硒化二氫楊梅素的密度泛函理論計算

辛國鵬，劉信平，毛 敏，馬文濤，馬 杰，張 煜

（湖北民族大學化學與環境工程學院，湖北恩施 445000）

二氫楊梅素是藤茶中的主要活性物質，在抗氧化，抗腫瘤以及抗炎，護肝等方面具有非常大的應用價值。但是，由于二氫楊梅素在水中的溶解度較小，穩定性較低，因此導致了二氫楊梅素的實際利用效率較低[1-3]。為了解決這個問題，目前的做法是對二氫楊梅素的結構進行修飾，例如將其制成金屬螯合物后，其抗氧化性和抗菌效果得到了顯著的提高[4]。硒是維持動物體內的必須微量元素之一。國內外大量臨床實驗明，人體缺硒可引起某些重要器官的功能失調，導致許多嚴重疾病發生。全世界40 多個國家處于缺硒地區，中國22 個省份的幾億人口都處于缺硒或低硒地帶，這些地區的人口腫瘤、肝病、心血管疾病等發病率很高[5]。研究表明，有機硒化物能有效避免無機硒易引起中毒的缺點，備受醫藥、食品保健等領域研究人員的關注[6]。鑒于此，本課題組以天然藤茶中提取純化的二氫楊梅素為前體，Na2SeO3為硒化劑制備硒化二氫楊梅素，并對其理化性質進行了初步研究。實驗表明，硒化二氫楊梅素具有良好的熱穩定性，水溶液穩定性，抗氧化活性[7]。但是，對于硒化二氫楊梅素的結構性質現在尚未清楚。

隨著量子化學的快速發展，通過精確的計算，可以給出分子結構性質等重要信息，以此來指導實驗的進一步設計。通過對二氫楊梅素分子表面的靜電勢研究發現，二氫楊梅素的5 個酚羥基氫具有較強的親核反應活性，但是盡管二氫楊梅素的5 個酚羥基位點均具有高活性，但是其醇羥基也具有較高的靜電勢，因此，在實際反應中也不可被忽視，為了比較其差異性，通過對比二氫楊梅素（圖1）與存在一個SeO32-取代羥基后的一硒代二氫楊梅素（共6 個），存在兩個SeO32-取代羥基的二硒代二氫楊梅素（共15個），共計22 個結構進行量子化學計算，獲得其結構性質，為日后進一步研究硒化二氫楊梅素在醫藥方面的應用提供一定的理論參考。

圖1 二氫楊梅的化學結構

1 理論計算

運用雜化B3LYP 密度泛函理論（DFT）結合6-31g* 基組的方法[8-9]，對二氫楊梅素及21 種硒化二氫楊梅素的幾何構型進行優化和能量計算。為確證所得幾何結構為勢能面上的極小點并得到零點能，對所有優化的結構均進行了頻率計算，采用的頻率校正系數為0.977[10]。然后，采用自然鍵軌道（NBO）方法[11-14]對自然布居電荷進行分析。所有的理論計算均采用Gaussian 09 量子化學程序[15]完成，Gauss-View5.0 用于結構顯示。

2 結果與討論

2.1 幾何構型及其穩定性

在B3LYP/6-31g*計算水平下，對22 種結構進行了全自由度優化，優化后得到了幾何構型，部分鍵長參數如圖2所示。

圖2 二氫楊梅素及其一代，二代硒化物的最優幾何構型和部分鍵長參數

可以看出，二氫楊梅素與其21 種硒代物的兩個苯環和五元雜環均處在同一平面上。二氫楊梅素中，6 個羥基與其相鄰C 原子的鍵長均在1.35 ? 左右，羧基與其相鄰的C 原子的鍵長為1.2489 ?。在硒代物中，隨著SeO32-的加入，其幾何構型也在發生著相應的變化：C-Se 鍵的鍵長均維持在1.95 ? 左右，發生硒代位置的C與其相鄰的C鍵長普遍減小，未發生取代的羥基與其相鄰C原子的鍵長基本上沒有變化，羧基與其相鄰的C原子的鍵長伸長。計算結果表明，在引入SeO32-取代基后，使二氫楊梅素的幾何構型發生了變化，可能對其化學性質產生重要的影響。

表1 列出了列出了二氫楊梅素及其21 種硒化物的能量值和偶極矩。從表一可以看出，當二氫楊梅素上的羥基被SeO32-取代后，能量降低，結構變得穩定。在這22 種結構中二氫楊梅素的能量最高，最不穩定。這是因為當二氫楊梅素上的酚羥基被SeO32-取代后，可以與其相鄰的苯環形成σ－π 超共軛體系；二氫楊梅素上的醇羥基被SeO32-取代后，可以與其相鄰的C 原子形成比C-H 更強的C-Seσ 鍵，此外SeO32-中的O 上的孤電子對可以與苯環形成p－π 共軛體系；而且二氫楊梅素與一硒代物中能量最低的取代15C 的能量差為2 548.419a.u.，與二硒代物中能量最低的取代10、19C 的能量差為5 098.208 a.u.，可以看出共軛效應對于結構影響很大。

表1 二氫楊梅素及其一代，二代硒化物的能量及偶極矩

在這22 個結構中，隨著SeO32-的加入，其電極電量和正負電荷中心間的距離均發生了較為明顯的變化，從極性最低的二氫楊梅素，偶極矩值為2.889 2，到極性最強的是取代19C，其偶極矩值為45.070 7bebye，就可以看出。同時根據相似相溶原理，該結構更容易溶于水溶液中。

2.2 電荷布局

藥理學表明，當受體受到一種藥物分子作用時，必然通過兩者之間電子的相互作用來進行。那么二氫楊梅素及其硒化物的化學活性應該與其凈電荷分布有關[16]。圖3 顯示了用自然鍵軌道（NBO）方法得到的電荷分布情況。由于在SeO32-中，Se 原子的電負性與C 原子的電負性基本相同，但是O 原子的電負性比Se 原子和C 原子都要大，因此在硒化二氫楊梅素中Se 原子均帶的是正電荷，此時Se 原子的電負性小于其相連的C 原子的電荷，故與其連的C 原子的電荷值均由正值變為了負值；其他的C 原子的電荷值基本保持不變；對于氫原子而言，自身的電子都是被吸引偏離原子核而使電子云密度降低從而視偏移量都帶一定量的凈正電荷，一些帶了大量正電荷的H 可能容易與其他物質形成氫鍵，可能是其發揮生物活性原因。在由電荷控制反應中，原子的負電荷越多，其受親電試劑進攻的可能性越大;反之，原子正電荷越多，則受親核試劑進攻的可能性也越大。因此我們推測，二氫楊梅素及其硒化物中其羥基與SeO32-它們的主要親電反應位置。

圖3 二氫楊梅素及其一代，二代硒化物的電荷布居

2.3 前線分子軌道和HOMO-LUMO能隙

圖4顯示了最高占據軌道（HOMO）和最低空軌道（LUMO）的能量。HOMO 與LUMO 之間的能量差值稱之為能隙，一個分子的能隙值越小，意味著內部的電子越容易發生躍遷，從而反應的概率也就越大。由圖4可以看出一硒代物中能隙值最小結構的是取代17C，能隙值為，8.697 26 kcal/mol；二硒代物中能隙值最小的結構是取代1、10C，能隙值為36.767 5 kcal/mol；均比二氫楊梅素的能隙值156.042 45 kcal/mol 小。這就說明由于SeO32-的共軛和吸電子作用，當SeO32-的加入后，硒化二氫楊梅素內部的電子越容易發生躍遷，從而反應的概率也就越大。

圖4 二氫楊梅素及其一代，二代硒化物的的最高占據軌道和最低空軌道

2.4 紅外光譜

紅外光譜是由分子中各種官能團發生伸縮振動、變形振動等行為產生的，常被用于對分子結構的定性分析[17-18]。由2.1 可知一硒代物中取代15C 能量最低，最穩定，二硒代物中取代10、19C 能量最低，最穩定。故，在此部分我們選用二氫楊梅素，取代15C，取代10、19C 三個結構來研究其紅外光譜。由圖5 可知，二氫楊梅素在450～4 000 cm-1波長范圍內出現了多個不同的吸收峰，其中，在3 412、1 355 cm-1處的吸收峰與酚羥基的伸縮振動對應;在1 649 cm-1處的峰為C=O 伸縮振動峰，對應二氫楊梅素中的碳氧雙鍵;在1 453 cm-1的尖峰對應碳碳雙鍵；1 268、1 104 cm-1的峰是典型的C-O-C 鍵；取代15C 在450～4 000 cm-1波長范圍內出現了多個不同的吸收峰，其中，3 554、1 357 cm-1處的吸收峰與酚羥基的伸縮振動對應;在1 683 cm-1處的峰為C=O 伸縮振動峰，對應二氫楊梅素中的碳氧雙鍵;在1 469 cm-1的尖峰對應碳碳雙鍵;在1 273、1 097 cm-1的峰是非常典型的C-O-C 鍵，同時，出現在735、862 cm-1出現了C-Se 鍵的吸收峰；取代10、19C 在450～4 000 cm-1波長范圍內出現了多個不同的吸收峰，其中，3 607、1 341 cm-1處的吸收峰與酚羥基的伸縮振動對應;在1664 cm-1處的峰為C=O伸縮振動峰，對應的是二氫楊梅素中的碳氧雙鍵;在1 436 cm-1的尖峰對應碳碳雙鍵;出現在1 268、1 132 cm-1處的峰是典型的C-O-C鍵，與此同時，在758、839 cm-1出現了C-Se鍵的吸收峰；通過實驗證明，硒化二氫楊梅的中有硒的特征吸收峰800、630 cm-1。通過對比三個結構的紅外光譜圖，可以發現其特征峰特點較好地與官能團吻合起來，也進一步驗證了計算的準確性。

圖5 二氫楊梅素，取代15C，取代10、19C的紅外光譜圖

3 結論

運用密度泛函量子化學方法對二氫楊梅素及其21 種硒化物物進行了理論計算研究，獲得了電子結構等相關性質，并且對紅外光譜進行了分析。結果表明：硒化二氫楊梅素相對于二氫楊梅素而言，由于取代基團SeO32-的引入，其幾何構型發生了一定的改變;取代基團SeO32-對偶極矩、能量有較為明顯的影響；電荷布局發生了改變；內部的電子越容易發生躍遷，從而反應的概率也就越大；通過分析計算所得的二氫楊梅素及其部分硒化物分子紅外光譜數據可以發現其特征峰特點較好地與官能團吻合起來，也進一步驗證了計算的準確性。綜上，本工作的研究結果可在理論層面為深入研究硒化二氫楊梅素分子的結構與性質的關系及其生理活性提供指導，并為拓寬硒化二氫楊梅素分子在生物、食品和藥品行業的開發應用提供一定的參考。