橙皮素电场作用的分子结构和红外光谱精细分析

王新强, 葛浩然, 李桂琴, 叶松, 汪杰君, 甘永莹, 王方原

摘　要　橙皮素(HES)是一种二氢黄酮药物,为研究在外电场(EEF)作用下,HES的分子结构和光谱的变化，本文利用密度泛函理论(DFTY)以及6-311G(d,p)基组，在外电场(-0.005～0.010a.u.)作用下优化HES分子的基态几何构型,研究了分子总能量、红外光谱( IRS)、偶极矩(DM)和能隙。在此基础上，采用含时密度泛函理论(TDDFT)，研究不同EEF下对紫外可见吸收光谱(UV-Vis-S)、激发态(ES)的影响。结果显示，随着EEF的增强，分子总能量先升后降，DM则先降后增，键长和振子强度(OS)的变化复杂。正负EEF都增强时，能隙不断减小，IRS吸收峰(AP)和UV-Vis-S的2个AP均出现了频谱移动 ,分子各个激发态能量(EE)呈现减小趋势。分析外电场下物质的分子结构和光谱,将为研究橙皮素的药效对其进行电场解离提供理论参考。

关键词： 橙皮素(HES); 外电场(EEF); 分子结构; 光谱

引  言

橙皮素(hesperetin, HES)是二氢黄酮中的一种关键性药物，具有健胃、利尿、抗动脉粥硬化、调节心血管功能、抗病毒、保护视力、保护神经系统以及提高其他药物生物利用度的疗效，广泛应用于医学的各个领域。HES还是-淀粉酶抑制剂，能有效的缓解糖尿病。另外HES还有抑制癌细胞的扩大、转移以及抗肿瘤的作用。近年来，人们主要研究了HES的抗氧化和抑制癌细胞的功效，例如探究HES抗氧化活性，抵制致癌基因表达，但是对橙皮素在外电场(external electric field, EEF)下的分子结构、红外光谱(infrared pectroscopy, IRS)及紫外可见吸收光谱(UV-visible absorption spectrum,UV-Vis-S)的研究很少有报道。EEF会对分子特性产生一定的影响，改变其电子光谱、分子取向甚至产生新的化学键。研究EEF下HES分子特性，可以为电场解离方法研究其抗氧化和抗菌抗癌的功效提供理论指导。本文首先选用密度泛函理论(density function theory, DFTY),分析了EEF作用下HES分子的键长、偶极矩(dipole moment,DM)和IRS的吸收峰(absorption peak,AP)的蓝移(blue shift,BS)和红移(red shift,RS)。接着通过TDDFT方

法进行仿真得到不同EEF下激发态(excited state,ES)的激发能(excitation energy,EE)和振子强度(oscillator strength,OS),图1为其未优化的分子结构图。

图1  未优化的HES分子结构图

Fig. 1  Unoptimized molecular structure of HES 

                                                                                                                                                                                                                                                                          1  理论和计算方法

考虑EEF的作用,分子体系由两块组成

               (1)

其中,是无EEF的哈密顿量,为EEF与分子体系的相互作用。考虑, EEF与分子体系的相互作用能为

                (2)

其中是分子电偶极矩, F为外电场。

本文利用软件,首先选用DFTY/ B3LYP/6-311G(d, p)方法,沿X轴方向施加EEF(-0.005～0.010a.u.)。接着分析了不同EEF下HES分子的基态几何参数和IRS的改变情况。最后通过方法,在相同的基组下,仿真HES分子,得到前9个单重ES的EE和OS，并分析其在不同EEF下的变化情况。

无EEF作用时对HES分子优化后的基态结构如图2所示。对比图1图2，可以发现图2中C1与O18间的单键、C2与C26间的单键都优化成了双键，转变为烯醇式结构，这样促使分子中更多的基团与苯环处于同一个平面，构成一个共轭体系，使分子能量降到最低，形成最稳定的结构。

图2  无EEF作用的HES分子优化结构图

Fig. 2  Optimized molecular structure of HES without EEF

2   结果与讨论

2.1 不同EEF下HES分子的几何结构

采用DFTY/B3LYP/6-311G(d, p)方法,在EEF(-0.005～0.010a.u.)作用下进行优化,得到HES的基态稳定结构的主要参数,见表1和表2。

从表1可以看出,在EEF作用下, HES的基态总能量在负向EEF(-0.005～0a.u.)下不断增大,而在正向EEF(0～0.005a.u.)上升（上升0.00615a.u.），在EEF(0.005～0.01a.u.)下逐步衰减(衰减0.00248a.u.，斜率变小)，如图3所示。DM的改变则恰恰相反,在EEF(-0.005～0a.u.)一直减小,而在正向EEF(0～0.01a.u.)先降低后升高,在F=0.005a.u., DM达到极小值为4.8791。如图4所示。

表2列出了部分键长在不同EEF下的大小,从图5可以看出,在EEF(-0.005～0.010a.u.)作用下, R(1,2)的键长不断伸长,而R(1,18), R(2,26), R(21,30), R(34,35)的键长明显缩短; R(13,14)的键长在负向EEF(-0.0050～0a.u.)作用下缓慢缩短,而在正向EEF(0～0.01a.u.)下逐渐被拉长,变化并不强烈(标准差为0.00075Å);另外R(20,24), R(25,26)也有小幅缩短的现象,变化也不强烈(标准差分别为0.00121Å,0.00164Å)。

图3  分子在EEF作用下的基态总能量变化

  Fig. 3  Ground state energy of HES under different EEF

图4  分子在EEF作用下的偶极矩变化

        Fig. 4  Dipole moment of HES under different EEF

图5  分子部分键长随EEF变化的关系

(a) R(1,2),R(2,26),R(1,18),R(34,35);

(b)R(13,14),R(21,30),R(20,24),R(25,26)

 Fig. 5  Partial results of several bond lengths under different EEF

(a)R(1,2),R(2,26),R(1,18),R(34,35); (b)R(13,14),R(21,30),R(20,24),R(25,26)

分子内电场与EEF的叠加作用,能定性的分析键长的变化现象。当施加的EEF不断增强,C1与C2间的内电场随着电子的局域转移而不断减弱,使R(1,2)的键长伸长,且EEF越大,R(1,2)的键长伸长的速度越快; 相应的,EEF与内电场的叠加使R(1,18), R(2,26), R(21,30), R(34,35)的内电场不断增强,键长也随之不断缩短; 在EEF（-0.005～0.0025a.u.）作用下,由于内电场与EEF有同样的方向,相互作用后R(13,14)键长缓慢缩短。相反,在EEF(0.0025～0.01a.u.)作用下,内电场与EEF方向不同,叠加后R(13,14)键长缓慢伸长,变化并不明显; 同理,在X方向上施加EEF对O20-H24,C26=O25及C13-C14的内电场几乎没有影响,因此R(20,24),R(25,26),R(13,14)的键长变化不明显。

2.2 不同EEF下能隙的变化

通过DFTY/ B3LYP/6-311G(d, p)方法,对HES进行优化后，接着计算HES的能量,同时施加EEF(-0.005～0.010a.u.),得到HES的最低空轨道()能量,最高占据轨道()能量,见表3。能隙的计算公式:

                  (3)

由公式(3)得到的最终结果列于表3中。  

图6是能隙随EEF的变化图,在X方向上施加负向EEF(由0增至0.005a.u.)和正向EEF（由0增至0.010a.u.），迅速减小，说明在正负向EEF都增大时,电子易发生跃迁,分子更易被激发，因此处于活跃的状态。

图6  不同EEF下能隙的变化

 Fig. 6    Energy gapsunder different EEF

2.3 EEF对红外光谱的影响

选用DFTY/ B3LYP/6-311G(d, p)方法, 对HES分子优化并计算频率, 就能得到IRS。在无EEF作用下的IRS见图7(a), 频率为823主要属于C6-H8键的; 1174为苯环上C9-H15,

C12-H16,C13-C17,C6-H8的与酚羟基O19-H22的; 1264为酚羟基(O19-H22,O18-H23)的与6C-8H的; 1696主要是C26=O25的、苯环上C1=C6的与O18-H23的;甲基的体现在3010处；3325属于O18与H23之间的。在EEF(-0.005～0.010a.u.)作用下,分别得到对应的IRS,见图7,图7中的(a-g) 依次对应EEF为0a.u., -0.005a.u.,-0.0025a.u.,0.0

025a.u.,0.005a.u.,0.0075a.u.,0.001a.u.时的IRS。这里列出6个相对较强的谱峰,从左到右的谱峰依次用数字1至6来指明。

表1   基态总能量、偶极矩随EEF变化关系

Table 1  The relationship between the ground state total energy E/Hartree, dipole moment/Debye and external electric field F /a.u.

表2 优化的HES分子键长R/Å 与F /a.u.的关系

Table 2   Optimized relationship between the molecular bond length R /Å and F /a.u. of HES

表3  不同EEF下HES,,

Table 3   , and energy gap of HES molecules under different EEF

                                               &