基于密度泛函的白藜芦醇顺反式结构的光谱计算

张 祥， 赵思宇， 李玉江， 刘 清， 王 强

（1.河南省科学院高新技术研究中心，郑州 450002； 2.华侨大学材料科学与工程学院，福建厦门 361021）

白藜芦醇（Resveratrol）是一种在植物中分布广泛的非黄酮多酚茋类化合物，现今至少存在于21科、31属的72种植物中［1］. 1976年，Langcake和Pryce通过对受伤的葡萄叶进行研究，发现了植物抗生素，其主要成分为白藜芦醇［2-3］. 经过数年的研究，白藜芦醇逐渐受到了众多专家学者的重视，逐渐发展成为一种抗肿瘤、抗氧化、降血压和治疗心脑血管疾病的药物［4-7］.

在自然界中，白藜芦醇主要以两种自由态形式存在，包括反式trans-Res 和顺式cis-Res，如图1 所示.trans-Res具有更高的反应活性，但是具有不稳定性，在光照条件下很容易转化成为cis-Res，从而降低物质的反应活性［8-12］. 目前获得白藜芦醇的方法主要有植物提取法和化学制备法. 其中植物提取法主要包括酶法提取、溶剂提取、超临界流体萃取、超声波辅助提取和微波辅助提取等. 由于白藜芦醇在植物中同时存在trans-Res 和cis-Res 两种天然产物，并且存在含量低、提取产率低及提取成本高昂等问题，因此增加了后期分离以及检测的难度［13-19］. 化学制备法主要包括Witting反应、Witting-Horner反应、Perkin反应、Heck反应和利用碳负离子与羰基缩合5种方法. 化学合成方法的优势在于对合成顺反异构的trans-Res和cis-Res具有很好的选择性，一般可直接制备出trans-Res. 另外，与生物提取法相比，化学合成法拥有产率高、价格低的优势，因此成为制备白藜芦醇的首选方法.

图1 自然界中存在的trans-Res和cis-Res结构Fig.1 Trans-Res and cis-Res structures existing in nature

在对白藜芦醇进行检测时，一般使用高效液相色谱法，其优点是快速、分辨率高、用量少，缺点是维护费用和成本较高，并且分析时间较长. 色谱质谱连用可以用来分离trans-Res和cis-Res，但是该方法的重复性和稳定性较差，设备也较为昂贵. 而毛细管电泳法不仅分离效果较差，而且对设备与技术的要求较高，不利于大规模应用. 化学发光法和荧光法只对部分样品适用，局限性较大，也无法测定样品中是否同时存在trans-Res 与cis-Res 两种化合物，并且在检测过程中，标准品的保质期限较短，trans-Res 的标准品需要随配随用，降低了标准品的使用周期［20-23］.

本文利用计算化学中的密度泛函理论，对trans-Res与cis-Res的结构及其光谱进行了计算，从理论上验证了红外光谱和拉曼光谱方法测试的可行性，为实际使用这两种测试方法提供了参考依据. 同时对两种物质的最高占据轨道（highest occupied molecular orbital，HOMO）和最低未占据轨道（lowest unoccupied molecular orbital，LUMO）进行了理论分析，为顺式cis-Res稳定存在的原因提供了理论基础.

1 计算及测试方法

本计算方法首先利用Gaussian View 5.0 软件分别对trans-Res 和cis-Res 进行空间构型的架构，然后在Gaussian 09中进行结构的优化计算，取空间上能量最小值（即最小的势能面）的结构为稳定结构，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，四项指标均达到收敛. 因此，本文使用密度泛函中的B3LYP方法，6-311++G（d，p）基组进行结构优化，对优化后的结构进行频率计算，并去除倍频干扰，分别得到红外光谱及拉曼光谱. 根据自洽反应场（SCRF）理论与极化统一场模型（PCM），在相同的方法和基组下对两种物质在不同溶剂中的分子吸收光谱进行了分析. 使用TD-SCF模式对分子进行前线轨道计算，得到其HOMO 与LUMO在空间的分布，并对其进行理论分析. 图2为优化后的结构，其中红色代表氧原子，数字编号代表原子编号.

图2 在B3LYP/6-311++G（d，p）基组优化后trans-Res与cis-Res结构Fig.2 Optimized structure of trans-Res and cis-Res at B3LYP/6-311++G（d，p）levels

空间优化后，对主要几何数据进行分析，列于表1中，其中主要包括主要典型原子之间的键长、键角与空间二面角的数据. 在空间中，顺式与反式结构的键长变化不大，在两个苯环中，碳碳键均呈现出trans-Res的键长较长趋势，而在环外的其他键中，C3—C10、C10—H11、C12—H13、C12—C14、C10—C12的化学键均呈现出cis-Res键长较长的特点，这主要是由于分子在空间中的扭曲结构所造成的，同时也使分子的能量升高，分子更加趋向于不稳定的状态. 从空间的角度分析，其中大多数的键角变化不太明显，但是空间的C3—C4—C10的差别却十分明显，偏离普通乙烯分子121.3°，H11—C10—C12的键角偏差也较为明显，偏离普通乙烯分子117.4°.trans-Res 与cis-Res 的主要区别在于二面角的空间构型，从数据中可以看出存在较大差异的二面角均出现在乙烯双键附近，trans-Res的二面角在空间均接近0°或者是180°，分子呈现出最大的展开趋势，使分子的能量可以进一步降低，从而保证分子的稳定性. 但是cis-Res在空间中，二面角呈现出较大夹角，两个苯环的距离更为接近，从而使分子的稳定程度降低.

表1 trans-Res和cis-Res优化后的几何参数Tab.1 Optimized geometrical parameters of trans-Res and cis-Res

2 基于DFT计算方法计算两种物质的红外光谱和拉曼光谱图

从图3中可以直观看出，trans-Res和cis-Res有着很大的不同. 从红外光谱图中可以看出，trans-Res与cis-Res 有一部分相同的波数，其中3838 cm-1为O—H 的伸缩振动峰，3170 cm-1为苯环上的C—H 伸缩振动峰，3147 cm-1为环外双键上的C—H伸缩振动，1624、1543和1516 cm-1为苯环上的C==C骨架振动，1363 cm-1和1283 cm-1为C—H的弯曲振动（包括苯环上和环外双键上），1128 cm-1为C—O的伸缩振动（部分峰）.

图3 trans-Res与cis-Res理论红外光谱以及拉曼光谱的比较Fig.3 Comparison between theoretical infrared spectra and Raman spectra of trans-Res and cis-Res

在红外光谱上两种物质存在着诸多区别，trans-Res 和cis-Res 的环外双键的伸缩振动峰有所不同，trans-Res 为1642 cm-1，而cis-Res 为1660 cm-1. 由于cis-Res 的分子苯环上C==C骨架振动更为剧烈，因此cis-Res在1460 cm-1和1444 cm-1处有一组小双峰，但是trans-Res却并没有这一组峰的出现，这为判断分子是否由trans-Res 转变为cis-Res 提供了一定的依据. cis-Res 在C—H 的弯曲振动剧烈，导致分子在1345 cm-1和1309 cm-1处有峰，但是trans-Res 并没有，而是仅仅在1318 cm-1处有峰，这也是区分两种物质的重要依据之一. cis-Res 在1000 cm-1附近会出现裂分峰，分别位于1021 cm-1处和988 cm-1处，但是trans-Res 仅仅在993 cm-1处有峰，这是由于C—O 伸缩振动造成的，波数较低是由于两个苯环的共轭体系经过环外双键相连造成的，这也是茋类化合物一个明显的特征，这同样也是区分两种化合物的依据之一. 900～650 cm-1为苯环上C—H的面外弯曲振动峰，由于两种物质的酚羟基的取代方式相同，故没有明显的差异. 从整体来看cis-Res比trans-Res的峰要多，这主要是由于cis-Res会出现峰的裂分，但是其波数基本上是一致的.

trans-Res 与cis-Res 在拉曼光谱图上与红外光谱图相比，各个峰的出现更为简单直观. trans-Res 转变为cis-Res，其峰的个数有所减少，其中相同峰主要出现在3000 cm-1处以上，3838 cm-1为O—H的伸缩振动、3199 cm-1与3172 cm-1为苯环上的C—H的伸缩振动峰，3145 cm-1为环外双键的伸缩振动峰. 主要区别在于cis-Res 在1651 cm-1处的峰相比较trans-Res 在1642 cm-1处的峰，峰的强度有所减小，峰形也有所不同，trans-Res中1516 cm-1处的峰为苯环上碳氢的弯曲振动峰（部分），也包括苯环上C==C骨架的弯曲振动峰（部分）、1363 cm-1为环外双键上的碳氢弯曲振动峰、1246 cm-1为羟基氢的弯曲振动峰、1165 cm-1为靠近环外双键的苯环上氢原子的弯曲振动峰，而这些峰无法在化合物cis-Res中观测到.

3 分子吸收光谱

图4是对两种物质分别在不同溶剂中进行的紫外吸收光谱模拟分析图，除固体之外，其他溶剂中大多有两个吸收峰，其红移和蓝移并没有太大的趋势变化，最大吸收波长为300～325 nm，这是由于在溶剂中，物质与溶剂之间存在能量交换，从而使物质均可达到相同或者相似的稳定状态. 并且在不同溶剂中均有一个相对较小的吸收峰.

图4 trans-Res与cis-Res在各种溶剂中的理论紫外吸收光谱图Fig.4 Theoretical UV absorption graphs of trans-Res and cis-Res in various solvents

4 分子前线轨道

在优化后的结构基础上，对其进行DFT计算，在TD-SCF模式下，采用B3LYP方法，6-311++G（d，p）基组对分子的前线轨道进行分析模拟，得到其HOMO与LUMO图（图5）. 其中trans-Res的HOMO与LUMO在图中分布相对均匀，而cis-Res 的HOMO 与LUMO 的分布则相对集中，从空间上看，cis-Res 分子的LUMO 轨道出现了一条新的折叠轨道，这个轨道是由两个苯环上的两个轨道重合得来的，使得cis-Res在空间中出现了一个大的相对稳定而闭合的轨道，使得cis-Res可以稳定的存在，这应该是cis-Res能够在自然界中稳定存在的原因之一，同时也为研究物质的顺反异构提供了新的思路.

图5 trans-Res与cis-Res在空气中的分子前线轨道Fig.5 The molecular frontier orbits of trans-Res and cis-Res in the air

5 结果与讨论

使用Gaussian 09对trans-Res与cis-Res进行了空间的结构架构，在空间中找到结构势能面的最低点（即能量最低处）作为分子的稳定结构，得到两组分子的键长、键角以及空间二面角的数据，从数据中可以看出，C3—C10、C10—H11、C12—H13、C12—C14、C10—C12的化学键呈现出cis-Res 键长较长的特点，而对于两个苯环键长来说影响不大. 从化合物的空间结构来看，两种化合物在空间的二面角差异较大，trans-Res 在空间中基本上是一个平面结构，但是cis-Res在空间上却是一个扭曲的结构，致使其空间中的二面角发生了20°～40°的夹角变化，扭曲结构也使得顺式分子的能量增大. 两种物质的红外光谱图相较而言，不同点在于波数1660 cm-1处的峰、1462 cm-1和1444 cm-1处的双峰以及1021 cm-1和988 cm-1处的裂分峰，这几处峰是区分trans-Res和cis-Res的重要依据. 而在拉曼图谱中，两种化合物除了在1642 cm-1与1651 cm-1处存在明显的差别外，对比临近的1687 cm-1和1677 cm-1处的峰在峰形和强度上也存在着很大的不同. 另外，trans-Res在1516、1363、1165 cm-1等处的峰在cis-Res中均很难观测到，这也是两种物质重要的区分依据，这为利用红外和拉曼光谱分析检测两种物质提供了理论依据. 从化合物的紫外吸收光谱图的角度分析，由于物质与溶剂之间存在能量交换，因此分子的紫外吸收峰并没有明显的变化. 分子的前线轨道显示，trans-Res 的HOMO 与LUMO 分布较为均匀，而cis-Res的分布则相对集中，并且在cis-Res的LUMO上存在着两个苯环轨道的重合，从而使得分子在空间中形成了一个相对稳定而闭合的轨道，这可能是cis-Res 可以在自然界中稳定存在的原因之一，也为更好地研究物质的顺反异构提供了新的思路.