昆侖雪菊中2個(gè)查爾酮化合物抗氧化活性構(gòu)效關(guān)系

胡棟寶 周文兵 張福鵬　姜發(fā)艷　楊賽嬌

摘要 [目的] 研究昆侖雪菊中2個(gè)查爾酮化合物的抗氧化活性的大小順序，解釋這2個(gè)化合物抗氧化活性產(chǎn)生差異的原因。[方法] 采用密度泛函理論（DFT）方法在B3LYP/6-311++G（d，p）計(jì)算水平下對(duì)2個(gè)查爾酮化合物進(jìn)行了電子結(jié)構(gòu)、酚羥基氫鍵解離能、分子軌道能級(jí)差3個(gè)方面的數(shù)據(jù)分析。[結(jié)果] 2個(gè)查爾酮化合物抗氧化活性的大小與分子結(jié)構(gòu)中酚羥基數(shù)目及分子內(nèi)氫鍵數(shù)目多少呈正相關(guān)，與酚羥基氫鍵解離能、分子軌道能級(jí)差呈負(fù)相關(guān)。[結(jié)論] 理論模型預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)所測(cè)結(jié)果一致，解釋了試驗(yàn)上2個(gè)化合物抗氧化活性大小差異的原因。

關(guān)鍵詞 昆侖雪菊；查爾酮；抗氧化活性；構(gòu)效關(guān)系

中圖分類號(hào) TS201.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2017）01-0094-03

The Antioxidant Activity StructureActivity Relationship of Two Chalcone Compounds in Kunlun Chrysanthemum

HU Dongbao1，2， ZHOU Wenbing1， ZHANG Fupeng2 et al

（1. Yuxi Branch of Yunnan Tobacco Company， Yuxi， Yunnan 653100；2. School of Resource and Environment， Yuxi Normal University， Yuxi， Yunnan 653100）

Abstract [Objective] To study the antioxidant activity of two chalcone compounds of Kunlun chrysanthemum and explain the causes of the differences in antioxidant activity of two compounds. [Method] Using density functional theory（DFT） method at B3LYP/6311++G （d， p） level， the electronic structure， hydroxyl hydrogen bond dissociation energy and molecular orbital energy in two chalcone compounds were analyzed. [Result] The antioxidant activity of two chalcone compounds were positively correlated with number of phenolic hydroxyl groups and number of intramolecular hydrogen bonds in molecular structure， negatively correlated with the phenolic hydroxyl hydrogen bond dissociation energy， molecular orbital energy levels. [Conclusion] The forecast results of theoretical model were consistent with the experimental results， which explained the causes of the differences in antioxidant activity of two compounds in the experiment.

Key words Kunlun chrysanthemum；Chalcone；Antioxidant activity；Structureactivity relationship

自由基是指帶有未成對(duì)電子的分子、原子或離子。由于未成對(duì)電子總是有成對(duì)的趨向，因此自由基很容易發(fā)生失去或得到電子的反應(yīng)而顯示出較活潑的化學(xué)性質(zhì)[1]。正常情況下，人體內(nèi)自由基的產(chǎn)生和清除應(yīng)當(dāng)是平衡的，這樣身體才能保持健康，如果人體內(nèi)自由基的數(shù)量過(guò)多就會(huì)損壞細(xì)胞成分，干擾人體的正常代謝活動(dòng)，引起疾病發(fā)生，加速人體衰老進(jìn)程[2]。目前，很多保健產(chǎn)品都是利用了其中的有效成分抗氧化劑對(duì)有害自由基的清除作用原理，如茶多酚、鍛杏黃酮、葡萄籽和葡萄皮提取物原花青素和白藜蘆醇等。從中草藥中提取分離出的單體天然抗氧化劑，在疾病的預(yù)防和治療方面發(fā)揮著重要作用[3-4]。隨著人們對(duì)自由基與健康、疾病關(guān)系進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，人們對(duì)具有抗氧化功能的保健食品的需求不斷增長(zhǎng)，因此從天然產(chǎn)物中尋找具有顯著生物活性的天然抗氧化劑成為目前的研究熱點(diǎn)[5]。黃酮類、多酚類天然產(chǎn)物具有抗氧化、抗菌和抗癌等功效，能有效抑制磷酸酶和脂氧化酶等的產(chǎn)生，從傳統(tǒng)中藥中尋找強(qiáng)天然抗氧化劑正越來(lái)越被科研人員所重視。

運(yùn)用量子化學(xué)計(jì)算方法研究黃酮類化合物抗氧化活性的影響因素及大小順序已成為中藥有效成分評(píng)價(jià)的重要手段。胡棟寶等[6]運(yùn)用量子化學(xué)計(jì)算方法研究探討了中藥滿山紅中幾種典型黃酮類化合物抗氧化活性的大小順序并且得到了與試驗(yàn)一致的結(jié)果；齊婧敏[7]運(yùn)用量子化學(xué)密度泛函理論（DFT）方法對(duì)從黑沙蒿植物中分離得到的4種黃酮類化合物從分子幾何結(jié)構(gòu)、不同位置酚羥基解離能及分子軌道能級(jí)差大小等幾方面進(jìn)行了抗氧化活性的評(píng)估，為認(rèn)識(shí)黑沙蒿植物中黃酮類化合物的抗氧化活性提供了理論方法上的指導(dǎo)。筆者選取昆侖雪菊中2個(gè)已經(jīng)分離得到的具有顯著生物活性的查爾酮化合物作為研究對(duì)象[8]，采用量子化學(xué)的DFT方法對(duì)其電子結(jié)構(gòu)、鍵離解能（BDE）以及軌道能量分布進(jìn)行了研究，比較了各參數(shù)的大小，初步評(píng)估出2個(gè)查爾酮化合物抗氧化活性的大小順序，為該種藥物的開(kāi)發(fā)與藥理活性的研究提供理論上的指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料

供試材料為昆侖雪菊中的2個(gè)查爾酮化合物，其分子結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 方法

采用密度泛函理論（DFT）方法在B3LYP/6-311++G（d，p）計(jì)算水平下對(duì)2個(gè)查爾酮化合物進(jìn)行了分子結(jié)構(gòu)優(yōu)化、頻率分析、氫鍵解離能等的計(jì)算。所有計(jì)算運(yùn)用Gaussian 09軟件包在PcPentium（R）2.0 G的計(jì)算機(jī)上完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 分子結(jié)構(gòu)及參數(shù)

由圖 1可以看出，化合物1分子內(nèi)具有4個(gè)酚羥基，化合物2分子內(nèi)具有5個(gè)酚羥基，主要區(qū)別在于后者在3′位比前者多了1個(gè)酚羥基。由于化合物2酚羥基較多，相鄰位置的酚羥基可以形成分子內(nèi)的氫鍵，故化合物2分子內(nèi)氫鍵數(shù)目（4個(gè)）多于化合物1（2個(gè)）。張?chǎng)蔚萚9-10]在對(duì)甘草黃酮類化合物、黃芪黃酮類化合物抗氧化活性研究時(shí)指出，分子內(nèi)氫鍵數(shù)目中黃酮分子內(nèi)氫鍵越多，酚羥基數(shù)目越多，分子越穩(wěn)定，抗氧化活性越強(qiáng)。化合物2無(wú)

論是分子內(nèi)酚羥基的數(shù)目還是分子內(nèi)形成的氫鍵數(shù)目都要 多于化合物1，所以化合物2的抗氧化活性要強(qiáng)于化合物1。從表1中對(duì)2個(gè)化合物主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)分析可以看出，2個(gè)化合物所有的原子之間彼此形成的二面角幾乎都接近1800°，說(shuō)明2個(gè)分子的平面共軛效應(yīng)較強(qiáng)，都有利于分子結(jié)構(gòu)中電子的離域。由分子價(jià)鍵理論可知，同種類型鍵的鍵長(zhǎng)越長(zhǎng)，鍵能越小，鍵越容易斷裂，化學(xué)性質(zhì)越活潑。分析2個(gè)化合物分子結(jié)構(gòu)中酚羥基的鍵長(zhǎng)數(shù)據(jù)，2個(gè)化合物靠近9位酮基的8′位與9′位氧原子上的氫與酮基更容易形成分子內(nèi)的氫鍵，它們的鍵長(zhǎng)都要大于1.000 ，應(yīng)該是這2個(gè)化合物抗氧化的活性位點(diǎn)；化合物2的分子3′位的酚羥基鍵長(zhǎng)由于與相鄰2個(gè)位置酚羥基都易形成分子內(nèi)氫鍵，故這個(gè)位置的酚羥基鍵長(zhǎng)僅次于9′位。綜上分析，基于酚羥基的鍵長(zhǎng)和數(shù)量分析，抗氧化活性應(yīng)該是化合物2強(qiáng)于化合物1。

2.2 酚羥基解離能分析

酚羥基的鍵解離能可以用來(lái)衡量其消除自由基的相對(duì)活性大小。 O-H鍵解離能越弱，氫鍵解離能越小與自由基起反應(yīng)時(shí)越容易斷鍵，抗氧化劑活性越強(qiáng)。由表2可知，2個(gè)查爾酮化合物酚羥基抽氫解離能的最小值幾乎都出現(xiàn)在A環(huán)上，說(shuō)明這2個(gè)查爾酮化合物的活性位點(diǎn)主要發(fā)生于A環(huán)。對(duì)于化合物1來(lái)說(shuō)，酚羥基氫鍵解離能最小值為331.462 365 8 kJ/mol，發(fā)生在A環(huán)的4位，其次為A環(huán)的3位；B環(huán)上的2個(gè)酚羥基鍵的解離能較大尤其是靠近酮基的羥基。對(duì)于化合物2來(lái)說(shuō)，酚羥基氫鍵解離能最小值為332.198 209 2 kJ/mol，與化合物1大小數(shù)值接近且同樣發(fā)生在A環(huán)的4位，其次為B環(huán)的3′位，氫鍵解離能為351.475 617 6 kJ/mol，主要是因?yàn)?′位的羥基同時(shí)與相鄰的2′位與4′位2個(gè)羥基都可以形成分子內(nèi)氫鍵，使這個(gè)位置氫鍵解離能變小，這個(gè)位置的氫鍵解離能應(yīng)該是影響化合物2抗氧化活性的主要因素。綜上所述，化合物2結(jié)構(gòu)中A環(huán)的4位氫鍵解離能與化合物1近似相等，但 是B環(huán)的3′位氫鍵解離能更小些，所以抗氧化活性應(yīng)該是化合物2強(qiáng)于化合物1。

2.3 前線分子軌道及軌道能分析

根據(jù)前線分子軌道理論，分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，能量最高的電子占有軌道（EHOMO和能量最低的電子未占軌道（ELUMO）有著非常重要的作用。EHOMO能量越高，該軌道中的電子越不穩(wěn)定，越容易給出電子；ELUMO能量越低，該軌道越容易接受電子；最低空軌道與最高占據(jù)軌道的能級(jí)差△ELUMO-HOMO的大小反映了電子從最高占據(jù)軌道向最低空軌道躍遷需要的能量大小，帶隙越小，電子越容易被激發(fā)，抗氧化活性越強(qiáng)[6-10]。從圖2與表3可以看出，盡管化合物2的最高占有軌道能量略低于化合物1，但化合物2的最低空軌道能量EHOMO與最低和最高兩級(jí)軌道能量差值△ELUMO-HOMO都要低于化合物1，說(shuō)明最低空軌道能量與兩級(jí)軌道能量差是影響化合物2抗氧化活性強(qiáng)于化合物1的主要因素之一。

3 結(jié)論與討論

該研究通過(guò)量子化學(xué)密度泛函理論（DFT）方法在B3LYP/6-311++G（d，p）計(jì)算水平下研究了昆侖雪菊中2個(gè)查爾酮化合物的電子結(jié)構(gòu)、酚羥基氫鍵解離能以及分子軌道能級(jí)差。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，化合物2的抗氧化活性要強(qiáng)于化合物1，主要原因是由于化合物2分子結(jié)構(gòu)中的酚羥基數(shù)目及分子內(nèi)形成的氫鍵數(shù)目多于化合物1，化合物2分子中最低空軌道與最高占有軌道能級(jí)差低于化合物1。理論模型預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致，從量子化學(xué)微觀水平解釋了試驗(yàn)觀察到的結(jié)果。該研究初步評(píng)估了2個(gè)查爾酮化合物抗氧化活性的大小順序，為今后該藥物的開(kāi)發(fā)與藥理活性的研究提供了理論指導(dǎo)。

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