葛根素與水二聚體相互作用的密度泛函理論研究

黃茂勝 黃嗣航 陳求芳

【摘 要】 采用DET-B3LYP/6-31+G方法優(yōu)化了葛根素與水的二聚體幾何結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)，計(jì)算二聚體的幾何構(gòu)型，電荷分布及轉(zhuǎn)移，結(jié)合能和熱力學(xué)性質(zhì)。探討葛根素與水分子之間相互作用的結(jié)構(gòu)及能量變化，旨在密度泛函理論上尋找其最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。結(jié)果顯示，與單體相比，各二聚體在接觸點(diǎn)上的氧原子，氫原子及附近的氧原子變化明顯，兩子體系間的電荷轉(zhuǎn)移較多。二聚體（Ⅰ～Ⅵ）中的接觸點(diǎn)（O-H…O）距離最小為0.1580nm，最大的結(jié)合能和焓變值分別為79.82kJ·mol-1和-20.92kJ·mol-1均屬于構(gòu)型Ⅲ。即葛根素與水相互作用形成二聚體（Ⅰ～Ⅵ）中，二聚體Ⅲ為最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

【關(guān)鍵詞】 葛根素;水;二聚體;密度泛函理論;相互作用

【中圖分類號(hào)】R285.5 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】 A【文章編號(hào)】1007-8517（2019）4-0041-04

Abstract：The optimized geometries and electronic structures of puerarin， water and their possible stable dimers were obtained at the DFT-B3LYP/6-31+G level. Structures， thermodynamics， energy and charge were also measured. To investigate the change to the structure and energy between puerarin and water molecules as well as its optimal structure by density functional theory. Compared with the monomer， charge redistribution mainly occurred on the adjacent O-H…O atoms of puerarin dimers between submolecules while the change of the charge between two submolecules was large for all two Puerarin-water Dimers. In addition， the minimum distances of the connection point（O-H…O） in Dimers（Ⅰ～Ⅵ） that belong to the dimer Ⅲ reached 0.1580nm. The maximum corrected binding energy and enthalpy of Puerarin-water Dimers that also belong to the dimer Ⅲreached 79.82kJ·mol-1， -20.92kJ·mol-1. The DimerⅢ is the most stable in the constitution of Puerarin-water Dimers（Ⅰ～Ⅵ）.

Keywords：Puerarin;Water;Dimer;Density functional theory;Interaction

葛根素（Puerarin）來(lái)源于豆科植物野葛（Puerarin Lobata（Willd.）Ohwi）或甘葛藤（Puerarin thomsonii Benth.）的干燥根中提取出的一種異黃酮苷[1]，分子式為C21H20O9，相對(duì)分子質(zhì)量為416.38，呈白色針狀結(jié)晶。其毒性小、安全范圍廣、療效好，臨床上主要用于心腦血管疾病的治療[2]。但其水溶性較差限制了葛根素在臨床上的廣泛使用[3]。葛根素具有異黃酮類物質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，β環(huán)受吡喃環(huán)羰基的立體阻礙影響，在空間上只能形成大的共扼體系而成為非平面結(jié)構(gòu)，且晶格排列緊密，剛性較強(qiáng)[4]。葛根素在8位上連一吡喃葡萄糖，在7，4位上各有一羥基，為葛根素的活性基團(tuán)。其苷元水溶性很差，因此認(rèn)為葡萄糖基是葛根素有一定水溶性的重要因素。而結(jié)構(gòu)中的羥基（-OH）均有可能和水分子形成分子間氫鍵，所以本研究設(shè)計(jì)了6種C21H20O9-H2O超分子體系的結(jié)構(gòu)，通過比較分子之間的相互作用強(qiáng)弱，來(lái)揭示相互作用的本質(zhì)，對(duì)了解葛根素與水的作用方式有重要意義[5]。

1 計(jì)算方法

分子模擬的主要方法有經(jīng)典力學(xué)模擬和量子力學(xué)模擬，而Gaussian一般適用于量子力學(xué)計(jì)算。其中量子力學(xué)模擬主要依據(jù)的方法有從頭計(jì)算法、半經(jīng)驗(yàn)分子軌道理論、密度泛函理論（DFT）方法等。而密度泛函方法是一個(gè)較好的理論計(jì)算和結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)方法，對(duì)于確定復(fù)雜結(jié)構(gòu)具有重要的參考意義[6]。本文以Gview 3.7軟件組建葛根素單體C21H20O9和H2O的二聚體C21H20O9-H2O，計(jì)算方法均使用DET-B3LYP/6-31+G方法。其中，B3LYP是密度泛函理論中常用的方法之一，6-31G是描述原子的基組，“6”是指對(duì)內(nèi)層軌道的描述;“31”是指每個(gè)價(jià)層電子會(huì)被劈裂成2個(gè)基函數(shù)，分別由3個(gè)和1個(gè)高斯型函數(shù)線性組合而成;“G”是高斯基組。以本征值跟蹤算法（EF）和內(nèi)坐標(biāo)的Berny算法等[7]對(duì)所選的結(jié)構(gòu)進(jìn)行全優(yōu)化，求得能量極小點(diǎn)（穩(wěn)定構(gòu)型），經(jīng)振動(dòng)分析得優(yōu)化結(jié)構(gòu)無(wú)虛頻。采用Boys和Bernardi提出的均衡校正法（CP）[8]進(jìn)行基組疊加誤差（BSSE）校正與零點(diǎn)能（ZPE）校正。通過自然軌道分析[9]，揭示單體轉(zhuǎn)變?yōu)槎垠w后的電荷轉(zhuǎn)移狀況，探索C21H20O9和H2O形成二聚體時(shí)的相互作用的本質(zhì)。通過統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)方法求得熱力學(xué)函數(shù)[10]，揭示單體轉(zhuǎn)變?yōu)槎垠w后的能量變化，探索C21H20O9在溶解過程的變化規(guī)律及反應(yīng)機(jī)制。全部計(jì)算均采用Guassian 09W程序[11]完成，收斂精度取程序內(nèi)定值。

2 結(jié)果與討論

2.1 幾何構(gòu)型 圖1和圖2列出了優(yōu)化后的葛根素和水分子的及原子編號(hào)，二聚體（Ⅰ～Ⅵ）的DFT-B3LYP/6-31+G全優(yōu)化幾何構(gòu)型部分幾何參數(shù)列于表1。其中酚羥基O25-H26（即葛根素異黃酮母核B環(huán)上的酚羥基）與水形成的二聚體稱為二聚體Ⅰ;酚羥基O27-H28（即葛根素異黃酮母核A環(huán)羥基）與水形成的二聚體稱為二聚體Ⅱ;羥基O44-H45與水形成的二聚體稱為二聚體Ⅲ;羥基O34-H35與水形成的二聚體稱為二聚體Ⅳ;羥基O36-H37與水形成的二聚體Ⅴ;羥基O41-H42（即葡萄糖五元環(huán)結(jié)構(gòu)所連亞甲基上的羥基）于水形成的二聚體稱為二聚體Ⅵ。

由表1可見，二聚體（Ⅰ～Ⅵ）中的接觸點(diǎn)（O-H…O）距離分別為0.1692、0.2589、0.1580、0.1606、0.1715和0.3094nm，長(zhǎng)短次序?yàn)椋孩?Ⅳ<Ⅰ<Ⅴ<Ⅱ<Ⅵ，接觸點(diǎn)距離最短屬于二聚體Ⅲ。二聚體（Ⅰ～Ⅵ）均近似地屬于C1點(diǎn)群，與單體相比，二聚體（Ⅰ～Ⅵ）接觸點(diǎn)為O-H…O的O-H鍵長(zhǎng)變化分別為0.0018、0.0012、0.0027、0.0026、0.0017和0.0009nm，二聚體Ⅲ的O-H鍵長(zhǎng)變化最大。與單體相比，二聚體鍵角變化均小于0.8°，二面角變化均小于0.2°。由此可見，聚合和分子間相互作用未造成各單體較大的扭曲，對(duì)內(nèi)旋轉(zhuǎn)影響也比較小。根據(jù)二聚體的接觸點(diǎn)種類和距離可以初步推測(cè)出結(jié)果：二聚體Ⅲ的穩(wěn)定性最優(yōu)。

2.2 電荷分布及轉(zhuǎn)移 由表2可見，與單體相比，在接觸點(diǎn)上的氧原子，氫原子及附近的氧原子變化明顯。如二聚體Ⅲ中的O44為-0.817e減少了0.027e，H45為0.540e增加了0.011e。結(jié)合后H2O上的氧原子和氫原子的電荷也有明顯變化。子體系間電荷轉(zhuǎn)移比較多。在二聚體（Ⅰ～Ⅵ）中兩子體系間電荷傳遞主要通過接觸點(diǎn)O-H…O傳遞電荷分別為0.051、0.028、0.029、0.028、0.052和0.022e。

2.3 結(jié)合能 由表3可知，在DFT-B3LYP/6-31+G水平下求得的葛根素和水形成二聚體時(shí)的分子間相互作用能，有總能量（E）和經(jīng)基組疊加誤差（BSSE）和ZPE校正后的結(jié)合能（ΔEc）兩部分。二聚體（Ⅰ～Ⅵ）結(jié)合能分別大小順序?yàn)椋孩螬儮舂儮雯儮酴儮瘵儮?。?jīng)BSSE和ZPE校正后的葛根素與水二聚體的最大結(jié)合能為-79.82kJ·mol-1，屬于構(gòu)型Ⅲ，而二聚體Ⅱ的結(jié)合能較低，這是由于所連接的酚羥基受葡萄糖糖基的位阻影響，活性較弱，這與前面的穩(wěn)定化能及根據(jù)鍵長(zhǎng)和接觸點(diǎn)距離來(lái)推測(cè)二聚體穩(wěn)定性基本相一致。

2.4 熱力學(xué)性質(zhì) 基于統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)的方法，在振動(dòng)分析基礎(chǔ)上（頻率校正因子為0.96[10]），計(jì)算在298.15K下由單體生成二聚體（Ⅰ～Ⅵ）的熱力學(xué)函數(shù)的變化值，見表4。由單體生成二聚體時(shí)，體系熵值減小，分子間相互作用使聚合過程焓值變大，是吸熱過程，形成二聚體（Ⅰ～Ⅵ）焓變值Ⅲ﹥Ⅳ﹥Ⅴ﹥Ⅵ﹥Ⅱ﹥Ⅰ，表明二聚體Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ，Ⅱ，Ⅰ分子間相互作用依次減弱。分子間相互作用最強(qiáng)的二聚體為Ⅲ，這與前面推論一致。

3 結(jié)論

由葛根素結(jié)構(gòu)分析，黃酮母核上的有兩個(gè)酚羥基，由于酚羥基與苯環(huán)已形成了共軛體系，很難像醇羥基一樣發(fā)生反應(yīng)，故酚羥基上與水分子發(fā)生氫鍵作用形成二聚體的穩(wěn)定性可能較差。因而連接在葡萄糖苷上的4個(gè)羥基與水相互作用形成的二聚體穩(wěn)定性可能較優(yōu)。

在DFT-B3LYP/6-31+G水平下，求得的葛根素與水二聚體的優(yōu)化結(jié)構(gòu)（Ⅰ～Ⅵ）。而且經(jīng)振動(dòng)分析得優(yōu)化結(jié)構(gòu)無(wú)虛頻，具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。與單體相比，二聚體（Ⅰ～Ⅵ）接觸點(diǎn)為O-H…O的O-H鍵長(zhǎng)均變大，接觸點(diǎn)距離最小的屬于構(gòu)型Ⅲ。而且各接觸點(diǎn)上的氧原子，氫原子及附近的氧原子電荷變化明顯。對(duì)葛根素與水形成二聚體（Ⅰ～Ⅵ）的自然鍵軌道，相互作用能和熱力學(xué)性質(zhì)上來(lái)分析，最大的結(jié)合能和焓變值分別為79.82kJ·mol-1和-20.92kJ·mol-1，均屬于構(gòu)型Ⅲ。因此，二聚體Ⅲ為最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

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（收稿日期：2018-12-12 編輯：劉斌）