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Theoretical studies on 3D structure and NMR of tetrahydroberberine

四氢小檗碱的三维结构和核磁共振的理论研究



全 文 :四氢小檗碱的三维结构和核磁共振的理论研究
徐为人 1, 2 ,刘成卜 1* ,王建武 1
( 1. 山东大学化学与化工学院 ,山东 济南  250100;  2. 天津药物研究院 ,天津  300193)
摘 要: 目的 阐明四氢小檗碱的三维结构 ,验证理论计算核磁共振的可靠性。 方法 以 B3LYP /3-21G* 和
B3LYP /6-31G* 方法优化了分子结构 ,以经验法、半经验法和密度泛函方法 ( B3LYP /6-311+ G* * )计算了碳和
氢的化学位移。结果  2个水平的优化结构差异较小。核磁共振计算 ,经验法的碳谱结果较好 ,氢谱相对较差 ,半经
验法计算结果误差较大 ,密度泛函方法的结果与实验值的相关性最好 ,相对最大误差最小。结论 验证了密度泛函
方法计算三维结构的可靠性。经验法是一种简便有效的预测常规结构化学位移的方法 ,对于阐明复杂分子结构 ,理
论计算的作用更大。
关键词: 四氢小檗碱 ;核磁共振 ;密度泛函方法
中图分类号: R284. 1   文献标识码: A   文章编号: 0253 2670( 2003) 12 1068 04
Theoretical studies on 3D structure and NMR of tetrahydroberberine
XU Wei-ren
1, 2
, L IU Cheng-bu
1
, WANG Jian-wu
1
( 1. School of Chemist ry and Ch emica l Enginne ring , Shandong Univ ersity, Jinan 250100, China;
2. Tianjin Institute of Pha rmaceutical Resear eh , Tianjin 300193, China)
Key words: tet rahydroberberine ( THB) ; NMR; densi ty functional theo ry ( DFT)
  四氢小檗碱 ( tet rahydroberbrine THB)来源于
罂粟科植物延胡索 Corydalis yanhusuo W. T.
Wang的块根 ,具有多种药理作用 ,对心律失常、心
肌缺血、高血压、心力衰竭和脑缺血等均有治疗作
用。四氢小檗碱也是进一步合成各种衍生物的重要
中间体 ,目前大部分由小檗碱氢化得到消旋产物 ,四
氢小檗碱的核磁共振氢谱很有代表性 ,由于许多位
置差异较小 ,文献 [1~ 4 ]对于脂肪氢 (δ2. 5~ 3. 5)的归
属不做辨认 , 8位上 2个氢化学位移 (δ4. 24和
3. 52)是一个不同寻常的现象 ,如果没有其他相关谱
的帮助是很难准确辨认的。 从理论上研究该结构的
化学位移 ,一方面可以阐明四氢小檗碱的三维结构 ,
另一方面也能验证计算的可靠性。化合物核磁共振
的理论预测研究 ,国外有较多报道 [5~ 7 ] ,而国内报道
较少 [8, 9 ]。 我们研究了四氢小檗碱的三维结构 ,并应
用经验、半经验和密度泛函等 3种方法研究了四氢
小檗碱的核磁共振氢谱和碳谱 ,并与实验结果进行
了比较。结果表明 ,密度泛函方法是一个较好的预测
核磁共振氢谱和碳谱方法 ,对于确定复杂结构具有
重要的参考意义。
1 计算方法
四氢小檗碱是消旋体 ,我们对 2个光学对映体
结构分别进行了量子化学优化计算 ,在密度泛函
B3LYP /3-21G* 水平优化的基础上 ,进一步以
B3LYP /6-31G* 水平优化结构 ,然后 ,分别进行了
NM R的量子化学计算和半经验计算。 量子化学计
算是用 GIAO方法在 B3LYP /6-311+ G* 水平进行
的 ,得到绝对化学位移值 ,为了与实验值相比 ,将四
甲基硅烷 ( TM S)用同样的方法和基组水平进行结
构优化和 NM R计算 ,得到相对化学位移值。量子化
学计算以 Gaussian 98 A. 11程序进行。 半经验
NM R计算以 Hyperchem 7. 0程序包进行 ,直接得
到相对化学位移。另外 ,在将四氢小檗碱的平面结构
在 Chemoffice 2002 软 件 中 模 拟 1 H-NMR和
13
C-NM R谱 ,得到化学位移的经验计算值。
半经验和量子化学方法计算能够得到 R-T HB
和 S -THB的化学位移 ,考虑到消旋体的对称性 ,为
了与实验结果比较 ,将 2个对映体相应原子的化学
位移平均处理 ,再计算平均值与实验值之差 Δ。 以
Chemo ffice软件计算的化学位移的经验值直接与实
验值计算得到差值 Δ。以误差的绝对值计算平均绝
对误差 ,以误差的绝对值除以对应的实验值得到相
·1068· 中草药  Chinese T raditional and Herba l D rugs 第 34卷第 12期 2003年 12月
收稿日期: 2003-05-08基金项目:国家自然科学基金资助项目 ( No20133020)作者简介:徐为人 ( 1965- ) ,男 ,江苏吴江人 ,天津药物研究院副研究员 ,山东大学化学与化工学院博士研究生 ,主要从事抗菌药物的结构设计和活性评价工作。   Tel: ( 022) 23003529  Fax: ( 022) 23006861  E-mail: x w r@ t j. cnuminet . net
* 通讯作者  Tel: ( 0531) 8361398  Fax: ( 0531) 8364464  E-mail: cbliu@ sdu. ed u. cn
对百分误差。
2 结果和讨论
2. 1 四氢小檗碱的三维结构: 四氢小檗碱是 R和 S
的一对消旋体 ,图 1列出了以 B3LYP /6-31G* 水平
优化的结构。表 1和 2分别列出了 2个结构的其他几
何参数: 键长和二面角数据。 并比较了 B3LYP /3-
21G* 和 B3LY P/6-31G* 2个水平的计算结果的差
异。结果表明 , 2个水平计算的几何结构差异较小 ,键
长和键角基本一致 ,个别二面角差异稍大 ( 5°)。一般
对于 B3LYP /6-31G* 水平的计算结果的可靠性比
较认可 ,由于 B3LYP/3-21G* 水平的计算远远快于
B3LY P/6-31G* 水平 ,对于较大的分子体系 ,以
B3LY P/6-31G* 计算非常困难 ,所以用 B3LYP /3-
21G* 水平计算分子的三维结构是行之有效的办法。
R -四氢小檗碱 ,R -T HB
R -tet rah ydroberbrine
图 1 密度泛函方法在 B3LYP /6-31G* 水平优化的
R-四氢小檗碱的结构及其原子标号
Fig. 1  Labels of R-THB optimized by
DFT at level of B3LYP /6-31G*
2. 2 四氢小檗碱的核磁共振碳谱和氢谱
2. 2. 1 碳化学位移:见表 3, 4。表中列出了半经验和
量子化学方法计算的 R-THB, S -THB的化学位移、
平均值及其与实验值之差 Δ:列出了碳化学位移的经
验值及其与实验值计算差 Δ ,结果表明 ,以经验法
( Chemo ffice软件 )、半经验法 ( Hyperchem 7. 0软
件 )和量子化学法 ( Gaussian 98软件 )计算的碳化学
位移 ,绝对误差分别为 3. 9± 3. 2, 11. 9± 7. 6和
5. 8± 3. 8,相对误差百分率分别为 ( 4. 8± 4. 6)% ,
( 11. 3± 6. 2)%和 ( 6. 2± 4. 1)% ,最大相对误差分别
为 19. 7% , 27. 8%和 15. 9% ,计算值和实验值的相
关系数分别为 0. 992, 0. 990和 0. 997。 上述结果说
明 , Chemo ffice软件模拟的碳化学位移比较准确 ,绝
对误差和相对误差百分率的平均值均小于量子化学
计算 ,其缺点是误差的分布规律性差 ,与实验值相比 ,
正负误差几乎各半 ,因此相关系数稍差 ,但仍不失为
一种十分有用的工具。Hyperchem 7. 0软件半经验法
计算的结果各方面指标相对较差 ,但其计算量不大 ,
对于经验法无法估算的体系还是可用的。量子化学与
经验法计算结果相比 ,虽然绝对误差和相对误差百分
率的平均值略大 ,但其最大相对误差较小 ,几乎全部
为正误差 ,并且相关系数较高 ,因此 ,对于差异较小的
结构判断时可靠性会更高一些。
表 1 不同水平的密度泛函方法优化的
四氢小檗碱对映体的键长 nm
Table 1  Bond lengths of THB enantiomers
optimized by DFT nm
键 R-四氢小檗碱 S-四氢小檗碱
B3LYP /3-21G* B3LYP /3-31G* B3LYP /3-21G* B3LYP / 3-31G*
C1-C2 0. 139 0. 139 0. 139 0. 139
C1-C6 0. 137 0. 138 0. 137 0. 137
C1-O19 0. 140 0. 137 0. 140 0. 137
C2-C3 0. 137 0. 138 0. 137 0. 137
C2-O20 0. 140 0. 137 0. 140 0. 137
C3-C4 0. 141 0. 141 0. 140 0. 141
C4-C5 0. 140 0. 140 0. 140 0. 140
C4-C7 0. 152 0. 152 0. 152 0. 152
C5-C6 0. 141 0. 140 0. 140 0. 141
C5-C10 0. 152 0. 150 0. 151 0. 151
C7-N8 0. 148 0. 147 0. 149 0. 146
C7-C11 0. 154 0. 153 0. 154 0. 154
N 8-C9 0. 147 0. 147 0. 148 0. 145
N8-C14 0. 147 0. 145 0. 147 0. 145
C9-C10 0. 153 0. 153 0. 155 0. 152
C11-C12 0. 152 0. 151 0. 152 0. 151
C12-C13 0. 140 0. 140 0. 140 0. 140
C12-C15 0. 139 0. 139 0. 139 0. 139
C13-C14 0. 151 0. 151 0. 151 0. 151
C13-C18 0. 139 0. 139 0. 139 0. 139
C15-C16 0. 139 0. 139 0. 139 0. 139
C16-C17 0. 139 0. 139 0. 139 0. 139
C17-C18 0. 140 0. 140 0. 140 0. 141
C17-O23 0. 139 0. 136 0. 139 0. 136
C18-O22 0. 139 0. 137 0. 139 0. 137
O19-C21 0. 147 0. 143 0. 147 0. 143
O20-C21 0. 147 0. 143 0. 147 0. 143
O22-C24 0. 147 0. 142 0. 147 0. 143
O23-C25 0. 145 0. 141 0. 145 0. 141
表 2 不同水平的密度泛函方法优化的
四氢小檗碱对映体的二面角 (°)
Table 1  Dihedral angles of THB enantiomers
optimized by DFT (°)
键    R-四氢小檗碱 S -四氢小檗碱
B3LYP/3-21G* B3LYP/3-31G* B3LYP/3-21G* B3LYP/3-31G*
C5-C4-C7-N 8    45. 7    45. 5   - 2. 8   - 5. 4
C4-C7-N 8-C9 - 29. 6 - 31. 7 37. 2 39. 2
C4-C7-N 8-C14 - 162. 1 - 162. 8 166. 8 166. 3
C4-C7-C11-C12 - 178. 4 - 177. 6 177. 7 176. 9
C7-C11-C12-C13 20. 8 18. 8 - 22. 8 - 20. 6
C12-C13-C14-N 8 13. 8 14. 7 - 14. 2 - 16. 1
C18-C17-O 23-C25 - 2. 9 - 1. 9 - 1. 8 - 1. 6
C17-C18-O 22-C24 53. 8 68. 9 52. 4 68. 6
·1069·中草药  Chinese T raditional and Herba l D rugs 第 34卷第 12期 2003年 12月
表 3 不同方法计算的四氢小檗碱中碳原子的化学位移
Table 3  Chemical shifts of carbon in THB from dif f erent calculat ion methods or experiments
原子标号 半经验方法 密度泛函方法 经验方法
R-T HB S-T HB 平均 Δ R -THB S-T HB 平均 Δ T HB Δ 实验值
[1]
C-1   157. 4   157. 7   157. 6   11. 4   154. 8   152. 7   153. 7    7. 5   146. 0   - 0. 2   146. 2
C-2 157. 4 157. 6 157. 5 11. 5 155. 4 153. 8 154. 6 8. 6 144. 5 - 1. 5 146. 0
C-3 129. 6 128. 4 129. 0 23. 5 108. 7 110. 7 109. 7 4. 2 115. 5 10 105. 5
C-4 147. 9 150. 2 149. 0 18. 1 141. 6 139. 4 140. 5 9. 6 129. 0 - 1. 9 130. 9
C-5 145. 0 148. 7 146. 8 19. 0 143. 0 136. 0 139. 5 11. 7 134. 0 6. 2 127. 8
C-6 128. 2 127. 7 128. 0 19. 6 112. 9 113. 3 113. 1 4. 7 114. 2 5. 8 108. 4
C-7 57. 3 56. 7 57. 0 - 2. 6 60. 7 64. 2 62. 4 2. 8 60. 6 1. 0 59. 6
C-9 53. 0 55. 8 54. 4 3. 0 55. 1 54. 9 55. 0 3. 6 55. 6 4. 2 51. 4
C-10 28. 4 29. 7 29. 1 - 0. 4 33. 2 35. 3 34. 2 4. 7 31. 8 2. 3 29. 5
C-11 33. 0 32. 4 32. 7 - 3. 7 39. 4 43. 2 41. 3 4. 9 38. 3 1. 9 36. 4
C-12 145. 3 145. 2 145. 2 16. 5 137. 2 136. 5 136. 8 8. 1 134. 0 5. 3 128. 7
C-13 138. 2 138. 6 138. 4 10. 6 139. 7 138. 8 139. 3 11. 5 122. 3 - 5. 5 127. 8
C-14 48. 7 49. 1 48. 9 - 4. 5 57. 4 59. 8 58. 6 5. 2 42. 9 - 10. 5 53. 4
C-15 135. 5 135. 6 135. 6 11. 8 128. 8 128. 5 128. 6 4. 8 120. 9 - 2. 9 123. 8
C-16 128. 6 128. 8 128. 7 17. 6 110. 9 112. 4 111. 6 0. 5 113. 5 2. 4 111. 1
C-17 160. 3 160. 2 160. 3 15. 1 159. 0 159. 4 159. 2 14. 0 144. 5 - 0. 7 145. 2
C-18 159. 7 159. 6 159. 7 9. 4 153. 3 151. 7 152. 5 2. 2 148. 0 - 2. 3 150. 3
C-21 128. 8 128. 5 128. 7 28. 0 105. 9 105. 9 105. 9 5. 2 91. 3 - 9. 4 100. 7
C-24 67. 2 67. 2 67. 2 7. 1 59. 4 59. 6 59. 5 - 0. 6 56. 3 - 3. 8 60. 1
C-25 60. 8 60. 3 60. 5 4. 7 56. 4 56. 3 56. 4 0. 6 56. 3 0. 5 55. 8
表 4 不同方法计算的四氢小檗碱中氢原子的化学位移
Table 4  Chemical sh if ts of proton in THB from dif ferent calculation methods or experiments
原子标号 半经验方法 密度泛函方法 经验方法
R -THB S-T HB mean Δ R -T HB S-T HB mean Δ THB Δ 实验值
[1 ]
H-26 6. 36 6. 47 6. 42 - 0. 31 7. 03 6. 74 6. 89   0. 16 6. 47 - 0. 26 6. 73
H-27 6. 41 6. 48 6. 45 - 0. 13 6. 65 6. 69 6. 67   0. 09 6. 47 - 0. 11 6. 58
H-28 2. 81 2. 72 2. 77 - 0. 73 3. 57 3. 48 3. 53   0. 03 4. 29   0. 79 3. 50
H-29 2. 88 3. 41 3. 15 - 2. 91 2. 72 2. 82 - 2. 69 - 2. 5- 3. 5
H-30 2. 54 2. 51 2. 53 - 3. 29 2. 81 3. 05 - 2. 69 - 2. 5- 3. 5
H-31 2. 07 2. 26 2. 17 - 2. 41 3. 21 2. 81 - 2. 65 - 2. 5- 3. 5
H-32 2. 57 1. 83 2. 20 - 3. 17 2. 6  2. 89 - 2. 65 - 2. 5- 3. 5
H-33 2. 29 2. 57 2. 43 - 3. 33 2. 97 3. 15 - 2. 94 - 2. 5- 3. 5
H-34 2. 02 2. 29 2. 16 - 3. 14 2. 84 2. 99 - 2. 94 - 2. 5- 3. 5
H-35 3. 23 2. 95 3. 09 - 1. 15 4. 24 3. 98 4. 11 - 0. 13 3. 62 - 0. 62 4. 24
H-36 3. 44 3. 71 3. 58   0. 06 3. 96 3. 74 3. 85   0. 33 3. 62   0. 10 3. 52
H-37 6. 37 6. 43 6. 40 - 0. 44 7. 09 6. 99 7. 04   0. 20 6. 45 - 0. 39 6. 84
H-38 5. 64 5. 63 5. 64 - 1. 15 6. 68 6. 55 6. 62 - 0. 17 6. 42 - 0. 37 6. 79
H-39 6. 59 6. 75 6. 67   0. 76 6. 24 6. 04 6. 14   0. 23 5. 9  - 0. 01 5. 91
H-40 6. 78 6. 6  6. 69   0. 78 6. 03 6. 18 6. 11   0. 20 5. 9  - 0. 01 5. 91
H-41 3. 79 3. 73 3. 76 - 0. 08 3. 90 3. 97 3. 93   0. 09 3. 73 - 0. 11 3. 84
H-44 3. 02 3. 02 3. 02 - 0. 82 3. 83 3. 77 3. 80 - 0. 04 3. 73 - 0. 11 3. 84
2. 2. 2 氢的化学位移: 见表 4。同碳谱方法计算各
项参数 ,实 验结果来源于文献 [1 ]。 以经验法
( Chemof fice软件 )、半经验法 ( Hyperchem 7. 0软
件 )和量子化学法 ( Gaussian 98软件 )计算的氢化学
位移 ,绝对误差分别为 0. 22± 0. 23, 0. 55± 0. 40和
0. 13± 0. 09,相对误差百分率分别为 ( 4. 9± 5. 9)% ,
( 11. 7± 9. 2)%和 ( 2. 6± 2. 1)% ,最大相对误差分别
为 22. 6% , 27. 1%和 9. 4% ,计算值和实验值的相关
系数分别为 0. 976, 0. 930和 0. 995。 结果表明 ,
Chemo ffice软件模拟的氢化学位移与碳相比 ,相对
误差百分率基本一致 ,说明准确度在同一水平上 ,但
相关系数下降较大 ,与 Hyperchem 7. 0软件半经验
法的结果相比 ,仍有较大的优势。量子化学与经验法
的计算结果相比 ,氢化学位移比较准确 ,绝对误差、
最大相对误差、相对误差和相关系数等各项指标都
明显改善。 由于氢谱在判断结构方面十分重要 ,因
此 ,量子化学计算预测的核磁共振结果具有非常重
要的参考价值。
·1070· 中草药  Chinese T raditional and Herba l D rugs 第 34卷第 12期 2003年 12月
对于 8位上的 2个氢 (三维结构中的 H-35和
H-36) ,实验测定值分别为 4. 24和 3. 52, Chemo f-
fice软件无法从立体的角度加以区分 ,模拟值均为
3. 62。而量子化学计算能够从三维结构上加以区分 ,
分析三维结构可以发现 , H-35和 H-36处在分子的
2侧 ,在空间上受到不同化学环境的影响 ,比如
O CH3的影响 , O-22与 H-35的距离 , R-THB和 S-
T HB分别为 0. 287, 0. 289 nm, O-22和 H-36的距
离 , R-T HB和 S-T HB分别为 0. 257, 0. 253 nm ,化
学环境不同导致了化学位移的差别 , 2个氢的计算
值分别为 4. 11和 3. 85,与实验结果有可比性。不借
助其他相关图谱的帮助 ,从平面结构上看 ,要区分四
氢小檗碱结构中的 H-28和 H-35 /H-36, H-31 / H-32
和 H-33 / H-34, H-26和 H-27是很困难的 , Chemo f-
fice软件的主要误差也在于此 ,量子化学从三维结
构出发 ,可以对各个氢的位移进行预测 ,对于辨认实
验氢谱也有较大的参考作用。
从量子化学计算的核磁共振结果来看 ,尽管与
实验结果的相关性较好 ,碳和氢谱的最大相对误差
分别为 15. 9%和 9. 4% ,均是 3种方法中最小的 ,但
当结构差别很小时 ,这样的误差还是有可能导致判
断错误的 ,有必要对计算误差的来源进行分析。从实
验测定的角度考虑 ,测定的是一段时间内各原子所
处的化学环境的平均值 ,不同的溶剂对测定结果略
有影响 ,本体系中没有活泼质子 ,溶剂的影响相对较
小。从计算方法的角度考虑 ,误差的来源至少有 3个
方面:第一 ,计算方法本身包含有近似和基组的误
差 ,包括优化构型的误差 ;第二 ,没有考虑溶剂的效
应 ;第三 ,没有考虑分子的运动性质 ,分子是无时无
刻不在运动的 ,分子的运动可以带来分子间的相互
作用和分子内几何结构的改变 ,都能引起核磁共振
信号的变化 ,实验测定的是大几率结构的表现 ,是最
低能量构型附近结构的化学位移的集合 ,由于分子
的运动 ,同一个碳原子上的氢往往表现同样的化学
位移 ,而量子化学计算 ,只能得到单一的优化构象 ,
从一个结构去模拟一群构象的平均表现 ,肯定会产
生误差。
然而 ,量子化学目前还是最精确的核磁共振信
号预测手段 ,特别是对于一些空间结构复杂及含多
种元素的分子 ,经验方法往往无法考虑空间的影响 ,
或受到参数的限制 ,而量子化学计算可以不受上述
因素的影响 ,能够模拟在其计算能力范围内的各种
元素的化学位移。对照预测的实验结果 ,一方面验证
了化合物三维结构和核磁共振理论计算方法的可靠
性 ,另一方面 ,对于新的复杂分子 ,可用利用计算结
果帮助判断结构。
3 结论
以密度泛函方法优化了四氢小檗碱的三维结
构 ,并以经验法、半经验法和量子化学 (密度泛函方
法 )计算了其碳和氢的化学位移 ,结果表明 ,
B3LYP /3-21G* 和 B3LYP /6-31G* 两个水平优化
的四氢小檗碱几何结构差异较小 ,键长、键角和二面
角基本一致。经验法计算的碳化学位移与实验值吻
合较好 ,氢化学位移相对较差 ,但优于半经验法的计
算结构 ,说明这是一种简便有效的预测化学位移方
法。 密度泛函方法在 B3LYP /6-311+ G* * 水平计
算的碳和氢的化学位移 ,与实验值的相关性较好 ,相
对最大误差最小 ,平均相对误差较小 ,这一方面说明
了三维结构理论优化的可靠性 ,另一方面说明理论
计算结果对于判断复杂结构有很好的参考意义。
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