焉炳飛，朱亞南，方圣濤，李文佐

過(guò)氧化麥角甾醇分子的密度泛函理論研究

焉炳飛1,2，朱亞南1，方圣濤2，李文佐1

（1. 山東省煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院， 山東 煙臺(tái) 264005； 2. 中國(guó)科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所，山東 煙臺(tái) 264003）

采用密度泛函理論(DFT)方法，在B3LYP/6-311+G(2d, p)水平上對(duì)過(guò)氧化麥角甾醇進(jìn)行了計(jì)算研究。優(yōu)化得到了過(guò)氧化麥角甾醇分子的結(jié)構(gòu)，給出了分子的鍵長(zhǎng)、鍵角、二面角等參數(shù)，并對(duì)其進(jìn)行了1HNMR光譜、IR光譜、UV-Vis光譜理論模擬和自然電荷分析。自然電荷計(jì)算表明，羥基O和H原子很可能是關(guān)鍵的活性中心。理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值符合的很好。

過(guò)氧化麥角甾醇；電子結(jié)構(gòu)；光譜；密度泛函

過(guò)氧化麥角甾醇(分子式為C28H44O3)廣泛存在于食藥用真菌中，是近年來(lái)從食藥用真菌中發(fā)現(xiàn)的一個(gè)熱點(diǎn)活性分子，該化合物具有促進(jìn)腫瘤細(xì)胞凋亡[1]，抗炎[2]，抗菌[3]，抗氧化[4]等廣泛藥理作用。在芬蘭，腐生真菌纖孔屬的斜形纖孔菌 (Inonotus obilquus Pilat) 和輻射狀纖孔菌 (I. radiatus Karst)在民間被廣泛用于治療疾病[5]，研究證明過(guò)氧化麥角甾醇是其有效成分之一。

近年來(lái)，對(duì)過(guò)氧化麥角甾醇分子的實(shí)驗(yàn)研究較多[1-6]。我們從一株海綿共附生真菌的次級(jí)代謝產(chǎn)物中也分離得到了大量的過(guò)氧化麥角甾醇。目前對(duì)于分子結(jié)構(gòu)的確定常用的方法包括核磁共振(NMR)、紅外光譜(IR) 以及紫外光譜(UV-Vis)等，但是核磁共振譜圖中化學(xué)位移譜峰的歸屬往往是十分困難的，而且在紅外光譜中，即使是簡(jiǎn)單分子的譜圖中也含有基頻、合頻、泛頻，此外，實(shí)驗(yàn)無(wú)法從根本上解釋過(guò)氧化麥角甾醇分子的藥用活性。這時(shí)理論計(jì)算方法的引入對(duì)解決譜峰的歸屬問(wèn)題起到了很好的作用，理論計(jì)算也可以很好的預(yù)測(cè)藥物分子的活性。

因此，對(duì)藥物分子進(jìn)行電子結(jié)構(gòu)和光譜性質(zhì)進(jìn)行研究具有很重要的意義。目前對(duì)過(guò)氧化麥角甾醇電子結(jié)構(gòu)和光譜性質(zhì)的理論研究尚未見報(bào)道。我們選擇過(guò)氧化麥角甾醇為研究對(duì)象，采用 Density Functional Theory (DFT)的 B3LYP(Becke’ s three-parameter hybrid functional with the non-local correlation of Lee-Yang-Parr)方法計(jì)算了其基態(tài)結(jié)構(gòu)，采用Gauge-Including Atomic Orbital (GIAO)方法和 Time-Dependent DFT方法計(jì)算了過(guò)氧化麥角甾醇的光譜性質(zhì)。

1 計(jì)算方法

密度泛函理論是研究分子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的有效方法[7-11]。本文應(yīng)用密度泛函理論的 B3LYP方法對(duì)過(guò)氧化麥角甾醇進(jìn)行全參數(shù)優(yōu)化，優(yōu)化時(shí)采用6-311+G(2d, p)基組。在優(yōu)化構(gòu)型的基礎(chǔ)上用相同的方法進(jìn)行簡(jiǎn)正振動(dòng)分析，同時(shí)進(jìn)行自然鍵軌道(NBO)分析并計(jì)算前線分子軌道能。在優(yōu)化好的構(gòu)型上計(jì)算 NMR化學(xué)位移和電子吸收光譜，計(jì)算時(shí)分別采用GIAO和TD-DFT方法。在計(jì)算NMR化學(xué)位移時(shí)以四甲基硅烷(TMS)定標(biāo)，用相同計(jì)算方法處理TMS。溶液中的相關(guān)計(jì)算采用 PCM (polarized continuum model)模型，選用的溶劑是氯仿。所有計(jì)算采用Gaussian09程序[12]。

2 結(jié)果與討論

2.1 過(guò)氧化麥角甾醇分子幾何構(gòu)型

過(guò)氧化麥角甾醇的分子結(jié)構(gòu)及原子編號(hào)見圖1。B3LYP/6-311+G(2d, p)計(jì)算所得過(guò)氧化麥角甾醇分子的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)列于表 1。計(jì)算結(jié)果表明，過(guò)氧化麥角甾醇分子屬于C1點(diǎn)群。

表1 在B3LYP/6-311+G(2d, p)水平上計(jì)算的過(guò)氧化麥角甾醇分子中的鍵長(zhǎng),鍵角及二面角Table 1 The B3LYP/6-311+G(2d, p) calculated bond lengths, bond angles and dihedral angles of ergosterol peroxide

正常的C-C單鍵的鍵長(zhǎng)平均0.154 nm，C=C雙鍵平均0.134 nm，C-O單鍵平均0.143 nm，-O-O-過(guò)氧鍵平均0.148 nm。計(jì)算得到的過(guò)氧化麥角甾醇分子的鍵長(zhǎng)與各鍵長(zhǎng)平均值相差不大，均屬于正常范圍，說(shuō)明計(jì)算結(jié)果較為可靠。

圖1 過(guò)氧化麥角甾醇分子結(jié)構(gòu)和原子編號(hào)Fig.1 Structure of ergosterol peroxide and atomic number

2.2 核磁共振光譜

GIAO方法是目前公認(rèn)的預(yù)測(cè)核磁共振化學(xué)位移較為準(zhǔn)確的方法，已成功應(yīng)用于小分子及大中分子的NMR化學(xué)位移預(yù)測(cè)[7-10]。在B3LYP/6-311+G(2d, p) 水平上采用GIAO方法計(jì)算的1H的化學(xué)位移列于表 2。這些化學(xué)位移值與實(shí)驗(yàn)值較為吻合，也進(jìn)一步驗(yàn)證了模擬計(jì)算的可行性和準(zhǔn)確性。

表2 過(guò)氧化麥角甾醇分子1H化學(xué)位移計(jì)算結(jié)果（括號(hào)內(nèi)為實(shí)驗(yàn)值）Table 2 The calculation 13C chemical shift of ergosterol peroxide (The experimental values are shown in parentheses)

圖2 模擬過(guò)氧化麥角甾醇分子的IR圖譜Fig.2 Simulation IR spectrum of ergosterol peroxide

2.3 紅外吸收光譜

化合物的紅外光譜是其分子結(jié)構(gòu)的反映，用Gaussian09計(jì)算出的過(guò)氧化麥角甾醇分子的紅外振動(dòng)光譜如圖2，并利用Gaussian View 程序?qū)^(guò)氧化麥角甾醇的紅外振動(dòng)光譜進(jìn)行了歸屬。振動(dòng)頻率在3 819 cm-1處為-O-H的伸縮振動(dòng)峰；在3 193 ～ 3 167 cm-1處為=C-H的伸縮振動(dòng)峰；在3 143 ～ 3 074 cm-1處為-CH3的不對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰；在1 712 ～ 1 673 cm-1處為C=C的伸縮振動(dòng)峰；在1 673～1 030 cm-1處為-C-O-的伸縮振動(dòng)峰；在1 401 cm處為=C-H的彎曲振動(dòng)峰；在249 cm-1處為-O-H的彎曲振動(dòng)峰。

圖3 模擬過(guò)氧化麥角甾醇分子的紫外吸收光譜Fig.3 Simulation UV absorption of ergosterol peroxide

2.4 紫外吸收光譜

采 用 TD DFT/B3LYP/6-311+G(2d,p)//DFT/ B3LYP/6-311+G(2d,p)方法模擬了過(guò)氧化麥角甾醇分子的紫外吸收光譜，如圖3所示。從圖3可看出，過(guò)氧化麥角甾醇分子僅在196 nm處顯示了弱的紫外吸收峰，可歸屬于電子從最高占據(jù)軌道（HOMO）躍遷到最低空軌道（LUMO）。

2.5 NBO電荷

分子的電荷分布對(duì)分子的活性有重要的影響，分析分子的電荷分布可以揭示其與其它分子的作用位點(diǎn)。過(guò)氧化麥角甾醇分子主要原子的電荷分布見表3。從表3可以看出O3原子帶有最大的負(fù)電荷；碳原子中 C18、C19、C21、C26、C27和 C28較大的負(fù)電荷，C1和C8具有較大正電荷，C3具有少量正電荷。顯然，O3原子的存在，是造成分子體系中正負(fù)電荷分布的主要原因。說(shuō)明過(guò)氧化麥角甾醇分子的活性部位是在羥基上。O3原子具有較大負(fù)電荷，有強(qiáng)的親核活性，與受體相互作用時(shí)，可作為氫鍵的受體，是關(guān)鍵的活性部位。

表3 過(guò)氧化麥角甾醇主要原子的電荷分布Table 3 Some atomic charge distribution in ergosterol peroxide molecule

3 結(jié) 論

用B3LYP/6-311+G(2d, p)方法優(yōu)化了過(guò)氧化麥角甾醇分子，得到了在B3LYP/6-311+G(2d, p) 水平下的全優(yōu)化立體結(jié)構(gòu)以及幾何參數(shù)，并對(duì)其光譜（1HNMR，IR，UV-Vis）進(jìn)行行了理論模擬和指認(rèn)，取得了與實(shí)驗(yàn)值基本吻合的結(jié)果。NBO電荷分析認(rèn)為，O3原子具有較大負(fù)電荷，是造成分子體系中正負(fù)電荷分布的主要原因，有強(qiáng)的親核活性，與受體相互作用時(shí)，可作為氫鍵的受體，是關(guān)鍵的活性部位。本工作為研究過(guò)氧化麥角甾醇類化合物提供了有益參考。

［1］Takei T, Yoshida M, Ohnishi-Kameyama, et al. Erogsterol peroxide, an apoptosis-including component isolated from Sarcodon aspratus (Berk) S. Ito[J].Bioscience Biotechnology Biochemistry, 2005, 69(1): 212-215.

［2］Kobori M, Yoshida M, Ohnishi-Kameyama, et al. Ergosterol peroxide from an edible mushroom suppresses inflammatory responses in RAW 264.7 macrophages and growth of HT29 colon adenocarcinoma cells[J].British Journal of Pharmacology, 2007, 150(2): 209-219.

［3］麻繼兵, 文春南, 吳婷婷, 等．麥角甾醇過(guò)氧化物的抑菌活性研究[J].食品研究與開發(fā), 2010, 33(7): 42-43.

［4］Kim S W, Park SS, Min T J, et al. Ergosterol peroxide (5,8-epidi oxy5α,8α-ergosta-6,22E-dien-3β-ol) in Armillariella mellea[J].Bulle tin of Korean Chemical Society, 1999, 20(7): 819-823.

［5］Kahlos K, Kangas L, Hiltunen R. Ergosterol peroxide, an active co mpound from Inonotus radiatus[J].Planta Medica, 1989, 55(4): 389-390.

［6］李斌, 高潔瑩, 李娟, 等. 細(xì)葉石仙桃乙酸乙酯部位化學(xué)成分研究[J].中藥材，2004, 20(6)：4-7.

［7］］秦文杰, 鐘愛國(guó). 河鲀毒素藥理活性和熱性質(zhì)密度泛函研究[J].當(dāng)代化工, 2013, 42(12): 1632-1635.化工, 2013, 42(12): 1632-1635.

［8］陳凱浩, 鐘愛國(guó). 甲基苯丙胺光譜性質(zhì)的密度泛函分析與指認(rèn)[J].當(dāng)代化工, 2014, 43(1): 29-31.

［9］徐鵬宇, 蘇婉芬, 鐘愛國(guó). 甲卡西酮光譜性質(zhì)的密度泛函模擬與指認(rèn)[J].當(dāng)代化工, 2014, 43(3): 334-336.

［10］肖翠平, 程建波, 王進(jìn)軍, 等. 鐵屎米酮類生物堿分子化學(xué)位移的理論研究[J].分子科學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 27(4): 283-286.

［11］孫彩霞, 焉炳飛, 李文佐, 等. 蘆竹堿分子的密度泛函理論研究[J].煙臺(tái)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)與工程版), 2014, 27(3): 173-176.

［12］Frisch M J, Trucks GW, Schlegel H B, et al. Gaussian 09[R]. W allingford: Gaussian, Inc, 2009.

Density Functional Theory Study on Ergosterol Peroxide

YAN Bing-fei1,2，ZHU Ya-nan1，F(xiàn)ANG Sheng-tao2，LI Wen-zuo1
（1. School of Chemistry and Chemical Engineering，Yantai University，Shandong Yantai 264005，China；2. Yantai Institute of Coastal Zone Research，Chinese Academy of Sciences，Shandong Yantai 264003，China）

With density functional theory (DFT) of B3LYP method in the level of 6-311+G(2d, p) basis set, ergosterol peroxide was theoretically calculated. The geometric parameters such as molecular bond lengths, bond angles, and dihedral angles, were calculated,1HNMR spectrum, IR spectroscopy, and UV-Vis spectroscopy were theoretically simulated. Natural charge calculation results show that hydroxy O and H atoms are likely to be the key active center. The calculated results are in agreement with their corresponding experimental values.

Ergosterol peroxide; Electronic structure; Spectrum; DFT

O 641

： A

： 1671-0460（2015）04-0726-03

煙臺(tái)大學(xué)青年學(xué)術(shù)骨干專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目; 煙臺(tái)大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目(130514); 煙臺(tái)大學(xué)研究生科技創(chuàng)新基金資助。

2014-11-05

焉炳飛（1987-），男，山東煙臺(tái)人，碩士研究生，研究方向：天然產(chǎn)物化學(xué)和物理有機(jī)化學(xué)。E-mail：yanbf2014@126.com。

李文佐（1977-），男，副教授，博士，研究方向：物理有機(jī)化學(xué)。E-mail：liwenzuo2004@126.com。