甘草酸太赫茲振動模式的量子化學計算

燕 芳,劉成毫,王志春,李 偉

內蒙古科技大學信息工程學院，內蒙古 包頭 014010

引 言

太赫茲時域光譜技術(THz-TDS)已成為研究人員分析分子結構的重要手段。研究發(fā)現(xiàn)，許多生物大分子的振動都發(fā)生在0.1～10 THz內的太赫茲波段[1]。王衛(wèi)寧等應用THz-TDS技術，測試了20種α-氨基酸的太赫茲光譜，發(fā)現(xiàn)在0.2～3 THz頻譜范圍內上述氨基酸均存在各自的吸收峰[2]。利用 THz-TDS技術獲取樣品太赫茲吸收光譜時，去除基線可以消除樣品散射對吸收光譜產生的影響。大量的實驗研究與理論計算均證明THz-TDS技術能夠運用于有機分子分析。

有機分子構成了中草藥中的主要成分，故可以借鑒研究氨基酸分子所用到的太赫茲時域光譜技術對中草藥進行鑒別與分析。張活運用B3LYP泛函計算得到青蒿素的太赫茲吸收光譜，與實驗譜對比，清晰的揭示了青蒿素特征峰的產生機理[3]。劉俊秀等使用太赫茲光譜儀獲取15種有機化合物的光譜數(shù)據，利用差分-主成分分析-支持向量機有機物識別方法，達到了很高的正確識別率[4]。鄒糧徽等利用太赫茲時域光譜技術檢測水體重金屬污染,并指出藥材中某一成分在太赫茲頻率范圍內的振動模式尚待研究[5]。Liu等將THz光譜與ALAP-SVM相結合，有效的鑒別不同轉基因棉花種類[6]。

本文選取甘草中的主要成分甘草酸作為研究對象,借助于Gaussian09軟件對甘草酸分子進行量子化學計算分析。Gaussian09軟件在量子化學計算分析中被研究者廣泛使用，與之配套的GaussView5.0軟件能夠以動態(tài)的方式將分子的振動模式呈現(xiàn)出來。不僅如此，Gaussian09軟件還提供了密度泛函(DFT)、半經驗算法(Semi-Empirical)及從頭算法(Ab Initio Method)等一系列計算方法，這些計算方法的準確性已經在組氨酸、L-,D-與DL-阿拉伯糖以及β-胡蘿卜素等有機分子的計算中得到了證實[7-9]。

目前，運用量子化學計算中草藥單一成分的研究工作相對較少。因此在后續(xù)研究中對分子構型的建立，計算方法的選擇要求更高。另外甘草酸分子體系較大，在保證計算結果準確的情況下，還需考慮計算機時的長短。

1 理論計算

1.1 甘草酸分子構型

甘草酸分子式為C42H62O16，含有120個原子，歸屬于有機大分子。故本文首先根據其分子結構特征，對它進行結構分類，以便于下一步計算結果的分析。圖1所示的甘草酸單分子構型是在ChemDraw中繪制完成的。

圖1 甘草酸分子構型與平面結構(a)：甘草酸單分子構型；(b)：甘草酸分子平面結構圖Fig.1 Molecular configuration and planar structure of glycyrrhizic acid(a)：Single molecular configuration of glycyrrhizic acid; (b):Molecular plane structure of glycyrrhizic acid

在圖1(a)中，根據甘草酸的結構特征，以紅色直線作為分界線，把甘草酸分子“拆成”兩部分。由于甘草酸分子左半邊碳環(huán)的構成含有氧原子(如圖中紅色圓圈)，故左半邊可稱為含氧碳環(huán)塊。甘草酸分子右半邊碳環(huán)皆由碳原子構成，而少有的氧原子均在碳環(huán)側鏈，可將右半邊稱為碳環(huán)塊。

1.2 結構優(yōu)化及頻率計算

將ChemDraw中繪制的甘草酸分子坐標導入到Gaussian09軟件中進行計算，首先為甘草酸分子選擇計算方法。經過DFT和HF方法計算甘草酸這一有機大分子，發(fā)現(xiàn)普通計算機的內存無法滿足計算要求。而半經驗理論主要用于計算有機大分子體系，且計算機時較短[10]。因此，本文采用半經驗理論(Semi-Empirical)中的PM3算法進行結構優(yōu)化。在結構優(yōu)化成功的基礎上，仍用PM3算法進行頻率計算，得到甘草酸分子的太赫茲吸收譜。這里需要注意結構優(yōu)化與頻率計算要用相同的算法，否則計算結果失去意義。表1為實驗計算機配置簡介。

表1 計算機配置Table 1 Computer configuration

2 結果與討論

2.1 甘草酸分子的THz吸收譜分析

圖2為利用量子化學方法計算得到的太赫茲吸收譜，其頻譜范圍為0.3～3 THz。由圖2可見，甘草酸分子在0.3～3 THz范圍內有四個吸收峰，分別位于0.87，1.17，1.56與2.76 THz處。其中1.56 THz處的吸收峰與趙春喜[11]實驗所測得的1.56 THz吸收峰位完全一致，且與其運用密度泛函理論(DFT)方法計算得到的1.55 THz處吸收峰基本符合。證明了本文中的甘草酸分子初始構型與PM3算法的選擇是合理的，也說明量子化學計算可以為實驗獲得的太赫茲光譜提供理論佐證。其余三個吸收峰位與相關文獻之間還存在一定的差異，這與計算時選取了不同的計算方法和不同的分子構型有一定的關系。

圖2 甘草酸分子的THz吸收譜圖Fig.2 THz absorption spectra of glycyrrhizic acid molecule

2.2 甘草酸分子的振轉模式分析

支持向量機(SVM)、量子化學計算與太赫茲時域光譜技術相結合的定性分析，是建立在太赫茲吸收譜基礎之上、從不同角度進行分析的方法。本文參考上述方法的思路，從振轉模式的視角出發(fā)，在GaussView5.0的視頻模塊中，觀察分析特征吸收峰的振轉動態(tài)模式，進一步揭示特征吸收峰的產生機理。

由于甘草酸分子的平面結構在Chemdraw中繪制，且Gaussian09計算所用輸入坐標是從Chemdraw中導入，計算成功后產生的輸出文件在GaussView5.0打開，觀察特征峰的振轉模式，所以甘草酸分子平面結構與立體結構坐標具有一致性。因而可采用甘草酸分子平面結構圖代替立體結構圖分析振轉模式。根據甘草酸分子基團的結構特征，對其分類標號，分析四個吸收峰位的振轉模式。如圖3所示，三個羧基(—COOH)分別標號為1，2和3；三個羥基(—OH)依次標號為a，b和c。圖4—圖7分別為甘草酸分子在四個吸收峰位的振轉模式分析圖。甘草酸分子在0.87 THz處吸收峰，主要是兩個羧基(—COOH)分別近似以y軸為轉軸(標號為1的羧基)、x為轉軸(標號為2的羧基)扭轉，共同作用形成的，且2號羧基振動幅度大于1號。在1.17 THz處的吸收峰是由于3號羧基近似以y軸方向扭轉、2號羧基振轉模式與0.87 THz處相同，其中3號羧基振動幅度明顯大于2號而形成的；除此之外，碳環(huán)塊也存在小幅度的集體振動。1.56 THz處的吸收主要是由3號羧基繞x軸轉動、a與c兩處的羥基伸縮振動(a處羥基向內伸縮、c處羥基向外伸縮)，與2號羧基及其所在的碳環(huán)集體繞y軸轉動造成的。2.76 THz處的吸收峰主要由1號羧基的向內伸縮振動，c處的羥基向外伸縮振動,和紅圈內兩個碳環(huán)繞x軸扭轉形成。

圖3 甘草酸分子基團分類Fig.3 Classification of glycyrrhizic acid molecular groups

圖4 0.87 THz處甘草酸分子振轉模式Fig.4 Molecular vibration and rotation modes of glycyrrhizic acid at 0.87 THz

圖5 1.17 THz處甘草酸分子振轉模式Fig.5 Molecular vibration and rotation modes of glycyrrhizic acid at 1.17 THz

圖6 1.56 THz處甘草酸分子振轉模式Fig.6 Molecular vibration and rotation modes of glycyrrhizic acid at 1.56 THz

圖7 2.76 THz處甘草酸分子振轉模式Fig.7 Molecular vibration and roatation modes of glycyrrhizic acid at 2.76 THz

通過分析發(fā)現(xiàn)，甘草酸分子特征吸收峰振轉模式的產生主要是由含氧官能團(—COOH、—OH)的扭轉和振動造成的，另外還包括碳環(huán)的小幅振動，且碳環(huán)的振動多是由側鏈的甲基或氫原子引起的。

圖8 1.56 THz處分子構象Fig.8 Molecular conformation at 1.56 THz

2.3 甘草酸分子輸出構象圖

由于甘草酸分子平面結構來源于分子構象圖，在Gaussian09計算產生的輸出文件中，可以將甘草酸分子輸出構象圖提取出來。在此僅列出1.56 THz處甘草酸分子輸出構象，標識出振轉分子基團，以便與平面結構下的振轉模式圖進行觀察對比。

3 結 論

分析了甘草酸的分子結構，利用半經驗理論中的PM3算法，對甘草酸分子進行了幾何優(yōu)化和頻率計算，通過計算得到了甘草酸分子的THz吸收譜。理論計算表明，甘草酸分子的四個特征吸收峰分別位于0.87，1.17，1.56以及2.76 THz處，不同峰位的振轉幅度與振轉模式有差別，但是主要與甘草酸分子中的羧基、羥基(—COOH、—OH)振轉有關。這說明了含氧官能團對甘草酸分子的太赫茲吸收峰產生有著重要影響。本文不僅可以為甘草中的其他成分研究提供重要參考，而且在研究中草藥成分的過程中，具有一定的借鑒性。