抗脑卒中病化合物ZL006光学活性密度泛函研究

朱明臣，鲍 颖，叶余原

抗脑卒中病化合物ZL006光学活性密度泛函研究

朱明臣，鲍 颖，叶余原

（台州学院医药化工学院，浙江 台州 318000）

采用密度泛函理论的DFT/B3LYP/6-31+G(d,p)方法和基组, 对抗脑卒中病化合物ZL006分子的紫外-可见（UV-Vis）吸收光谱，红外（IR）吸收光谱，核磁共振（1HNMR）吸收光谱等谱学性质，进行了模拟和归属分析，所得模拟结果基本与实验数据相吻合。

ZL006；密度泛函理论；电子光谱

脑卒中学名脑中风，是脑溢血、脑梗塞和蛛网膜下腔出血等脑血液循环障碍性疾病的总称，又叫脑血管意外，是严重危害人类生命健康安全的常见难治性疾病[1]。又因各种诱导引起脑内动脉闭塞、狭窄或破裂等急性脑血液循环障碍因素的不同，分为缺血性和出血性脑卒中。而后者又分为脑出血和蛛网膜下隙出血；前者则又区分为动脉硬化血栓性脑梗死和腔隙性脑梗死心以及源性脑栓塞[2]。目前医疗界治疗脑卒中的一线药物有抗血栓药、溶栓药、抗凝药、抗血小板药、降纤药、他汀类药物、脑保护药等[3-5]，但是对神经都有很大的毒副作用。新型的靶点药物ZL006是一种一端亲水另一端疏水的小分子化合物，是朱东亚教授等经过多重筛选，研究发现的一种针对新药物作用靶点且能有效避免副作用的治疗脑卒中的小分子药物。ZL006改变了以往的研究方向，另辟蹊径，从源头上去治疗，即在药理上通过阻断细胞浆内的神经元型一氧化氮合酶（nNOS）与细胞膜上的突触后密度蛋白（PSD-95）的“结合”来发挥药力作用，避免了直接干预NMDAR或nNOS带来的副作用。该药物从众多实验数组中筛选得到，通过转变苯环上的取代基为卤素、羟基、羧基等，最后得ZL001～ZL010药物。实验人员继续研究这 10种药物阻断两种蛋白耦联能的能力，最终选出了ZL006。从该药物虽还未进行过临床试验投入生产，但是这种研究创新，为治疗脑卒中病开辟了新的天地。本文在优化结构的基础上，模拟得到ZL006分子的红外吸收光谱、紫外吸收光谱以及核磁共振光谱并进行了指认，同时通过对原子电荷、分子极性、等参数进行了理论预测，获得了有价值的结果。

1 计算与参数

对标题分子 ZL006 (C13H11NO4Cl2)， 采用 DFT B3LYP/6-311+G(d,p) 理论和方法水平, 进行了标题分子基态的结构优化（如图1）。

2 讨论与结果

2.1 分子几何结构分析

用密度泛函理论（DFT）的 B3LYP 方法，在6-311+G（d,p) 基组水平上，对标题分子的几何结构进行了基态优化模拟计算。模拟数据表明，正常的C = C和C-C键键长为（1.33 Å ～1.54 Å），C-Cl单键(1.72 Å ～1.85 Å)， C-O单键(1.20 Å ～1.43 Å) ，C = O双键(1.21 Å ～1.23 Å)， C-N单键(1.47 Å ～1.52 Å)，O-H(0.96 Å ～1.52 Å)。表中部分分子键长数据优化表明： 除C17-N18(1.42 Å)的键长稍小外，其他均在正常范围内。结合图1分析，C17-N18(1.42 Å)的键长稍微小是因为C原子出现在苯环上，而苯环是比较稳定的。

对应的C29= O30双键(1.236 3 Å) 键长稍小于C6-O11键(1.374 5 Å)、C23-O27键(1.369 1 Å)和C29-O31键(1.410 7 Å)的键长， 符合稳定空间结构的构象要求。对比C6、C23和C29三个位置的羟基键长，发现C6位置的酚羟基中O11-H12键长为0.992 3 Å，比C23（O27-H28）和C29（O31-H32）上羟基的键长大，这可能与邻位的氯基和长支链有关。H28-O31键(1.732 9 Å)是原构建的结构上不存在的键，可能是氢键。而且分子内氢键的形成使分子结构更稳定。

由分子价键理论可得，分子的键长越长，其键能越小，反应活性越强。我们已从ZL006的分子结构上可以看出，化合物C23上的酚羟基与邻位C25上羧基的羟基形成了分子内氢键。而氢键的形成可以使得酚羟基的键长伸长的同时，又可以稳定C23上酚羟基的氢，使其不易离去，降低其反应活性，所以不能仅凭借酚羟基的键长大小来衡量其活性，还需结合后续的光谱分析等来综合判断。

表中列出的键角数据表明：由 C6-C5-C4-C3-C2-C1原子形成的六元环的角数据和 C18-C19-C21-C25-C23-C20原子组成的六元环的夹角数据均在120.0 ° 附近，表明其环状结构是稳定的。表中也列出的二面角数据表明：2个六元环不在同一个平面。分子中的支链如-CH2-NH-等与苯环分子没有处于同一平面上。

2.2 紫外-可见（UV-Vis）吸收光谱

紫外分析对研究共轭程度、氢键、空间效应等有很大的作用。全部过程均采用Gaussian 09W软件计算完成。在用上述程序建构分子模型后，利用Ground State，B3LYP方法进行了优化。然后采用两种不同方法：（1）TD-DFT下使用不同基组（包括STO-3G, 3-21G, 3-21+G, 6-31G, 6-31+G）在不同溶剂中进行计算；（2）利用半经验方法ZINDO计算不同溶剂中的紫外-可见光谱。通过比较两种方法的计算结果，寻找到最接近实验数据的模拟条件。采用第二种方法，模拟显示了紫外-可见吸收光谱(图2)。在图2中， ZL006分子在267.3 nm (强吸收) 处出现了紫外吸收峰，说明有苯环的存在，很好地模拟指认了ZL006分子，也进一步验证了计算的准确性。

2.3 红外（IR）吸收光谱

标题分子的模拟红外振动光谱（见图3）。在图3中出现了 ZL006分子的特征峰值: 3 644.76 cm-1(O31-H32，伸缩)；3 560.54 cm-1(N-H，伸缩)； 3 444.67 cm-1(O27-H28，伸缩)；3 370.31 cm-1(O11-H12，伸缩)；3 076.06 cm-1(亚甲基伸缩)；1 739.87 cm-1（C = O伸缩）； 1 692.22～1 464.11 cm-1（C = C骨架伸缩)；1 001.11～628.31 cm-1(C-H面外弯曲振动)；715.25 cm-1(C-Cl伸缩)；在低频率范围内（< 450 cm-1）还出现较多发散的吸收峰，这主要是苯环上的H原子的特征指纹区。

红外光谱峰的位置是由振动频率决定的，其化学键的力常数K越大，则原子折合质量m越小，键的振动频率越大，吸收峰将出现在高波数区（短波长区）；反之，则会出现在低波数区（高波长区）。比较3个羟基（O31-H32，O27-H28，O11-H12）的伸缩振动频率可得，B 环羧基上的羟基（O31-H32）的振动频率最大，B 环上的酚羟基（O27-H28）的振动频率次之，A 环上的酚羟基（O11-H12）最小。因为化学键的键强度与其振动频率成正比，且化学键越强越不容易断开，所以B 环羧基上的羟基（O31-H32）键强最大，则其活性就越小。活性大小为：O11-H12＞O27-H28＞ N-H ＞ O31-H32。

2.4 核磁共振吸收光谱

核磁共振氢谱图能很好地从特征峰的数目反映有机分子中氢原子的化学环境种类。从不同特征峰的强度比能反映不同化学环境下氢原子的数目比。

采用密度泛函理论方法（DFT），对1HNMR 谱，采用DFT/B3LYP/6-31G//DFT/B3LYP/6-31G水平上进行优化计算, 得到ZL006分子的核磁共振氢谱数据。同时用ChemDraw模拟得到ZL006分子的核磁共振谱图，见图4。二者的数据相近，进一步验证了计算的准确性。

2.5 原子电荷

优化后ZL006分子中各原子的NBO电荷分布见表1。由于N和O原子的电负性比C和H原子大。因此,在ZL006分子中，10个C原子 ( - 0.310e ～ -0.055e ) 、4个O原子( - 0.740e ～ - 0.558 e )和N原子 ( - 0.677e )均带有净的负电荷。其余的碳 、氢和氯原子均带有部分正电荷，且氢原子带有较大的正电荷。而羧基羟基上的O31电荷最负( - 0.740 e )，其次为其邻位羟基上的O27电荷（- 0.705 e )； 电荷最正的是羧基羟基上的H32电荷( 0.514 e )。因此，由自然电荷计算表明，O31，O27，O11，N16，O30原子很可能是亲电反应作用点，H17，H32原子很可能是亲核反应作用点。综上可推测得胺基，羧基很可能是其发挥药理和毒理活性的亲电和亲核反应中心。

2.6 极性和反应活性

偶极矩是用来表示药物分子极性的重要物理量。用量子化学程序计算得到ZL006分子的偶极矩为(3.5725 D)，为弱极性。根据前线轨道理论，最高电子占据轨道（HOMO）和最低电子未占轨道（LUMO）分子中的电子就像原子轨道中的价电子一样是化学反应中最活泼的电子，它也是有机化学反应的核心。在分子中，HOMO轨道反映了失电子能力，其轨道能量最高，该轨道上的电子越不稳定，容易失电子；而LUMO轨道能量越低，越容易得到部分电子。所以这两个轨道能量的高低决定着分子的电子得失和转移电子的能力和分子间反应的空间取向等化学性质。

图5为ZL006分子的前线轨道分布示意图。

从图中可以看出该分子的HOMO和LUMO。首先从HOMO结构看B环上是遍布这个六元环的大π键，分子骨架外围羧基的2个氧原子上的p轨道存有明显的成分，胺基和亚甲基上也有明显的成分；A环上的酚羟基有一定分布，但电子云密度很小。而从LUMO结构看, 只有B环上有较明显分布，且羧基上的2个氧原子上的p轨道仍存有明显的成分，而A环上的酚羟基电子云密度分布更小了。又因为HOMO上电子云成分多的原子是亲核活性点，而LUMO上电子云成分多的原子是亲电活性点。由此可见，胺基、羧基很可能是其发挥药理和毒理活性的亲电和亲核反应中心。

能差 ΔE(ELUMO- EHOMO) 的大小，反映其参加化学反应活性的大小和潜力。如果它的差值越大，分子稳定性就越强；相反就越不稳定，就越易参与化学反应等。标题分子ZL006的计算结果为：EHOMO= -0.23797 au = -624.79 kJ.mol-1，ELUMO=-0.06177au =-162.17 kJ.mol-1，ΔE=ELUMO- EHOMO=462.62 kJ.mol-1。由计算结果可知该分子能隙较大，所以参加化学反应活性将会较弱。

3 结 论

（1）几何优化表明，ZL006存在氢键且具有稳定的分子构型，红外吸收光谱表征与官能团吻合较准确，并通过紫外吸收光谱和核磁共振进一步验证了实验的准确性。而且通过红外和结构分析，发现羟基和胺基具有活性。

（2）通过对偶极矩的测定，推测ZL006在水中的溶解能力较强，在生物体极性环境中活性会更高。

（3）通过NBO电荷分布和前线轨道分析，我们推测分子活性最强的部位在胺基和羧基上，通过亲核反应和亲电反应来发挥其毒理和药理作用。

［1］李 旭, 刘庆山. 抗脑卒中药物的研究进展[J]. 中央民族大学学报(自然科学版), 2013,22(01):56-59.

［2］张国瑾, 赵增荣. 国外医学脑血管病研究进展 [M]. 第一版. 北京:中国医药科技出版社, 2000:179-186.

［3］江胜强, 夏文燕. 南医大教授发现治疗脑卒中新药物作用靶点[N].江苏科技报, 2011，11（2）：26-27.

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［5］范峰滔, 徐倩, 夏海岸, 孙科举, 冯兆池, 李灿. 催化材料的紫外拉曼光谱研究[J]. 催化学报, 2009,30(08):717-739.

Study on Optical Activity of Anti-stroke Compound ZL006 by Density Functional Theory

ZHU Ming-chen，BAO Ying,YE Yu-yuan
（ College of Chemical Engineering and Pharmacy, Taizhou University, Zhejiang Taizhou 318000, China）

Using density functional theory DFT/B3LYP/6-31+G(d,p) method and basis set, electronic spectra of UV-Vis spectroscopy, IR spectroscopy,1HNMR spectrum and NBO of anti-stroke compound ZL006 were studied by the theoretical simulation and identifying.

ZL006; Density functional theory; Electronic spectra

TQ 624.2

： A

： 1671-0460（2015）05-0904-03

浙江省大学生科技创新项目（新苗人才计划），项目号：2014R428015。

2015-03-27

朱明臣(1990-)，男，11级高分子专业，河南开封市，研究方向：有机合成。从事技术工作：化学制药E-mail： 519700998@qq.com