五味子中4种木脂素结构和谱学性质的比较

金利思，翁金月，郑京胜，王朝杰

（1．温州医科大学定理临床学院温州市中心医院药剂科，浙江温州 325000；2．温州市中医院药剂科，浙江温州 325000；3．温州医科大学药学院，浙江温州 325035）

·论 著·

五味子中4种木脂素结构和谱学性质的比较

金利思1，翁金月1，郑京胜2，王朝杰3

（1．温州医科大学定理临床学院温州市中心医院药剂科，浙江温州 325000；2．温州市中医院药剂科，浙江温州 325000；3．温州医科大学药学院，浙江温州 325035）

目的：通过理论计算比较五味子中4种木脂素的结构和谱学性质差异。方法：采用密度泛函理论（DFT）B3LYP方法和极化连续模型（PCM），在6-31+G**水平上对气相和甲醇溶剂中的4种木脂素进行理论计算，对它们的分子几何构型、紫外-可见光谱、红外振动光谱和电子结构进行了分析。结果：4种木脂素的几何结构参数在气相和甲醇中计算值相差不大，紫外-可见光谱特征峰除酯甲较高外，其余三者非常接近；红外特征峰彼此相近，在甲醇中峰强度增加，红外光谱与官能团大致符合；4种木脂素都是极性分子，前线轨道分布基本类似，但酯甲最低未占轨道（LUMO）则是由苯甲酰基构成；计算数值与实验值较为符合。结论：通过理论计算值与实验值进行对比分析，用量子化学方法对五味子木脂素类化合物进行理论研究是有效的，并能通过计算来讨论其电荷转移和取代基效应，对理论研究和实验研究具有一定的参考价值。

五味子；木脂素；密度泛函；B3LYP

五味子[1]为木兰科植物五味子[SchisandraChinensis（Turcz.）Baill]的干燥成熟果实[2]，为著名传统中药。现代药理研究发现，五味子具有抗肿瘤、保肝降酶、抗衰老等作用[3-4]；其活性衍生物SJP-L-5具有强抗HIV活性，能作用于病毒双链DNA入核阶段，保护HIV感染的MT-4细胞[5]；在抗HIV-1、抗HBV、神经退行性疾病和对T淋巴细胞促进增殖作用等方面的活性筛选中，发现具有较强生物活性的木脂素和三萜类化合物[6-7]。五味子木脂素类成分为其主要活性物质[8-9]。本研究仅对其提取物中含量较高且具有明确药理活性的4种木脂素即五味子木脂素甲素（Deoxyschizandrin）、乙素（γ-Schizandrin）、醇甲（Schizantherin）和酯甲（SchisantherinA）[10-13]进行计算比较，基于量子化学计算结果对其作用机制进行初步探讨。

1 计算方法

本研究运用密度泛函理论（densityfunctionaltheory，DFT）的B3LYP方法[14-15]在6-31+G**基组水平上，对五味子木脂素甲素、乙素、醇甲和酯甲4种木脂素在气相和甲醇环境中进行结构优化和计算，得到这4种木脂素的分子几何构型、紫外-可见光谱、红外振动光谱、电子结构等信息，考察分析其在气相和甲醇环境中的几何结构、电荷分布、氢键特征和构象稳定性等。溶剂效应采用极化连续介质模型（polarizablecontinuummodel，PCM）进行处理，计算数据由Gaussian09[16]软件包实现，数据可视化处理运用OriginLab8.0和ChemiBio3D Ultra12.0软件包完成。

2 结果与讨论

2.1 分子几何构型分析

2.1.14 种木脂素在气相和甲醇环境中的键长分析：4种木脂素在气相和甲醇环境中众原子的键长值彼此相近，相差不超过0.005Å。在共轭效应、诱导效应、空间效应作用下，键长会发生一定变化[17]，优化后得到的数据基本在正常范围之内，见图1。

图1 在气相和甲醇环境中的五味子木脂素甲素、乙素、醇甲和酯甲的结构（对应环境的值从上到下，从左到右，键长单位为Å）

2.1.24 种木脂素在气相和甲醇环境中的二面角分析：4种木脂素在气相和甲醇环境中众原子的二面角值彼此相近。其中五味子甲素和乙素，结构非常相似，差异仅仅是甲素的联苯环上的甲氧基是独立的，而乙素则由一个亚甲基与两个氧相连，形成一个五元环，致使其联苯环的二面角增加了4°，同时C-O键的键长也稍微增长。可知个别原子受空间位阻效应，邻位取代基效应影响比较大，二面角发生了小幅度的变化，但这些都是在正常范围之内，说明这些结构是较为稳定的。醇甲比甲素增加了一个羟基在环辛二烯环上，致使联苯的二面角约增加了2°，酯甲相对于醇甲则在环辛二烯环上连接了一个苯甲酰基，其与联苯接近垂直，故联苯间的二面角反而减小了一点。酯甲在环辛二烯环上连接的是苯甲酰基，醇甲对应位置上连接的是羟基。醇甲的取代基空间位阻小，取代基极性基团亲水性大，由此推测醇甲的生物活性要比酯甲大，见图1。

2.2 紫外-可见吸收光谱分析

2.2.1 Origin8.0绘制4种化合物在甲醇中的紫外-可见吸收光谱：表1详细列出各化合物在甲醇中和水中的主要电子跃迁的组态系数、对应轨道、对应能量、吸光波长、振子强度数值。

表1 在甲醇和水相环境中五味子木脂素甲素、乙素、醇甲和酯甲的紫外-可见吸收光谱的主要数据

2.2.24 种木脂素在甲醇中的紫外-可见吸收光谱分析：五味子甲素和醇甲基本重合，乙素的吸收强度有所降低，波长红移，而酯甲吸收强度最大，见图2。陈业高等[18]分别对五味子甲素和五味子酯甲的紫外-可见吸收光谱进行了测定，其最大吸收波数为254cm-1和220cm-1，与计算值吻合非常好。母核是联苯环辛二烯，在联苯环上的C5和C12位有2个芳香质子，其他位置如C6-8和C9-11均为含氧取代基，即甲氧基和亚甲二氧基。五味子甲素和五味子酯甲这类联苯环辛二烯木脂素都是较为复杂的空间分子，分子中的支链与环和主链有明显的扭转而没有处在同一平面，这样的结构受位阻效应小有利于发挥官能团的优势作用。这类联苯环辛二烯木脂素的紫外光谱学特征为在214～225（lgε＞4）、248～257（lgε＞4）和275～294（lgε＞3-4）nm处有吸收峰，有时后两个峰以肩峰形式存在，为氧取代联苯环辛二烯特征吸收峰。C25或C26位有酮基取代时，与芳环共扼，在310～325nm处还有一个吸收峰。见图2。

2.3 红外振动光谱分析

2.3.14 种木脂素在气相中的红外振动光谱分析：由于4种化合物的母体结构一致，所以谱峰形状类似。五味子甲素其分布位于3000～3200cm-1和1750～750cm-1间，主要是甲基、亚甲基的C-H伸缩振动和苯环的特征峰，根据其他研究[19-20]不同理论方法和基组对振动光谱计算值与实验比较，提出B3LYP/6-31+G*的约化因子为0.9614，则与实验总结的联苯环辛二烯类木脂素的特征峰吻合，见图3-6。

图2 甲醇环境中的4种五味子木脂素紫外光谱图

图3 在气相和甲醇环境中的五味子木脂素甲素的红外光谱图

2.3.24 种木脂素在甲醇中的红外振动光谱分析：4种化合物在甲醇中的峰强度加强而发生稍许红移。根据红外振动光谱的数据，可大致判断出官能团的信息，如在1615、1590和1500cm-1左右的吸收峰，表示有芳环存在，2840～2930cm-1的吸收峰表示有甲氧基存在，1710～1740cm-1为酯羰基的特征吸收，3300～3500cm-1为羟基的特征吸收峰。当C25位或C26位有酮基，与苯环同平面而共扼，其红外振动光谱吸收峰在1660cm-1，酮基不能与苯环同平面而共轭，其吸收峰在1690cm-1。根据该数据可推断羰基的位置和木脂素的构象：S构型联苯，C4位酮基能与苯环共扼，推测八元环为扭船式构象，而C28位酮基则不论八元环呈何种构象，都不能与苯环共轭；联苯为R构型，情形则相反[21]。红外光谱的特征峰特点较好地与官能团吻合起来，也进一步验证了计算的准确性。见图3-6。

图4 在气相和甲醇环境中的五味子木脂素乙素的红外光谱图

图5 在气相和甲醇环境中的五味子木脂素醇甲的红外光谱图

图6 在气相和甲醇环境中的五味子木脂素酯甲的红外光谱图

2.4 电子结构分析

2.4.14 种木脂素的结构：4种木脂素在气相和甲醇中的一些电子结构性质，见表2。4种木脂素的最高已占轨道（HOMO）和最低未占轨道（LUMO）轨道组成图，见图7。甲素的各原子的Mulliken电荷数和偶极矩的方向，见图8。

2.4.24 种木脂素在气相和甲醇中的电子结构分析：前线轨道能差（Δε）=εLUMO-εHOMO体现其反应性的高低，能差越大，HOMO和LUMO要失去和得到电子都非常困难，其中酯甲相对反应性高些[22]。4种木脂素都是极性的，但极性不大，在甲醇中一般是极性增加。前三种化合物类似，均主要由苯环的π轨道和五元杂环的π轨道构成，而酯甲的LUMO则是苯酰的π轨道组成，见图7。碳氧都是带负电荷，见图8。随着羟基的增加，共轭体系的增大，HOMOLUMO的能级差的减小，使体系的频率减小，波长增大，谱线发生红移，这与实验结果相吻合。

3 结论

本研究运用DFT-B3LYP方法在6-31+G**基组水平上对五味子中含量较高的具有重要临床价值的4种木脂素甲素、乙素、醇甲和酯甲在气相和甲醇中的紫外光谱、红外光谱及电子结构和几何结构进行了计算。通过理论计算值与实验值进行对比分析，用量子化学计算方法处理的结果与文献值基本吻合。可知用量子化学方法对五味子木脂素类化合物进行理论研究是有效的，并能通过计算来讨论其电荷转移和取代基效应，对理论研究和实验研究具有一定的参考价值，对于理解其谱峰差异具有重要意义，尤其是在重要指纹图谱分析方面，对鉴定该类化合物和了解其药效差异具有直接意义。

表2 在气相和甲醇环境中五味子木脂素甲素、乙素、醇甲和酯甲的前线轨道能差、偶极距和转动系数

图7 B3LYP/6-31+G*水平计算得到的甲醇环境中4种五味子木脂素前线轨道图

图8 B3LYP/6-31+G*计算水相中五味子甲素的Mulliken电荷分布和偶极矩方向

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（本文编辑：吴彬）

Comparision of the structures and properties of four kinds of lignans in Schisandra Chinensis (Turcz.)Baill

JIN Lisi1, WENG Jinyue1, ZHENG Jingsheng2, WANG Chaojie3. 1.Dingli Clinical Institute of Wenzhou

Medical University, Wenzhou Central Hospital, Wenzhou, 325000; 2.Wenzhou Hospital of Traditional Chinese Medicine, Wenzhou, 325000; 3.School of Pharmacy, Wenzhou Medical University, Wenzhou, 325035

Objective:To analyze the structures and spectral difference of four kinds of lignans in Schisandra Chinensis (Turcz.) Baill. through theoretical calculation.Methods:The geometrical structure, ultravioletvisible spectrum, infrared vibrational spectrum and electronic structure of four kinds of lignans in Schisandra Chinensis were studied at the level of DFT/B3LYP/6-31+G** in gas phase and methanol, the solvent effects were considered by polarizable continuum model (PCM).Results:The optimized geometrical structure parameters of the lignans were close to each other in gas phase and in methanol. The calculated UV-Vis spectral characteristic peaks were similar to each other but Schisantherin A was higher than the other three. To the IR vibrational spectra, the peak strength increased in methanol. All lignans were polar molecules, and only the LUMO of Schisantherin A located at benzoyl group. All computed data were agreed well with available reported data.Conclusion:The results of deep understanding of the structure and properties of four kinds of lignans in Schisandra Chinensis (Turcz.) Baill. have certain scientifc signifcance.

Schisandra Chinensis (Turcz.) Baill.; lignan; DFT; B3LYP

O641

A

10.3969/j.issn.2095-9400.2017.01.009

2016-01-06

金利思（1986-），女，浙江温州人，主管中药师。

王朝杰，教授，Email：chjwang@wmu.edu.cn。