張 祥， 趙思宇， 李玉江， 劉 清， 王 強

（1.河南省科學(xué)院高新技術(shù)研究中心，鄭州 450002； 2.華僑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，福建廈門 361021）

白藜蘆醇（Resveratrol）是一種在植物中分布廣泛的非黃酮多酚茋類化合物，現(xiàn)今至少存在于21科、31屬的72種植物中［1］. 1976年，Langcake和Pryce通過對受傷的葡萄葉進行研究，發(fā)現(xiàn)了植物抗生素，其主要成分為白藜蘆醇［2-3］. 經(jīng)過數(shù)年的研究，白藜蘆醇逐漸受到了眾多專家學(xué)者的重視，逐漸發(fā)展成為一種抗腫瘤、抗氧化、降血壓和治療心腦血管疾病的藥物［4-7］.

在自然界中，白藜蘆醇主要以兩種自由態(tài)形式存在，包括反式trans-Res 和順式cis-Res，如圖1 所示.trans-Res具有更高的反應(yīng)活性，但是具有不穩(wěn)定性，在光照條件下很容易轉(zhuǎn)化成為cis-Res，從而降低物質(zhì)的反應(yīng)活性［8-12］. 目前獲得白藜蘆醇的方法主要有植物提取法和化學(xué)制備法. 其中植物提取法主要包括酶法提取、溶劑提取、超臨界流體萃取、超聲波輔助提取和微波輔助提取等. 由于白藜蘆醇在植物中同時存在trans-Res 和cis-Res 兩種天然產(chǎn)物，并且存在含量低、提取產(chǎn)率低及提取成本高昂等問題，因此增加了后期分離以及檢測的難度［13-19］. 化學(xué)制備法主要包括Witting反應(yīng)、Witting-Horner反應(yīng)、Perkin反應(yīng)、Heck反應(yīng)和利用碳負(fù)離子與羰基縮合5種方法. 化學(xué)合成方法的優(yōu)勢在于對合成順反異構(gòu)的trans-Res和cis-Res具有很好的選擇性，一般可直接制備出trans-Res. 另外，與生物提取法相比，化學(xué)合成法擁有產(chǎn)率高、價格低的優(yōu)勢，因此成為制備白藜蘆醇的首選方法.

圖1 自然界中存在的trans-Res和cis-Res結(jié)構(gòu)Fig.1 Trans-Res and cis-Res structures existing in nature

在對白藜蘆醇進行檢測時，一般使用高效液相色譜法，其優(yōu)點是快速、分辨率高、用量少，缺點是維護費用和成本較高，并且分析時間較長. 色譜質(zhì)譜連用可以用來分離trans-Res和cis-Res，但是該方法的重復(fù)性和穩(wěn)定性較差，設(shè)備也較為昂貴. 而毛細管電泳法不僅分離效果較差，而且對設(shè)備與技術(shù)的要求較高，不利于大規(guī)模應(yīng)用. 化學(xué)發(fā)光法和熒光法只對部分樣品適用，局限性較大，也無法測定樣品中是否同時存在trans-Res 與cis-Res 兩種化合物，并且在檢測過程中，標(biāo)準(zhǔn)品的保質(zhì)期限較短，trans-Res 的標(biāo)準(zhǔn)品需要隨配隨用，降低了標(biāo)準(zhǔn)品的使用周期［20-23］.

本文利用計算化學(xué)中的密度泛函理論，對trans-Res與cis-Res的結(jié)構(gòu)及其光譜進行了計算，從理論上驗證了紅外光譜和拉曼光譜方法測試的可行性，為實際使用這兩種測試方法提供了參考依據(jù). 同時對兩種物質(zhì)的最高占據(jù)軌道（highest occupied molecular orbital，HOMO）和最低未占據(jù)軌道（lowest unoccupied molecular orbital，LUMO）進行了理論分析，為順式cis-Res穩(wěn)定存在的原因提供了理論基礎(chǔ).

1 計算及測試方法

本計算方法首先利用Gaussian View 5.0 軟件分別對trans-Res 和cis-Res 進行空間構(gòu)型的架構(gòu)，然后在Gaussian 09中進行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化計算，取空間上能量最小值（即最小的勢能面）的結(jié)構(gòu)為穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，并要求其最大力、最大力的均方差、最大位移、最大位移的均方差，四項指標(biāo)均達到收斂. 因此，本文使用密度泛函中的B3LYP方法，6-311++G（d，p）基組進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進行頻率計算，并去除倍頻干擾，分別得到紅外光譜及拉曼光譜. 根據(jù)自洽反應(yīng)場（SCRF）理論與極化統(tǒng)一場模型（PCM），在相同的方法和基組下對兩種物質(zhì)在不同溶劑中的分子吸收光譜進行了分析. 使用TD-SCF模式對分子進行前線軌道計算，得到其HOMO 與LUMO在空間的分布，并對其進行理論分析. 圖2為優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)，其中紅色代表氧原子，數(shù)字編號代表原子編號.

圖2 在B3LYP/6-311++G（d，p）基組優(yōu)化后trans-Res與cis-Res結(jié)構(gòu)Fig.2 Optimized structure of trans-Res and cis-Res at B3LYP/6-311++G（d，p）levels

空間優(yōu)化后，對主要幾何數(shù)據(jù)進行分析，列于表1中，其中主要包括主要典型原子之間的鍵長、鍵角與空間二面角的數(shù)據(jù). 在空間中，順式與反式結(jié)構(gòu)的鍵長變化不大，在兩個苯環(huán)中，碳碳鍵均呈現(xiàn)出trans-Res的鍵長較長趨勢，而在環(huán)外的其他鍵中，C3—C10、C10—H11、C12—H13、C12—C14、C10—C12的化學(xué)鍵均呈現(xiàn)出cis-Res鍵長較長的特點，這主要是由于分子在空間中的扭曲結(jié)構(gòu)所造成的，同時也使分子的能量升高，分子更加趨向于不穩(wěn)定的狀態(tài). 從空間的角度分析，其中大多數(shù)的鍵角變化不太明顯，但是空間的C3—C4—C10的差別卻十分明顯，偏離普通乙烯分子121.3°，H11—C10—C12的鍵角偏差也較為明顯，偏離普通乙烯分子117.4°.trans-Res 與cis-Res 的主要區(qū)別在于二面角的空間構(gòu)型，從數(shù)據(jù)中可以看出存在較大差異的二面角均出現(xiàn)在乙烯雙鍵附近，trans-Res的二面角在空間均接近0°或者是180°，分子呈現(xiàn)出最大的展開趨勢，使分子的能量可以進一步降低，從而保證分子的穩(wěn)定性. 但是cis-Res在空間中，二面角呈現(xiàn)出較大夾角，兩個苯環(huán)的距離更為接近，從而使分子的穩(wěn)定程度降低.

表1 trans-Res和cis-Res優(yōu)化后的幾何參數(shù)Tab.1 Optimized geometrical parameters of trans-Res and cis-Res

2 基于DFT計算方法計算兩種物質(zhì)的紅外光譜和拉曼光譜圖

從圖3中可以直觀看出，trans-Res和cis-Res有著很大的不同. 從紅外光譜圖中可以看出，trans-Res與cis-Res 有一部分相同的波數(shù)，其中3838 cm-1為O—H 的伸縮振動峰，3170 cm-1為苯環(huán)上的C—H 伸縮振動峰，3147 cm-1為環(huán)外雙鍵上的C—H伸縮振動，1624、1543和1516 cm-1為苯環(huán)上的C==C骨架振動，1363 cm-1和1283 cm-1為C—H的彎曲振動（包括苯環(huán)上和環(huán)外雙鍵上），1128 cm-1為C—O的伸縮振動（部分峰）.

圖3 trans-Res與cis-Res理論紅外光譜以及拉曼光譜的比較Fig.3 Comparison between theoretical infrared spectra and Raman spectra of trans-Res and cis-Res

在紅外光譜上兩種物質(zhì)存在著諸多區(qū)別，trans-Res 和cis-Res 的環(huán)外雙鍵的伸縮振動峰有所不同，trans-Res 為1642 cm-1，而cis-Res 為1660 cm-1. 由于cis-Res 的分子苯環(huán)上C==C骨架振動更為劇烈，因此cis-Res在1460 cm-1和1444 cm-1處有一組小雙峰，但是trans-Res卻并沒有這一組峰的出現(xiàn)，這為判斷分子是否由trans-Res 轉(zhuǎn)變?yōu)閏is-Res 提供了一定的依據(jù). cis-Res 在C—H 的彎曲振動劇烈，導(dǎo)致分子在1345 cm-1和1309 cm-1處有峰，但是trans-Res 并沒有，而是僅僅在1318 cm-1處有峰，這也是區(qū)分兩種物質(zhì)的重要依據(jù)之一. cis-Res 在1000 cm-1附近會出現(xiàn)裂分峰，分別位于1021 cm-1處和988 cm-1處，但是trans-Res 僅僅在993 cm-1處有峰，這是由于C—O 伸縮振動造成的，波數(shù)較低是由于兩個苯環(huán)的共軛體系經(jīng)過環(huán)外雙鍵相連造成的，這也是茋類化合物一個明顯的特征，這同樣也是區(qū)分兩種化合物的依據(jù)之一. 900～650 cm-1為苯環(huán)上C—H的面外彎曲振動峰，由于兩種物質(zhì)的酚羥基的取代方式相同，故沒有明顯的差異. 從整體來看cis-Res比trans-Res的峰要多，這主要是由于cis-Res會出現(xiàn)峰的裂分，但是其波數(shù)基本上是一致的.

trans-Res 與cis-Res 在拉曼光譜圖上與紅外光譜圖相比，各個峰的出現(xiàn)更為簡單直觀. trans-Res 轉(zhuǎn)變?yōu)閏is-Res，其峰的個數(shù)有所減少，其中相同峰主要出現(xiàn)在3000 cm-1處以上，3838 cm-1為O—H的伸縮振動、3199 cm-1與3172 cm-1為苯環(huán)上的C—H的伸縮振動峰，3145 cm-1為環(huán)外雙鍵的伸縮振動峰. 主要區(qū)別在于cis-Res 在1651 cm-1處的峰相比較trans-Res 在1642 cm-1處的峰，峰的強度有所減小，峰形也有所不同，trans-Res中1516 cm-1處的峰為苯環(huán)上碳氫的彎曲振動峰（部分），也包括苯環(huán)上C==C骨架的彎曲振動峰（部分）、1363 cm-1為環(huán)外雙鍵上的碳氫彎曲振動峰、1246 cm-1為羥基氫的彎曲振動峰、1165 cm-1為靠近環(huán)外雙鍵的苯環(huán)上氫原子的彎曲振動峰，而這些峰無法在化合物cis-Res中觀測到.

3 分子吸收光譜

圖4是對兩種物質(zhì)分別在不同溶劑中進行的紫外吸收光譜模擬分析圖，除固體之外，其他溶劑中大多有兩個吸收峰，其紅移和藍移并沒有太大的趨勢變化，最大吸收波長為300～325 nm，這是由于在溶劑中，物質(zhì)與溶劑之間存在能量交換，從而使物質(zhì)均可達到相同或者相似的穩(wěn)定狀態(tài). 并且在不同溶劑中均有一個相對較小的吸收峰.

圖4 trans-Res與cis-Res在各種溶劑中的理論紫外吸收光譜圖Fig.4 Theoretical UV absorption graphs of trans-Res and cis-Res in various solvents

4 分子前線軌道

在優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，對其進行DFT計算，在TD-SCF模式下，采用B3LYP方法，6-311++G（d，p）基組對分子的前線軌道進行分析模擬，得到其HOMO與LUMO圖（圖5）. 其中trans-Res的HOMO與LUMO在圖中分布相對均勻，而cis-Res 的HOMO 與LUMO 的分布則相對集中，從空間上看，cis-Res 分子的LUMO 軌道出現(xiàn)了一條新的折疊軌道，這個軌道是由兩個苯環(huán)上的兩個軌道重合得來的，使得cis-Res在空間中出現(xiàn)了一個大的相對穩(wěn)定而閉合的軌道，使得cis-Res可以穩(wěn)定的存在，這應(yīng)該是cis-Res能夠在自然界中穩(wěn)定存在的原因之一，同時也為研究物質(zhì)的順反異構(gòu)提供了新的思路.

圖5 trans-Res與cis-Res在空氣中的分子前線軌道Fig.5 The molecular frontier orbits of trans-Res and cis-Res in the air

5 結(jié)果與討論

使用Gaussian 09對trans-Res與cis-Res進行了空間的結(jié)構(gòu)架構(gòu)，在空間中找到結(jié)構(gòu)勢能面的最低點（即能量最低處）作為分子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，得到兩組分子的鍵長、鍵角以及空間二面角的數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)中可以看出，C3—C10、C10—H11、C12—H13、C12—C14、C10—C12的化學(xué)鍵呈現(xiàn)出cis-Res 鍵長較長的特點，而對于兩個苯環(huán)鍵長來說影響不大. 從化合物的空間結(jié)構(gòu)來看，兩種化合物在空間的二面角差異較大，trans-Res 在空間中基本上是一個平面結(jié)構(gòu)，但是cis-Res在空間上卻是一個扭曲的結(jié)構(gòu)，致使其空間中的二面角發(fā)生了20°～40°的夾角變化，扭曲結(jié)構(gòu)也使得順式分子的能量增大. 兩種物質(zhì)的紅外光譜圖相較而言，不同點在于波數(shù)1660 cm-1處的峰、1462 cm-1和1444 cm-1處的雙峰以及1021 cm-1和988 cm-1處的裂分峰，這幾處峰是區(qū)分trans-Res和cis-Res的重要依據(jù). 而在拉曼圖譜中，兩種化合物除了在1642 cm-1與1651 cm-1處存在明顯的差別外，對比臨近的1687 cm-1和1677 cm-1處的峰在峰形和強度上也存在著很大的不同. 另外，trans-Res在1516、1363、1165 cm-1等處的峰在cis-Res中均很難觀測到，這也是兩種物質(zhì)重要的區(qū)分依據(jù)，這為利用紅外和拉曼光譜分析檢測兩種物質(zhì)提供了理論依據(jù). 從化合物的紫外吸收光譜圖的角度分析，由于物質(zhì)與溶劑之間存在能量交換，因此分子的紫外吸收峰并沒有明顯的變化. 分子的前線軌道顯示，trans-Res 的HOMO 與LUMO 分布較為均勻，而cis-Res的分布則相對集中，并且在cis-Res的LUMO上存在著兩個苯環(huán)軌道的重合，從而使得分子在空間中形成了一個相對穩(wěn)定而閉合的軌道，這可能是cis-Res 可以在自然界中穩(wěn)定存在的原因之一，也為更好地研究物質(zhì)的順反異構(gòu)提供了新的思路.