳鍵長(zhǎng)。糖環(huán)上所有的羥基均處在平伏鍵(e鍵)上，符合β-D-吡喃葡萄糖構(gòu)型。由于苷元的存在，葡萄糖吡喃環(huán)也有所擠壓，糖環(huán)上的C—O—C夾角為114°，略大于葡萄糖半縮醛上的C—O—C夾角111°。

2.2 能量與前線軌道計(jì)算

前線分子軌道中的電子是分子中最為敏感的部分，研究前線分子軌道可以為確定分子活性部位及探討作用機(jī)制等提供信息，前線分子軌道能量越低，分子越不容易失去電子，分子越穩(wěn)定。通過(guò)Gaussian計(jì)算得到Salidroside分子優(yōu)化后的能量為-29 171.62 eV(-1 072.04 a.u.)，此時(shí)分子為穩(wěn)定狀態(tài)。同時(shí)計(jì)算模擬得出最高占據(jù)軌道(HOMO)能量E=-5.82 eV，最低空軌道(LUMO)能量E=-0.000 42eV，能量差值為5.81 eV，能隙較大，說(shuō)明該分子在一般情況下是穩(wěn)定的。圖2給出了紅景天苷分子的HOMO和LUMO軌道的電子云分布圖，由圖可知分子的HOMO軌道主要分布在苯環(huán)上，為π電子的成鍵軌道，有一個(gè)節(jié)面；而最低空軌道電子云也主要分布在苯環(huán)上，為π電子的反鍵軌道，有兩個(gè)節(jié)面。

圖2 (a)紅景天分子的HOMO軌道，(b)LUMO軌道

2.3 表面靜電勢(shì)

通過(guò)Gaussian09W計(jì)算得到Salidroside分子優(yōu)化后表面靜電勢(shì)，并投射到分子表面，如圖3(a)所示。圖中紅色區(qū)域靜電勢(shì)值為負(fù)，表示這一區(qū)域更容易給出電子，或者說(shuō)相對(duì)于其他區(qū)域更具有親核性，更易發(fā)生親核取代反應(yīng)；而藍(lán)色區(qū)域靜電勢(shì)值為正，表示這一區(qū)域更容易獲得電子，相對(duì)于其他區(qū)域更具有親電性，易于發(fā)生親電取代反應(yīng)。再利用TD-SCF/DFT方法計(jì)算第一激發(fā)態(tài)的電子密度減去基態(tài)電子密度，如圖3(b)所示。藍(lán)色區(qū)域表示密度差的正值，即激發(fā)態(tài)密度大于基態(tài)密度；紅外區(qū)域表示密度差的負(fù)值，即激發(fā)態(tài)密度小于基態(tài)密度；當(dāng)分子從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)時(shí)，電子密度從紅色區(qū)域轉(zhuǎn)移到藍(lán)色區(qū)域，綠色區(qū)域的電子密度保持不變。通過(guò)繪制紅景天苷分子的分子表面靜電勢(shì)圖和第一激發(fā)態(tài)和基態(tài)電子差值，可以對(duì)活性位點(diǎn)進(jìn)行指認(rèn)，從而進(jìn)一步預(yù)測(cè)反應(yīng)機(jī)理提供重要的參考。

圖3 (a)紅景天分子的表面靜電勢(shì)，(b)第一激發(fā)態(tài)和基態(tài)的密度差

2.4 紅外光譜分析

采用Gaussian09W計(jì)算出位于中紅外區(qū)的Salidroside分子紅外振動(dòng)光譜數(shù)據(jù)，并根據(jù)方法和基組乘以校正因子0.961 3[13]，譜圖如圖4所示。分析計(jì)算數(shù)據(jù)，對(duì)紅外光譜進(jìn)行了歸屬，在官能團(tuán)區(qū)：3 640～3 520 cm-1之間為O—H的伸縮振動(dòng)，3 100～3 000 cm-1之間為苯環(huán)上C—H伸縮振動(dòng)，3 000～2 840 cm-1之間為飽和的C—H伸縮振動(dòng)，1 612，1 585，1 505和1 429 cm-1處為苯環(huán)骨架振動(dòng)，1 421 cm-1為—CH2—的面內(nèi)搖擺振動(dòng)；在指紋區(qū)：1 256 cm-1處為酚羥基的C—O伸縮振動(dòng)，1 137～1 037 cm-1為C—O—C的伸縮振動(dòng)，1 032 cm-1為脂肪醇的C—O伸縮振動(dòng)。分析以上紅外數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[14]中報(bào)道的紅外吸收頻率是較為吻合的，一般情況誤差在40個(gè)波數(shù)內(nèi)均可認(rèn)定為吻合。表4為校正前和校正后部分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)比，計(jì)算結(jié)果并未出現(xiàn)虛頻，故可判斷該優(yōu)化結(jié)構(gòu)合理。

圖4 優(yōu)化后的紅景天苷分子紅外光譜圖

表4 優(yōu)化后的紅景天苷部分紅外振動(dòng)頻率

2.5 核磁共振譜圖

利用Gaussian09W計(jì)算出紅景天苷分子的13C譜和1H譜，該分子包含了14個(gè)碳原子，6個(gè)為苯環(huán)上不飽和碳原子，其中一個(gè)碳原子因?yàn)檫B有酚羥基，化學(xué)位移向低場(chǎng)移至152 ppm, 其他5個(gè)碳化學(xué)位移在130～110 ppm之間；1個(gè)碳原子為苷元的α-C，苷化位移向低場(chǎng)移動(dòng)至64 ppm；另1個(gè)碳原子為β-C受到苷化影響較小，化學(xué)位移在32 ppm；6個(gè)碳為葡萄糖上的次甲基碳原子，其中一個(gè)是糖的端基碳原子，化學(xué)位移向低場(chǎng)移動(dòng)至91 ppm，其余5個(gè)碳的化學(xué)位移在70～60 ppm之間。同時(shí)，該分子包含了20個(gè)氫原子，4個(gè)為苯環(huán)上的氫，化學(xué)位移在7.5～6.4 ppm之間；6個(gè)氫為亞甲基的氫，化學(xué)位移在4.2～2.7 ppm之間；5個(gè)氫為葡萄糖次甲基的氫，其中一個(gè)為葡萄糖端基氫，化學(xué)位移在4.21 ppm, 其余4個(gè)氫的化學(xué)位移在3.3 ppm附近；剩余5個(gè)氫均為羥基的活潑氫。表5給出了紅景天苷分子氫譜和碳譜計(jì)算數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，文獻(xiàn)中均采用CD3OD作為溶劑，故未給出羥基氫的化學(xué)位移。分析以上數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，氫譜和碳譜計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[15]中報(bào)道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

表5 紅景天苷分子NMR計(jì)算數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

3 結(jié) 論

選取民族藥紅景天中的主要成分紅景天苷分子為研究對(duì)象，基于Gaussian09W軟件，采用密度泛函理論DFT/B3LYP方法，在6-31G(d)基組水平上計(jì)算了該分子的穩(wěn)定幾何構(gòu)型、紅外光譜、核磁共振譜，繪制了HOMO和LUMO軌道能量，并給出了電子云分布圖和分子表面靜電勢(shì)圖。結(jié)果表明用該方法計(jì)算的分子結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的，理論計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)報(bào)道結(jié)果一致性較好，計(jì)算結(jié)果有助于全面了解該分子的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，為預(yù)測(cè)其反應(yīng)機(jī)理、結(jié)構(gòu)修飾、藥理研究等提供理論基礎(chǔ)，對(duì)下一步的分子設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。

致謝：感謝華盛頓大學(xué)化學(xué)系副主任李曉松老師、山西大學(xué)分子科學(xué)研究所吳艷波老師和江蘇大學(xué)能源研究院李宏平老師在Gaussian軟件學(xué)習(xí)中的幫助和指導(dǎo)。