丁香酚的构象景观与自由射流毫米波光谱：色散与松弛动力学的作用

《Journal of Molecular Spectroscopy》：Conformational landscape and free-jet millimeter-wave spectrum of eugenol: The role of dispersion and relaxation dynamics

　　菲利波·巴伦切利 | 卡米拉·卡拉布雷塞 | 劳拉·孔蒂 | 卢卡·埃万杰利斯蒂 | 索尼娅·梅兰德里 | 阿西莫·马里斯
意大利博洛尼亚大学“G. 西亚米基安”化学系，博洛尼亚，I-40129

**摘要**
使用自由射流吸收斯塔克调制光谱仪，在59.6-74.4 GHz频率范围内研究了丁香酚（2-甲氧基-4-(丙-2-烯-1-基)酚）的转动光谱。在B3LYP-D3(BJ)/def2-TZVP水平上进行的构象分析识别出十二个非等效的最小值，其中三个低能量构象通过内部氢键稳定。这些物种在实验光谱中被明确分配：全局最小值HB-E1（A=1427.0280(1)，B=628.66978(9)，C=450.45805(8) MHz；折叠形式HB-F（A=1427.988(3)，B=644.49(2)，C=503.69(3) MHz；以及第二种扩展形式HB-E2（A=1775.238(6)，B=526.33(7)，C=417.32(7) MHz）。对HB-E1的全局拟合结合了先前报告的微波数据（3–18 GHz），得到了一组高精度的转动和四次离心畸变常数，解决了结构分配中的不确定性。HB-E2物种的检测严格依赖于载气。其在氩气扩展中的缺失与其在氦气中的存在形成对比，表明存在一个由低转化能垒（约6 kJ mol?1）促进的向全局最小值的构象松弛路径，该能垒在高效碰撞冷却过程中被克服。

**1. 引言**
丁香酚（2-甲氧基-4-(丙-2-烯-1-基)酚）是一种主要的生物活性苯丙素类化合物，存在于丁香油中，因其抗菌和抗氧化特性以及在制药、香水、食品保存和生物基材料包装和涂层中的应用而广受认可[1]，[2]，[3]。从结构上看，该分子含有一个芳香环，以及羟基、甲氧基和烯丙基取代基，导致复杂的构象景观。
先前对结构类似物的研究为理解丁香酚提供了框架。Jabri等人使用毫米波啁啾脉冲傅里叶变换光谱和基于频率乘法链的亚THz光谱仪对愈创木酚（2-甲氧基酚）进行了表征[4]。转动分析揭示了一个由振动激发的大振幅模式伴随的单一构象，特别是甲氧基的平面外弯曲（v45=1,2）和甲基的扭转（v44=1）。推导出的转动常数支持一个Cs对称结构，该结构通过分子内的羟基-甲氧基氢键稳定，其中羟基作为质子供体（HB）。这一分配通过Gurusinghe等人的高分辨率共振腔傅里叶变换微波光谱得到了证实[5]，他们还观察到了所有自然丰富的13C单取代异构体和羟基氘代物种，从而明确了取代结构。
关于烯丙基取代基构象偏好的见解来自对烯丙基苯（(丙-2-烯基)苯）在超声速射流膨胀下的研究。Breen等人使用激光飞行时间质谱报告了一个单一物种[6]。随后，Philis和Kosmidis通过单光子和第二光子共振增强多光子电离光谱分辨出了两个构象[7]，而Panja等人使用激光诱导荧光和单振动级荧光光谱鉴定了两个构象异构体[8]。他们的从头算分析表明，烯丙基基本上垂直于苯环平面，并采用扩展配置（E），其中乙烯基部分指向远离环的方向；或者采用折叠配置（F），其中乙烯基朝向芳香电子云。作者还指出，从HF提高到MP2的理论水平并扩大基组逐渐稳定了折叠形式，最终使其成为全局最小值。
丁香酚本身已被广泛研究，其衍生结构表现出与愈创木酚和烯丙基苯一致的取代基行为：一个与芳香环共面的分子内羟基-甲氧基氢键和一个平面外的烯丙基链，仅在其扩展或折叠（HB-F）取向上有所不同。然而，存在两种非等效的扩展配置，HB-E1和HB-E2，取决于乙烯基是否朝向甲氧基。Longarte等人使用多种激光光谱技术在超声速膨胀中鉴定了HB-E1和HB-F，前者是全局最小值[9]。Olbert-Majkut和Wierzejewska在氩气和氙气基质中采用FTIR光谱检测到三种氢键结合的形式，其中HB-E1是全局最小值，HB-F是光谱中的次要组分[10]。红外和拉曼研究也证实了这种稳定性顺序[11]，[12]。
理论研究普遍认为HB-E1是全局最小值，而HB-E2和HB-F的相对稳定性取决于计算水平。密度泛函理论（DFT）计算预测HB-F是最不稳定的：Erel.HB?F = 2.78 vs. Erel.HB?E2 = 1.77 kJ mol?1（B3LYP/6-311++G(2d,2p）[10]，以及Erel.HB?F = 3.03 vs. Erel.HB?E2 = 1.72 kJ mol?1（B3LYP/cc-pVTZ [11]）。相反，包括经验色散或采用从头算方法时，得到的顺序相反：Erel.HB?F = 0.83 vs. Erel.HB?E2 = 2.28 kJ mol?1（B3LYP-D3/6-311+G(d,p）[13]，以及Erel.HB?F = 0.44 vs. Erel.HB?E2 = 2.42 kJ mol?1（MP2/6-311+G(d,p）[13]）。
尽管上述研究识别出了多种丁香酚构象，但Riffe等人之前的微波研究[14]仅报告了一个物种的分配。值得注意的是，该分配暗示了一个氧孤对相对的 structure（OO型），与预期的氢键结合（HB型）全局最小值相矛盾。这种差异可能是由于OO型和HB型之间重原子框架的structural similarity所致，因此进行了本次毫米波研究以提供明确的构象分配和全面的全局拟合。

**2. 方法**
丁香酚（CAS 97-53-0，纯度99%）从Merck购买，无需进一步纯化即可使用。该样品在室温下为淡黄色、芳香性的油状液体，熔点为265.6 K，沸点为527 K。使用先前描述的斯塔克调制自由射流吸收毫米波（FJ-AMMW）光谱仪进行分析[15]，[16]。该装置利用毫米波辐射源与肖特基二极管检测器和专门的喇叭形电介质透镜系统来聚焦光束。59.6–74.4 GHz频率范围内的辐射是通过放大和乘以由合成扫描信号发生器（HP-83640B，10 MHz - 40 GHz）产生的射频信号获得的。这种辐射垂直于超声速自由射流，与分子样品相互作用。为了增强信号检测，对样品施加了高电压斯塔克调制（电场高达750 V cm?1，频率为33 kHz）。
通过将单原子载气流过加热至383 K的样品制备了丁香酚蒸气。根据Stull[17]和Vilas-Boas[13]的数据，估计丁香酚的蒸气压为0.72 kPa。使用P0 = 15 kPa的氩气或P0 = 25 kPa的氦气，气体混合物通过直径为0.35 mm的针孔喷嘴膨胀到真空室中。泵送系统允许在0.2 Pa的背景压力下流速为12 kL s?1。
该设置允许在超声速射流膨胀条件下记录转动光谱，估计的转动温度约为10 K[18]，[19]。频率测量的估计精度约为50 kHz，可以分辨出超过300 kHz的谱线。在氩气膨胀中，半高宽从0.3–0.4 MHz变化到氦气膨胀中的约0.7 MHz。
基于DFT的量子力学计算使用Gaussian16?软件包（G16，Rev. A.03）进行[2]。采用了Becke三项参数Lee-Yang-Parr杂化泛函（B3LYP [20]，[21]），并用D3版本的Grimme色散和Becke-Johnson阻尼（D3(BJ) [22]进行校正，以及价态三ζ质量Karlsruhe极化类型基组（def2-TZVP [23]）进行几何优化、频率计算和构象势能表面的单维松弛扫描（步长10°）。使用较不扩展的基组，即分裂价态双ζ极化6-31G(d) [24]进行了二维松弛扫描（步长15°）。

**3. 结果与讨论**
**3.1. 构象分析**
丁香酚的构象空间由五个二面角控制，这些二面角决定了侧链在苯环上的取向：羟基（τOH = HOC1C2）、甲氧基（τOMe = C9O8C2C1）、甲基（τMe = HC9C8C2）、烯丙基（τAl = C11C10C4C3）和乙烯基（τC=C = C12C11C10C4），如图1所示。
然而，如先前的理论研究[10]，[12]所指出的，仅存在十二个非等效的最小值。这些结构在B3LYP-D3(BJ)/def2-TZVP水平上进行了优化，并在图2中表示，相应的可旋转二面角值及其电子和零点校正后的能量值总结在表1中。
空间障碍阻止了烯丙基链与芳香环共面排列，而乙烯片段可以相对于相邻的甲基采取三种重叠取向。根据侧链的相对取向，构象可以分为四组：(i) 由OH-OMe氢键稳定的HB低能量物种（Ee,rel.HB≤ 2.2 kJ mol?1），(ii) 两个氧原子的孤对相对的OO中等能量物种（Ee,rel.OO≤ 20 kJ mol?1），(iii) 具有非共价OMe-OH相互作用的zusammen高能量物种，其中甲氧基和烯丙基位于芳香环的同一侧；以及(iv) 具有类似OMe-OH相互作用的entgegen高能量物种，但甲氧基和烯丙基位于环的相反侧。所有zusammen和entgegen物种的估计电子相对能量均高于23 kJ mol?1。在HB和OO排列中，扩展的E1形式最为稳定，而在entgegen和zusammen排列中则倾向于折叠的F配置。

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**图1. 丁香酚的草图，原子编号和扭转角标记。**
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**图2. 在B3LYP-D3(BJ)/def2-TZVP计算水平下的丁香酚十二个构象的理论分子结构。分子取向以页面平面为ab平面（x=a和y=b）。**

**表1. 在B3LYP-D3(BJ)/def2-TZVP计算水平下的丁香酚十二个构象的理论能量值和二面角。**

**空单元**
Ee | ΔEe | E0 | ΔE0 | τOH | τOMe | τMe | τAl | τC=C | Eme
--- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | ---
HB-E1 | ?538.95 | 84 | 0.00 | ?538.75 | 97 | 94 | 0.00 | 0.01 | 79.4 | 17 | 9.65 |
HB-F | ?538.95 | 78 | 60 | 0.59 | ?538.75 | 95 | 36 | 0.68 | ?0.11 | 79.3 | ?17 | 9.68 |
HB-E2 | ?538.95 | 72 | 53 | 2.18 | ?538.75 | 90 | 13 | 2.05 | 0.01 | 79.8 | 18 | 0.01 | 27.9 | 12 | 0.5
OO-E1 | ?538.95 | 12 | 52 | 17.9 | 3 | ?538.75 | 33 | 63 | 16.88 | ?17 | 9.8 | 17 | 9.5 | 4.5 | ?11 | 9.9
OO-F | ?538.95 | 10 | 91 | 18.36 | ?538.75 | 31 | 63 | 17 | 7.9 | 17 | 9.5 | 4.5 | ?11 | 9.9
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**图3. 在B3LYP-D3(BJ)/def2-TZVP计算水平下的丁香酚十二个构象的理论分子结构。**

**表1. 在B3LYP-D3(BJ)/def2-TZVP计算水平下的丁香酚十二个构象的理论能量值和二面角。**

**空单元**
Ee | ΔEe | E0 | ΔE0 | τOH | τOMe | τMe | τAl | τC=C | Eme
--- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | ---
HB-E1 | ?538.95 | 84 | 0.00 | ?538.75 | 97 | 94 | 0.00 | 0.01 | 79.4 | 17 | 9.65 |
HB-F | ?538.95 | 78 | 60 | 0.59 | ?538.75 | 95 | 36 | 0.68 | ?0.11 | 79.3 | ?17 | 9.68 |
HB-E2 | ?538.95 | 72 | 53 | 2.18 | ?538.75 | 90 | 13 | 2.05 | 0.01 | 79.8 | 18 | 0.01 | 27.9 | 12 | 0.5
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**图4. 在B3LYP-D3(BJ)/def2-TZVP计算水平下，丁香酚氢键结合形式中乙烯基内部旋转（绕C10-C11键）的松弛势能轮廓。**

**图5. 在B3LYP-D3(BJ)/6-31G(d)计算水平下，丁香酚氢键结合形式中烯丙基和乙烯基扭转的松弛势能表面。**

**3.2. 转动光谱**
十二个丁香酚构象的转动光谱参数总结在表2中。基于计算出的相对能量（表1），在实验温度（T=378 K）下，非氢键结合物种的合计占比可以忽略不计（约为0.7%）。因此，丁香酚的主要光谱特征来源于低能量的氢键结合构象。在超声速膨胀之前，它们的相对丰度估计为HB-E1:HB-F:HB-E2 = 1:0.8:0.5。对于所有三种物种，计算出的电偶极矩μb分量都超过了2 D，这解释了在59.6–74.4 GHz频率范围内观察到三组独立的R-分支μb型转动跃迁。特别是，93条J = 21–36的跃迁线被归类为HB-E1，42条J = 21–33的跃迁线被观测到属于HB-F，以及30条J = 17–31的跃迁线属于HB-E2。在光谱中没有检测到其他线，这与μa和μc电偶极矩分量较小的预测值（表2）以及其他构象的高相对能量一致。实验测得的跃迁频率列在表3、表4、表5中。这些数据是使用S- reduced的四次Watson哈密顿量[27]通过Calpgm程序套件[28]进行拟合得到的。采用Ir表示法，因为丁香酚的所有构象都是长椭球不对称顶点，这一点由Ray不对称参数κ=(2B?A?C)/(A?C)的负值[29]表明，该参数在表2中有所报告。分配给最强信号的转动常数与Riffe等人[14]在3–18 GHz范围内测量得到的结果非常吻合。因此，微波和毫米波跃迁都被纳入了全局拟合中。所得到的光谱常数以及拟合的统计参数都列在表6中。理论与实验得到的转动常数之间的比较显示，所有DFT值都略大于拟合值，最大偏差小于0.4%。实验和理论光谱常数之间的极好一致性证实了观测到的物种确实是三种氢键连接的构象：HB-E1、HB-F和HB-E2。有趣的是，HB-E1和HB-F的转动常数与Riffe等人通过自动化拟合程序得到的前两组结果相匹配（表S4[14]和表6）。这种一致性有些偶然，因为他们的试验常数是针对OO构象计算的，而不是HB构象。然而，从表2中的数据可以推断出，羟基的转动只会导致转动常数的微小变化，这可以解释这种误解。尽管如此，重要的是要注意，OO物种的电偶极矩远低于HB构象（0.7 D对比平均值2.7 D），这进一步支持了当前的分配。实验测得的离心畸变常数与B3LYP-D3(BJ)/def2-TZVP水平计算的值相当吻合。观察到的差异在谐波预测的预期范围内，且不会显著影响拟合的质量。这种一致性进一步支持了观测物种的结构分配的可靠性，证实了分子刚性和质量分布可以通过理论模型很好地描述。没有观察到由于甲基内旋转引起的分裂，这表明这种运动的障碍很高。这一发现与在B3LYP/6-311++G**水平计算得出的V3HB-E1 = 13.0 kJ mol?1的值一致[12]，也与之前关于甲氧基苯衍生物的研究结果一致，包括茴香醚[30]、[31]、香叶醇（1-丙烯基-4-甲氧基苯）[32]、E-茴香酚[33]、2-甲基茴香醚[34]、4-甲基茴香醚[35]、guaicol [4]、[5]、2-氟茴香醚[36]的研究结果一致。此外，对固态茴香醚（130 K）的拉曼光谱研究表明，全局稳定的平面构象和局部稳定的正交构象的甲基内旋转障碍分别为22.1和20.3 kJ mol?1[37]。值得注意的是HB-E2构象的行为：当使用氦气作为载气时，HB-E2的跃迁非常明显，而使用氩气时则消失。这种现象是超声速射流中构象松弛的经典例子，因为HB-E2到HB-E1之间的最低转化障碍（6.25 kJ mol?1）接近阈值。根据Ruoff标准[38]，这种大小的障碍允许在氩气中相对缓慢的冷却过程中发生碰撞松弛，而在氦气中较快的冷却过程则会“冻结”高能量的物种，使其能够被检测到。在相关分子香叶醇[32]中也观察到了类似的行为。

表2. 丁香酚十二种构象在B3LYP-D3(BJ)/def2-TZVP计算水平下的理论光谱参数：转动常数、Ray不对称参数、Ir表示法下的四次离心畸变常数（A-和S-还原形式）以及电偶极矩分量。
空单元格
HB-E1
HB-F
HB-E2
OO-E1
OO-F
OO-E2
E-E1
E-F
E-E2
Z-E1
Z-F
Z-E2
A (MHz)
142
9.4
143
0.6
177
5.3
142
1.8
14
1.8
174
9.8
160
2.2
163
1.8
209
7.1
165
0.1
174
9.5
220
2.9
B (MHz)
63
0.8
64
5.1
52
8.3
63
2.7
65
0.0
53
0.65
78.9
59
5.6
49
1.1
56
4.0
57
0.1
48
6.3
C (MHz)
45
1.5
50
4.0
41
8.9
45
2.0
50
4.5
41
8.3
46.9
50
4.2
42
1.2
44.3
49
2.7
41
4.7
κ?0.6
33
?0.69
5
?0.83
9
?0.627
?0.679
?0.831
?0.772
?0.838
?0.917
?0.800
?0.877
?0.920
ΔJ (Hz)
46.0
163.3
83
22.6
145.9
66
1.8
130.5
64
2.9
97
6.7
33
9.0
64.8
43.3
41
9.9
5
ΔJK (Hz)
60.0
72
37.6
9
?133.0
97
33
0
270.0
1
?96.9
4
?38.3
9
?112.1
1
?495.1
59.8
217.9
?156.3
6
ΔK (Hz)
29.9
62
5.2
215
97.4
31
5.3
?54.9
31
49.5
74
6
46.0
389
6.4
152
92.2
258
5.28
115
86.3
199
5.79
δJ (Hz)
15.7
31
9.7
23.9
51
5.6
19.2
13.8
4
?14.1
23.2
9.8
15.3
18.0
1.7
2
δK (Hz)
157.7
?119.9
45.0
216.3
?99.0
96.8
2
?2.57
?71.9
?58.4
243.2
349.5
76
12.4
DJ (Hz)
38.0
568.3
031
46
37.7
36
66.1
32
9.2
48.1
47
84.2
53
96.8
40.4
51.2
19.8
3
DJK (Hz)
107.8
320
8.1
?126.1
61
122.7
124.0
?88.9
1
?69.2
5
?121.2
?498.8
9
48.2
?29.3
5
?155.6
DK (Hz)
?9.8
44
9.8
31
59
1.66
?25.8
3
?33.3
413
42.87
47
1.74
90
4.0
152
95.3
35
35
31
198.0
519.5
15
d1 (Hz)
?15.7
3
?19.7
23.9
5
?15.6
?19.2
13.8
4
?14.1
23.2
9.8
15.3
18.0
1.7
δK (Hz)
157.7
?119.9
45.0
216.3
?99.0
96.8
2
?2.57
?71.9
?58.4
243.2
349.5
76
12.4
DJ (Hz)
38.0
568.3
031
46
37.7
36
66.1
32
9.2
48.1
47
84.2
53
96
84
0.4
51.2
19.8
3
DJK (Hz)
107.8
320
8.1
?126.1
61
122.7
124.0
?88.9
1
?69.2
5
?121.2
?498.8
9
48.2
?29.3
5
?155.6
DK (Hz)
?9.8
44
9.8
31
59
1.66
?25.8
3
?33.3
413
42.87
47
1.74
90
4.0
152
95.3
35
35
31
198.0
519.5
15
d1 (Hz)
?15.7
3
?19.7
2
?3.9
5
?15.6
?19.2
13.8
4
?14.1
23.2
9.8
15.3
18.0
1.7
δK (Hz)
157.7
?119.9
45.0
216.3
?99.0
96.8
2
?2.57
?71.9
?58.4
243.2
349.5
76
12.4
DJ (Hz)
38.0
568.3
031
46
37.7
36
66.1
32
9.2
48.1
47
84.2
53
96.4
152
92.2
258
5.28
115
86.3
199
5.79

表3. 丁香酚HB-E1构象的实验跃迁频率（MHz）。观测值与计算值（MHz）之间的差异是指包括在先前工作[14]中报告的低频跃迁的全局拟合。

表4. 丁香酚HB-F构象的实验跃迁频率（MHz）。所有谱线均为μb型不对称Ka跃迁的双峰（仅给出Ka值）。

表5. 丁香酚HB-E2构象的实验跃迁频率（MHz）。所有谱线均为μb型不对称Ka跃迁的双峰（仅给出Ka值）。

表6. 丁香酚的实验光谱参数，包括S-还原和Ir表示形式。