天然产物中密度泛函算法的运用及其振动光谱的研究

发布时间：2020-10-28 01:15

　　 手性药物分子绝对构型和构象分布与药物的药性有着紧密的联系,手性药物分子的绝对构型与构象分布是对手性分子进行空间立体化学描述,手性药物分子的空间立体结构的不同使得其药性和药理作用有着很大的区别,轻则影响药物的服用方式,重则影响药物药效。手性药物分子绝对构型和构象的判断方法有化学合成法、X射线单晶衍射法、Mosher法和手性光谱法,然而手性光谱是最为简单、经济和有效的方法。本论文采用红外光谱仪(FTIR)、振动圆二色谱仪(VCD)和手性拉曼光谱(ROA)对天然手性药物分子进行实验光谱测试,同时结合密度泛函算法(DFT)对天然手性药物分子的IR-VCD光谱和ROA光谱进行预测。通过实验光谱与理论计算光谱的对比、分析,从而得到手性分子的绝对构型和构象分布。本论文通过实验光谱和理论光谱相结合确定了天麻素、齐墩果酸、氧化槐果碱以及芦丁的绝对构型和构象分布。具体研究内容如下:(1)天麻素分子具有β-D-吡喃葡萄糖环和苯甲醇基团,针对各个羟基、-CH_2OH以及-C_1-O-C_(1’)-灵活基团,在密度泛函算法的基础上采用B3LYP/6-311++g(d,p)和B3LYP/cc-pVTZ水平上对天麻素进行构象搜索、结构优化和IR-VCD理论光谱计算并在B3LYP/aug(sp)-cc-pVDZ水平上对Raman-ROA理论光谱计算;分别采用气相模型、连续极化模型(PCM或隐式模型implicit)和显式溶剂(explicit+PCM)考察溶剂对天麻素构象分布及光谱的影响;最后通过检测固体以及二甲亚砜和水溶液中天麻素IR-VCD和Raman-ROA实验光谱进行对照从而确定天麻素的绝对构型和构象分布。对比结果表明:天麻素分子中吡喃糖环环面构型为~4C_1椅式构型,四个手心中心分别为1S 2R 3S 4S 5R,环外OH官能团均为平伏键的结构形式。天麻素在室温下有14种稳定构象,其中主要的4种构象的玻尔兹曼分布分别为:24.7%、9.7%、30.1%和9.2%。在各个构象分子中,苯环环面与吡喃糖环环面的角度固定。在理论计算光谱中,分子内氢键和分子间氢键使振动吸收峰产生红移现象。(2)齐墩果酸分子为5环三萜烯化合物,具有4个环己烷和1个环己烯单元。本文在B3LYP/6-311++g(d,p)水平上,针对齐墩果酸中环与环之间的连接方式以及分子中羟基和羧基的朝向进行构象搜索,然后对优势构象进行结构优化和IR-VCD理论光谱的计算并在B3LYP/aug(sp)-cc-pVDZ水平上对Raman-ROA理论光谱进行计算。同时,检测齐墩果酸固体的IR-VCD实验光谱,并在水溶液状态下检测Raman-ROA实验光谱,通过理论与实验光谱的对照确定齐墩果酸的绝对构型和构象分布。结果表明:齐墩果酸具有8个手性分子中心,分别为2S 7S 12R 13R 16S 18R 21R 22S。齐墩果酸在常温下有6个构象,这6种构象的4个环已烷单元(A/B/D/E环)均以椅式构型存在,C环为半椅式构型,同时,A/B/C/D环之间以trans方式相互连接,D/E环之间以cis方式相连接。齐墩果酸分子的各个构象之间以羟基和羧基的朝向相互区分,各个构象之间的玻尔兹曼分布分别为14.4%、18.6%、22.8%、11.6%、14.7%和17.8%。(3)氧化槐果碱分子为两个喹若里西啶环的稠合体,拥有A/B/C/D四个六元环。本文在B3LYP/6-311++g(d,p)和B3LYP/cc-pVTZ水平上对A/B、C/D、A/C和B/C的连接方式进行构象搜索,然后对得到的优势构象进行结构优化和IR-VCD理论光谱的计算以及在B3LYP/aug(sp)-cc-pVDZ水平上对Raman-ROA理论光谱计算;最后分别检测固体以及水中氧化槐果碱的IR-VCD和Raman-ROA实验光谱并将理论与实验光谱进行对照从而确定氧化槐果碱的绝对构型和构象分布。研究结果表明:氧化槐果碱在常温下有两种构象异构体:A/B-trans C/D-trans和A/B-trans C/D-cis,其构象的玻尔兹曼分布分别约为60%和40%。氧化槐果碱各环的构型分别为:A-椅式、B-椅式、C-椅式、D-沙发式,且两种构象中A/C环与B/C环的连接方式均为B/C-cis、A/C-cis,分子上有六个手性中心分别为:四个碳原子手性中心5S 6S 7R 11R和两个氮原子手性中心:A/B环上N-1的手性为R,C/D环构象C/D-trans(C/D-cis)中N-16的手性为R(S)。(4)芦丁分子为黄酮醇槲皮素和二糖芸香糖的天然结合物,两个糖环具有极强的灵活性。针对芦丁分子中各个灵活键,本文在B3LYP/6-311++g(d,p)水平上对芦丁分子进行构象搜索、结构优化和IR-VCD理论光谱计算,同时,检测固体芦丁的IR-VCD实验光谱,并将理论和实验IR-VCD谱图进行对比。研究结果表明:芦丁分子的A/B/C环为平面构型,D糖环为~4C_1椅式构型,E糖环为_4C~1椅式构型。C环平面与A/B环平面总是成35°角,使得C环中C-H键与B环上的C=O键形成氢键,得到稳定构象。芦丁分子中由于存在大量质子供体、C=O键以及O-H键存在,使得分子内氢键作用力大量存在于芦丁分子中。常温下,芦丁分子由24种优势构象,其中有9种为主要优势构象和其余优势构象的玻尔兹曼分布分别为7.1%、7.1%、7.2%、7.8%、7.8%、7.1%、7.1%、13.2%、7.1%和28.5%。
【学位单位】：武汉工程大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ460.1;O657.3
【部分图文】：

形成 VCD 光谱，振动圆二色谱仪的构造图如图 1.1 所示。如今，由于对手性分子的立体结构的精准确定且检测方法简单易行，振动圆二色谱已非常成功地运用于手性分子绝对构型的确立[18-20]。

图 1.2 Raman-ROA光学仪器组件图解Figure 1.2 The block diagram of components for Raman-ROA图 1.2 为手性拉曼光谱仪器构造图，如图所示，以单色激光作于产生Raman效应（本论文所采用的光源为波长532nm的绿光镜反射 90°进入入射光线轨道，并经由偏振镜、旋光转换器、样品分子，然后，携带样品分子信息的散射光由样品分子发出转换器、光束分离器，最后散射光进入光谱仪，分子信息被记2.2 手性拉曼光谱的应用及优势手性拉曼光谱被广泛运用于分析分子构象分布及确定手性分子构。Raman 光谱法以会引起分子极化率变化的非极性基团和对

作用的药性使得天麻素成为新药开发的重点研究对象分子的结构息息相关，天麻素的立体结构分析为其药及新药的合成研发提供重要的理论依据，然而，至今研究均为提取和药理学研究，仍没有关于天麻素空间所以对于天麻素立体结构的研究很有必要。天麻素的萄糖 以及 苯基- β-D-吡喃葡萄糖苷两个分子的化学结示。天麻素为苯甲醇与 β-D-吡喃葡萄糖的天然结合物-吡喃葡萄糖的研究中，Berman和Jeffrey[64]等人发现由子的影响使得相邻的 OH 官能团的 O 原子总是远离于的 O 原子，并将此现象命名为“异头物效应”。C出吡喃糖环上为椅式构型并且外围的羟基均为平伏键，Barrow 等人[67]指出吡喃糖环的构型为4C1椅式构型相关研究报道关于天麻素的空间结构。
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本文编号：2859345