李蔭 徐裕深 梁小蕊

摘 ? ? ?要：采用密度泛函理論B3LYP方法，研究了奧利司他分子。用 6-31G（d，p）基組計算了奧利司他分子的最穩(wěn)定構(gòu)型。在最穩(wěn)定構(gòu)型的基礎(chǔ)上采用同樣的理論方法計算得到了奧利司他分子的紅外振動頻率、核磁共振氫譜（1H NMR）和碳譜（13C NMR）。根據(jù)紅外吸收峰強度將紅外光譜分成5個區(qū)域，討論了各區(qū)域的振動模式，并討論了奧利司他分子的核磁共振1HNMR和13CNMR化學位移數(shù)據(jù)。

關(guān) ?鍵 ?詞：奧利司他;密度泛函理論;紅外光譜;核磁共振

中圖分類號：O657.3 ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? 文章編號： 1671-0460（2020）08-1630-05

Abstract： The molecule of orlistat was studied by density functional theory method. The stable structure and molecular orbital of orlistat were calculated by the method of B3LYP at 6-31G（d，p） level. Based on the stable configuration， the infrared vibration frequency， 13C NMR and 1H NMR of orlistat molecule were calculated by the same method. According to the vibration intensity， the infrared spectroscopy （IR） were divided into five regions， and their vibration mode were studied respectively. Then chemical shift of 13C NMR and 1H NMR were analyzed.

Key words： Orlistat; Density functional theory; Infrared spectra; 1H NMR spectra; 13C NMR spectra

奧利司他（Orlistat）為非作用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的肥胖癥治療藥，是美國FDA于1999年批準，用于肥胖癥長期治療的新藥藥物[1-2]。該藥僅作用于胃腸道，通過抑制胃腸道的脂肪酶（脂肪酶為胃腸道分解脂肪所必需的酶，本品可與胃、胰脂肪酶的絲氨酸殘基結(jié)合，使脂肪酶失活，使其不能將食物中的脂肪分解為游離脂肪酸，抑制脂肪的利用和吸收），阻止三酰甘油水解為游離脂肪酸和單?；视王?，減少腸腔黏膜對膳食中脂肪（三酰甘油）的吸收，促使脂肪排出體外[3-9]。此外，本品尚可降低與肥胖癥相關(guān)的危險因素。

近幾年，我國食品市場上出現(xiàn)的減肥類保健食品日益增多，許多不法廠家為獲得明顯的療效，在保健食品中添加此類處方藥成分以達到速效、強效的目的。因此，為保護消費者的健康，對此類保健食品進行定性和定量檢測，成為保障減肥藥品市場安全的有效方法[10-11]。

1 ?計算方法

本文基于Gaussian09程序，采用密度泛函理論中的雜化密度泛函B3LYP方法，選取6-31G（d，p）基組，優(yōu)化得到了奧利司他分子的穩(wěn)定構(gòu)型。在最穩(wěn)定構(gòu)型的基礎(chǔ)上采用同樣的理論方法計算得到了奧利司他分子的紅外振動頻率、核磁共振氫譜、碳譜，并進一步探討了奧利司他分子的光譜特征。

2 ?結(jié)果與討論

2.1 ?分子的幾何構(gòu)型

圖1是奧利司他分子的平面結(jié)構(gòu)，采用密度泛函理論方法B3LYP/6-31G（d，p）基組對奧利司他分子進行了幾何結(jié)構(gòu)全優(yōu)化，優(yōu)化后得到兩種穩(wěn)定構(gòu)型，其原子編號及笛卡爾坐標系見圖2。計算結(jié)果顯示這兩種構(gòu)型的最低能量分別為E =-1 568.01 au和 ?E =-1 566.00 au，由此可見第一種構(gòu)型能量最低，是最穩(wěn)定的構(gòu)型，并且經(jīng)振動頻率分析所得分子結(jié)構(gòu)無虛頻，即為穩(wěn)定分子構(gòu)型，因此我們將其具體的結(jié)構(gòu)參數(shù)列于表1中，進行分析探討。

由表1的鍵長數(shù)據(jù)可以看出，奧利司他分子中C35—O40、O40—C41鍵長分別為0.146 9、0.134 1 nm，與未取代的碳氧單鍵鍵長0.143 0 nm相比，前者鍵長增加，后者鍵長減小;C41—C69、C69—C71鍵長為 ?0.153 1、0.154 6 nm，與一般碳碳單鍵鍵長0.154 0 nm相比，前者鍵長略小，后者略有增加;C69—N84、 ? ?N84—C86鍵長分別為0.145 4、0.136 5 nm，與未取代的碳氮單鍵鍵長0.147 0 nm相比，均減小。這些數(shù)據(jù)顯示C35～C80這部分取代基在分子中形成了一個π共軛系統(tǒng)。

由圖2可知，奧利司他分子并不是一個平面結(jié)構(gòu)，從表1中的二面角數(shù)據(jù)可以看到，C1～C35所在的碳鏈處于x軸負方向，為平面結(jié)構(gòu)。而與C35相連的兩條支鏈則開始出現(xiàn)扭曲，∠C29—C32—C35—C37 =-69.72°，∠C32—C35—C37—C67=126.20°，∠C35—C37—C67—O46=-65.63°，∠C32—C35—O40—C41=-157.51°，說明C1～ C35所在碳鏈與C37～C67所在支鏈存在絕對值為60°左右的二面角，與O40—C41所在支鏈存在絕對值為157.51°的二面角;∠C67—C37—C35—O40=-115.36°，∠C37—C35—O40—C41=78.49°，說明C37—C67所在支鏈與O40—C41所在支鏈之間有絕對值為70°左右的二面角。

2.2 ?紅外光譜及分析

中紅外光譜圖（400～4 000 cm-1）能反映分子轉(zhuǎn)動和振動的特征，引起分子偶極矩變化的振動形式可分為伸縮振動和彎曲振動兩種。伸縮振動包括對稱伸縮振動和反對稱伸縮振動，彎曲振動又包括剪式振動、對稱變形振動、不對稱變形振動、平面搖擺振動、垂直搖擺振動和扭曲振動[12-15]。本文在優(yōu)化穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用密度泛函B3LYP/6-31G方法，計算得到了奧利司他分子在中紅外區(qū)的紅外振動光譜，如圖4所示。分析振動頻率發(fā)現(xiàn)，按照分子紅外吸收峰情況，可將奧利司他紅外振動光譜分為400～700、700～1 200、1 200～1 600、1 800～2 000、2 900～3 200 cm-1 ?5個區(qū)域進行分析。

在400～700 cm-1區(qū)域內(nèi)，奧利司他分子的主要振動形式為分子中各基團碳氫鍵的面內(nèi)彎曲振動。由圖3可以看出，這一區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的譜峰較其他區(qū)域要弱，最強峰出現(xiàn)在639 cm-1的位置，它主要是由N84—H85、C69—H70、C71—H72、C71—H73的平面搖擺振動引起的。除此之外，這一波數(shù)范圍內(nèi)大量分子的振動沒有相應(yīng)的譜峰出現(xiàn)，分析振動頻率數(shù)據(jù)可知，這主要是由于這些振動模式的強度較弱，沒有引起分子偶極矩發(fā)生明顯變化而導致的。

700～1 200 cm-1區(qū)域內(nèi)，有兩個較強吸收峰出現(xiàn)在708、736 cm-1處，主要是由N84—H85的平面搖擺振動和H73—C71—H72的不對稱變形振動引起的，振動模式見圖4;這個區(qū)域內(nèi)的次強峰出現(xiàn)在1 147、 ? ?1 157 cm-1的位置，主要是由C44所在的四元環(huán)及環(huán)上取代基中的碳氫面外彎曲振動引起的，見圖5。

1 200～1 600 cm-1區(qū)域出現(xiàn)的兩個最強峰，位置分別在1 253、1 303 cm-1處，其中1 253 cm-1處的吸收峰主要貢獻是H38—C37—H39的不對稱彎曲振動和C69—H70的平面搖擺振動，其振動模式如圖6所示;1 303 cm-1處的吸收峰主要是由N84—C86的伸縮振動、N84—H85和C86—H87的平面搖擺振動以及H70—C69—H72的對稱變形振動引起的。

1 800～2 000 cm-1區(qū)域的譜峰主要是分子內(nèi)基團的伸縮振動引起的，與其他區(qū)域中譜線的強度相比，本區(qū)域出現(xiàn)的振動峰整體強度是整個分子中最強的，其中最強峰出現(xiàn)的位置是1 856 cm-1，這也是整個光譜中的最強峰，主要是由C86=O88的伸縮振動引起的，同時伴隨著N84—H85和C86—H87的平面搖擺振動;這一區(qū)域的次強峰出現(xiàn)在1 963 cm-1處，這也是整個紅外光譜中的次強峰，主要是由C44=O47的伸縮振動引起的。

在2 900～3 200 cm-1區(qū)域，紅外譜峰主要對應(yīng)奧利司他分子中各基團的伸縮振動。這部分的最強峰出現(xiàn)在3 039 cm-1處，主要是由C1—C29支鏈上 ? ? H—C—H的對稱伸縮振動引起的，其振動模式見 ?圖7;而這部分的次強峰是在3 093 cm-1處出現(xiàn)，這恰好是由C1—C29支鏈上H—C—H的不對稱伸縮振動引起的。

2.3 ?核磁共振及分析

核磁共振氫譜（1H NMR）和碳譜（13C NMR）可以反映化合物的分子結(jié)構(gòu)[16-18]，其中1H NMR能反映H原子所處的化學環(huán)境，13C NMR則可以反映有機化合物的結(jié)構(gòu)骨架信息。本文在分子結(jié)構(gòu)全優(yōu)化的基礎(chǔ)上，采用規(guī)范不變原子軌道NMR=GIAO的方法，以四甲基硅烷TMS為內(nèi)標，計算了奧利司他分子的核磁共振1H NMR和13C NMR化學位移數(shù)據(jù)，結(jié)果見表2。

在核磁共振氫譜中，化學位移數(shù)值的大小反映了所討論氫原子核外電子云密度的大小，即氫原子核外s電子的電子云密度的大小。s電子的電子云密度越大，化學位移的數(shù)值越小，反之亦然[19-21]。由表2中數(shù)據(jù)可知奧利司他1H NMR譜中化學位移值最大的是87號氫原子，δH=7.442 8×10-6，這是由于與該氫原子相連的86號碳原子上面取代了氮原子和氧原子，均為電負性強的基團，這些基團吸引電子，使鍵電子更靠近C86，因而對于相連的H87有去屏蔽作用，使其化學位移數(shù)值增大。其次是H68和H36，δH分別為4.604 9×10-6、4.019 4×10-6，二者化學環(huán)境相似，在其鄰位碳上都有O的取代，吸引電子，對H68和H36有去屏蔽作用，使其化學位移值較大，并且數(shù)值相近。

由于有機化合物骨架是由碳原子構(gòu)成的，有些官能團不含氫原子，但含碳原子，并且核磁共振碳譜的化學位移數(shù)值變化范圍遠遠大于氫譜的，其譜線是一條一條呈現(xiàn)的，很少有譜線重疊的情況，因此13C NMR譜對于推導未知物結(jié)構(gòu)或者確認結(jié)構(gòu)都非常重要[19-21]。由表2的理論計算結(jié)果可知，奧利司他分子碳譜中化學位移值最大的3個碳：C41、C44和C86，其δC分別為161.21×10-6、155.24×10-6、137.88×10-6，這3個碳均為羰基碳，羰基的譜峰處于在13C NMR譜中的最低場，很容易識別。而羰基若與雜原子相連會產(chǎn)生比較大的高場位移，這就是C86的化學位移比其他兩個羰基小的原因?；瘜W位移在65.34×10-6和60.97×10-6的兩個位置上的是C35和C67，二者均為與氧相連的次甲基，由于C67是處于四元環(huán)中的碳，因此其化學位移較C35略小。

3 ?結(jié) 論

本文采用密度泛函理論B3LYP方法，從理論角度研究奧利司他藥物分子。選取6-31G（d，p）基組，對奧利司他分子的結(jié)構(gòu)進行了最低能量優(yōu)化，分析了其優(yōu)化構(gòu)型的特點，發(fā)現(xiàn)奧利司他分子不是一個平面結(jié)構(gòu)，分子中有一個π共軛系統(tǒng)。

采用同樣的方法，計算得到了奧利司他分子紅外振動光譜，分析發(fā)現(xiàn)：在400～700 cm-1區(qū)域內(nèi)，主要振動形式為分子中各基團碳氫鍵的面內(nèi)彎曲振動;700～1 200 cm-1區(qū)域內(nèi)，主要是平面搖擺振動和不對稱變形振動;1 200～1 600 cm-1區(qū)域主要是不對稱彎曲振動和平面搖擺振動;1 800～2 000 cm-1區(qū)域的譜峰，主要是分子內(nèi)基團的伸縮振動引起的，本區(qū)域出現(xiàn)的振動峰整體強度是整個分子中最強的; 2 900～3 200 cm-1區(qū)域，主要對應(yīng)奧利司他分子中各基團的伸縮振動。

對奧利司他分子氫譜的研究發(fā)現(xiàn)，化學位移值最大的是87號氫原子;分子碳譜中化學位移值最大的3個碳是C41、C44和C86。

總的來說，本文的研究結(jié)果可為奧利司他分子結(jié)構(gòu)的鑒定提供光譜解析方面的理論依據(jù)，簡化化合物結(jié)構(gòu)鑒定工作。

參考文獻：

[1]錢磊，向華，尤啟冬，等. 減肥藥物最新研究進展[J].中國新藥雜志，2007，l6（6）：437-442.

[2]涂春聯(lián)，李紅勝. 黃連解毒湯治療肥胖型2型糖尿病臨床研究[J].中醫(yī)學報，2015，30（5）：644-646.

[3]NG M，F(xiàn)LEMING T，ROBINSON M，et al. Global，regional，and national prevalence of overweight and obesity in children and adults during 1980-2013：a systematic analysis for the global burden of disease study 2013[J].Lancet，2014，384：766.

[4]AHN S M，KIM H，JI E，et al. The effect of orlistat on weight reduction in obese and overweight Korean patients[J].Arch Pharm Res， 2014， 37（4）：512-519.

[5]LI Y， CHEN C， MA Y， et al.Multi-system reproductive metabolic disorder：significance for the pathogenesis and therapy of polycystic ovary syndrome （ PCOS）[J].Life Sci，2019，228：167-175.

[6]黃秋菊，李玉蘭. 奧利司他療效研究及不良反應(yīng)[J].現(xiàn)代醫(yī)藥衛(wèi)生，2018，34（19）：3025-3027.

[7]曹媛，李娜，賀苗. 奧利司他對肥胖2型糖尿病患者血糖和血脂的影響[J].西南國防醫(yī)藥，2019，29（5）：586-588.

[8]閔敏，阮祥燕，趙越，等. 奧利司他綜合干預對超重或肥胖型PCOS患者雄激素及糖脂代謝的影響[J].首都醫(yī)科大學學報，2019，40（4）：572-577.

[9]侯亞利，鄧飛.膳食療法聯(lián)合奧利司他治療內(nèi)分泌失調(diào)性肥胖的效果[J].航空航天醫(yī)學雜志，2019（1）：72-73.

[10]鄢兵，劉廷華，胡海山，等. HPLC法同時測定減肥藥中四種違禁減肥藥物成分[J].現(xiàn)代科學儀器，2012（1）：104-107.

[11] 魏強. 高效液相色譜分析三類保健食品中常見違禁藥物的方法研究[D].南昌：南昌大學，2008.

[12]劉存海，張勇，柳葉，等. 鹽酸克倫特羅的密度泛函理論研究[J].計算機與應(yīng)用化學，2014，31（2）：223-225.

[13]于建成，唐延林，常瑞等. 基于密度泛函的茶多酚分子EGCG和GCG的光譜計算[J].光譜學與光譜分析，2019，39（6）：1846-1851.

[14]劉存海，張勇，劉芬芬，等.香蘭素的密度泛函理論研究 [J].化學工程師，2012，26（12）：18-20.

[15]蔡開聰，杜芬芬，劉佳等.Gaussian軟件在紅外光譜學教學中的應(yīng)用[J].化學教育，2014，35（8）：50-53.

[16]何偉平，黃菊，陳秒慧，等. 頭孢氨芐的密度泛函研究[J].四川大學學報（自然科學版），2018，55（3）：564-570.

[17]許旋，徐志廣，羅一帆.紫杉醇的核磁共振譜及其分子幾何構(gòu)型的從頭算研究[J].物理化學學報，2002，18（5）：420-425.

[18]DITCHFIELD R. Self-consistent perturbation theory of diamagnetism： I. a gauge-invariant LCAO method for NMR chemical shifts[J]. ?Mol. Phys.，1974，27：789.

[19]寧永成. 有機波譜學譜圖解析[M].北京：科學出版社，2010.

[20]張華. 有機結(jié)構(gòu)波譜鑒定[M].大連：大連理工大學出版社，2009.

[21]梁小蕊，牛妍懿，劉潔.海洋天然產(chǎn)物Trichodermaxanthone分子光譜的理論研究[J].海軍航空工程學院學報，2019，34（5）：459-464.