密度泛函理論計算姜黃素結合Pb(Ⅱ)

何永輝，田 宇，李志江，彭嘉鮮，郭俊明

(云南民族大學 民族藥資源化學國家民委-教育部重點實驗室，云南 昆明 650500)

密度泛函理論計算姜黃素結合Pb(Ⅱ)

何永輝，田 宇，李志江，彭嘉鮮，郭俊明

(云南民族大學 民族藥資源化學國家民委-教育部重點實驗室，云南 昆明 650500)

采用純密度泛函BP86和雜化泛函B3LYP計算了姜黃素結合Pb(Ⅱ)的結構，并分析其成鍵性質.計算結果顯示，2個姜黃素分子結合1個Pb(Ⅱ)成Pb-L2結構具有更低的能量，首次發(fā)現(xiàn)Pb(Ⅱ)結合4個O原子形成Pb-O4的半球形(hemisphere)配位結構，其中2個Pb-O鍵長較短(0.220 nm)，另外2個Pb-O鍵長則較長(0.236 nm).進一步分析Pb-O鍵的性質，指出6S2孤對電子未參與成鍵，因而具有立體化學活性.這為進一步研究姜黃素的藥理作用提供了理論基礎.

密度泛函理論；姜黃素；鉛

傣藥雙姜胃痛丸由姜黃、紫色姜、地不容、石菖蒲、苦菜子、蜂蜜( 煉) 等藥材組成，具有理氣止痛、和胃降逆的功效，主要用于中焦氣滯所致的胃滿脹痛、噯氣吞酸、慢性淺表性胃炎等[1].姜黃素是雙姜胃痛丸中的主要成份，具有殺菌、抗炎、抗腫瘤，以及治療老年癡呆癥等生理活性[2].姜黃素作為一種金屬離子絡合劑，阻止β淀粉樣蛋白(beta-Amyloid,Aβ)的聚積作用已經(jīng)為人們所接受[3].

鉛污染是影響未成人年生長發(fā)育的一個嚴重環(huán)境問題，解鉛毒性的相關研究一直是科學研究的熱點.姜黃素作為一種強的金屬離子絡合劑，其與Pb(Ⅱ)結合的研究較少見諸報導.姜黃素分子結構有酮式和烯醇式2種，在水溶液中以烯醇式結構存在時，具有更低的能量.同時，由于烯酮式結構存一個二齒配體，易與金屬離子結合[4].但目前尚不清楚姜黃素與Pb(Ⅱ)結合的配位結構、成鍵性質等相關參數(shù).

采用密度泛函理論計算姜黃素結合Pb(Ⅱ)的自由能變化，從理論上確定其配位結構為Pb-(curcumin)2型，即1個Pb(Ⅱ)結合4個O形成Pb-O4的半球形(hemisphere)配位結構，并進一步分析了Pb-O鍵的性質.

1 計算部分

完成所有計算的硬件為Intel 16核46 GB內(nèi)存，量子化學計算軟件為Gamess[5],分子構建軟件為MacMolPlt(版本為7.4.4).姜黃素與Pb(Ⅱ)結合的主要可能結構有：Pb(Ⅱ)與1個姜黃素分子中2個O和1個羥基O結合1個形成三配位結構Pb-O3，或是Pb(Ⅱ)與2個姜黃素分子中的O結合形成四配位結構Pb-O4.這2種結構的初始結構模型如圖1(a,b)所示，其分子點群為C1.利用基于純密度泛函理論的BP86和雜化泛函B3LYP對體系進行計算.基組的選擇為：O、C、H采用aug-cc-pVTZ基組，Pb則采用包含贗勢的aug-cc-pVTZ-PP基組[6].在沒有對稱性限制條件下，完成結構優(yōu)化，然后采用相同的理論計算水平計算頻率，確定所得結構均為勢能面上的穩(wěn)定點.考慮分子位于水溶液環(huán)境中，采用導體極化連續(xù)模型(CPCM)考慮溶劑效應[7].

2 結果與討論

2.1 分子結構

由于姜黃素在溶液中主要以烯醇式結構存在，易與Pb(Ⅱ)形成Pb-O鍵的配位結構.同時，姜黃素分子對配位結構有較大的空間位阻，不易與Pb(Ⅱ)形成高配位數(shù)的配位結構.據(jù)此，計算其中最有可能形成的兩種配位結構: Pb-L和Pb-L2(L表示配體姜黃素).初始結構采用所有配體共平面的結構，在沒有對稱性限制的條件下，采用2種泛函BP86和B3LYP計算2種配位結構的優(yōu)化結構，初始結構及優(yōu)化結構如圖1所示.從圖中可見，2種優(yōu)化結構Pb-L和Pb-L2的配體都位于Pb(Ⅱ)配位平面之下， Pb(Ⅱ)的孤對電子占據(jù)軸向的位置，表明其孤對電子有明顯的立體化學活性.這個計算結果與文獻的相關報道一致，即Pb(Ⅱ)在低配位數(shù)結構中，其孤對電子具有立體化學活性[8].

化合物的穩(wěn)定性可以通過計算對應的結合能進行判斷.在考慮溶劑效應、零點能和熱力學校正的情況下，分別計算反應物和產(chǎn)物的自由能和熵值，即可得到化合物的結合能.通過計算獲得了姜黃素分子、Pb(Ⅱ)、羥基和形成的2種產(chǎn)物(Pb-L和Pb-L2)在水溶液環(huán)境中的吉布斯自由能值和熵值，并計算了生成Pb-L和Pb-L2反應的自布斯自由能變化值，結果列于表1.從表中可知，2種泛函都預測模型化合物Pb-L2具有更低的結合能，表明該化合物在熱力學上更優(yōu)先.

注:a基于密度泛函計算得到的能量值(包含溶劑效應和零點能的校正).

在Pb-L2結構中，Pb(Ⅱ)與2分子姜黃素的4個氧原子形成Pb-O4的四配位結構，其中2個鍵位于短對角線，Pb-O鍵長較短(0.220 nm)，另外2個鍵則位于另一條較長的對角線，Pb-O鍵長為0.236 nm.該較長的鍵(0.236 nm)為羰基氧與Pb(Ⅱ)成鍵，說明該Pb-O鍵的成鍵能力較弱.文獻報道，在形成包含Pb-O鍵的四配位結構中，其中Pb-O鍵會變長，甚至達到0.240 nm[9].這是由于鉛的孤對電子對配體的排斥作用所導致.此外，姜黃素與Pb形成Pb-L2結構，2個姜黃素配體平面夾角約90°，更加有利于與Aβ中的疏水結構形成π-π堆積，阻止Aβ單體的聚積.相關的文獻報道也證實，姜黃素分子結合金屬離子后，具有更強的抗Aβ聚積作用[10].從前線分子軌道圖中也可以看出(圖2)，2分子姜黃素與Pb(Ⅱ)結合形成Pb-L2后，其最高占據(jù)軌道(highest occupied molecular orbital,HOMO)由姜黃素分子的大π鍵組成，最低空軌道(lowest unoccupied molecular orbital,LUMO)為姜黃素分子的大反π鍵(π*鍵)組成.因此，Pb-L2能與Aβ單體形成π-π堆積.

2.2 成鍵分析

為了進一步理解化合物Pb-L2的結構性質，我們采用雜化泛函B3LYP計算了其中Pb-O鍵的性質.首次分析了化合物Pb-L2的電子分布，計算結果如表2所示.結果表明，醇氧所帶電荷隨配體O數(shù)目的增大而增大，這是因為來自于Pb(Ⅱ)的平衡正電荷一定.同時，發(fā)現(xiàn)Pb(Ⅱ)的有效電荷與配體個數(shù)相關，隨配體個數(shù)的增大而減小.

表2 Pb-L2與Pb(Ⅱ)結合的配體O的電子布局

注:O(1)為醇氧，O(2)為羰基上的氧.

表3列出了化合物Pb-Ln(n=1～2)的分子軌道性質.Pb的原子軌道在Pb-O鍵中的比重隨著配體數(shù)的增加而增加，從22.80%增大至29.32%.相應的Pb-O鍵鍵長也隨著配體數(shù)的增加而增長.在Pb(Ⅱ)的成鍵軌道中，Pb-O鍵主要由Pb的6P軌道組成，而Pb(Ⅱ)的6S軌道幾乎沒有參與成鍵，即6S軌道明顯為惰性軌道.因此，Pb(Ⅱ)的6S2電子具有立體化學活性.

表3 化合物Pb-L2的成鍵分析

注:O(1)為醇氧，O(2)為羰基上的氧.

3 結語

采用密度泛函BP86和B3LYP計算了姜黃素結合Pb(Ⅱ)的結構及成鍵性質.結果表明， Pb(Ⅱ)結合2分子姜黃素形成Pb-L2結構具有更低的能量，首次發(fā)現(xiàn)Pb(Ⅱ)結合4個O原子形成Pb-O4的半球形(hemisphere)配位結構，其中2個Pb-O鍵長較短(0.220 nm)，另外2個Pb-O鍵長則較長(0.236 nm).并分析了Pb-L2結構中Pb-O鍵的性質，為進一步研究姜黃素的藥理作用提供了理論基礎.

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(責任編輯 梁志茂)

Density functional calculation of curcumin binding to Pb(Ⅱ)

HE Yong-hui,TIAN Yu,LI Zhi-jiang,PENG Jia-xian,GUO Jun-ming

(Key Laboratory of Chemistry in Ethnic Medicinal Resources,State Ethnic Affairs Commission and Ministry of Education of China,Yunnan Minzu University,Kunming 650031,China)

Two possible structures of curcumin binding to Pb(Ⅱ) have been calculated by the density functional(pure functional BP86 and hybrid functional B3LYP),and the Pb-O bond characterization has also been detected. It is demonstrated that the coordination structure Pb-L2(L refers to curcumin) is preferable thermodynamically,and the structure mode Pb-O4with the hemisphere coordination has been found for the first time. In the Pb-O4structure,there are two short Pb-O bonds(0. 220 nm),and two Pb-O bonds with a longer distance(0.236 nm). The further analysis of the characterization of Pb-O shows that the 6S2lone pairs are active stereochemically. This work will be helpful for further study on the pharmacological effects of curcumin.

density functional theory; curcumin; lead

2014-11-25.

國家自然科學基金(51262031)；云南省應用基礎研究項目(2013Y022)；云南民族大學化學與生物技術學院SRT項目(2013HXSRT01)；民族藥資源化學重點實驗室開放課題(MZY1402)；云南民族大學青年基金(2013QN21).

何永輝(1981-),男，博士研究生.主要研究方向:生物無機化學.

郭俊明(1962-)，男，教授，碩士生導師.主要研究方向：鋰離子電池正極材料制備與性能研究.

O614.43

A

1672-8513(2015)02-0147-04