昆侖雪菊中5個黃酮類化合物抗氧化活性的DFT研究

丁　　豪，蘇里陽，王文君，楊海燕

（新疆農業大學食品科學與藥學學院，新疆烏魯木齊　830052）

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昆侖雪菊中5個黃酮類化合物抗氧化活性的DFT研究

丁豪，蘇里陽，王文君，*楊海燕

（新疆農業大學食品科學與藥學學院，新疆烏魯木齊830052）

摘要：采用量子化學密度泛函理論（DFT）的B3LYP/6-311G++(2d,2p)//B3LYP/6-31G方法，對昆侖雪菊中已分離得到的5個黃酮類化合物（馬里苷、金雞菊噢、黃杉素、紫鉚因和奧卡寧）進行了優化及單點能計算。從黃酮分子的幾何構型、氫鍵數目、不同位置酚羥基的解離焓（BDE）、HOMO和LUMO前線分子軌道圖及其能級差分析所得，昆侖雪菊黃酮類化合物的羥基數目和形成的分子內氫鍵數目越多，抗氧化活性越強；羥基的活性因其位置不同而有所差異，且5個化合物B環4'位羥基的解離焓都最小，是抗氧化作用的主要活性位點；C環3位羥基的存在并沒有提高黃杉素的抗氧化活性。

關鍵詞：昆侖雪菊；黃酮類化合物；抗氧化；DFT

昆侖雪菊（Coreopsis tinctoria Nutt.）又稱兩色金雞菊，屬菊目科蛇目菊屬[1]。首次發現于美國西北部，各州都有分布，常被稱為“Calliopsis”，現世界范圍內也都有分布，我國新疆也有大規模種植[2-3]。昆侖雪菊中存在大量的黃酮類物質（Flavonoids），能有效地清除人體過量自由基、延緩衰老，是抗氧化活性的主要功效成分，其含量越高說明昆侖雪菊品質越好[4]。

黃酮類化合物清除自由基的最主要機制為其上的酚羥基與自由基反應，形成共振穩定半醒式自由基結構，從而中斷鏈式反應，黃酮類分子[Flavones-OH]清除自由基R·的反應可以表達為[Flavones-OH] +R·→[Flavones-O·]+RH[5-6]。除此之外，還有一個電子轉移的反應，公式如下：[Flavones-OH]+R·→ R-···[Flavones-OH·]+→[Flavones-O·]+RH。因此，這類化合物清除自由基的能力與環上酚羥基抽氫反應的能力和生成的自由基中間體穩定性有關。

本研究選取昆侖雪菊中5個黃酮類化合物，采用量子化學計算的方法預測其抗氧化活性，為更好地開發利用昆侖雪菊黃酮資源提供理論依據。其具體化學結構如圖1所示，其中化合物1，4和5屬于查爾酮，2屬于二氫黃酮，3屬于二氫黃酮醇。

5個化合物的結構及黃酮類物質的基本結構見圖1。

1　計算方法

運用雜化密度泛函B3LYP結合6-31G基組的方法[7-8]，對5個黃酮類化合物分子及其不同位置羥基脫氫自由基衍生物的幾何構型進行優化和能量計算。為確證所得幾何結構為勢能面上的極小點或者過渡態，并得到零點能，對優化的結構結合6-311G+(2d, 2p)基組進行了頻率振動分析。在此基礎上，計算了各個分子中不同位羥基脫氫過程的解離焓（BDE）、分子的HOMO和LUMO前線分子軌道圖、HOMO和LUMO的能級差等方面，對5個黃酮類化合物抗氧化活性進行了詳細理論分析。所有的計算通過Gaussian 09程序完成[9]。

圖1　5個化合物的結構及黃酮類物質的基本結構

2　結果與分析

2.1分子幾何構型和結構參數

運用B3LYP/6-31G方法對5個黃酮類化合物分子進行優化，得到鍵長和二面角參數。

5個黃酮化合物的主要結構參數見表1，5個黃酮化合物的羥基和氫鍵數目見表2。

表1　5個黃酮化合物的主要結構參數

表2　5個黃酮化合物的羥基和氫鍵數目

由表1可知，5個分子相同位置的酚羥基鍵長都相差不多。除了黃杉素外，3'位的酚羥基鍵長比其他位置酚羥基的鍵長都大。黃杉素3號位的羥基鍵長為1.437 8埃，比其他鍵都長，這可能是由于3號位的羥基與4號位羰基形成氫鍵，使得3位O-H鍵伸長。由分子價鍵理論可知，鍵長越長，鍵能越小，越容易發生脫氫反應[10]。同樣，分子間存在相鄰2個羥基的時候，也會形成分子內氫鍵，活性較強的羥基H與鄰位O形成氫鍵。

羥基化的程度及其位置是影響黃酮類化合物抗氧化活性最主要的因素，羥基化程度越高，抗氧化活性越強[11-12]。由5個黃酮類化合物的化學結構圖可以發現，5個化合物中馬里苷的羥基數目最多，其次為黃杉素和奧卡寧都有5個羥基，另外金雞菊噢和紫鉚因都有4個羥基。5個化合物分子的B環上都存在同樣的3'位和4'位鄰羥基結構，但是A環與C環上的取代基和羥基數目都不同。由表1和表2數據可知，馬里苷的羥基數目最多，推測其抗氧化活性相比其他幾個化合物較強。

另外，具有鄰羥基的分子有時也會形成分子內氫鍵，這也是影響黃酮類化合物自身抗氧化活性的又一因素。分子內氫鍵可以使得分子形成更加穩定的半醌式自由基結構，且其抗氧化活性越強，抗氧化活性同分子內氫鍵數目成正比，但根據實際情況不同，抗氧化活性也會有所區別。本文所選的5個化合物分子都具有3'位和4'位鄰二羥基結構，4'位羥基能同3'位羥基形成氫鍵，進一步增強了半醌式自由基的穩定性，從而增強其抗氧化活性。5個黃酮類化合物可形成的氫鍵數目為馬里苷（3個）>金雞菊噢（2個）=黃杉素（2個）=紫鉚因（2個）=奧卡寧（2個）。由此可見，馬里苷的活性相對其他4個化合物更強，這也與試驗測得的抗氧化數據相符。

2.2酚羥基的解離焓（BDE）分析

黃酮類化合物能有效地清除自由基，主要是由于其A環和B環上的酚羥基發生脫氫反應，給游離的自由基提供了氫原子，從而形成了穩定半醌式自由基結構，達到了中斷自由基鏈式反應的目的。

采用B3LYP/6-311G(2d,2p)//B3LYP/6-31G方法對馬里苷、金雞菊噢、黃杉素、紫鉚因和奧卡寧脫除不同環上羥基氫原子的自由基進行理論分析。BDE=Hr+Hh-Hp，其中Hr，Hh，Hp分別代表黃酮自由基的能量、氫原子的能量和5個黃酮化合物的能量[13]。

5個黃酮化合物不同位置O-H鍵的解離焓見表3。

表3　5個黃酮化合物不同位置O-H鍵的解離焓

由表3可知，不同位置酚羥基的解離焓都不相同，且5個分子4'位羥基的解離焓都相比其他位置的羥基解離焓要低。根據解離焓原理，O-H鍵的解離焓大小在一定程度上反映了自由基反應的速率，其值越小，鍵能越弱，羥基的脫氫反應越容易發生，抗氧化活性越強[14]。以馬里苷為例，解離焓順序為4'O-H<3'O-H<5O-H<6O-H。由此可見，馬里苷的最強酚羥基為4'O-H；同理，金雞菊噢、黃杉素、紫鉚因、奧卡寧的最強酚羥基都為4'O-H。所以，5個化合物的抗氧化活性位點都為B環4'位酚羥基。

2.3前線分子軌道及其軌道的能級分析

前線分子軌道是指已占有電子的能級最高軌道HOMO和未占有電子的能級最低空軌道LUMO[15]。由前線分子軌道理論可知，占據高能軌道的電子極不穩定，容易向低能軌道發生躍遷，而未占電子的低能軌道則容易獲得躍遷的電子；同時，電子從高能往低能躍遷所需要的能量就是所謂的前線分子軌道能級差△E。△E值越小，說明高軌道電子越容易往最低空軌轉移，因此分子相對活潑，反應活性越高，從而抗氧化活性越強。在B3LYP/6-31G優化好的基礎上利用B3LYP/6-311G++(2d,2p)基組計算5個化合物分子的前線軌道能及其能級差。5個黃酮分子前線軌道HOMO和LUMO結構圖通過Gauss view 5.0軟件導出。

5個黃酮化合物的最高占據軌道和最低空軌道能及其能級差見表4，5個黃酮化合物的前線分子軌道結構見圖2。

表4　5個黃酮化合物的最高占據軌道和最低空軌道能及其能級差

圖2　5個黃酮化合物的前線分子軌道結構

由表4可知，奧卡寧的HOMO能級明顯高于其他4個化合物，說明奧卡寧該軌道上的電子最不穩定；金雞菊噢的LUMO能級相比其他4個化合物較低，最易接受外來電子。同時，比較5個化合物的能級差△E值可得：金雞菊噢<奧卡寧<馬里苷<紫鉚因<黃杉素。因此，金雞菊噢具有相對較強的抗氧化活性，黃杉素的抗氧化活性相對較弱。

由前線分子軌道圖可直觀地闡明分子中參與反應的活性部位分布情況，電子云密度大的位置易與自由基發生反應，活性相對較強。從5個分子的HOMO圖觀測到，5個化合物分子的電子云主要分布在A環、B環、C環上的C=C部分。金雞菊噢、黃杉素的電子云主要分布在A環、C環及其羥基部位，說明A環上羥基是金雞菊噢、黃杉素發生抗氧化反應的活性位點。馬里苷、紫鉚因、奧卡寧的A環、B環及C環上都有一定的電子云分布，且3'位羥基都無電子云分布，說明4'位羥基的H與3'位羥基O形成了分子內氫鍵，使得3'O-H較為穩定，而4'O-H更易失去電子，從而說明4'位羥基是化合物的主要活性位點。

由圖2可知，馬里苷的糖取代基上并沒有很大的電子云密度，說明糖取代基上的羥基不能發生抽氫反應，因此糖取代基不能增強其抗氧化活性。而馬里苷、紫鉚因和奧卡寧的B環有較大的電子云密度，說明查爾酮類的B環C=C和羰基有可能與自由基發生反應，從而增強了該化合物的抗氧化活性。

3　結論與討論

通過對5個黃酮分子的幾何構型、酚羥基解離焓和前線軌道等進行計算，探究了5個黃酮化合物的抗氧化能力強弱。所選取的5個黃酮化合物抗氧化活性都相對較強，其試驗抗氧化活性順序為馬里苷>紫鉚因>金雞菊噢>奧卡寧>黃杉素，然而能級差△E值計算所得的金雞菊噢具有較強的抗氧化活性略有差異，這可能是由于試驗中稱量環節存在誤差，也有可能各個化合物在反應過程中不止一個羥基發生脫氫反應。另外，關于3位羥基的活性國內外研究結論各異，Mora等人通過計算發現，3位羥基對于抗氧化活性影響不大，但也有研究發現3位羥基是抗氧化自由基清除反應的主要活性位點。黃杉素是5個化合物中唯一的二氫黃酮醇，其C環的3位存在1個羥基，然而仔細分析該分子的幾何結構、計算所得3位羥基的解離焓，以及前線軌道電子云分布情況等多方面因素，可以證明黃杉素的3位羥基對該分子的抗氧化活性沒有增效作用。

本文采用量子化學密度泛函理論的計算方法，研究了昆侖雪菊中5個黃酮類化合物的抗氧化活性。從分子的幾何結構、BED、前線分子軌道圖和能級差等計算結果得出，昆侖雪菊黃酮類化合物的羥基數目和形成的分子內氫鍵數目越多，抗氧化活性越強；羥基的活性因其位置不同而有所差異，且5個化合物B環4'位羥基的解離焓都最小，是抗氧化作用的主要活性位點；C環3位羥基的存在并沒有提高黃杉素的抗氧化活性。

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中圖分類號：O641.12

文獻標志碼：A

doi：10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2016.06.001

文章編號：1671-9646（2016）06a-0001-04

收稿日期：2016-05-06

基金項目：國家自然科學基金地區科學基金項目（31260377）；烏魯木齊市科學技術計劃項目（Y121120008）。

作者簡介：丁豪（1992— ），男，碩士，研究方向為天然產物提取與利用。

*通訊作者：楊海燕（1962— ），女，博士，教授，研究方向為天然產物提取與利用。

Study on Antioxidant of Five Flavonodis in Coreopsis tinctoria Nutt.by DFT

DING Hao，SU Liyang，WANG Wenjun，*YANG Haiyan
（Food Science Pharmacy College，Xinjiang Agricultural University，Urumqi，Xinjiang 830052，China）

Abstract：Using B3LYP/6-311G++(2d,2p)//B3LYP/6-31G method of density functional theory calculated and optimized energy of five flavonoids of Coreopsis tinctoria Nutt.，including marein，maritimetin，taxifolin，butein and okanin.By the analysis of the molecular geometry，BDE of different position of the phenolic hydroxyl group，HOMO and LUMO frontier molecular orbital diagram and its energy gap，theoretical antioxidant activity of flavonoids are elucidated.And the results show that：antioxidant activity of flavonoids of Coreopsis tinctoria Nutt.related to the number of hydroxy group and the number of the hydrogen bonds；the activity of hydroxyl groups in different positions are different，and the BDE of 4'-hydroxyl in ring B of all five flavonoids are minimal，so 4'-hydroxyl is their main antioxidation active site；and 3-hydroxyl group in ring C did not increase the antioxidant activity of taxifolin.

Key words：Coreopsis tinctoria Nutt.；flavonoids；antioxidant；DFT