2019, Vol. 36 
2. 大连理工大学 精细化工国家重点实验室, 辽宁 大连 116024;
3. 中国科学院 大连化学物理研究所, 辽宁 大连 116023;
4. 大连理工大学 化工学院, 辽宁 大连 116024
2. State Key Laboratory of Fine Chemicals, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China;
3. Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Dalian 116023, China;
4. College of Chemical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China
七叶亭（6, 7-二羟基香豆素，化合物1）是一种天然的双酚香豆素，广泛分布在许多药用植物中，如蒿属、柑橘属等植物[1].它的衍生物因为含有药效性较高的苯二酚基团，能够在体外抑制人体恶性肿瘤细胞的繁殖[2]；增强紫杉醇诱导人体肝癌细胞凋亡的功能[3]；还具有抑制脂氧合酶[4]、清除自由基[5]、保护DNA[6]和化学预防癌症[7]等生物活性，是一类研究较为热门的化合物.
目前关于七叶亭衍生物的结构修饰与合成、药理研究方面的文献报道[8, 9]较多，而有关其核磁共振（NMR）波谱数据的全归属，还未见文献报导.我们以苯基、甲氧基与羟基引入七叶亭母体结构中的衍生物[10]为研究对象，应用1H NMR、13C NMR、1H-13C HSQC、1H-13C HMBC多种NMR技术，对这些化合物所有的1H和13C NMR信号进行了详细的归属.
NMR技术是鉴定分子结构的重要手段，不仅局限于对化合物的结构解析，也可以利用其化学位移等参数推断分子的其他物理化学性质.对于分子结构与NMR化学位移关系的研究，国内外已有不少报导.例如：李临生等[11, 12]对含羟基化合物和脂肪胺类化合物的分子结构进行了深入分析，并提出了含羟基化合物17O NMR化学位移和脂肪胺类化合物15N NMR化学位移的计算公式.余尚先等[13]讨论了常见取代基对苯环13C NMR化学位移的影响，分析了取代基的诱导效应、共轭效应.曹晨忠等[14]定量研究了取代基效应对二芳基硝酮CH=N(O)桥基1H NMR化学位移（δH[CH=N(O)]）的影响，得到一个4参数定量方程.本文除了对所研究化合物的1H和13C NMR信号进行归属外；还初步讨论了甲氧基位置的变化对其化学位移的影响，并比较了不同位置取代基影响的大小；还使用了gauge不变原子轨道（gauge-invariant atomic orbitals，GIAO）和gauge转换的连续集（continuous set of gauge transformations，CSGT）两种方法量化计算了七叶亭及其衍生物的1H和13C NMR化学位移，并将其与实验值进行了比较.
1 实验部分 1.1 仪器与试剂含0.03%四甲基硅烷（TMS）的DMSO-d6（氘代率为99.9%，CIL）购于北京安耐吉公司.使用配备了5 mm PABBO BB探头的Bruker AVANCE Ⅲ 500 MHz型NMR超导谱仪.
以七叶亭（化合物1）为母体，通过将甲氧基与羟基引入到5、6、7和8位，将苯基引入至4位，得到其一系列衍生物2~14.化合物1~14均由中国科学院大连化学物理研究所王平博士提供，其化学结构如图 1所示.
|
图 1 化合物1~14结构式 Fig. 1 Chemical structure of compounds 1~14 |
样品溶于DMSO，以TMS为内标定标（δH 0.00，δC 0.0）.1H NMR和13C NMR的工作频率分别是500.13和125.73 MHz，实验温度为25 ℃，谱宽分别为10 330.6 Hz和29 761.9 Hz.1H 90°脉冲宽度为11.90 μs，13C 90°脉冲宽度为9.80 μs；二维谱包括2D梯度场HMBC、HSQC谱，均采用标准脉冲程序.HMBC和HSQC的F2（1H）和F1（13C）维的谱宽为4 950.49 Hz和27 927.39 Hz，采样数据点阵t2×t1=2 048×512，累积次数为8.
2 结果与讨论本文首先结合文献[15]，利用1H NMR、13C NMR、1H-13C HSQC、1H-13C HMBC，对化合物1~14的1H和13C NMR进行了全归属，并以七叶亭为例进行了阐述；然后讨论了甲氧基的引入对化合物1~14的1H和13C NMR化学位移的影响；最后，还使用了GIAO和CSGT两种方法量化计算了1H和13C NMR化学位移，并将其与实验值进行了比较.
2.1 七叶亭（6, 7-二羟基香豆素，化合物1）1H和13C NMR数据分析化合物1的13C NMR谱（图 2）中给出了9个信号，分别对应于七叶亭的9个碳原子（包含4个叔碳和5个季碳）.根据化学位移规律，羰基碳受氧原子的吸电子效应和去屏蔽效应影响出现在最低场，故δC 160.8归属为C-2.1H NMR谱（图 3）低场区显示6种质子信号.
|
图 2 化合物1的13C NMR谱 Fig. 2 13C NMR spectrum of compound 1 |
|
图 3 化合物1的1H NMR谱 Fig. 3 1H NMR spectrum of compound 1 |
由1H-13C HMBC谱（图 4）可知，δH 7.87（1H, d, 9.0 Hz）和δH 6.17（1H, d, 9.0 Hz）与C-2远程相关，并且δH 7.87（1H, d）与C-2交叉峰的强度明显大于δH 6.17（1H, d）与C-2的交叉峰，因为H-4/C-2属于三键耦合，而H-3/C-2属于两键耦合，而三键耦合的强度要略强于两键，所以δH 7.87（1H, d）和δH 6.17（1H, d）可分别归属为H-4和H-3.在HMBC谱中，δC 110.7与H-3相关，归属为C-10；δH 6.75（1H, s）与C-10相关，归属为H-8.
|
图 4 化合物1的1H-13C HMBC谱 Fig. 4 1H-13C HMBC spectrum of compound 1 |
在HSQC谱（图 5）中，δC 144.4与H-4相关，归属为C-4.δC 102.6与H-8相关，归属为C-8. δC 111.5与H-3相关，归属为C-3.δC 112.3与还未归属的δH 6.98（1H, s）相关，根据化学位移规律及已经归属的质子信息，δH 6.98（1H, s）归属为H-5，因此δC 112.3归属为C-5.
|
图 5 化合物1的1H-13C HSQC谱 Fig. 5 1H-13C HSQC spectrum of compound 1 |
在HMBC谱中，δC 148.4与H-4相关，归属为C-9；δC 150.3与H-5相关，归属为C-7；δC 142.8与H-8相关，归属为C-6.C-5与H-4的远程相关，C-9与H-8、H-5的远程相关，C-4与H-5的远程相关，证实了上述归属的正确性.
利用相同的方法，通过多种NMR技术对化合物2~14的1H和13C NMR数据进行了全归属（表 1和表 2），可以初步确定NMR数据与其结构一致.
|
表 1 化合物1~14的1H NMR归属（DMSO-d6） Table 1 1H NMR data assignment of compound 1~14 (DMSO-d6) |
尽管目前已有的实验数据所限，甲氧基取代的位置不是很全面，不过对所得的结果进行分析，仍可得到如下初步结论：
（1）由表 1得知，当在6位和7位引入甲氧基后，与化合物1比较，化合物2、3、4中H-5向低场位移，这主要是由电子诱导效应引起的.甲氧基是电负性较大的取代基，对H-5的去屏蔽作用随着电负性的增大而增大.比较甲氧基取代位置不同的化合物2和3，发现H-5化学位移差别较大，这是由甲氧基的定位效应决定的.甲氧基是一类邻对位定位基，当H-5处于甲氧基邻位时，受甲氧基吸电子效应影响更大，向低场位移更大.同理，相对于化合物6，化合物5的H-6与H-8向低场位移.相对于化合物1，化合物5和6中H-3向高场位移，而H-4向低场位移.这是因为甲氧基与羟基处在苯环的间位上，两者均为吸电子基团，分散能力提高，苯环上电子云密度的分布就发生变化，这种影响可沿着苯环的共轭链传递，因此共轭链上就出现电子云密度较大和电子云密度较小的交替现象，从而使它表现出不同的定位效应.
（2）在表 2中，与化合物1比较，化合物2、3和4在6和7位引入甲氧基后，各个碳原子的化学位移变化不大，这是因为甲氧基与羟基的电负性相近，故对碳原子的影响也是均等的，这与对质子的影响规律不同.而取代基对化合物5和6的碳原子化学位移的影响较大，C-5、C-7、C-9向低场位移，而C-6、C-8、C-10则向高场位移.
|
|
表 2 化合物1~14的13C NMR归属（DMSO-d6） Table 2 3C NMR data assignment of compound 1~14 (DMSO-d6) |
（3）在4位引入苯环（化合物7~14）后，C-4受苯环共轭作用，化学位移相对于化合物1向低场位移.
2.3 化合物1~14的1H和13C NMR化学位移的量子化学计算本文运用量子化学B3LYP密度泛函计算方法，使用6-311+G(2d, p)基组对相关分子结构进行了优化，并使用PCM溶剂化模型考虑了DMSO的影响.随后的1H和13C NMR化学位移计算使用了与优化相同的计算级别和溶剂化模型.化学位移计算时使用了GIAO和CSGT两种方法，以TMS的1H和13C NMR化学位移为基准，使用Gaussian 09程序完成[16].结果（表 3和表 4）表明，除酚羟基质子的化学位移计算结果与实验值偏差很大外，其它均在计算误差范围之内，并且两种方法（GIAO和CSGT）计算的13C NMR化学位移结果相近.
|
|
表 3 化合物1~14的1H NMR化学位移的量子化学计算 Table 3 δH calculation for compound 1~14 |
|
|
表 4 化合物1~14的13C NMR化学位移的量化计算 Table 4 δC calculation for compound 1~14 |
本文将甲氧基与羟基分别引入到七叶亭（化合物1）5、6、7和8位，将苯基引入至其4位，得到一系列七叶亭衍生物2~14.利用多种NMR技术对化合物1~14的1H和13C NMR进行了全归属；并讨论了取代基对七叶亭类衍生物1H和13C NMR化学位移的影响；最后使用GIAO和CSGT两种量子化学方法计算了它们的化学位移，并将计算值与实测值进行了比较.本文为香豆素化合物结构鉴定提供了有效补充，具有很好的参考意义.
| [1] | MASAMOTO Y, ANDO H, MURATA Y, et al. Mushroom tyrosinase inhibitory activicyog esculetin isolated from seeds of Euphorbia lathyris L[J]. Biosci Biotechnol Biochem, 2003, 67(3): 631-634. DOI: 10.1271/bbb.67.631. |
| [2] | CHU C Y, TSAI Y Y, WANG C J, et al. Induction of apoptosis by esculetin in human leukemia cells[J]. Eur J Pharmacol, 2001, 416(1, 2): 25-32. |
| [3] | KUO H C, LEE H J, HU C C, et al. Enhancement of esculetin on taxol-induced apoptosis in human hepatoma Hepg2 cells[J]. Toxicol Appl Pharmacol, 2006, 210(1, 2): 55-62. |
| [4] | LEE K T, LILLARD D A. Effects of esculetin as a lipoxygenase inhibitor in soybean extracts[J]. J Food Lipids, 1997, 4(2): 119-127. DOI: 10.1111/j.1745-4522.1997.tb00086.x. |
| [5] | PAYA M, HALLIWELL B, HOULT J R S. Interactions of a series of coumarins with reactive oxygen species-scavenging of superoxide, hypochlorous acid and hydroxyl radicals[J]. Biochem Pharmacol, 1992, 44(2): 205-214. |
| [6] | TAHARA S, BABA N, MATSUO M, et al. Protective effect of Epigallocatechin gallate and esculetin on oxidative DNA damage induced by psoralen plus ultraviolet-A therapy[J]. Biosci Biotechnol Biochem, 2005, 69(3): 320-622. |
| [7] | MATSUNAGA K, YOSHIMI N, YAMADA Y, et al. Inhibitory effects of nabumetone, a cyclooxygenase-2 inhibitor, and esculetin, a lipoxygenase inhibitor, on N-methyl-N-nitrosourea-induced mammary carcinogenesis in rats[J]. Jpn J Cancer Res, 1998, 89(5): 496-501. DOI: 10.1111/j.1349-7006.1998.tb03289.x. |
| [8] | WANG P, XIA Y L, YU Y, et al. Design, synthesis and biological evaluation of sculetin derivatives as anti-tumour agents[J]. The Royal Society of Chemistry, 2015, 5: 53477-53483. |
| [9] | CHEN C, WANG P, ZOU L W, et al. Synthesis and biological evaluation of hydroxylcoumarin derivatives as antioxidant agents[J]. Chem Res Chin Univ, 2017, 33(2): 194-199. DOI: 10.1007/s40242-017-6411-8. |
| [10] | YANG L, WANG P, GE G B, et al. Chemically selective monomethylation method of catechol coumarin compounds: CN, 106518825[P]. 2017-03-22 |
| [11] |
LI L D, LI L S. Study of 17O-NMR chemical shifts of hydroxy-contained compounds[J].
Chinese J Magn Reson, 2002, 19(2): 115-123.
李利东, 李临生. 含羟基化合物的17O-NMR化学位移研究[J]. 波谱学杂志, 2002, 19(2): 115-123. DOI: 10.3969/j.issn.1000-4556.2002.02.002. |
| [12] |
ZHANG L N, LI L S, LAN Y J, et al. Calculation of 15 N NMR chemical shifts of amino groups in aliphatic anilines[J].
Chinese J Magn Reson, 2006, 23(2): 225-240.
张丽娜, 李临生, 兰云军, 等. 脂肪胺类化合物氨基15 N NMR化学位移规律的研究[J]. 波谱学杂志, 2006, 23(2): 225-240. DOI: 10.3969/j.issn.1000-4556.2006.02.010. |
| [13] |
YANG J R, YU S X. Study on the relationship between inductive effect, conjugative effect and activity of electrophilic substitution reaction based on 13C chemical shift[J].
Chemistry, 2006, 69(5): 331-336.
杨金瑞, 余尚先. 从13C化学位移分析取代基的诱导效应、共轭效应和亲电取代反应活性间的关系[J]. 化学通报, 2006, 69(5): 331-336. DOI: 10.3969/j.issn.0441-3776.2006.05.014. |
| [14] |
CAO C T, LUO Q Q, CAO C Z. Substituent effects on the 1H NMR chemical shifts of CH=N(O) bridge group in diaryl nitrone[J].
Chinese J Magn Reson, 2017, 34(1): 69-77.
曹朝暾, 罗青青, 曹晨忠. 取代基效应对二芳基硝酮CH=N(O)桥基1H NMR化学位移的影响[J]. 波谱学杂志, 2017, 34(1): 69-77. |
| [15] |
ZHANG M G, FENG X H, YU S T, et al. Spectral analysis and structural elucidation of besifloxacin hydrochloride[J].
Chinese J Magn Reson, 2018, 35(3): 374-384.
张明光, 冯小虎, 于水涛, 等. 盐酸贝西沙星的波谱学数据与结构确证[J]. 波谱学杂志, 2018, 35(3): 374-384. |
| [16] |
WANG Y N, JIN Q, LI H D, et al. Theoretical calculation of spectral characteristics of Gefitinib[J].
Chinese J Magn Reson, 2015, 32(3): 528-541.
王燕妮, 金芩, 李慧丹, 等. 吉非替尼谱学性质计算研究[J]. 波谱学杂志, 2015, 32(3): 528-541. |