硒化二氢杨梅素的密度泛函理论计算

辛国鹏，刘信平，毛 敏，马文涛，马 杰，张 煜

（湖北民族大学化学与环境工程学院，湖北恩施 445000）

二氢杨梅素是藤茶中的主要活性物质，在抗氧化，抗肿瘤以及抗炎，护肝等方面具有非常大的应用价值。但是，由于二氢杨梅素在水中的溶解度较小，稳定性较低，因此导致了二氢杨梅素的实际利用效率较低[1-3]。为了解决这个问题，目前的做法是对二氢杨梅素的结构进行修饰，例如将其制成金属螯合物后，其抗氧化性和抗菌效果得到了显著的提高[4]。硒是维持动物体内的必须微量元素之一。国内外大量临床实验明，人体缺硒可引起某些重要器官的功能失调，导致许多严重疾病发生。全世界40 多个国家处于缺硒地区，中国22 个省份的几亿人口都处于缺硒或低硒地带，这些地区的人口肿瘤、肝病、心血管疾病等发病率很高[5]。研究表明，有机硒化物能有效避免无机硒易引起中毒的缺点，备受医药、食品保健等领域研究人员的关注[6]。鉴于此，本课题组以天然藤茶中提取纯化的二氢杨梅素为前体，Na2SeO3为硒化剂制备硒化二氢杨梅素，并对其理化性质进行了初步研究。实验表明，硒化二氢杨梅素具有良好的热稳定性，水溶液稳定性，抗氧化活性[7]。但是，对于硒化二氢杨梅素的结构性质现在尚未清楚。

随着量子化学的快速发展，通过精确的计算，可以给出分子结构性质等重要信息，以此来指导实验的进一步设计。通过对二氢杨梅素分子表面的静电势研究发现，二氢杨梅素的5 个酚羟基氢具有较强的亲核反应活性，但是尽管二氢杨梅素的5 个酚羟基位点均具有高活性，但是其醇羟基也具有较高的静电势，因此，在实际反应中也不可被忽视，为了比较其差异性，通过对比二氢杨梅素（图1）与存在一个SeO32-取代羟基后的一硒代二氢杨梅素（共6 个），存在两个SeO32-取代羟基的二硒代二氢杨梅素（共15个），共计22 个结构进行量子化学计算，获得其结构性质，为日后进一步研究硒化二氢杨梅素在医药方面的应用提供一定的理论参考。

图1 二氢杨梅的化学结构

1 理论计算

运用杂化B3LYP 密度泛函理论（DFT）结合6-31g* 基组的方法[8-9]，对二氢杨梅素及21 种硒化二氢杨梅素的几何构型进行优化和能量计算。为确证所得几何结构为势能面上的极小点并得到零点能，对所有优化的结构均进行了频率计算，采用的频率校正系数为0.977[10]。然后，采用自然键轨道（NBO）方法[11-14]对自然布居电荷进行分析。所有的理论计算均采用Gaussian 09 量子化学程序[15]完成，Gauss-View5.0 用于结构显示。

2 结果与讨论

2.1 几何构型及其稳定性

在B3LYP/6-31g*计算水平下，对22 种结构进行了全自由度优化，优化后得到了几何构型，部分键长参数如图2所示。

图2 二氢杨梅素及其一代，二代硒化物的最优几何构型和部分键长参数

可以看出，二氢杨梅素与其21 种硒代物的两个苯环和五元杂环均处在同一平面上。二氢杨梅素中，6 个羟基与其相邻C 原子的键长均在1.35 Å 左右，羧基与其相邻的C 原子的键长为1.2489 Å。在硒代物中，随着SeO32-的加入，其几何构型也在发生着相应的变化：C-Se 键的键长均维持在1.95 Å 左右，发生硒代位置的C与其相邻的C键长普遍减小，未发生取代的羟基与其相邻C原子的键长基本上没有变化，羧基与其相邻的C原子的键长伸长。计算结果表明，在引入SeO32-取代基后，使二氢杨梅素的几何构型发生了变化，可能对其化学性质产生重要的影响。

表1 列出了列出了二氢杨梅素及其21 种硒化物的能量值和偶极矩。从表一可以看出，当二氢杨梅素上的羟基被SeO32-取代后，能量降低，结构变得稳定。在这22 种结构中二氢杨梅素的能量最高，最不稳定。这是因为当二氢杨梅素上的酚羟基被SeO32-取代后，可以与其相邻的苯环形成σ－π 超共轭体系；二氢杨梅素上的醇羟基被SeO32-取代后，可以与其相邻的C 原子形成比C-H 更强的C-Seσ 键，此外SeO32-中的O 上的孤电子对可以与苯环形成p－π 共轭体系；而且二氢杨梅素与一硒代物中能量最低的取代15C 的能量差为2 548.419a.u.，与二硒代物中能量最低的取代10、19C 的能量差为5 098.208 a.u.，可以看出共轭效应对于结构影响很大。

表1 二氢杨梅素及其一代，二代硒化物的能量及偶极矩

在这22 个结构中，随着SeO32-的加入，其电极电量和正负电荷中心间的距离均发生了较为明显的变化，从极性最低的二氢杨梅素，偶极矩值为2.889 2，到极性最强的是取代19C，其偶极矩值为45.070 7bebye，就可以看出。同时根据相似相溶原理，该结构更容易溶于水溶液中。

2.2 电荷布局

药理学表明，当受体受到一种药物分子作用时，必然通过两者之间电子的相互作用来进行。那么二氢杨梅素及其硒化物的化学活性应该与其净电荷分布有关[16]。图3 显示了用自然键轨道（NBO）方法得到的电荷分布情况。由于在SeO32-中，Se 原子的电负性与C 原子的电负性基本相同，但是O 原子的电负性比Se 原子和C 原子都要大，因此在硒化二氢杨梅素中Se 原子均带的是正电荷，此时Se 原子的电负性小于其相连的C 原子的电荷，故与其连的C 原子的电荷值均由正值变为了负值；其他的C 原子的电荷值基本保持不变；对于氢原子而言，自身的电子都是被吸引偏离原子核而使电子云密度降低从而视偏移量都带一定量的净正电荷，一些带了大量正电荷的H 可能容易与其他物质形成氢键，可能是其发挥生物活性原因。在由电荷控制反应中，原子的负电荷越多，其受亲电试剂进攻的可能性越大;反之，原子正电荷越多，则受亲核试剂进攻的可能性也越大。因此我们推测，二氢杨梅素及其硒化物中其羟基与SeO32-它们的主要亲电反应位置。

图3 二氢杨梅素及其一代，二代硒化物的电荷布居

2.3 前线分子轨道和HOMO-LUMO能隙

图4显示了最高占据轨道（HOMO）和最低空轨道（LUMO）的能量。HOMO 与LUMO 之间的能量差值称之为能隙，一个分子的能隙值越小，意味着内部的电子越容易发生跃迁，从而反应的概率也就越大。由图4可以看出一硒代物中能隙值最小结构的是取代17C，能隙值为，8.697 26 kcal/mol；二硒代物中能隙值最小的结构是取代1、10C，能隙值为36.767 5 kcal/mol；均比二氢杨梅素的能隙值156.042 45 kcal/mol 小。这就说明由于SeO32-的共轭和吸电子作用，当SeO32-的加入后，硒化二氢杨梅素内部的电子越容易发生跃迁，从而反应的概率也就越大。

图4 二氢杨梅素及其一代，二代硒化物的的最高占据轨道和最低空轨道

2.4 红外光谱

红外光谱是由分子中各种官能团发生伸缩振动、变形振动等行为产生的，常被用于对分子结构的定性分析[17-18]。由2.1 可知一硒代物中取代15C 能量最低，最稳定，二硒代物中取代10、19C 能量最低，最稳定。故，在此部分我们选用二氢杨梅素，取代15C，取代10、19C 三个结构来研究其红外光谱。由图5 可知，二氢杨梅素在450～4 000 cm-1波长范围内出现了多个不同的吸收峰，其中，在3 412、1 355 cm-1处的吸收峰与酚羟基的伸缩振动对应;在1 649 cm-1处的峰为C=O 伸缩振动峰，对应二氢杨梅素中的碳氧双键;在1 453 cm-1的尖峰对应碳碳双键；1 268、1 104 cm-1的峰是典型的C-O-C 键；取代15C 在450～4 000 cm-1波长范围内出现了多个不同的吸收峰，其中，3 554、1 357 cm-1处的吸收峰与酚羟基的伸缩振动对应;在1 683 cm-1处的峰为C=O 伸缩振动峰，对应二氢杨梅素中的碳氧双键;在1 469 cm-1的尖峰对应碳碳双键;在1 273、1 097 cm-1的峰是非常典型的C-O-C 键，同时，出现在735、862 cm-1出现了C-Se 键的吸收峰；取代10、19C 在450～4 000 cm-1波长范围内出现了多个不同的吸收峰，其中，3 607、1 341 cm-1处的吸收峰与酚羟基的伸缩振动对应;在1664 cm-1处的峰为C=O伸缩振动峰，对应的是二氢杨梅素中的碳氧双键;在1 436 cm-1的尖峰对应碳碳双键;出现在1 268、1 132 cm-1处的峰是典型的C-O-C键，与此同时，在758、839 cm-1出现了C-Se键的吸收峰；通过实验证明，硒化二氢杨梅的中有硒的特征吸收峰800、630 cm-1。通过对比三个结构的红外光谱图，可以发现其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。

图5 二氢杨梅素，取代15C，取代10、19C的红外光谱图

3 结论

运用密度泛函量子化学方法对二氢杨梅素及其21 种硒化物物进行了理论计算研究，获得了电子结构等相关性质，并且对红外光谱进行了分析。结果表明：硒化二氢杨梅素相对于二氢杨梅素而言，由于取代基团SeO32-的引入，其几何构型发生了一定的改变;取代基团SeO32-对偶极矩、能量有较为明显的影响；电荷布局发生了改变；内部的电子越容易发生跃迁，从而反应的概率也就越大；通过分析计算所得的二氢杨梅素及其部分硒化物分子红外光谱数据可以发现其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。综上，本工作的研究结果可在理论层面为深入研究硒化二氢杨梅素分子的结构与性质的关系及其生理活性提供指导，并为拓宽硒化二氢杨梅素分子在生物、食品和药品行业的开发应用提供一定的参考。