引用本文
王新强, 葛浩然, 李桂琴, 叶松, 汪杰君, 甘永莹, 王方原. 橙皮素电场作用的分子结构和红外光谱理论研究[J]. 光谱学与光谱分析, 2019,39(8): 2395-2402.
WANG Xin-qiang, GE Hao-ran, LI Gui-qin, YE Song, WANG Jie-jun, GAN Yong-ying, WANG Fang-yuan. Theoretical Study on the Molecular Structure and Infrared Spectroscopy of Hesperidin in External Electric Field[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2019,39(8): 2395-2402.
Doi:10.3964/j.issn.1000-0593(2019)08-2395-08  
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橙皮素电场作用的分子结构和红外光谱理论研究
王新强1,3, 葛浩然1,3, 李桂琴2, 叶松1,3, 汪杰君1,3, 甘永莹1,3, 王方原1,3,*
1. 桂林电子科技大学电子工程与自动化学院, 广西 桂林 541004
2. 清华大学物理系, 北京 100084
3. 广西光电信息处理重点实验室, 广西 桂林 541004
*通讯联系人 e-mail: wangfy@guet.edu.cn

作者简介: 王新强, 1977年生, 桂林电子科技大学电子工程与自动化学院高级实验师 e-mail: xqwang2006@126.com

收稿日期: 2018-06-15 接受日期: 2018-10-30
基金: 国家自然科学基金项目(41561079); 广西自动检测技术与仪器重点实验室基金项目(YQ16105, YQ17106, YQ17108); 广西中青年教师基础能力提升项目(2017KY0192); 桂林电子科技大学创新团队项目资助
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, 利用密度泛函理论(DFT)以及6-311G(d,p)基组, 在C2—C1方向施加EEF(-0.005~0.010 a.u.)并优化HES分子的基态几何构型, 研究了分子总能量、 键长、 红外光谱(IR)、 偶极矩(DM)和HOMO-LUMO能隙。 在优化结构的基础上, 采用含时密度泛函理论(TDDFT), 探究不同EEF对紫外可见吸收光谱(UV-Vis)、 激发态(ES)的影响。 结果显示, 无EEF时, HES分子中C1—O18和C2—C26间的单键都优化成了双键, 转变为烯醇式结构, 这样分子中更多的基团构成一个共轭体系, 形成最稳定的结构。 随着EEF的增强, 分子总能量先升后降, DM则先降后增, 键长的变化复杂。 当正向负向EEF都增强时, 由于HES分子中不同化学键的振动产生的IR吸收峰(AP), 相应地出现了不同的频谱移动, 各个AP的强度也有不同的变化。 无EEF时, UV-Vis在223.6和262 nm处有2个AP, 分别处于E2带、 K带。 223.6 nm处的AP随着EEF的增大出现了蓝移(BS), 当EEF大于0.002 5 a.u.谱峰消失; 262 nm处的AP在正向EEF下出现红移(RS), 吸收强度随EEF的增强呈现衰弱趋势, 当EEF为0.01 a.u.时, 谱峰RS至283 nm, 强度达到最小值5 889.64 L·mol-1·cm-1; 在负向EEF下出现BS, 且吸收强度均增强, 在EEF为-0.002 5 a.u.时, 谱峰BS至261 nm, 强度增至最大值为12 500.36 L·mol-1·cm-1。 当正向负向EEF都增强时, 分子的能隙和激发态能量(EE)均呈现减小趋势, 说明HES分子易被激发而处于活跃状态。 在无EEF时, OS均大于零, 表明能够被激发。 当不断加强正向EEF时, ES的OS均先升高再降低; 在负向EEF下OS有复杂的变化。 分析EEF下物质的分子结构和光谱, 将为探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
中图分类号:O433.4 文献标志码:A
Theoretical Study on the Molecular Structure and Infrared Spectroscopy of Hesperidin in External Electric Field
WANG Xin-qiang1,3, GE Hao-ran1,3, LI Gui-qin2, YE Song1,3, WANG Jie-jun1,3, GAN Yong-ying1,3, WANG Fang-yuan1,3,*
1. School of Electronic Engineering and Automation, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China
2. Department of Physics, Tsinghua University, Beijing 100084, China
3. Guangxi Key Laboratory of Optoelectronic Information Processing, Guilin 541004, China
*Corresponding author
Abstract

In order to investigate the molecular structure and spectrum of Hesperetin (HES), a kind of dihydroflavone drug. Density Functional theory (DFT) and basis set 6-311G(d,p) are combined to optimize the ground state’s geometry of HES molecules under an external electric field (EEF) ranging from -0.005 to 0.010 a. u. in C2—C1 direction. Total molecular energy, infrared spectrum (IR), dipole moment (DM), and HOMO-LUMO Energy Gap are investigated at the same time. Based on the optimized configuration, time-dependent density functional (TDDFT) is applied to study the influence of different EEF on excited states and UV-Vis spectrum of HES. The results show that when there is no external EEF, the single bonds between C1—O18 and C2—C26 are optimized as double bonds, and the enol structure is converted to a more conjugated system, forming the most stable structure. With the increase of EEF, the total energy of molecule rises at first and then falls, DM decreases at first and then increases. The change of bond length is complicated. When the negative EEF increases, due to the IR absorption peak (AP) generated by the vibration of different chemical bonds in HES molecule, different spectrum shifts occur, and the intensity of each AP also varies according to its relative chemical bond. In the absence of EEF, there are two APs at 223.6 and 262 nm in UV-Vis, related to in the E2 band and the K band respectively. AP at 223.6 nm appears blue-shift (BS) with the increase of EEF. When EEF is greater than 0.002 5 a. u., peak 223.6 nm disappear. AP at 262 nm shows a red-shift (RS), and the absorption intensity shows a declining trend with the increase of EEF. When EEF is 0.01 a. u., peak 262 nm shifts to 283 nm, and it’s intensity reaches 5 898.64 L·mol-1·cm-1. BS occurs under negative EEF and the absorption intensity increases. When EEF is -0.002 5 a. u., peak 262 nm shifts to 261 nm and the intensity increases to 12 500.36 L·mol-1·cm-1. When positive EEF increases, both energy gap and excited energy (EE) show a decreasing trend, indicating that the HES molecule is easily excited and is in an active state. In the absence of EEF, oscillator strength (OS) is greater than zero, indicating that it can be stimulated. When EEF is continuously enhanced toward the positive direction, OS of ES increases at first and then decreases; OS has complex changes under negative EEF. Investigating the molecular structure and spectrum of HES under EEF will provide a theoretical reference for its electric field dissociation.

Keyword: Hesperetin (HES); External electric field (EEF); Molecular structure; Spectrum
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[1, 2, 3, 4, 5, 6], 广泛应用于医学的各个领域。 HES还有抑制癌细胞的扩大、 转移以及抗肿瘤的作用[7, 8, 9]。 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[10], 抵制致癌基因表达[8], 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 spectroscopy, IR)及紫外可见吸收光谱(UV-visible absorption spectrum, UV-Vis)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[11, 12, 13]。 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, DFT), 分析了EEF作用下HES分子的键长、 偶极矩(dipole moment, DM)和IR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, 分子体系哈密顿量H由两部分组成[14]

H=H0+Hint(1)

其中, H0和Hint分别是分子无EEF和存在EEF时的哈密顿量。 考虑偶极近似, EEF与分子体系的共同作用能为

Hint=-μF(2)

其中μ 是分子电偶极矩, F为外电场。

利用Gaussian09[15]软件, 首先选用DFT/B3LYP/6-311G(d, p)方法, 沿X轴(C2— C1)方向施加EEF(-0.005~0.010 a.u.)。 接着分析了不同EEF下HES分子的基态几何参数和IR的改变情况。 最后在相同的基组下通过DTDFT来仿真HES, 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分子优化后得到的基态结构如图2所示。 对比图1图2, 可发现图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DFT/B3LYP/6-311G(d, p)方法, 在EEF(-0.005~0.010 a.u.)作用下进行基态优化, 表1和表2列出了得到的HES稳定结构的主要参数。 从表1可以看出, 在EEF作用下, HES的基态总能量在负向EEF(-0.005~0 a.u.)下不断增大, 而在正向EEF(0~0.005 a.u.)上升(上升0.006 15 a.u.), 在EEF(0.005~0.01 a.u.)下逐步衰减(衰减0.002 48 a.u., 斜率变小), 如图3所示。 DM的改变则恰恰相反, 在负向EEF(-0.005~0 a.u.)一直减小, 而在正向EEF(0~0.01 a.u.)先降低后升高, 在F=0.005 a.u., DM达到极小值为4.879 1 Debye, 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(-0.005~0.010 a.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(-0.005 0~0 a.u.)作用下缓慢缩短, 而在正向EEF(0~0.01 a.u.)下逐渐被拉长, 变化并不强烈(标准差为0.000 75 Å ); 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0.001 21和0.001 64 Å )。

表1 HES分子总能量E/Hartree, DM/Debye随EEF F/a.u.变化关系 Table 1 The relationship between the total energy E/Hartree, DM/Debye and external electric field F/a.u. of HES

表2 优化的HES分子键长R/Å 与F/a.u.的关系 Table 2 Relationship between the molecular bond length R/Å and F/a.u. HES for optimized

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

分子内电场与EEF的叠加作用[16], 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)的键伸长, 且EEF越大, R(1, 2)的键伸长的速度越快; 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(-0.005~0.002 5 a.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(0.002 5~0.01 a.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轴(C2— C1)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DFT/B3LYP/6-311G(d, p)方法, 对HES进行优化后计算HES的能量, 同时施加EEF(-0.005~0.010 a.u.), 得到HES的LUMO能量EL, HOMO能量EH。 能隙的计算公式(见本刊2018年38卷1期21页)

EG=(EL-EH)×27.2eV(3)

由式(3)得到EG的最终结果列于表3中。

表3 不同EEF下HES的LUMO EL, HOMO EH, 能隙EG Table 3 LUMO EL, HOMO EH and energy gap EH of HES molecules 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 The 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)

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0.005 a.u.)和正向EEF(由0增至0.010 a.u.), EG迅速减小, 说明在正负向EEF增大时, 电子易发生跃迁, 分子更易被激发, 而处于活跃的状态。

图6 不同EEF下能隙EG的变化Fig.6 Energy gaps EG under 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IR。 在无EEF作用下的IR见图7(a), 频率为823 cm-1主要属于C6— H8键的ω (C— H); 1 174 cm-1为苯环上C9— H15, C12— H16, C13— C17, C6— H8的ρ (C— H)与酚羟基O19— H22的ρ (OH); 1 264 cm-1为酚羟基(O19— H22, O18— H23)的ρ (OH)与6C— 8H的ρ (C— H); 1 696 cm-1主要是C26═O25的ν (C═O), 苯环上C1═C6的ν (C═C)与O18— H23的ρ (OH); 甲基的ν S(CH3)体现在3 010 cm-1处; 3 325 cm-1属于O18与H23之间的ν (OH)。 在EEF(-0.005~0.010 a.u.)作用下的IR见图7, 图7中的(a— g)依次对应EEF为0, -0.005, -0.002 5, 0.002 5, 0.005, 0.007 5和0.01 a.u.时的IR。 图中6个相对较强的谱峰, 从左到右的谱峰依次用数字1— 6列于表4。

表4 不同EEF下HES分子主要红外AP的频率f/cm-1, 摩尔吸收系数ε /L· mol-1· cm-1, 频率位移Δ f/cm-1 Table 4 The frequency f/cm-1, molar absorption coefficient ε /L· mol-1· cm-1, frequency shift Δ f/cm-1 of main infrared absorption peaks of HES molecules under different EEF

图7 不同EEF下HES分子的IRFig.7 IR of HES molecules under different EEF

表4和图7(a— g)表明, 在不同EEF下HES分子呈现出很强的振动斯塔克作用: 3, 4, 5峰出现了很强的RS, 而且施加的正向EEF越大, RS越明显。 其中由于C6— H8键的ρ (C— H)产生的1峰和甲基的ν S(CH3)产生的5峰最为突出, 频率分别减少了45和27 cm-1; 4峰在负向EEF(-0.002 5 a.u.)下, 发生了RS, 频率增大9 cm-1; 由于O18与H23之间的ν (OH)产生的6峰出现了较强的BS, 在正向EEF下, 频率减少了153 cm-1, 负向EEF下减少了81 cm-1; 因C— H键(苯环的)的ρ (C— H)形成的2峰, 没有出现移动现象。 在EEF的作用下, 各个峰出现了不同的RS和BS现象, 这样会重新分配HES分子的摩尔吸收系数ε 。

2.4 不同EEF下分子激发态的变化

对HES分子进行基态几何优化后, 选用TDDFT/B3LYP/6-311G(d, p)方法, 同时施加EEF(-0.005~0.010 a.u.), 探究HES分子的UV-Vis、 前9个单重ES的EE及OS的变化情况。 图8表明, 无EEF时HES分子在223.6和262 nm处有双AP, 吸收强度依次为7 665.84和1 2180.17 L· mol-1· cm-1, 箭头表明在正负向EEF增强时, 频谱的移动方向。 223.6 nm处的AP处于E2带, 是由苯环中的C═C键构成的共轭平面中电子跃迁(π → π * )生成的。 262 nm处的AP处于K带, 是由双键C26═O25, C1═O18分别与苯环的C═C键构成的共轭平面中, 电子跃迁(π → π * )生成的。 223.6 nm处的AP在EEF作用下出现BS, 且吸收强度均有所增强, 例如F=-0.002 5 a.u., 谱峰BS至217 nm, 强度增至9 260.37 L· mol-1· cm-1, 但是当F大于0.002 5 a.u., 谱峰消失。 262 nm处的AP同时出现RS和BS, 如图8箭头所示。 在正向EEF作用下出现了RS, EEF越强, RS越突显。 吸收强度随EEF的增强呈现衰弱趋势, 例如在F=0.01 a.u., 谱峰RS至283 nm, 强度达到最小值5 889.64 L· mol-1· cm-1; 在负向EEF作用下产生了BS, 且吸收强度均增强, 例如在F=-0.002 5 a.u., 谱峰BS至261 nm, 强度增至最大值为12 500.36 L· mol-1· cm-1。

图8 不同EEF下HES分子的紫外-可见吸收光谱Fig.8 UV-visible absorption spectra of HES molecules under different EEF

表5给出了HES分子在EEF作用下的前9个ES的EE和OS。 第1, 4, 5, 6, 7和8 ES在无EEF时EE最大, 当正负EEF逐渐增强时, EE均降低; 第2和3 ES的EE在正向和负向EEF下均先增强再减弱。 第9ES在正向EEF作用下逐渐衰减, 在负向EEF(0~-0.005 a.u.), EE先升后降, 在F=-0.0025 a.u. EE最大值为5.599 0 eV。 总的来看, 当EEF不断加强, 分子的EE减少, 说明分子中的电子越易跃迁, 使分子结构不稳定, 即分子激发更容易。 这与能隙在EEF影响下的变化规律(能隙减少, 分子易激发)相吻合。 无EEF时, 处在紫外区: 223.32~319.10 nm为前9个ES的波长(λ ); 当F=-0.002 5 a.u., λ 为221.44~371.97 nm, F=-0.005 a.u., λ 为240.73~454.72 nm, F=0.01 a.u., λ 为327.43~469.32 nm, 说明随着正向、 负向EEF不断增强, 部分λ 进入可见光区。 在无EEF时, OS均大于零, 表明能够被激发。 当不断加强正向EEF时, ES的OS均先升高再降低; 在负向EEF下有复杂的变化, 第1, 2和4 ES的OS小幅减小, 第3 ES则增大, 第5, 7和8 ES的OS先升后降, 第6和9 ES的OS先减弱后增强。 综上可知, 在EEF作用下, HES分子的EE和OS变化复杂。

表5 EEF作用下HES分子的前9个ES的EE和OS Table 5 EE and OS of the first nine ES of HES molecules under EEF

3 结 论

(1)通过DFT/ B3LYP/6-311G(d, p)方法, 在X轴(C2— C1)方向上施加EEF (-0.005~0.010 a.u.)并优化HES分子的基态结构, 探究了分子总能量、 DM、 HOMO-LUMO能隙、 IR的变化现象。 结果显示, 随着EEF的增强, 分子总能量先升后降, DM则相反; 不同的键长变化不同; 正负EEF都增强时, 能隙减少, 电子易跃迁, 分子处于活跃状态; 在EEF作用下, IR的各个AP产生不同的RS和BS。

(2)对HES优化后, 接着用TDDFT/B3LYP/6-311G(d, p)方法, 分析不同EEF下, UV-Vis和ES的变化情况。 结果表明, 无EEF时, HES在223.6和262 nm处有2个AP, 分别处于E2带、 K带, 在EEF作用下前者出现BS, 后者在正向EEF下出现RS, 在负向EEF下出现了BS; 分子各个ES的EE均变小, 说明分子易被激发, 变得更活跃。

综上可知, 在EEF作用下, HES分子的几何参数有显见的变化, IR和UV-Vis的AP都有频谱移动, EE整体减小。 研究EEF下HES分子特性, 可以为电场解离方法研究其抗癌和抗氧化的功效提供理论指导。 本工作只是橙皮素超光谱检测的前期工作, 接下来我们将以仿真光谱为基准开展针对其特征波段的空间外差光谱仪设计, 搭建可靠的测量平台, 最终实现橙皮素红外光谱信号的精细探测。

参考文献
[1] ZHU Xiao-qin, HUA Xiao-fang, LI Lei, et al(朱小琴, 华晓芳, 李磊, 等). Chinese Journal of Difficult and Complicated Cases(疑难病杂志), 2015, 14(2): 171. [本文引用:1]
[2] Kumar P, Kumar A. Behav. Brain Res. , 2010, 206(1): 38. [本文引用:1]
[3] Zhu C, Dong YC, Liu HL, et al. Biomed Pharmacother, 2017, 88: 124. [本文引用:1]
[4] YU Zhi-jian, AI Qi-li, LÜ Kai, et al(于志坚, 艾启利, 吕凯, 等). Neural Injury and Functional Reconstruction(神经损伤与功能重建), 2017, 12(5): 381. [本文引用:1]
[5] CAO Jing, LÜ Ji-yuan, ZHANG Ming-sheng, et al(曹静, 吕吉元, 张明升, 等). Chinese Journal of Integrative Medicine on Cardio-/Cerebrovascular Disease(中西医结合心脑血管病杂志), 2017, 15(18): 2241. [本文引用:1]
[6] Gong Y, Qin XY, Zhai YY, et al. Int. J. Biol. Macromol. , 2017, 101: 32. [本文引用:1]
[7] Lazer L M, Sadhasivam B, Palaniyand i K, et al. Int. J. Biol. Macromol. , 2018, 107: 1988. [本文引用:1]
[8] Kumar M, Dahiya V, Kasala E R, et al. Biomed Pharmacother, 2017, 89: 1207. [本文引用:2]
[9] Huang A L, Zhang Y L, Ding H W, et al. International Immunopharmacology, 2018, 61: 82. [本文引用:1]
[10] XU Yi-fan, LIU Pu, LIU Pei-pei, et al(许艺凡, 刘普, 刘佩佩, 等). Chinese Traditional and Herbal Drugs(中草药), 2018, 49(9): 2153. [本文引用:1]
[11] Walsh T D G, Strach L, Chin S L. J. Phys B-At. Mol. Opt. Phys. , 1998, 31(21): 4853. [本文引用:1]
[12] YANG Tao, LIU Dai-jun, CHEN Jian-jun(杨涛, 刘代俊, 陈建钧). Acta Phys. Sin. (物理学报), 2016, 65(5): 54. [本文引用:1]
[13] Mevel E, Breger P, Trainham R, et al. Phys. Rev. Lett. , 1993, 70(4): 406. [本文引用:1]
[14] LIU Yu-zhu, LI Xiang-hong, WANG Jun-feng, et al(刘玉柱, 李相鸿, 王俊锋, 等). Spectroscopy and Spectral Analysis(光谱学与光谱分析), 2017, 37(3): 679. [本文引用:1]
[15] Frisch M J, Trucks G W, Schlegel H B, et al. Gaussian 09 Revision D. 01, Gaussian Inc, Wallingford CT 2013. [本文引用:1]
[16] Grozema F C, Telesca R, Jonkman H T, et al. [J]. Chem. Phys. , 2001, 115(21): 10014. [本文引用:1]