天然產(chǎn)物中密度泛函算法的運(yùn)用及其振動(dòng)光譜的研究

天然產(chǎn)物中密度泛函算法的運(yùn)用及其振動(dòng)光譜的研究手性藥物分子絕對(duì)構(gòu)型和構(gòu)象分布與藥物的藥性有著緊密的聯(lián)系,手性藥物分子的絕對(duì)構(gòu)型與構(gòu)象分布是對(duì)手性分子進(jìn)行空間立體化學(xué)描述,手性藥物分子的空間立體結(jié)構(gòu)的不同使得其藥性和藥理作用有著很大的區(qū)別,輕則影響藥物的服用方式,重則影響藥物藥效。手性藥物分子絕對(duì)構(gòu)型和構(gòu)象的判斷方法有化學(xué)合成法、X射線單晶衍射法、Mosher法和手性光譜法,然而手性光譜是最為簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)和有效的方法。本論文采用紅外光譜儀（FTIR）、振動(dòng)圓二色譜儀（VCD）和手性拉曼光譜（ROA）對(duì)天然手性藥物分子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)光譜測(cè)試,同時(shí)結(jié)合密度泛函算法（DFT）對(duì)天然手性藥物分子的IR-VCD光譜和ROA光譜進(jìn)行預(yù)測(cè)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)光譜與理論計(jì)算光譜的對(duì)比、分析,從而得到手性分子的絕對(duì)構(gòu)型和構(gòu)象分布。本論文通過(guò)實(shí)驗(yàn)光譜和理論光譜相結(jié)合確定了天麻素、齊墩果酸、氧化槐果堿以及蘆丁的絕對(duì)構(gòu)型和構(gòu)象分布。具體研究?jī)?nèi)容如下:（1）天麻素分子具有β-D-吡喃葡萄糖環(huán)和苯甲醇基團(tuán),針對(duì)各個(gè)羥基、-CH₂OH以及-C₁-O-C_1’-靈活基團(tuán),在密度泛函算法的基礎(chǔ)上采用B3LYP/6-311++g（d,p）和B3LYP/cc-pVTZ水平上對(duì)天麻素進(jìn)行構(gòu)象搜索、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和IR-VCD理論光譜計(jì)算并在B3LYP/aug（sp）-cc-pVDZ水平上對(duì)Raman-ROA理論光譜計(jì)算;分別采用氣相模型、連續(xù)極化模型（PCM或隱式模型implicit）和顯式溶劑（explicit+PCM）考察溶劑對(duì)天麻素構(gòu)象分布及光譜的影響;最后通過(guò)檢測(cè)固體以及二甲亞砜和水溶液中天麻素IR-VCD和Raman-ROA實(shí)驗(yàn)光譜進(jìn)行對(duì)照從而確定天麻素的絕對(duì)構(gòu)型和構(gòu)象分布。對(duì)比結(jié)果表明:天麻素分子中吡喃糖環(huán)環(huán)面構(gòu)型為⁴C₁椅式構(gòu)型,四個(gè)手心中心分別為1S2R3S4S5R,環(huán)外OH官能團(tuán)均為平伏鍵的結(jié)構(gòu)形式。天麻素在室溫下有14種穩(wěn)定構(gòu)象,其中主要的4種構(gòu)象的玻爾茲曼分布分別為:24.7%、9.7%、30.1%和9.2%。在各個(gè)構(gòu)象分子中,苯環(huán)環(huán)面與吡喃糖環(huán)環(huán)面的角度固定。在理論計(jì)算光譜中,分子內(nèi)氫鍵和分子間氫鍵使振動(dòng)吸收峰產(chǎn)生紅移現(xiàn)象。（2）齊墩果酸分子為5環(huán)三萜烯化合物,具有4個(gè)環(huán)己烷和1個(gè)環(huán)己烯單元。本文在B3LYP/6-311++g（d,p）水平上,針對(duì)齊墩果酸中環(huán)與環(huán)之間的連接方式以及分子中羥基和羧基的朝向進(jìn)行構(gòu)象搜索,然后對(duì)優(yōu)勢(shì)構(gòu)象進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和IR-VCD理論光譜的計(jì)算并在B3LYP/aug（sp）-cc-pVDZ水平上對(duì)Raman-ROA理論光譜進(jìn)行計(jì)算。同時(shí),檢測(cè)齊墩果酸固體的IR-VCD實(shí)驗(yàn)光譜,并在水溶液狀態(tài)下檢測(cè)Raman-ROA實(shí)驗(yàn)光譜,通過(guò)理論與實(shí)驗(yàn)光譜的對(duì)照確定齊墩果酸的絕對(duì)構(gòu)型和構(gòu)象分布。結(jié)果表明:齊墩果酸具有8個(gè)手性分子中心,分別為2S7S12R13R16S18R21R22S。齊墩果酸在常溫下有6個(gè)構(gòu)象,這6種構(gòu)象的4個(gè)環(huán)已烷單元（A/B/D/E環(huán)）均以椅式構(gòu)型存在,C環(huán)為半椅式構(gòu)型,同時(shí),A/B/C/D環(huán)之間以trans方式相互連接,D/E環(huán)之間以cis方式相連接。齊墩果酸分子的各個(gè)構(gòu)象之間以羥基和羧基的朝向相互區(qū)分,各個(gè)構(gòu)象之間的玻爾茲曼分布分別為14.4%、18.6%、22.8%、11.6%、14.7%和17.8%。（3）氧化槐果堿分子為兩個(gè)喹若里西啶環(huán)的稠合體,擁有A/B/C/D四個(gè)六元環(huán)。本文在B3LYP/6-311++g（d,p）和B3LYP/cc-pVTZ水平上對(duì)A/B、C/D、A/C和B/C的連接方式進(jìn)行構(gòu)象搜索,然后對(duì)得到的優(yōu)勢(shì)構(gòu)象進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和IR-VCD理論光譜的計(jì)算以及在B3LYP/aug（sp）-cc-pVDZ水平上對(duì)Raman-ROA理論光譜計(jì)算;最后分別檢測(cè)固體以及水中氧化槐果堿的IR-VCD和Raman-ROA實(shí)驗(yàn)光譜并將理論與實(shí)驗(yàn)光譜進(jìn)行對(duì)照從而確定氧化槐果堿的絕對(duì)構(gòu)型和構(gòu)象分布。研究結(jié)果表明:氧化槐果堿在常溫下有兩種構(gòu)象異構(gòu)體:A/B-transC/D-trans和A/B-transC/D-cis,其構(gòu)象的玻爾茲曼分布分別約為60%和40%。氧化槐果堿各環(huán)的構(gòu)型分別為:A-椅式、B-椅式、C-椅式、D-沙發(fā)式,且兩種構(gòu)象中A/C環(huán)與B/C環(huán)的連接方式均為B/C-cis、A/C-cis,分子上有六個(gè)手性中心分別為:四個(gè)碳原子手性中心5S6S7R11R和兩個(gè)氮原子手性中心:A/B環(huán)上N-1的手性為R,C/D環(huán)構(gòu)象C/D-trans（C/D-cis）中N-16的手性為R（S）。（4）蘆丁分子為黃酮醇槲皮素和二糖蕓香糖的天然結(jié)合物,兩個(gè)糖環(huán)具有極強(qiáng)的靈活性。針對(duì)蘆丁分子中各個(gè)靈活鍵,本文在B3LYP/6-311++g（d,p）水平上對(duì)蘆丁分子進(jìn)行構(gòu)象搜索、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和IR-VCD理論光譜計(jì)算,同時(shí),檢測(cè)固體蘆丁的IR-VCD實(shí)驗(yàn)光譜,并將理論和實(shí)驗(yàn)IR-VCD譜圖進(jìn)行對(duì)比。研究結(jié)果表明:蘆丁分子的A/B/C環(huán)為平面構(gòu)型,D糖環(huán)為⁴C₁椅式構(gòu)型,E糖環(huán)為₄C¹椅式構(gòu)型。C環(huán)平面與A/B環(huán)平面總是成35°角,使得C環(huán)中C-H鍵與B環(huán)上的C=O鍵形成氫鍵,得到穩(wěn)定構(gòu)象。蘆丁分子中由于存在大量質(zhì)子供體、C=O鍵以及O-H鍵存在,