勞文劍,李 聰,臺 虹,尤進茂
(1.中國科學(xué)院 蘭州化學(xué)物理研究所,甘肅 蘭州730000; 2.云南大學(xué) 化學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院,云南 昆明650091;3.云南省第一人民醫(yī)院,云南 昆明650032; 4.曲阜師范大學(xué) 化學(xué)科學(xué)學(xué)院,山東 曲阜273165)
痂囊腔菌素A分子構(gòu)型和分子內(nèi)氫鍵的理論研究
勞文劍1,李 聰2,臺 虹3,尤進茂4
(1.中國科學(xué)院 蘭州化學(xué)物理研究所,甘肅 蘭州730000; 2.云南大學(xué) 化學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院,云南 昆明650091;3.云南省第一人民醫(yī)院,云南 昆明650032; 4.曲阜師范大學(xué) 化學(xué)科學(xué)學(xué)院,山東 曲阜273165)
用半經(jīng)驗量子化學(xué)AM1方法對天然苝醌化合物痂囊腔菌素A(EA)的分子構(gòu)型和分子內(nèi)氫鍵進行了研究;從EA可能的64種構(gòu)型中選擇16種進行了計算.結(jié)果表明,EA的X射線晶體結(jié)構(gòu)對應(yīng)的構(gòu)型是II型左旋(A)a,a型(II-L-A-a,a);小的生成熱差值可以使得異構(gòu)體間的轉(zhuǎn)換容易進行,有利于發(fā)生分子內(nèi)質(zhì)子傳遞.盡管采用AM1方法計算得到的EA各種構(gòu)象的平面性有所差別,但都很接近晶體的平面性.此外,EA分子內(nèi)氫鍵鍵能的平均值為22.9kJ/mol;II型的氫鍵鍵能比I型的大,(9,10)位的氫鍵鍵能比(3,4)位的大;EA的平面性是由苝醌環(huán)上的側(cè)鏈取代所決定,而與分子內(nèi)是否存在氫鍵無關(guān).
痂囊腔菌素A;分子構(gòu)型;分子內(nèi)氫鍵;平面性;理論研究
苝醌化合物是性能優(yōu)良的光敏劑.它們廣泛地分布于自然界中,天然產(chǎn)物中主要有尾孢素、痂囊腔菌素、弗萊菌素、蚜紅素、枝孢素、金絲桃蒽酮、竹紅菌甲素(HA)、竹紅菌乙素(HB).由于結(jié)構(gòu)上的差異,它們的光敏性能亦不相同.已發(fā)現(xiàn)竹紅菌素除了對皮膚病有顯著的療效外,還對癌細胞、艾滋病病毒有光敏殺傷作用[1].1957年WEISS等人首次從真菌Elsino?中分離到痂囊腔菌素[2],直到1969年,痂囊腔菌素的結(jié)構(gòu)才確定[3].痂囊腔菌素目前發(fā)現(xiàn)有A,B,C,D四種.1983年,報道了痂囊腔菌素A(EA)在不同溶劑和堿性條件下的吸收光譜和熒光光譜[4].1992年,BRAUN測定了其單線態(tài)氧的量子產(chǎn)率為0.94,是現(xiàn)在已知的天然苝醌化合物中最高的[5].但是,目前對它只有較少的研究.自1998年以來,李聰和臺虹研究組利用生物合成技術(shù)合成了EA,研究了EA的光物理和光化學(xué)性質(zhì),測試了EA對人Hce8693盲腸癌細胞增殖周期的影響和細胞凋亡的誘導(dǎo)作用,結(jié)合量子化學(xué)計算探討了氮氧自由基和半醌自由基的光化學(xué)反應(yīng)機理,合成并評價了一些EA衍生物的光敏活性[6-10].此外,其他研究組的成果還有,EA對革蘭氏陽性細菌具有光敏抑制作用[11],痂囊腔菌素可以在光照下殺死植物細胞[12].EA與肌紅蛋白可以形成配合物,靜態(tài)猝滅肌紅蛋白的內(nèi)源熒光[13].
對苝醌化合物的理論研究已有許多文獻報道,例如,張紅雨等對苝醌光敏劑進行的量子化學(xué)計算,解釋了若干光化學(xué)、光物理性質(zhì)和一些實驗現(xiàn)象[14-16].張紅雨等對EA的基態(tài)也做了理論研究,認為苝環(huán)的偏斜性對物理化學(xué)性質(zhì)只有輕微的影響,這有助于理解EA和HA有著相似的光敏活性[17].申亮(SHEN Liang)對EA的激發(fā)態(tài)做了理論研究,探討了EA三線態(tài)產(chǎn)生活性氧物種的途徑[18].苝醌光敏劑分子內(nèi)氫鍵和質(zhì)子轉(zhuǎn)移對光敏作用有重要意義.但是目前,對于EA的構(gòu)型,分子內(nèi)氫鍵還沒有做過理論研究.張紅雨等和易平貴等用分子力學(xué)和AM1方法對一些苝醌化合物所做的理論分析表明,用分子力學(xué)和AM1方法是可行的[19,20].本文作者用AM1方法對EA的構(gòu)型,分子內(nèi)氫鍵進行了研究,得到的結(jié)果有助于闡明EA的光敏性的構(gòu)效關(guān)系.
采用Hyperchem 5.02軟件中的分子力學(xué)程序MM2優(yōu)化分子的初始結(jié)構(gòu),量化計算用AM1方法.總能量梯度RMS是0.419kJ/mol.
2.1 EA的構(gòu)型
由于EA酚羥基與醌羰基之間的分子內(nèi)質(zhì)子傳遞,因此使其有四種異構(gòu)體,分別是I,II,III和IV型(圖1).每一種異構(gòu)體又形成兩種空間異構(gòu)體,分別為左旋(L)和右旋(R):二面角C6-C6a-C7a-C7為負值的構(gòu)型是左旋,二面角C6-C6a-C7a-C7為正值的是右旋.EA的側(cè)鏈形成一個六圓環(huán),為半椅式構(gòu)型.根據(jù)C13和C14在環(huán)上雙鍵的上面和下面,又可以分成兩種:C13在環(huán)上雙鍵的上面而C14在環(huán)上雙鍵的下面的構(gòu)型,我們稱為(A)型,C14在環(huán)上雙鍵的上面而C13在環(huán)上雙鍵的下面的構(gòu)型,我們稱為(B)型.C13和C14上的兩個乙酰基又可以有直立鍵(a)和平伏鍵(e)兩種位置,這兩種位置決定環(huán)上的兩個手性碳的手性又有S和R之分.其中,a鍵對應(yīng)S構(gòu)型,e鍵對應(yīng)R構(gòu)型,對所有的構(gòu)型都是這樣.因而,每一型有16種可能的構(gòu)型,8對對映體.四種異構(gòu)體總共有64種可能的構(gòu)型,32對對映體.I,II型的構(gòu)型和編號(ID)列在表1中.EA的 X射線晶體結(jié)構(gòu)對應(yīng)的構(gòu)型是II型左旋(A)a,a型(II-L-A-a,a)[21].
圖1 EA的異構(gòu)體Fig.1 The isomers of EA
表1 EA的I型和II型的構(gòu)型和編號Table 1 List of EA possible configurations for Type I and Type II isomers
選擇計算了I,II型的右旋12種構(gòu)象和左旋4種構(gòu)型的生成熱,平面性和氫鍵鍵長.它們的立體結(jié)構(gòu)見圖2,計算結(jié)果見表2.由表2可以看出,這16種構(gòu)型的生成熱相差不大,最大差值僅為43kJ/mol,遠小于室溫下分子間碰撞產(chǎn)生的能量(83kJ/mol)[22],說明這些構(gòu)型在室溫下即可互相轉(zhuǎn)化.這提示這些異構(gòu)體容易發(fā)生分子內(nèi)質(zhì)子傳遞.所選擇的16種EA的構(gòu)型包含4對對映體,這些對映體間生成熱的最大差值僅為33kJ/mol,說明對映體可以在室溫下互相轉(zhuǎn)化,不能夠在室溫下被分離.在以前的研究中,已發(fā)現(xiàn)高效液相色譜和薄層色譜不能分離HA的異構(gòu)體[23].
表2 所選擇EA構(gòu)型的性質(zhì)Table 2 Properties of selected EA configurations
分子內(nèi)質(zhì)子傳遞使EA經(jīng)過III或IV型可以在I型和II型間變化,右旋構(gòu)型的生成熱絕對值的平均值(標準偏差,14±8.5kJ/mol)大于左旋構(gòu)型(標準偏差,3±1.4kJ/mol),說明左旋構(gòu)型間相對容易發(fā)生分子內(nèi)質(zhì)子傳遞.這與竹紅菌甲素(HA)相反[19].
圖2 選擇計算的16種EA的構(gòu)型Fig.2 Selected EA 16configurations for calculation
以C6-C6a-C7a-C7的二面角來表征分子的平面性(表2),二面角的絕對值越小表示EA的平面性越好.(B)型的平面性(絕對值的平均值±標準偏差:22.1±1.4°)比(A)型(24.3±1.8°)的要好,說明EA各種構(gòu)象的平面性是有所差別的.16種構(gòu)型的平面性的絕對值是23.4±2.0°.EA晶體的平面性是-23.9°,所對應(yīng)的構(gòu)型(II-L-A-a,a)AM1計算的平面性是-26.4°,結(jié)果都很接近,都小于 HA 的平面性(-28.1°).說明EA好于HA的平面性,這與以前的報道一致[17].
2.2 分子內(nèi)氫鍵
從EA構(gòu)型的最優(yōu)化結(jié)構(gòu)分析中得到的酚羥基氫與醌羰基氧之間原子間距離都小于0.2nm(表2),在氫鍵的鍵長范圍內(nèi),說明EA的酚羥基氫與醌羰基氧之間能形成分子內(nèi)氫鍵.要想獲得氫鍵的鍵能,通常的方法是,把形成氫鍵的分子構(gòu)型的生成熱,與不形成氫鍵的分子構(gòu)型的生成熱相比較,所得到的差值近似作為這種氫鍵鍵能的大?。?9].用這種方法,計算了EA左旋構(gòu)型的兩個分子內(nèi)氫鍵鍵能.具體做法是,以EA的最優(yōu)化結(jié)構(gòu)作為起點,把形成氫鍵的羥基旋轉(zhuǎn)到它的相反位置,這通過把有關(guān)它的一個二面角從初始位置增加180°來達到.對于(3,4)位的氫鍵,II型構(gòu)型所改變的二面角是 H-O-C4-C3a,I型構(gòu)型所改變的二面角是 H-O-C3-C3a.對于(9,10)位的氫鍵,II型構(gòu)型所改變的二面角是 H-O-C9-C9a,I型構(gòu)型所改變的二面角是H-O-C10-C9a.計算第二個氫鍵以計算第一個氫鍵所得到的優(yōu)化結(jié)構(gòu)作為起點.通過計算II型右旋(B)(II-R-B-e,e)構(gòu)型的氫鍵所得結(jié)果,驗證這樣的計算方法是可行的,即從II-L-B-e,e構(gòu)型的(3,4)位的氫鍵開始計算所得到的氫鍵能分別是:(3,4)位的氫鍵鍵能為26.5kJ/mol,(9,10)位的氫鍵鍵能為26.1kJ/mol.從II-R-B-e,e構(gòu)型的(9,10)位的氫鍵開始計算所得到的氫鍵能分別是:(9,10)位的氫鍵鍵能為26.0kJ/mol,(3,4)位的氫鍵鍵能為26.5kJ/mol.可以看出兩次計算的結(jié)果基本相同,說明計算氫鍵的順序?qū)τ嬎憬Y(jié)果影響不大.用上述方法計算EA的分子內(nèi)氫鍵的結(jié)果見表3.表中亦同時列出了計算所得的優(yōu)化構(gòu)象中的上述(3,4)和 (9,10)位的氫鍵四個二面角的值.
表3 EA左旋構(gòu)型的分子內(nèi)氫鍵的鍵能及有關(guān)二面角角度Table 3 EA intramolecular hydrogen bond energy and related dihedral angle of selected left-h(huán)and rotation configurations
從表3中可以看出,各構(gòu)型的氫鍵鍵能并不相同,最小的僅為13.3kJ/mol,最大的是30.3kJ/mol.平均來說,II型的氫鍵鍵能比I型的大,(9,10)位的氫鍵鍵能比(3,4)位的大.總的平均值是22.9kJ/mol.經(jīng)AM1計算后,II型優(yōu)化結(jié)構(gòu)的兩個氫鍵(3,4,和9,10)的二面角的絕對值接近180°,而I型的兩個氫鍵的二面角的絕對值與180°相差較大.為了說明相差較大的原因,在計算所得到的I型左旋a,e構(gòu)型(I-L-B-a,e)的不形成氫鍵的優(yōu)化構(gòu)型的基礎(chǔ)上,先去掉連接于C1和C12的側(cè)鏈,然后優(yōu)化結(jié)構(gòu),二面角H-O-C3-C3a由166.7°變?yōu)?74.5°,二面角 H-O-C10-C9a由170.54°變?yōu)?74.12°,二面角 C6-C6a-C7a-C7由-21.0°變?yōu)椋?3.6°,去掉連接于C2和C11的甲氧基,這三個二面角的值基本不變.因此,認為II型的兩個氫鍵的二面角的絕對值與180°相差較大的原因與苝醌環(huán)上的C13和C14的半椅式構(gòu)型的取代有關(guān).構(gòu)型I-L-B-a,e的不形成氫鍵的優(yōu)化構(gòu)型的C6-C6a-C7a-C7二面角的值(-21.0°)與EA最優(yōu)化結(jié)構(gòu)的值相同,說明EA的平面性與是否有分子內(nèi)氫鍵無關(guān),而是由苝醌環(huán)上的側(cè)鏈的取代所決定.由于醌類光敏劑的平面性與1O2的量子產(chǎn)率有關(guān),因此,這提示我們?yōu)樘岣?O2的量子產(chǎn)率而做的改善平面性的工作,應(yīng)從改變連接于C1和C12或C6和C7的側(cè)鏈的結(jié)構(gòu)入手.
EA總共有64種可能的構(gòu)型.通過所選擇的16個I和II型的AM1計算表明,這些異構(gòu)體生成熱的差遠小于室溫下分子間碰撞產(chǎn)生的能量,因而容易發(fā)生分子內(nèi)質(zhì)子傳遞.以C6-C6a-C7a-C7的二面角表征分子的平面性,EA各種構(gòu)象的平面性是有所差別的,但都很接近晶體的平面性.EA各種構(gòu)型之間的氫鍵鍵能并不相同,II型的氫鍵鍵能比I型的大,(9,10)位的氫鍵鍵能比(3,4)位的大.EA氫鍵鍵能平均值是22.9 kJ/mol.EA的平面性與是否有分子內(nèi)氫鍵無關(guān),而是由苝醌環(huán)上的C13和C14的半椅式側(cè)鏈的取代所決定.
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Theoretical study on molecular configuration and intramolecular hydrogen bond of Elsinochrome A
The molecular configuration and intra-molecular hydrogen bond of natural perylenequinone elsinochrome A (EA)were examined with semi-empirical quantum chemical method AM1.Sixteen configurations were selected from 64possible configurations and calculated.Results indicate that the X-ray crystal structure of EA corresponds to type-II left-h(huán)and rotation a,a configuration(II-L-A-a,a).A small difference in formation heat allows easy inter-transformation among various isomers,which facilitates intra-molecular proton transfer.Besides,though the planarities of EA configurations calculated with AM1method are somewhat different,they are all similar to those of X-ray crystals.Moreover,the average intra-molecular hydrogen bond energy of EA is 22.9kJ/mol.The hydrogen bond energies of type-II configuration are larger than that of type-I configuration,while hydrogen bond energies at(9,10)positions are greater than that at(3,4)positions.Furthermore,the planarity of EA is determined by side-chain substitution on perylenequinone ring and is not dependent on whether or not intramolecular hydrogen bond exists.
elsinochrome A;molecular configuration;intra-molecular hydrogen bond;planarity;theoretical study
O 641.6
A
1008-1011(2012)04-0085-06
2012-01-15.
勞文劍(1968-),男,博士,研究方向為分離分析科學(xué).E-mail:laowjbj@hotmail.com.