生物医学  >> Vol. 8 No. 3 (July 2018)

新型黄杨属生物碱衍生物结构与性能的研究
Prediction of Structure and Properties for New Buxus Alkaloid Derivatives Based on the Density Functional Theory

DOI: 10.12677/HJBM.2018.83006, PDF, HTML, XML, 下载: 632  浏览: 1,318  国家自然科学基金支持

作者: 刘军娜, 杨强强, 熊越, 尹卫平*:河南科技大学化工与制药学院,河南 洛阳

关键词: 黄杨属生物碱结构分析密度泛函自然键轨道Buxus Alkaloid Structure Analysis Density Functional Theory Natural Bond Orbital (NBO)

摘要: 近年来研究表明黄杨属植物中分离出的新生物碱成分具有多种药理活性,该类成分越来越受到关注。前期从节肢动物蝼蛄中分离得到不同于植物黄杨生物碱的四种新的N-乙酰基黄杨生物碱衍生物。本文以Gaussian软件为平台,运用密度泛函的计算方法,研究了从上述昆虫源获得的四种新的N-乙酰基黄杨生物碱衍生物与三种植物黄杨生物碱模板分子的结构和活性不同之处。结果表明该类新的N-乙酰基黄杨生物碱在结构上的差异导致化学键长,电荷值,稳定化能值等均不同于植物源的黄杨生物碱衍生物,揭示其可能具有不同的生物活性和特殊的构效关系规律。
Abstract: Recent studies have shown that the new buxus alkaloids isolated from poplars have many pharmacological activities, and these components are getting more and more attention. In the early, four new n-acetylated buxus alkaloids derivatives were obtained from the separation of arthropods mole cricket. In this paper, the Gaussian software was used with the density functional theory, the differences between the structure and activity of the four new n-acetyl salicylic alkaloids derived from the separation of talus gryllotalus from arthropods and three alkaloid template molecules of three species of plants were studied. The results indicated that the chemical bond length, charge and stabilization energy of these new n-acetylated buxus alkaloids were different from those of buxus alkaloids of plants due to their structural differences. It needs further study and discussion to reveal the different biological activities or special structure-activity relationship rules that may have.

文章引用: 刘军娜, 杨强强, 熊越, 尹卫平. 新型黄杨属生物碱衍生物结构与性能的研究[J]. 生物医学, 2018, 8(3): 45-54. https://doi.org/10.12677/HJBM.2018.83006

1. 引言

黄杨为黄杨科黄杨属的一种灌木,其药用价值很高,主要用来治疗梅毒、疟疾、皮炎、风湿和狂犬病等。由于该植物中生物碱含量比较多,通常称为黄杨生物碱。但目前人们对黄杨生物碱的生物活性研究还处于初级阶段 [1] [2] [3] [4] ,对此类化合物的生物活性及化学成分的研究,不仅可以加快利用黄杨属植物药用价值的步伐,也能为其药用价值提供依据 [5] - [12] 。

本文以Gaussian软件为平台,对几种生物碱以数值方法来预测其化学性质,并进行构型优化,对比不同部位的键长、电荷、热力学能及电子布局,分析出不同生物碱的生物活性及化学性质的差异。

2. 研究方法

以结构如图1所示的三种来自植物的常见的黄杨生物碱分子作为模板分子,为便于分析,根据各基团在分子中的空间位置,将其结构分为不同区域,标记为1区、2区、3区、4区。

自节肢动蝼蛄中分离出的四种黄杨生物碱结构上属于N-乙酰基分子的衍生物,其结构式如图2所示。

计算以Gaussian软件为平台,采用密度泛函的b3lyp函数,在6~31 g (d, p)基组水平下对化合物进行优化,并进行了频率分析(FREQ)和自然键轨道(NBO)分析。

3. 结果与讨论

优化后黄杨生物碱及其衍生物分子构型如图3所示。

3.1. 键长分析

由结构可知,A1、A2、A3、A4分别与模板分子r1、r2、r3有四处不同,如前文所述,为便于分析比较,按照基团在分子中的不同位置划分不同区域,标记为1区、2区、3区、4区。分别对A1、A2、A3、A4与r1、r2、r3的结构中四个区域的键长进行分析,优化后的部分键长如表1表2所示。键长单位为Å,1 Å = 1010米。原子编号由Gaussian软件自动生成,如图3所示。

Figure 1. The template molecular structural formula of Buxus alkaloids from plants

图1. 植物源黄杨生物碱模板分子的结构式

在1区,A1,A2,A3,A4均为r1六元环上的羰基被氢替代,由表1可知当与C49相连的O50被氢取代时,C49与环上相邻的C原子C4、C5的键长增大,从量子化学的角度看,键长越短,键级越高,键越稳定。当模板分子r1、r2、r3上六元环上羰基被氢取代后,由于电子离域,化学键C4-C49、C5-C49轨道中s电子成份变少,p电子成分增加,因此键长比模板分子长,键级较低,稳定性相对较差。

由结构可知,2区模板分子r1上C51连接一个氢,r2上C51连接羟基,r3上C51连接羰基,A1,A2,A3上C51连接羧基化合物,A4上C51连接一个氢;当r1上的氢被羧基化合物取代时,C51-O75的键长比C51-H54长;当r2上的羟基被羧基化合物取代时,C51-O75的键长也变长;当r3上的羰基被羧基化合物取代时,C51-O75的键长变短。七种化合物中连接六元环的C10-C51键长变化不大。

由分子结构和表2可知,化合物r1、r2、r3在3区上结构相同,关键化学键键长接近,化合物A1、

Figure 2. The molecular structural of Buxus alkaloid derivatives from arthropod mole cricket

图2. 节肢动物蝼蛄中黄杨生物碱衍生物分子的结构式

R1 R2 R3 A1 A2 A3 A4

Figure 3. The optimized molecular configuration of Buxus alkaloid derivatives

图3. 优化后的黄杨生物碱及其衍生物的分子构型

Table 1. Partial chemical bond in Zones 1 and 2

表1. 1区和2区部分化学键键长

Table 2. Partial chemical bond in Zones 3 and 4

表2. 3区和4区部分化学键键长

A2、A3和A4在3区上结构相同,关键化学键键长接近。因此只需分析比较化合物r1与A1的键长,化合物r1中N40上连接两个甲基,化合物A1中N40上连接一个羰基和一个氢。r1中化学键C34-N40比A1中化学键C34-N40键长要长。

化合物r1、A1、A2、A3和A4在4区上结构相同,键长接近,故只需挑出A1同模板分子r2,r3比较。A1为r2五元环上的羟基被氢取代,其关键化学键C26-C27键长比化合物r2中化学键C26-C27键长要短,A1中化学键C27-C28键长r2中化学键C27-C28键长要长。

A1为r3五元环上的羰基被氢取代,其关键化学键C26-C27、C27-C28比r3中关键化学键C26-C27C、C27-C28键长要短。也就是说,C-27连有含氧基团,键长趋于增长。

3.2. 自然电荷分析

键轨道分析(NBO)计算出的自然电荷值如表3所示。

由结构和表3可知,模板分子r1、r2、r3在1区上结构相同,关键原子C49自然电荷值接近,化合物A1、A2、A3、A4在1区上结构相同,C49自然电荷值接近,因此只需比较化合物r1与化合物A1上C49的自然电荷值,从上表可以看出化合物A1上C49自然电荷值比r1上C49自然电荷值低,负电荷增加,C49上电子数增加,从量子化学的角度看,这可能是由于电子离域的结果。同时,从表3可以看出,化合物A1、A2、A3中C51的自然电荷值比r1中C51的自然电荷值高,负电荷减少。化合物A4与r1在2区上结构相同,因此C51的自然电荷值接近,总电子数接近。化合物A1、A2、A3中C51的自然电荷值比r2中C51的自然电荷值低,负电荷增加,电子布居数增加,但总体变化不大,这是由于A1、A2、A3、r2中连接C51的原子相同。化合物A4中C51的自然电荷值比r2中C51的自然电荷值低,负电荷增加,且变化较大,这可能是电子离域的结果导致电子数的变化。化合物A1、A2、A3中C51的自然电荷值比r3中C51的自然电荷值高,负电荷减少。化合物A4中C51的自然电荷值比r3中C51的自然电荷值低,负电荷增加,同样可能是电子离域的结果导致。七种化合物的C34上连接的原子相同,因此其C34的自然电荷值接近,总电子数接近,符合表3记录结果。

由结构可知,化合物r1、r2、r3在3区上结构相同,化合物A1、A2、A3、A4在3区上结构相同,因此只将r1与A1拿出比较。由表3可知,化合物A1中N40的自然电荷值比化合物r1中N40的自然电荷值低,负电荷增加,电子布居数增加。化合物r1、A1、A2、A3、A4在4区上结构相同,关键原子C27的自然电荷值接近,电子布居数接近,因此只需分析比较化合物A1与化合物r2、r3的电荷。化合物A1中C27的自然电荷值比r2中C27的自然电荷值低,负电荷增加,电子布居数增加。化合物A1中C27的自然电荷值比r3中C27的自然电荷值低,负电荷增加。

3.3. NBO分析

自然键轨道(NBO)分析的计算结果可提供不同原子间电子的得失情况以及基于二阶微扰理论的“稳定化能”,一部分电子从占据轨道跃迁到空轨道,这样可以使得整个体系能量降低。这种降低来源于电

Table 3. Partial nature charge in Zone 1~4

表3. 1~4区部分原子的自然电荷

Table 4. Partial electron donor and accepter and stabilization energy

表4. 部分电子得失情况和稳定化能

Table 5. The total energy of compounds

表5. 化合物的体系总能量

子的离域化。稳定化能越大,离域程度越强。表4中列出了部分化合物原子间电子得失情况。

化合物r2、A1、A2、A3、A4中电子供体和受体之间的相互作用不大,其稳定化能E比较小,因此没有列出。由表4可以看出,r1中有三种原子间离域的稳定化能E值较大,即电子从原子O50离域到原子C49和化学键C4-C49、C5-C49上的相互作用比较大。r3中电子从原子O90离域到化学键C27-C89之间的相互作用较大,说明电负性较大的氧原子的电子离域性较强。

3.4. 稳定性分析

化合物的能量越低越稳定。Gaussian软件中的构型优化(OPT)计算结果中提供分子体系的总能量值,结果如表5所示。表中单位为量子能量单位a.u.。

表5可知,化合物A1、A2、A3体系总能量比较低,因此结构比较稳定,化合物r1体系总能量最高,结构最不稳定,性质更活泼。

4. 结论

以Gaussian软件为平台,将三种来自植物的常见黄杨生物碱分子作为模板分子,和从节肢动物蝼蛄中分离出的四种N-乙酰基黄杨生物碱衍生物进行结构和性质的对比和分析。对键长的计算比较结果揭示了主要电子的离域导致了键长的变化;对不同部位原子所带的不同电荷值的计算比较结果表明了电荷值的变化主要基于电子的离域变化;对部分自然键轨道(NBO)的计算和对比分析结果表明了N-乙酰基黄杨生物碱电子离域性较强,结构更稳定;对两类不同分子体系的总能量计算结果说明了化合物A1、A2、A3体系总能量比较低,结构比较稳定,化合物r1结构最不稳定。同时,关于这两类不同来源和不同结构的黄杨生物碱的密度泛函理论研究,揭示了它们的结构稳定性与其化学键键长、电荷密度及分子内能密切相关,进一步可以推断,昆虫源N-乙酰基黄杨生物碱特征结构的生物学活性研究更引人注目或该类结构会对其生物学活性产生独立的影响。

基金项目

国家自然科学基金资助项目(No. 21472035)。

NOTES

*通讯作者。

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