何新菊，裴詩恩，陳德福，劉詩詠，鐘愛國

（臺州學(xué)院 醫(yī)藥化工學(xué)院， 浙江 臺州 318000）

左炔諾孕酮藥理活性的密度泛函研究

何新菊，裴詩恩，陳德福，劉詩詠，鐘愛國

（臺州學(xué)院 醫(yī)藥化工學(xué)院， 浙江 臺州 318000）

采用密度泛函理論的DFT/B3LYP/6-311+G(d,p)方法和基組, 對左炔諾孕酮藥物分子的紫外-可見光譜（UV-Vis），紅外光譜（IR）, 核磁共振（1HNMR）吸收光譜進(jìn)行了理論模擬和指認(rèn)。自然電荷（NBO）值計算表明，左炔諾孕酮分子活性最強(qiáng)的部位連有碳碳叁鍵的碳上的羥基，很可能是其發(fā)揮藥理活性的親電和親核反應(yīng)中心。

左炔諾孕酮；密度泛函理論；電子光譜

口服避孕藥自20 世紀(jì)50 年代誕生以來，一直被世界各國婦女認(rèn)為是最有效的、可逆的、方便的避孕方式而被廣泛應(yīng)用[1]。魯賓復(fù)方口服避孕藥左炔諾孕酮炔雌醇片含有 84個粉紅色的含左炔諾孕酮0.15 mg和0.03 mg炔雌醇的活性片（active）和7個白色的惰性片（inert，無激素）[2]，其中起主要作用的是左炔諾孕酮和炔雌醇。左炔諾孕酮是應(yīng)用較廣的一種口服避孕藥。炔諾孕酮為白色或類白色的結(jié)晶性粉末；無臭，味微苦。在氯仿中溶解，在乙醇中微溶，在丙酮中略溶，在水中不溶。熔點(diǎn)為202～208 ℃。它可以抑制排卵并阻止孕卵著床，同時使宮頸黏液濃度增大，阻止精子前進(jìn)。服用左炔諾孕酮可能會造成輕微的嘔吐、惡心，以及女性下次月經(jīng)周期不規(guī)則。

2005年，何淑明等探討了左炔諾孕酮宮內(nèi)緩釋系統(tǒng)治療子宮腺肌病的臨床療效[1，3]。左炔諾孕酮與炔雌醇可組合成復(fù)合片或三相片，有抑制排卵作用，也可用于治療月經(jīng)不調(diào)，子宮功能性出血及子宮內(nèi)膜異位癥等。但也容易引起月經(jīng)周期不規(guī)則，頭痛、胸悶[4,5]。本文選用密度泛函方法，在優(yōu)化結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上, 并利用密度泛函理論，對其易發(fā)生的反應(yīng)部位進(jìn)行了理論預(yù)測，取得了有意義結(jié)果。

1 計算方法

圖1 左炔諾孕酮分子C21H28O2結(jié)構(gòu)和編號Fig.1 Structure and atomic number

用密度泛函理論（DFT）在B3LYP/6-311+G(d. p)水平上對左炔諾孕酮藥物分子進(jìn)行基態(tài)全優(yōu)化，在優(yōu)化得到的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)上，采用Freq方法進(jìn)行了頻率分析，結(jié)果表明所有簡諧振動頻率全部為正值，表明其計算結(jié)果是可信的。本項目的全部計算在 PC機(jī)上完成。左炔諾孕酮(Levonorgestre, C21H28O2)的分子結(jié)構(gòu)和原子編號如圖1所示。通過HOMO/LUMO可以近似地判斷出它的反應(yīng)性，這個理論主要是基于雙分子反應(yīng)的分子軌道理論觀察得出的三個條件：不同分子的占用軌道相互排斥；不同分子的相異電荷互相吸引；一個分子的占用軌道和另一個分子的未占軌道之間的作用導(dǎo)致相互吸引，尤其是HOMO和LUMO之間。據(jù)此，前線軌道理論將兩種反應(yīng)物的反應(yīng)性簡化為HOMO和LUMO的判斷。

2 結(jié)果與討論

2.1 幾何結(jié)構(gòu)和紫外吸收光譜

標(biāo)題分子藥物別名：D-甲炔諾酮、左旋18-甲炔諾酮、左旋甲基炔諾酮、左旋甲基炔諾孕酮、左旋甲炔諾酮。用gaussian 09 W程序, 在B3LYP/ STO -3G水平上進(jìn)行優(yōu)化計算, 得到了左炔諾孕酮的鍵長和部分鍵角值。優(yōu)化的結(jié)果顯示，正常的C-C單鍵的鍵長( 0.154～0.162 nm), C-O單鍵(0.120～0.143 nm), C=O雙鍵(0.121～0.123 nm), O-H(0.094～1.500 nm), C=C (1.324 nm), 碳碳叁鍵（1.201 nm）。列出的優(yōu)化后分子的部分鍵長數(shù)據(jù)表明, 這些鍵長均為正常值; C6-C13-C16-C18-C17-C14與C1-C4-C11-C13-C6-C2原子組成的六元環(huán)夾角均在 109.0°附近，而C16-C19-C21-C22-C20-C18環(huán)夾角在 110°～124° 附近，C1-C2-C7-C8-C3雜環(huán)夾角均在99°～106° 附近，除C3受連接的碳碳叁鍵影響外，其余角度沒有發(fā)生明顯的扭曲變形。分子中的支鏈與環(huán)有明顯的扭轉(zhuǎn)而沒有處在同一平面，這樣的結(jié)構(gòu)受位阻效應(yīng)小，將有利于藥物分子發(fā)揮官能團(tuán)的優(yōu)勢作用。

用TD DFT/B3LYP/6-311+G(d,p)方法，模擬標(biāo)題分子(圖2)。 分子在320 nm 處顯示了紫外吸收峰，屬于電子從最高占據(jù)軌道(HOMO)躍遷到最低空軌道(LUMO)，這與實驗UV-Vis圖譜在327 nm處有最強(qiáng)吸收基本吻合。

圖 2 左炔諾孕酮分子紫外-紫外可見光譜Fig.2 Ultraviolet visible spectroscopy

2.2 NBO電荷

優(yōu)化后得到了左炔諾孕酮原子的 NBO電荷分布。由于O原子的電負(fù)性比C原子大，C原子的電負(fù)性比 H原子大。因此, 在左炔諾孕酮分子中，2個O原子(- 0.199 e，-0.264 e)均帶有凈的負(fù)電荷，C原子中除C1、C3、C18、C22外均帶有凈的負(fù)電荷(-0.030 e ～ -0.177 e)，而C1連有四個碳，C3連有3個碳和一個氧，C18連碳（有雙鍵），C22為碳氧雙鍵，所以C1、C3、C18、C22(0.048 e ～ 0.203 e) 均帶有凈的正電荷。H原子均帶有正電荷。由于主環(huán)上的C原子大都帶負(fù)電，致使四個碳環(huán)均帶負(fù)電，具有較強(qiáng)的親水性。在由電荷控制的反應(yīng)中, 原子的負(fù)電荷越多, 其受親電試劑進(jìn)攻的可能性越大; 反之, 原子的正電荷越多,由于O原子的電負(fù)性比C原子大，C原子的電負(fù)性比H原子大。因此，在炔雌醇分子中，2個O原子(- 0.215 e，-0.236 e)均帶有凈的負(fù)電荷，C原子中除C1、C3、C20外均帶有凈的負(fù)電荷(-0.003 e ～-0.223 e)，而C1連有四個碳，C3連有3個碳和一個氧，C20連有C=O雙鍵，所以C1、C3、C20(0.031 e ～ 0.093 e)均帶有正電荷。H原子均帶有正電荷。由于主環(huán)上的C原子大都帶負(fù)電，致使四個碳環(huán)均帶負(fù)電，具有較強(qiáng)的親水性。由在電荷控制的反應(yīng)中, 原子的負(fù)電荷越多, 其受親電試劑進(jìn)攻的可能性越大[5]；反之, 原子的正電荷越多, 則受親核試劑進(jìn)攻的可能性也越大，因此推測C=O上的O44-OH上的O10原子和烷基上的 C5原子很有可能是親電反應(yīng)的作用點(diǎn)。受親核試劑進(jìn)攻的可能性也越大，因此推測C=O上的O23-OH上的O10原子很有可能是親電反應(yīng)的作用點(diǎn)。

2.3 紅外光譜和核磁共振吸收譜

紅外吸收光譜對研究分子的結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵、表征和鑒別物質(zhì)等有十分重要的作用。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)上, 在相同的計算水平上計算了左炔諾孕酮的振動紅外光譜。左炔諾孕酮有 51個原子，對應(yīng)有147個振動模式。理論計算所得到的部分特征振動頻率(0～4 000 cm-1)及其紅外強(qiáng)度；在圖3中出現(xiàn)了左炔諾孕酮的特征峰值750cm-1（碳碳叁鍵的彎曲振動），3 690 cm-1（O-H，伸縮），2 373 cm-1（碳碳叁鍵，伸縮）1 803 cm-1（C=C，伸縮），在低頻率范圍內(nèi)（1 362～1 699 cm-1）還出現(xiàn)較多吸收峰，這主要由于碳環(huán)的H原子特征指紋區(qū)。炔雌醇分子有 46個原子，對應(yīng)有132個振動模式。理論計算所得到的部分特征振動頻率(0～4 000 cm-1)及其紅外強(qiáng)度列于圖3中，出現(xiàn)了炔雌醇的特征峰值3 690 cm-1（O-H，伸縮），2 373 cm-1（碳碳叁鍵，伸縮），1 763 cm-1（苯環(huán)，面內(nèi)伸縮）, 755 cm-1（碳碳叁鍵的彎曲振動）在頻率（730～1 381 cm-1）還出現(xiàn)較多吸收峰，這主要由于碳環(huán)的H原子的特征指紋區(qū)。

采用DFT理論模擬并指認(rèn)左炔諾孕酮分子的1HNMR(見圖4)。核磁共振譜的峰特點(diǎn)較好地與其實驗值吻合起來，也進(jìn)一步驗證了計算的準(zhǔn)確性。

圖3 左炔諾孕酮分子的紅外吸收模擬光譜Fig. 3 Prediction of infrared absorption spectra

圖4 左炔諾孕酮的核磁共振模擬譜Fig.4 Prediction of 1HNMR spectrum

2.4 極性和反應(yīng)活性

偶極矩和在正辛醇-水體系的分配系數(shù)(P)是用來表示藥物親脂性或疏水性的重要物理參數(shù)。左炔諾孕酮（LNG）為全合成的強(qiáng)效孕激素，是消旋炔諾孕酮的光學(xué)活性體，活性比炔諾孕酮強(qiáng)1倍，約為炔諾酮的100倍。為此，劑量比炔諾孕酮可減半，不良反應(yīng)也減少。左炔諾孕酮主要作用于下丘腦和垂體，使月經(jīng)中期FSH和LH水平的高峰明顯降低或消失，卵巢不排卵，有明顯的抗雌激素活性，比炔諾酮強(qiáng)10倍左右，幾乎不具有雌激素活性。能使宮頸粘液變稠阻礙精子穿透。對子宮內(nèi)膜轉(zhuǎn)化顯左炔諾孕酮示極強(qiáng)的孕激素活性，可使子宮內(nèi)膜變薄，內(nèi)膜上皮細(xì)胞呈低柱形，分泌功能不良，不利于孕卵著床。LNG也有一定雄激素活性和蛋白同化作用，口服或皮下注射均可抑制排卵。我們使用Gaussian 09W程序計算獲得左炔諾孕酮和炔雌醇分子的偶極矩分別為(2.9370 D)和（0.7731 D），為弱極性。左炔諾孕酮的脂水分配系數(shù) LogP=3.06，炔雌醇的脂水分配系數(shù) logP=4, 這表明左炔諾孕酮和炔雌醇為親脂性分子。在有機(jī)化學(xué)中，特別對芳香族化合物，確定各個原子位置在親電或親核取代反應(yīng)的相對活性是一個重要的問題。已經(jīng)提出了各種理論指標(biāo)，如電荷密度分布，定域能方法等。前線軌道理論認(rèn)為，最高已占分子軌道上的電子在各個原子上有一定的電荷密度分布，這個分布的大小次序決定親電試劑進(jìn)攻各個原子位置的相對難易程度，即親電反應(yīng)最易發(fā)生在HOMO最大電荷密度的原子上；與此類似，親核反應(yīng)在各個原子上發(fā)生的相對次序由LUMO的電荷密度分布決定，親核試劑最易進(jìn)攻LUMO電荷密度最大的原子。由此可知，在左炔諾孕酮中，連有碳碳叁鍵的碳上的羥基與C=O起藥理與毒理的作用，在炔雌醇中，連有碳碳叁鍵的碳上的羥基與苯環(huán)上的羧基起毒理與藥理的作用。

3 結(jié) 論

采用密度泛函理論的DFT/B3LYP/6-311+G(d,p)方法和基組, 對左炔諾孕酮藥物分子(Levonorgestre, C21H28O2)的紫外-可見光譜（UV-Vis），紅外光譜（IR）,核磁共振（1HNMR）吸收光譜進(jìn)行了理論模擬和指認(rèn)。

（1）幾何優(yōu)化表明, 左炔諾孕酮具有穩(wěn)定的分子構(gòu)型和良好的疏水參數(shù)，紅外光譜表征與官能團(tuán)吻合較準(zhǔn)確，核磁共振與其實驗值基本符合；

（2）通過NBO電荷分布以及前線軌道分析, 我們推測左炔諾孕酮分子活性最強(qiáng)的部位連有碳碳叁鍵的碳上的羥基，左炔諾孕酮將主要通過這種方式來發(fā)揮其毒理和藥理作用。

［1］何淑明, 邢福祺. 左旋炔諾酮宮內(nèi)緩釋系統(tǒng)對子宮疾病的治療作用[J]. 海南醫(yī)學(xué). 2006，2(4)：34-36.

［2］黃 婷, 曾 佳, 曹云峰, 謝曉玉, 鄭 偉, 陳良康, 陳建興. 2007—2011年美國 FDA批準(zhǔn)上市的復(fù)方口服避孕藥概況[J]. 中國新藥與臨床雜志, 2012，12(9)∶24-26.

［3］何淑明, 袁國勝, 周強(qiáng), 李文. 小劑量左旋炔諾酮治療高膽固醇血癥療效觀察[J]. 鄭州大學(xué)學(xué)報(醫(yī)學(xué)版) , 2003, 2(6)∶25-26.

［4］裴泓波, 武俊青, 周 穎, 趙 瑞, 李玉艷, 張玉鳳. 已婚婦女避孕方法與其人口學(xué)特征的多重對應(yīng)分析[J]. 中國衛(wèi)生統(tǒng)計, 2011，12(5) ∶34-36.

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Density Functional Theory Study of Pharmacological Activity of Levonorgestrel

HE Xin-jv，PEI SHI-eng，CHEN De-fu, LIU Shi-yong, ZHONG Ai-guo
（College of Chemical Engineering and Pharmacy, Taizhou University, Zhejiang Taizhou 318000，China）

Using density functional theory DFT/B3LYP/6-311 + G (d, p) method and basis set, levonorgestrel’s electronic spectra of UV-Vis spectroscopy, IR spectroscopy, 1HNMR spectrum and fluorescence spectroscopy were theoretically simulated and identified. Natural charge calculation shows that the hydroxyl on C atom of carbon-carbon triple bond may play the pharmacological activity center of electrophilic and nucleophilic reaction.

levonorgestrel；density functional theory；electronic spectra

TQ 624.1

A

1671-0460（2015）09-2097-03

浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新項目（2014R428015）和國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃（201510350015）資助。

2015-03-20

何新菊（1991-），女，廣西賀州人，臺州學(xué)院高分子材料專業(yè)，研究方向：從事高分子研究工作。E-mail：2804006737@qq.com。