全 文 ：第 卷 第 期为年 月 日 计算机与应用化毋四 招 而 叮
,
, 为
飞蓬属 种黄酮类化合物抗氧化活性的理论评价
陈秀敏 , , 李西平 , , 杨晓梅 , , 杨树 ,
昆明理工大学理学院应用化学系 , 云南 , 昆明 , 刃 云南中医学院 , 云南 , 昆明 , 侧为
摘要 采用 等提出的组合的密度泛函理论方法 ,计算了短攀飞蓬中 种黄酮类化合物的 一 解离焙
和电离势 ,以此为理论指标评价了这些化合物的抗氧化活性 。计算得 种黄酮类化合物的最低 一
值 ,均低于或相近于单酚的 一 值 。发现 , , , , , 号化合物在非极性溶剂中清除
自由基活性较强 , , , , 号化合物在极性溶剂中清除自由基活性较强 得出 , , 号化合物无论在极性和非极
性溶剂中 ,均具有较强的清除自由基活性 ,特别是 号化合物 灯盏花乙素 。
关健词 短攀飞蓬 黄酮类化合物 密度泛函理论方法 抗氧化活性 理论评价
中圈分类号 文献标识码 文章编号 印 为 一 一
引言
短草飞蓬 肠奄翻 , 玩 又名灯盏细辛 ,为菊科植
物 ,主要分布于我国云南 、四川 、贵州 、湖南 、广西等省区 ,全
草人药 。在临床上主要用于治疗高血压 、脑滋血 、脑栓塞 、多
发性神经炎和慢性蛛网膜炎等脑血管意外所致的瘫痪 【〕,能
散寒解表 、止痛 、舒筋活血。自上世纪 年代至今 ,对短草
飞蓬的化学成分分析 ,已分离鉴定出 多种化合物 〔卜 〕。
短苹飞蓬化学成分的药理作用与其抗氧化活性有关 ,因此研
究其化学成分的杭氧化活性很有必要 。
目前化合物的抗氧化活性的研究主要为实验 ,如化学荧
光法川 ,电化学示波极谱法 ,动物试验法 等 。但同一种
抗氧化剂的评价方法十分悬殊 ,且实验方法费时费力 。因
此 ,目前又发展用各种理论方法去预测抗氧化活性 ,以达到
缩小实验范围 ,提高筛选的效率 。借助于计算机辅助药物筛
选与设计的成功 ,用于评价抗氧化活性的理论计算方法也越
来越多 ,一` ,如定量构效关系 法 , ,量子化学法 。
等 。近年来 , 等又提出了 “组合的密度泛函理论法 ”
山 灯允 目山 , 砰 ”一” 。这些方法可为化合
物的抗氧化活性提供初步的理论预测 ,且有可能在理论上构
造出新的 ,活性更高的杭氧化剂 ,以指导实验合成 。
黄酮类是短萃飞蓬中主要及有效成分之一 ,泛指具有酚
经基的 个苯环 与 环 ,通过中央三碳原子 环 相
互连接而构成的一系列化合物 ,本文选取黄酮类化合物的分
子母体骨架如图 所示 。
大量研究表明 ,黄酮类化合物具有清除自由基 、抗氧化 、
抗肿瘤 、抗菌和抗病毒等功能 ,是一类很有应用前景的具有
抗氧化活性的化合物 ,已引起人们广泛重视 。黄酮类化合物
的抗氧化机理有两大类 ,其中之一是清除自由基 。然而 ,目
黄酮 黄烷酮
杏 肠
图 黄酮类分子的母体骨架图
前 ,黄酮类化合物抗氧化活性的构效关系尚不十分清楚 ,还
有争论 〔”一碑 ,如 环是否发挥抗氧化作用 位上的经基对
抗氧化活性是否有影响 , 双键对抗氧化性的作用等
等 。本文选择了短萃飞蓬中的 种黄酮类化合物 ,采用组
合的密度泛函理论方法初步评估其清除经基自由基的活性 ,
希望能为短攀飞蓬的活性成分及药理作用 ,提供相关信息 。
另外 ,根据计算结果 ,探讨黄酮类化合物的构效关系 ,也望能
为从天然化合物中 ,筛选抗氧化剂做一些基础工作 。
计算方法
理论指标的选取
黄酮类化合物属于酚类抗氧化剂 ,它们清除自由基作用
的强弱与其结构有关 。本文以过氧自由基 “ ”为对象
研究其抗氧化作用 。黄酮类化合物向 ·提供一粒电
子 氢 ,使之成为较稳定的过氧化脂质 ,而自身成
为酚氧自由基或其同系物 。目前普遍认为黄酮类化合物可
通过两种反应清除自由基 ,在非极性溶剂中 ,倾向于一步抽
氢反应 。黄酮类化合物具有多个苯环和酚经基 ,根据一
步抽氢机理 ,其清除自由基的抗氧化活性应取决于经基付出
收稿日期二 犯扔 修回日期 峨为刁切
若金资助 云南省应用基础研究基金项目资助 巧日刃 昆明理工大学校青年基金资助项目 以拓
作者简介 陈秀敏 一 ,女 ,副教授 ,主要从事 子化学研究
9 2 6 计葬机与应用化李 刃 ,
玉径琴· 甲敏琴黄岑素 户今菜素 一经从黄等素
黄岑索 , ·二经琴双牡黄附 灯盏花甲索
, ` ·二羚草黄俐· 卜 平乳撼限酸扑 黄签素刀叫卜卜 毗喃仙萄粉打
丈敲花乙众 《 芹菜索 ,心卜压毗喃仙萄抢醛酸柞 山奈阶
` 。” 口吧
图 种黄酮类化合物分子的结构图
氢的能力 ,因此应与分子中经基的 一 键解离始有关 , 一 数 ,寻找准确而简便的计算方法 ,引起了不少研究者的极大
健解离熔值越小 ,越容易发生抽氢反应 ,抗氧化活性越强 , 兴趣 。 等图提出的 “组合的密度泛函理论方法 ”
而这过程又取决于经基的数目 ,位置和经基化的程度等因 , 盯 ,计算步骤先用量子化学 半
家 在极性溶剂中 ,由于溶剂有利于电荷分离 ,使体系容易付 经验方法优化分子结构 ,并算振动频率和零点振动能 二
出电子 ,且极性溶剂分子与抗氧化剂分子之间可以形成分子 , ,校正因子为 然后用密
间氢健 ,在一定程度上会阻碍抽氢反应的发生 ,因此倾向于 度泛函计算方法 ,在 一 , 基组上计算分子的单点电
质子转移伴随的电子转移反应 。这一类抗氧化剂的两 子能量 加 卿 , ,最后根据下式计
种清除自由基的反应机制如下 算 “一 。
· 一 心 · 二 左 忍
· 、 一 · 刃 · 一 左 一 , ,
对化合物活性的理论评价 ,首先要选出合适的理论参数 ,研 左
究发现 , 一 键解离始 场 己 , 是 式中 下脚标丫 表示自由基 “厂表示母体分子 。计算
合适的表征自由基抽氢反应速率的理论参数 ”〕,所以本文 时设定温度为 巧 。计算许多酚类化合物的结果表明 ,
中采用 一 作为表征反应 机制的理论指标 对于 这是一种计算酚类化合物 一 的快速准确的方法 。
反应 机制 ,反应速率很大程度上取决于母体分子的付出 而 一 是合适的表征多酚类化合物抗氧化活性的理
电子能力 ,可以用电离势 卯 , 来表征 ` 。 论参数之一 。
计算方法 对于 , 采用相同的计算策略 ,但零点振动能的校正因
一 键解离熔 和电离势 都是基本物化参 子加 「”〕, 的计算式 〕`为
20(为 , 陈秀敏 ,等 飞蓬属 种黄酮类化合物杭氧化活性的理论评价
二 。 。 卿 一 , 口 , 卿
式中 下脚标 “。”表示阳离子自由基 “ ”表示母体分子 。全
部采用 程序计算 。
选取分子的结构圈
本文选取了属于短萃飞蓬的 种黄酮类化合物作为评
价对象 。这 种黄酮类化合物分子的结构如图 所示 。
结果与讨论
抽氮反应机制
计算得到短草飞蓬 种黄酮类化合物的 , 和
一 ,均见表 。
表 种黄酮类化合物的单点电子能 ,零点振动能和 一 键解离焙
几 和 一 血
犯而 以 曰旧 切 切
一
·经基众甲氧基黄芬素
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·经基黄荃素
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芹菜素一 。一日一一毗喃荀萄糖醛酸昔
叩 一卜
山奈酚
`
· 卜
注 表中“ ”表示母体分子 ““”表示分离出相应位置上质子的自由基 。
92 8 计葬机与龙用化母 为 ,
活性顺序
在非极性溶剂中 ,抗氧化剂清除自由基主要通过抽氢反
应进行 , 一 越低 ,说明该化合物越容易抽氢 ,其杭氧
化活性越强 。具有多个酚经基的化合物 ,其清除自由基活性
主要取决于其最低的 一 。由表 可以看出 , 种化
合物中黄芬素 一 一一毗喃有萄糖昔 号 ,灯盏花乙素
号 , , , 一三经基黄酮 一 一一半乳糖醛酸昔 号 , 一经
基一甲氧基黄芬素 号 , 一经基黄荃素 号 ,黄岑素
号 的 一 最低值均低于 巧 目 ,因而清除自由
基活性较强 其次 ,山奈酚 号 的最低 一 ·值也较
低 ,为 ,活性次之 最后 ,芹菜素一 。一卜 一毗喃葡
萄糖醛酸昔 号 ,苦菜素 号 , , , 一三经基双氢黄
酮 号 的 一 最低值相近 约为 ,活性
顺序递减 而灯盏花甲素 号 一 最低值为
目 ,清除自由基活性最差 。
一 的影响因素
影响一 的结构因素主要有二 ,一是电子效应 ,一
是分子内氢键效应 。
电子效应对 一 的影响
研究表明 ,给电子取代基降低 一 ,有利于提高
抗氧化活性 升高 一 ,则使抗氧化活性降低 , ” ,”〕。
如在非极性溶剂中所研究的 个化合物中 ,具有最低 一
值 ,抗氧化活性最强的前六位化合物为 , , , , , 号
化合物 ,都是在 位上的经基有最低的 。一 值 ,这是
因为它们在 位 , 位上 ,即在 位的 个邻位上都有不同的
推电子集团 ,使 位经基的 一 值降低较多 , 号
化合物 位上的经基 ,由于只在 位上有推电子基团经基 ,
使 一 值降低比 位经基少 , 一 值稍高 ,
, 号化合物在 位的经基 ,由于在其邻位和对位都无推
电子集团 , 一 值都较高 ,约 ,与单酚的
一 皿 值 一 · 一 ”相近。所计算的 种黄
酮化合物都有 位经基 ,计算结果表明 ,当 位有推电子基
团经基时 , 一 值都较低 ,如 , , , , 号化合物 而
无 位推电子基团经基时 , 一 值都较高 ,如 , , ,
, 号化合物 。
分子内氮健对 一 的影响
影响 一 的另一因素是分子内氢键效应 ,它可以
稳定母体化合物 ,也可以稳定自由基 ,但对后者的稳定作用
更大 。因此参与形成分子内氢键的 。一 键的 升高 ,
被分子内氢健稳定的 。一 键的 会降低 , ·”·”〕。如儿
茶酚的邻位酚经基可以有效降低 一 键的 但与甲氧
基或栽基形成分子内氢键的酚经基 ,抽氢反应要克服氢键的
键能 ,导致 一 键的 升高 。在所讨论的化合物中 ,
位上都有经基 ,与 位上的拨基氧可形成分子内氢键 ,其
一 值均较高 ,而此分子内氢键的形成 ,又使得具有邻位 位 经基的 , , , , , 号化合物 ,在 位上的经基被
稳定 ,具有最低的 一 值 , , 号化合物在 位上
的经基也能与 位上的拨基氧形成分子内氢健 , 一
值也较高 。
部分化合物的活性与结构关系的讨论
计算结果显示黄荃素 一 一一毗喃葡萄糖昔 、灯盏
花乙素 、 , , 一`三经基黄酮 一 一一半乳糖醛酸昔
等 个 化合物 环 位 经基的 值 相近 ,约 为
· 一 ,是所讨论的化合物中最低的 。从结构上来
说 ,因为它们的邻位 , 位 都具有推电子基团 位上取
代基为糖昔 , 位上取代基为轻基 ,而且 位上的经基能与
位上的拨基氧形成分子内氢键 ,使 位上的经基被稳定所
致 。其中后两者 ,在 环上仅有 个经基 ,所以与 号化合
物相比 , 位经基的 值稍高 ,因而抗氧化性稍低 ,与用
“ ”当量抗氧化活性 值的结果一致〔划 。清除自
由基活性排在其后的 , , 号化合物 , 环 位经基的
值略高于前面的 个化合物 ,且顺序递增 。从结构上看 ,它
们和排在前三位的化合物相比 ,仅仅是 位上的推电子基团
不同 , 号是甲氧基 , , 号是经基取代了糖昔 ,在这里搪昔
显示了比甲氧基和经基稍强的推电子能力 。 , 号化合物
的区别仅为 号化合物 位上有推电子基团 经基 使 号
化合物清除自由基活性稍高于 号化合物 另外 , , 号化
合物的差别也仅为 号化合物 位上有经基 ,也使其清除
自由基活性稍高 ,这些都说明 位上的经基对抗氧化活性是
有影响的 ,会使黄酮化合物的抗氧化活性增加 。此外 ,计算
结果表明 , , 双键对抗氧化性也有影响 。 , 号化合物
均没有 环上 和 之间的双键 ,减少了共扼效应 ,它们
的抗氧化活性排在同类结构而有 , 双键的化合物之后 ,
具有最低 值的经基处在 环的 位上。
部分化合物的活性与结构关系的讨论表明 , 环可以
具有抗氧化作用 , 位上的经基对抗氧化活性有影响 , ,
双键对抗氧化性作用也有影响 。
电子转移机制
在极性溶剂中 ,抗氧化性清除自由基 ,主要通过电子转
移反应 ,相应的理论指标是 。 越低 ,清除自由基活性越
高 。表 为 种黄酮类化合物阳离子自由基的的 ,
和母体分子的 值。 由表中数据可以看出 ,在极性溶
剂中 , , , 号化合物的电离势 值最低 ,清除自由基的
活性最高 其余的活性顺序为 。
反映分子整体的给电子能力 ,其影响因素主要决定于体
系的共扼程度和取代基的电子效应 。如对取代基的电子效
应来说 ,推电子基降低 ,吸电子基升高 ,还与取代基的
位置有关 。该机制还受溶液 的影响 , 值升高 ,酚经基
质子解离增多 ,有利于降低 ,使清除自由基的活性增强
除此之外 ,还有溶剂化效应的影响等 。本论文由于受条件的
限制 ,计算时未考虑溶剂化效应 。由于在极性溶剂中影响因
素较多 ,每个化合物的活性与结构的关系难以一一分析 ,仅
归纳出根据 值得到的在极性溶剂中 种化合物清除自
由基的活性顺序 。
2(X为 , 陈秀敏 , 等 飞蓬属 种黄酮类化合物抗氧化活性的理论评价
表 种黄酮类化合物阳离子自由基的单点电子能 ,零点振动能和分子的电离势
, 伽
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注 表中“““表示相应化合物的阳离子自由基 。目 。
结论
本文用组合的密度泛函理论方法 ,计算了短苹飞蓬中
种黄酮类化合物的 一 键的解离焙 一 和电
离势 ,以此为理论指标评价了这 种化合物清除自由
基的活性 。计算表明 ,在非极性溶剂中各种化合物清除自由
基活性都较好 ,最低 一 均低于或接近于单酚的 一
值 ,其中 , , , , , 号化合物清除
自由基活性较高 , , , , 号化合物活性较低 在极性溶剂
中 , , , , 号化合物清除自由基活性较高 ,而 化合物
的活性最低 从结果得出 化合物 , , 一`三轻基黄酮 一
卜 一半乳糖醛酸昔 ,虽然在非极性溶剂中有较高的清除自
由基活性 ,但在极性溶剂中其活性却较低 ,而灯盏花甲素
号 在极性溶剂中清除自由基的活性较好 ,而在非极性溶剂
中活性却最差 ,说明同一化合物在两种不同性质的溶剂中结
论不一定相同。而 , , 号化合物 ,特别是 号化合物 灯
盏花乙素 无论在极性和非极性溶剂中均具有较强的清除
自由基活性 ,提示这些化合物有可能作为抗氧化 、抗肿瘤 、抗
菌和抗病毒等药物的有效成分 。如对于灯盏花乙素 ,在
年云南卫生厅举行的成果鉴定会就已证明 ,以它为主
的灯盏花素是治疗脑血管疾病所致瘫痪的有效成分 〕。
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