Luteolin与Galactose之间氢键相互作用的理论研究

罗冬梅，张 贺，李可心，李明汉，高 天，王俊丽

（1.赤峰学院 化学化工学院；2.内蒙古自治区光电功能材料重点实验室，内蒙古 赤峰 024000）

1 选题背景和意义

木犀草素（luteolin）存在于大多数植物中，这些植物以全叶青兰、辣椒、野菊花、紫苏含量较高，是一种天然的黄酮类化合物[1-2].可作为药品，如消炎，抗过敏，抗菌，抗病毒；此外它还可以化痰，降低血脂，对降低血糖治疗糖尿病有很大帮[3].近年来研究发现鬼针草可用于治疗感冒、甲状腺肿、前列腺炎、慢性气管炎、肺气肿、冠心病、慢性胃溃疡、慢性盆腔炎、附件炎、子宫脱垂、神经衰弱等,对原发性高血压亦有较好疗效[4-7]研究表明，鉴于鬼针草大多单味使用,使用方法较为方便,且其药源广、价廉、疗效高、见效快、无毒副作用,因此其在医用方面亦值得深度挖掘、推广[4].而半乳糖（Galactose）(CH2OH(CHOH)4CHO)是一种单糖类物质，可在奶类和甜菜中找到；在β-乳糖酶的催化作用下，半乳糖可从乳糖的水解作用中得到.因为半乳糖是葡萄糖的同分异构体，因此作为中药有效化学成分降糖作用机理研究工作的一部分，本文研究半乳糖与中药分子的氢键相互作用.

2 计算细节

选取半乳糖进行其与中药有效成分的相互作用研究.量子化计算对基组的选择很重要，要考虑到计算量小并且结果可靠[11].电荷对机组的依靠性很大，但不随基组的增大而收敛.基组自然是大一点好，基组越大对轨道的描述就越准确，所求的解也就越准确，但计算量也会增大[8].较大的金属原子常用的基组是LANL2DZ基组及其赝势，而稀土元素则应根据计算需要分别设定基组，本实验只涉及有机物分子，包含碳、氢、氧三种元素，因而采用统一的基组6-311++g(d,p)[9].采用功能强大的量子化学从头计算工具，高斯09程序包，在B3LYP/6-311++g(d,p)水平上进行试验研究.得到Luteolin（木犀草素）、Galactose（半乳糖）、和 Luteolin与 Galactose的氢键络合体系相应优化好的几何结构参数、偶极矩、原子电荷，以及能量数据，由于半乳糖为立体环状分子，两者以氢键方式相接近时，空间位阻较大，优化过程中耗时较长.

3 结果与讨论

几何构型讨论：分子的几何构型是影响化合物的基本因素，是对化合物一切静态和动态性质进行理论研究的出发点.Luteolin（木犀草素）、Galactose（半乳糖）和 Luteolin与Galactose的氢键络合体系优化后的结果没有虚频，说明得到的结构都是稳定的势能面上的最低点数据结果准确可用于结果分析[10].数据整理如下：

图1 优化后的Luteolin和galactose分子结构图

3.1 电荷的变化（The chang in charge)

从表3-1-1的原子数据比较可得：Luteolin与galactose作用前后原子电荷的变化：（1）Luteolin与作用后的原子电荷比较，由 O28—O47由 -0.299e-—0.375e-增加了 0.674e-，H30—H48由0.284e-—0.477e-增加了0.192e-，由30号 H 和28号O组成的酚羟基（-OH）电荷变化为O48与H47电荷之和0.482e-（0.674e--0.192e-）；O27—O45由 -0.229e-—-0.245e-增加了 0.016e-，H29—H46由 0.285e-—0.288e- 增加了 0.002e-，27号O和29号H组成的酚羟基（-OH）电荷变化为45号O和46号H电荷之和0.153e-，C25—C39的电荷从0.085e-—-0.625e-降低了0.709e-，变化幅度较大.（2）galactose与Luteolin作用前后原子电荷比较，O11由-0.009e-—-0.833e-增加了 0.824e-，O13由 0.050e-—-0.300e-增加了 0.35e-；H12由0.001—0.346e-增加 0.345e-，H14 由 -0.001e-—0.307e-增加了0.308e-；变化幅度也较大.O27和H29结合的羟基与O11和H12作用后，H29原子与电负性较大的O27原子以共价键结合，由于O27—H29具有强极性，这是H29相对带上正电荷，而O27相对带上负电荷.当H29以唯一的一个电子与O27成键后，就变成半径极小的核，其正电场强度很大，以至于非但很少受到电子之间的排斥，反而相互吸引，即形成氢键.

表3-1-1 luteolin与galactose作用前后电荷对比

图3 优化后的Galactose和Luteolin氢键络合体系

3.2 键长的变化（The change in bond length）

从表3-2-1中键长数据变化可知，luteolin分子中H-O键拉长，其中R(27,29)即为氢键络合体系中的R(47,48)，其键长由0.966Å由于氢键的形成而被拉长到0.971Å，而galactose分子中的H-O键R(11,12)则由0.965Å被稍微拉长到0.699Å，相互作用后galactose H-O键变化不大，而luteolin H-O键变化较大.Luteolin分子的48号H原子与galactose分子中的11号O原子相互作用，形成氢键，其键长为1.939Å，从键长看，属于较弱的氢键，因此可以推断，Luteolin对半乳糖分子结构的影响不大.

表3-2-1 Luteolin与galactose作用前后键长对比

3.3 键角的变化（The change in bond angle）

由表3-3-1可以得出，luteolin分子中的A(25,21,26)由119.805变为 Luteolin-galactose分子中的 A(38,37,43)为119.732，基本上可以认为没有变化.luteolin分子中的A(25,28,30)由 110.921 变为 Luteolin-galactose A(38.47,48)为111.808，其变化值接近一度.galactose分子中的A(3,13,14)由108.959变为Luteolin-galactose的A(1,11,12)为108.41，变化值也较小.但是Galactous分子中的A(4,3,13)由1117,745变为Luteolin-galactose分子中的A(2,1,11)为119.898，此处变化值较大，而且galactose分子中的A(2,3,4,)由118.482变为Luteolin-galactose分子中的A(2,1,5)为120.696，说明弱氢键的形成对galactose的键角影响较为明显.这是因为苯环是平面较为稳定的结构，键角不易改变，而galactose是立体的环状结构，键角较易受环境影响而发生一定的改变，而这些改变的来源就是体系中形成了弱氢键.luteolin分子中的C-O-H即 A(25,28,30)由110.921变为Luteolin-galactose分子中的C-O-H即A(38,47,48)为111.808，galactose分子中C-O-H即A(3,13,14)由108.959变为Luteolin-galactose分子中的C-O-HA(1,11,12)为108.41，此处键角变化不是很明显.luteolin分子中的C-C-O即A(21,25,28）由124.583变为Luteolin-galactose分子中的 C-C-O即 A (38,37,47)为124.896，galactose分子中的C-C-O即A(2,3,1)由123.351变为 Luteolin-galactose分子中的 C-C-O即 A (2,1,11)为108.41，键角显著变大，说明在由于氢键的形成，此处galactose分子的结构发生了扭转.

表3-3-1 Luteolin与galactose作用前后键角对比

3.4 偶极矩的变化及其分子的相互作用能

由表 3-4-1可以得出，Galactousn与Luteolin的X、Y、Z、TOTAL均变大了，说明Galactousn与Luteolin形成弱的氢键体系后，整体的对称性降低了，但是总偶极矩小于两者之和，说明二者之间有一定的结合，这与氢键的长度等几何参数是一致的.

表3-4-1 Luteolin和galactose的偶极矩D（德拜）

表3-4-2 Luteolin的能量及其与Galactous分子的相互作用能a.u

完成几何优化后，在b3lyp/6-311++g(d,p)水平上，计算出 Galactous的能量为 -644.9916(Hartree/Particle)，Luteolin的能量为-1029.265(Hartree/Particle).用UB3LYP计算方法计算Luteolin-Galactous能量为-1712.316(Hartree/Particle).其中换算系数为1Hartree=4.3597482×10-18J，1mol=6.02×1023Particle.比较Galactous分子与Luteolin不同的相互作用状态时的能量状态，用体系的总能量减去Galactous和Luteolin的能量之和，得到氢键络合体系的相互作用能量，从能量的数据可以分析体系的相对稳定程度[12].

计算公式如下：

从而计算出Luteolin和galactose分子相互作用的能量为-99896.323kJ，相互作用能数值偏高，一方面说明该氢键体系不稳定，另一方面，应在后续工作中查找原因，并在下一步的研究中改进.

通过电荷变化、键长和键角的产生和变化，以及Leteilin分子和galactose分子的相互作用能偏高，说明鬼针草中的Luteolin分子不易与galactose作用，不易形成稳定的氢键体系，这与前面的分析相一致，同时说明Leteilin对半乳糖分子的结构影响不大，只是局部发生一定的扭转.

4 结论

通过研究鬼针草[13,14]中的Luteolin降糖中药分子有效化学成分与半乳糖分子间的相互作用，尤其是氢键作用，探讨其对半乳糖和Luteolin分子几何结构和性质的影响，作为分子中降糖机理研究工作的的一部分，本文所研究的是Luteolin分子在与半乳糖分子间作用后以氢键的方式结合，而且与Luteolin分子形成氢键的羟基的H-O键均有所拉伸，原子电荷变大，键角也变大.它们作用后氢键络合体系的分子对称性降低，极性变强，说明针草中的Luteolin降糖中药分子[5]和半乳糖分子有一定的相互作用，但是氢键的键长为1.939Å，属于较弱的氢键，而且体系的能量偏高，说明不是稳定的氢键体系.通过以上分析可以得出，galactose分子与Luteolin分子相互作用形成的氢键键长较长，并且它们之间的相互作用能也较大，说明Luteolin对galactose分子结构的影响不是很显著，后续的研究将探索能使其结构发生明显改变以及发生强相互作用的中药分子.