全 文 ：第 卷 第 期
年 月 日
计其机与应用化李 ,
,
黑沙篙中 种黄酮类化合物抗氧化活性的 研究
齐蜻敏 , 张鑫 , 吕庆章
河南师范大学化学化工学院 , 河南 , 新乡 ,
摘要 采用量子化学密度泛函理论 的 一 , 阳 一 , 方法对黑沙篙中己分离得到的 种黄
酮类化合物芹菜素一, 二甲醚 、芜花素 、轻基芜花素 、 鼠李素进行了优化及单点能计算 。从黄酮分子的几何构型 、酚轻基 的
电荷数 、不同位置酚经基解离焙 、 和 及其能级差分析所得 黄酮类化合物的轻基数目和形成的分子内氢键
数目越多 , 抗氧化活性越强 不同位置酚羚基的活性不同 , 环 位酚轻基的活性最强 , 环 位酚轻基的活性最弱 , 环
位酚轻基的存在有利于鼠李素分子形成良好的共扼体系 , 提高了该化合物的抗氧化活性。结果表明 , 四种黄酮类化合物的抗氧
化活性顺序为鼠李素 轻基芜花素 芜花素 芹菜素一, 二甲醚 文章最后对鼠李素分子清除轻基自由基的反应历程进行了动态
模拟分析 。
关键词 黑沙篙 黄酮类化合物 抗氧化活性
中图分类号 文献标识码 文章编号 一 一 一
引言
黄酮类化合物是一类在植物界广泛分布的多酚类化
合物 , 具有众多的生物活性 , 尤其是天然植物源黄酮具
有良好的清除自由基的能力 , 并且对人体安全无毒 , 是
近年来备受关注的具有广泛开发前景的天然抗氧化剂〔 。
黄酮类化合物清除自由基的最主要机制为其上的酚轻基
与自由基反应 , 形成共振稳定半醒式自由基结构 , 从而
中断链式反应 , 黄酮类分子 一 清除自由基
的反应 可 以表 达为 一 一 一。
·卜阴 一。因此 , 这类化合物清除自由基的能力与环上
酚轻基抽氢反应的能力和生成的自由基中间体的稳定性
有关 。
黑沙篙 从 而 士 是菊科篙属植
物 , 又名沙篙 、油篙 , 在我国北方沙区分布甚广 , 是我
国沙区最优良的固沙植物之一 。黑沙篙全草均可入
药 , 性味辛苦微温 , 具有法风湿的功效 , 治风湿性关
节炎 、感冒 、咽痛 , 疮疖痈肿 。《内蒙古中草药 》载 “茎
叶 去风湿 ,清热消肿 。治风湿性关节炎 、咽喉肿痛 。”
近年来 , 有学者对黑沙篙的化学成分进行了分离研究 ,
发现黄酮类化合物是其主要化学成分 , 并且采用实验的
方法分析了该类化合物清除自由基能力的大小 。赵东保
等人对该植物全草的化学成分进行了系统研究 , 从其乙
醇提取物的氯仿部分分离并鉴定了 个黄酮类化合物 。
王勇 等人采用分光光度法测定了黑沙篙中黄酮类化合
物清除经基自由基的能力 , 以 。值作为评价指标 , 初
步探讨了该化合物清除自由基的活性与结构之间的关
系 。李明静 用单扫描示波极谱法研究了该植物中黄酮类
化合物对 一的清除作用 , 试图阐明其结构与活性的关
系 。本文选取黑沙篙中己分离得到的几种具有代表性的
黄酮类化合物 , 采用量子化学计算的方法对其抗氧化活
性进行了详细的理论分析 , 为能更好的开发利用该天然
植物源黄酮提供理论上的依据 。黄酮类化合物分子的结
构如图 所示 。
一 , ,一
芹菜素一, 一二甲醚 芜花素
轻基芜花素
比
鼠李素
图 种黄酮类化合物的分子结构
计算方法
本研究采用密度泛函理论 及 钾 件 方法
在 一 , 基组水平上对黑沙篙中 个黄酮类化合物
进行了构型优化 , 并在此基础上采取相同的方法选用
一 , 基组进行了单点能计算 。分别从分子的几
何构型 、酚轻基氢上的带电情况 、各个酚轻基的解离焙
、分子的 和 的结构图 、 和
收稿日期 一 一 修回日期 一 ·
基金项目 国家自然科学基金资助项目
作者简介 齐蜻敏 一 , 女 , 河南鹤壁人 , 硕士研究生 , 的 ￡。
联系人 吕庆章 一 , 男 , 河南新乡人 , 博士 教授 , 硕士生导师 , 一 刃
26 8 计葬机与左用化李 ,
的能级及其能级差等方面对 种黄酮类化合物抗
氧化活性进行了详细的讨论 。最后以经基自由基
作为进攻体 , 以鼠李素 位酚轻基作为受体 , 探讨了该
抽氢反应的难易。全部量子化学计算 软`件
包完成 。
结果与讨论
分子几何构型和结构参数
运用 一一。 , 方法对 种黄酮类化合物
分子进行优化 , 得到的分子的主要结构参数见表 。
表 种黄酮类化合物的主要结构参数 单位 埃 、度
肠
吧巴叫乏不 少 ·
芹菜素
一, 二甲醚
芜花素 轻基
芜花素
鼠李素
, 一
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一。书
,一。一
万
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,
乡
,
夕
月
刀
,
位轻基对该分子的抗氧化活性有增效的作用 。
影响黄酮类化合物抗氧化活性的另一因素为分子内
形成的氢键数目 , 分子内氢键数 目越多 , 形成的半醒式
自由基越稳定 , 抗氧化活性越强 。本文所选的 种黄酮
类化合物可形成的氢键数官 芹菜素一 , 二甲醚 个
芜花素 个 轻基芜花素 个 鼠李素 个 。
综上讨论 , 种化合物的抗氧化活性顺序为 芹菜素一,
二甲醚 芜花素 轻基芜花素 鼠李素 。
电荷布局分析
轻基 自由基 · 是人体内破坏力最强的自由基 ,
其上的 。原子带有多余的电子 , 易与 反应生成 。
黄酮类化合物作为很好的供氢体 , 通过其上的酚轻基与
· 反应 , 进而清除轻基自由基起到抗氧化的作用 , 因
此 , 酚轻基上 原子的正电荷越大越倾向于吸引 ,
其抗氧化活性越强 。
表 酚轻基上的氢的 电荷数
砰 噢耳 罗卜叩 邵 ·
芹菜素
一, 二甲醚
芜花素 经基
芜花素
鼠李素
羚基
轻基
羚基
羚基
沸
耳 沸 ,
由表 所列分子的结构参数可知 , 芹菜素一 , 一二甲
醚 、芜花素 、轻基芜花素 、 鼠李素 种分子相同环上酚
轻基的键长近似相等 , 不同环上的酚轻基键长略有不同 ,
其中 环 位 一 的键长最大 , 约为 人。 种分
子的 环与 环几乎共平面 , 环与 存在 一 “
的二面角 , 其中鼠李素分子的 环与 环夹角为 , 这
可能与 环 位轻基的存在有关 , 位轻基的存在使该
化合物的共辘体系有所延伸 , 有利于电子云的扩散及自
由基的稳定 。
影响黄酮类化合物抗氧化活性的因素中最主要的是
轻基化的程度和位置 , 观测 种黄酮类化合物的结构示
意图 , 种化合物的轻基数目顺序为 鼠李素 轻基芜花
素 芜花素 芹菜素一, 二甲醚 。种分子的相同之处为
环的取代基种类 、数目 、位置相同 , 即 位和 位 分
别都被轻基和甲氧基取代 ,而 环与 环的取代基种类 、
数目不完全相等 。由表 数据可知 , 芹菜素一 , 一二甲醚
只有 环 位被轻基取代 , 轻基数目最少 , 推测其抗氧
化活性最弱 。芜花素与轻基芜花素都具有 位轻基 , 与
芜花素相比 , 轻基芜花素 环具有 , 一邻二经基 ,
位轻基供氢后易与邻位经基的 形成分子内氢键 , 这将
进一步提高黄酮自由基的稳定性 , 因此轻基芜花素的抗
氧化活性高于芜花素 。鼠李素的 环 位 上 被轻基
取代 ,对于 位 上轻基的活性报道不一 , ,
实验研究指出 , 轻基对于抗氧化活性影响不大 , 而有
的报道认为 位轻基对于抗氧化活性十分重要 。从该
分子的几何结构和后文计算所得的鼠李素的 环 位经
基的解离焙及前线轨道电子云分布情况来看 , 鼠李素的
由表中数据可以看出 , 种分子的 位酚轻基氢原
子上的正电荷最大 , 理论上最容易吸引。 自由基 , 但
该位酚轻基上的 易与邻位碳基形成分子内氢键 , 从而
使其不易失去 与自由基发生反应 , 活性较低 。经基芜
花素和鼠李素 环 , 位轻基 上的电荷数近似相等 ,
鼠李素分子的 位酚轻基 上电荷数略大于 位 , 因此
该位酚轻基 最易吸引 自由基 , 活性最强 , 位
轻基 易与邻位 形成分子内氢键 , 所以活性不及
位 , 同理 , 鼠李素的 位轻基由于氢键的相互作用一方
面使得该位酚经基上的 不易离去 , 另一方面可以增强
黄酮自由基的稳定性 , 因此鼠李素的抗氧化活性强于轻
基芜花素 。芜花素 环只有单个 位轻基 , 且经基 原
子上的正电荷数又小 , 不易吸引 , 所以活性不如轻
基芜花素和鼠李素 。
综上分析 , 种化合物的抗氧化活性顺序为 芹菜
素一, 二甲醚 芜花素 轻基芜花素 鼠李素 , 与前文
推测一致 。
酚轻基解离焙 分析
研究发现 , 一 键解离烩 ,
是合适的表征自由基抽氢反应速率的理论参数之
一 , 一 键解离焙值越小 , 一 越弱 , 越容易发生抽氢反应 , 抗氧化活性越强 。
本文采用 一 , 一 ,
方法对芹菜素 、芜花素 、轻基芜花素和鼠李素及失去不
同酚轻基氢原子后的黄酮自由基进行了优化计算 , 并得
2013 , 齐蜻敏 , 等 黑沙篙中 种黄酮类化合物抗氧化活性的 研究
到相关酚轻基的 见表 , 一 、
、 、分别代表黄酮自由基的能量 、氢原子的能量和
个黄酮化合物的能量口】。
表 种黄酮类化合物不同位置 一键的解离烩
一
芹菜素 芜花素 经基 鼠李素
一, 二 甲 芜花素
醚
一 一 一 一 石
一 名 名 刀
一 一 一
,一 一 石
注 卫尸 石 科
一, 一 一, 一
芹菜素一, 二甲醚 芹菜素一 , 二甲醚
芜花素 芜花素
由表 中数据 , 对同一分子解离不同位置酚轻基上
质子所需要的能量进行比较 , 以鼠李素为例 , 解离焙
顺序为 一 一 一 一 , 由此
可见 , 鼠李素 环 位轻基解离烩最小 , 最易解离 , 活
性最强 , 位酚轻基解离焙最大 , 活性最弱 。比较 种
分子 一 键的解离烩 , 发现它们 环 位轻基的解离焙
值近似相等 , 都比较大 , 再次说明 环 位轻基不易发
生抽氢反应 , 活性弱 。从表中可以看出 , 环 位轻基
的解离焙最小 , 且从芜花素到鼠李素的解离烩值依次减
小 , 位轻基的解离烩值次之 , 因此这 个部位是黄酮
类化合物发生抗氧化作用的主要活性位点 。与轻基芜花
素相比 , 鼠李素各个酚轻基的解离焙值更小 , 更易解离。
芜花素 环只有单个 位轻基 ,且 一 解离烩大于鼠李
素和轻基芜花素 位 一 的解离焙 , 因此芜花素的抗氧
化活性不及鼠李素和轻基芜花素 。综上分析 , 种化合
物的抗氧化活性依次递强 。
为研究分子内氢键对化合物体系能量变化的影响 ,
本文以芹菜素一, 二甲醚为例 , 该化合物只有 位轻基 ,
可以与邻位拨基氧形成氢键 , 由此 , 在初始结构中改变
位轻基的取向 , 使得 位轻基无法与邻位拨基形成
分子内氢键 , 然后采用相同的方法对该分子进行了几何
结构的优化 , 得到的这一构型体系的总能量比原优化好
的分子体系的能量高 」 , 这就说明了分子内氢
键可以降低体系的能量 , 起到稳定自由基的作用 。
前线分子轨道及其轨道的能级分析
前线分子轨道是指最高占据轨道 和最低空轨
道 。根据前线分子轨道理论 , 能量越高的
轨道中的电子越不稳定 , 越容易失去电子 , 能量越低的
轨道越容易接受电子 同时 , 前线分子轨道能级
差 “ 。,的大小反映了分子形成反应活化态所需
要的能量大小 , 即“ 值越小 , 形成活化态所需
要的能量越小 , 反应活性越高 , 分子越活泼 , 抗氧化活
性越强 “ 。在 一 , 优化好的基础上计算
所得 一 , 水平下 个分子的前线轨道能
及能级差的相关参数见表 , 种黄酮分子前线轨道见
图 。
经基芜花素 经基芜花素
鼠李素 鼠李素
图 种化合物的前线轨道结构图
表 个分子的最高占据轨道和最低空轨高能及其能级差 卫
卿 吕 平 卫〕·
芹菜素 芜花素 羚基 鼠李素
一, 二 甲 芜花素
醚
山 一乃 一 一 一刀
一 一 一 一
■场 一。 , 」 ·
根据表 中数据 , 从 种黄酮类化合物的前线轨道能
级来看 , 鼠李素的 能级明显高于其他 种化合物 ,
该轨道上的电子最不稳定 , 最易失去 同时 , 鼠李素的
能级也最低 , 易接受外来电子 , 反应活性强 。轻
基芜花素的 能级低于鼠李素 , 高于芹菜素一, 二
甲醚和芜花素 , 也具有较强的抗氧化活性 。比较 种化合
物的 “ 一 值可得 鼠李素 “ 轻基芜花
素 ■百 芜花素 、 ■五 芹菜素一 , 一二甲醚 。综上
分析 , 不管是从分子的前线轨道能级还是■瓦 一 ,
鼠李素和轻基芜花素都具有较高的抗氧化活性 。
前线分子轨道图可直观的阐明分子中参与反应的活
2 70 计算机与左用化李 ,
性部位分布情况 , 电子云密度大的位置易与自由
基发生反应 , 活性强 。从芹菜素一, 二甲醚 、芜花素 、
轻基芜花素 、 鼠李素 个分子的 图观测到 种分
子的电子云主要分布在 环和 环及 环上的 部分 ,
随着 环轻基数目的增多 , 环上分布的电子云密度也越
来越大 。芹菜素一, 二甲醚的电子云主要分布在 环及其
轻基部位 , 说明该轻基是芹菜素一, 二甲醚发生抗氧化
反应的活性位点。芜花素 环上 位轻基有一定的电子云
分布 , 且该位没有形成分子内氢键 , 其活性要强于 位酚
轻基 , 是该化合物的主要活性位点 。轻基芜花素和鼠李
素的电子云主要集中在 环和 环上 , 其中 环 , 位轻
基上都有较大的电子云密度 , 说明 , 位轻基的活性较
强 , 从图中可以看出 , 鼠李素 环 位轻基也有较大的电
子云密度 , 因此该位亦有可能与自由基发生反应 , 增强
了该化合物的抗氧化活性。 种黄酮类分子的 轨道
主要分布在 环及 环与 环的共辘部分 , 电子云分布的
情况无明显差别 。
鼠李素清除轻基自由基 玛的动态模拟分析
轻基 自由基是通过抽取鼠李素酚经基上的氢原子 ,
形成水分子脱去 , 由上文对鼠李素分子 、 、 环上各
个酚轻基的抗氧化活性详细讨论中 , 得出 环 位酚经
基的活性最强 , 最易与自由基发生抽氢反应 , 因此本文
选取 环 位酚轻基作为受体与 进行反应 。该实验
采用密度泛函理论 的方法对鼠李素清除经基自
由基的反应历程进行动态模拟计算 , 得出鼠李素分子与
· 体系总能量因 和鼠李素 位酚轻基键长 , 随反应
进程的变化趋势 , 发现该分子 位酚经基很容易与
发生抽氢反应 , 可以无需克服能垒抽取酚轻基上的
氢生成水 , 并预测了鼠李素分子 环 位酚轻基断裂和
水分子形成的可能临界点 。
首先对鼠李素分子 环 位酚经基氢原子以外的分
子结构以及 位酚轻基 与 · 之间的距离间进行固
定 , 设置该距离 的范围为 一 入 , 然后在该范围
区间内取点并采用 一刘 , 的方法对该
反应体系做优化计算 , 计算得出的酚轻基键长 和体系
总能量 随 之间的变化趋势如图 、图 所示 。
一 ,
一 一
一
一
一 乃
自 一
一 沸
一
一 月
苗产
浮 玛 习
· 一图 总势能 与 和 一 之间距离 的变化曲线
从图 中可以看出 , 在 一 区间内 , 随着 值
的减小 ,酚轻基的键长慢慢变长 ,而当 为 一 人时 ,
该位酚经基的键长有了明显的拉长 , 出现了断裂的趋势
图 中 在 一` 区间内 , 随着口值的减小 , 总能量也
缓慢减小 ,这可能是由于酚轻基 与 之间氢键的相互
作用导致体系能量的下降 ,并且随着 与酚经基 之间
距离 的缩短 , 氢键的相互作用也逐渐增强 , 虽然该阶段
内酚轻基的键长也在慢慢拉伸 , 但该反应体系的总能量
仍然缓慢降低 , 而当 、于 时 , 总能量是迅速降低
的。由此 , 可认为口在 时 , 该结构接近酚轻基断裂
和水分子形成的临界点 。为进一步考查过渡态的结构 ,
在该点体系结构的基础上在不做任何限制的情况下 , 对
该体系进行了过渡态的优化计算 , 并没有找到该反应的
过渡态结构 , 从图 中也可以看出 , 无需克服能垒即
可直接夺取氢生成产物 , 这与相似的计算结果相一致 ,
如谢湖均 等人在阳 一一 水平下计算了 、`
· 和 · 与棚皮素各个位酚轻基提取氢的活化能 ,发
现 和 可以直接夺取酚轻基上的 得到产物 , 没有
得到相关的过渡态结构 , 为 个自由基中最不活泼
的 自由基 , 与 位酚轻基反应需要 克服的能皇仅为
。
卜 卜
工七凹口
, , , 乃 ·
图 鼠李素和羚基自由基反应的临界点的结构图
· 一
内 · 一图 酚羚基键长 与· 和 一之间距离 的变化曲线
本文在 一 , 水平下计算得到的该反
应体系 为 人 , 即预测的酚经基断裂和水分子形成的
2013 , 齐靖敏 , 等 黑沙篙中 种黄酮类化合物抗氧化活性的 研究
临界点体系的构型见图 , 当 为 人时 , 该体系总能量
示 一 ,酚经基 一 键长 为 ,
艺 一 一 卢 “ , 接 近 于 水 分 子 的 夹 角 ,
艺 一 一 二 “, 该体系最高占据的分子轨道的 。
电子轨 道能级 为一 , 电子轨道 能级为
一 , 反应物的总能量百反为一 ,生成物的总能量 、为一 , ■月二 ,一反一
, 该反应为放热反应 ,有利于清除自由基反应的顺
利进行 。
结论
本文采用量子化学密度泛函理论 的计算方
法研究了黑沙篙中 种黄酮类化合物的抗氧化活性 。从
分子的几何结构 、 电荷布局数 、 一 解离烩和前线
轨道等计算结果得出 芹菜素一 , 二甲醚的酚经基个数
最少 , 位酚轻基 上电荷数最小且 位轻基的解离烩
最大 , 分析其抗氧化活性最弱 。轻基芜花素与芜花素相
比 , 其 环上具有邻位轻基 , 可以形成分子内氢键 , 而
芜花素不可以 轻基芜花素 位经基 上的电荷数大于
芜花素 位电荷数 , 更倾向于吸引 轻基芜花素
位 一 解离烩小于芜花素 , 其 能级大于芜花素 ,
叨 一 小于芜花素 这都表明轻基芜花素的活性更
强 。鼠李素由于 位轻基的存在使得该分子处于一平面
结构 , 有利于形成良好的共扼体系和黄酮自由基的稳定 ,
其 环 位 一 键的解离焙值最小 ,最易失去 ,此外 ,
鼠李素 能级最高 , 能级最低 , “
最小 , 这都有利于抗氧化反应的进行 , 众多因素表明鼠
李素具有最强的抗氧化活性 。综上可得 种黄酮类化合
物的抗氧化活性顺序为 鼠李素 羚基芜花素 芜花素
芹菜素一, 二甲醚 。最后 , 本文对鼠李素 位酚轻基与
· 的反应历程进行了动态模拟分析 , 发现该反应很容
易发生 , 几乎不需要克服能垒即可脱氢生成产物 , 计算
结果表明该反应为放热反应 。
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