大黃素和大黃素甲醚抗氧化活性的密度泛函理論研究

曹 曼，王宜尚，陳 哲，裴 玲

(濱州學院 化學化工學院 濱州市材料化學重點實驗室，山東 濱州 256603)

大黃素和大黃素甲醚抗氧化活性的密度泛函理論研究

曹 曼，王宜尚，陳 哲，裴 玲

(濱州學院 化學化工學院 濱州市材料化學重點實驗室，山東 濱州 256603)

本文采用密度泛函理論(DFT)方法，在B3LYP/6-311G(d,p)水平下對氣相和溶劑中大黃素和大黃素甲醚及其可能解離途徑中形成的自由基進行結構優化，在結構優化的基礎上用B3LYP/6-311++G(2 d,2 p)基組計算了其相應的單點能，通過三種抗氧化反應機制、清除·OOH自由基的機理等方面分析了分子活性位與其性質的關系，分析了兩種物質酚羥基在不同環境中抗氧化活性的能力大小。計算結果表明，大黃素和大黃素甲醚分子分別在C3和C8位上酚羥基活性最高，是最大可能的活性位點，大黃素的酚羥基活性略高于大黃素甲醚。在氣相中氫原子轉移是主要的機制，在極性溶劑中單電子轉移是主要機制，在非極性溶劑中連續的質子損失電子轉移是主要機制。

活性位點；抽氫反應；酚羥基；鍵解離焓

大黃素和大黃素甲醚都屬蒽醌類化合物，實驗研究發現大黃素和大黃素甲醚具有抗氧化作用，能抑制過氧化物的形成和活性氧產生，清除并捕捉自由基，達到抗氧化性的目的[1-2]。而對大黃素和大黃素甲醚的研究主要關注在實驗及作用層面上[3-4]，對其各個酚羥基位點反應的抗氧化活性的作用機理報道較少。量子化學計算可以很好地預測藥物分子的抗氧化活性的強弱[5-6]，為了從理論上闡述大黃素和大黃素甲醚清除自由基活性能力的原理，本課題擬通過密度泛函理論的方法，從大黃素和大黃素甲醚不同位置上酚羥基清除自由基的活性方面進行研究，進而對其抗氧化活性進行理論評價。

1 計算方法

本研究采用密度泛函理論(DFT)的方法在B3LYP/6-311G(d,p)基組水平下，對大黃素和大黃素甲醚單體及其相應自由基進行結構優化，然后在B3LYP/6-311++G(2d,2p)基組水平下進行單點能計算?；诖簏S素和大黃素甲醚分子的結構參數、三種反應機制[7-8]、與自由基的反應機理，詳細分析兩分子各個酚羥基清除自由基活性的強弱。溶劑中的計算采用CPCM 模型[9]，所有的計算通過Gaussian 03程序完成[10]。

2 結果與討論

2.1 三種反應機制分析

2.1.1 氫原子轉移機制

氫原子轉移(HAT)是物質抗氧化反應的一種很重要的反應機制，尤其是在非極性溶劑中，其反應機理為R·+ArOH→RH+ArO·，抗氧化劑(ArOH)與自由基(R)反應，由一個氫原子轉移到R通過均裂鍵的斷裂完成。ArOH的反應活性可以由酚羥基的鍵解離焓(BDE)值來估計，BDE值越低，清除自由基的活性越高，反應越容易進行[11]。BDE的計算公式為BDE=Hr+Hh-Hp，其中Hr、Hh、Hp分別代表化合物自由基的焓、氫原子的焓、化合物的焓[7-8]。

表1 大黃素和大黃素甲醚脫氫自由基在不同溶劑中的 鍵解離焓(BDE)(單位：kcal/mol)

BDE值越小，反應需要的熱量越小，即反應越容易進行，酚羥基活性越大。從表1數據中可以看出無論是在哪種溶劑中大黃素C3位酚羥基的BDE值最小，大黃素和大黃素甲醚C8位酚羥基的BDE值都略小于C1位的，說明大黃素HAT反應的最大可能活性位點是C3位的酚羥基，兩物質C8位酚羥基的活性略強于C1位的。比較溶劑對兩物質不同位置酚羥基BDE的影響可以看出，對應酚羥基的BDE數值在苯非極性溶劑中略小于氣相的，水和甲醇極性溶劑中又略小于苯中的，但整體來看溶劑對BDE數值影響不大，即HAT機制在各相中都可發生反應。比較兩物質同位點酚羥基的BDE值看出大黃素的酚羥基BDE低于大黃素甲醚的，說明大黃素的抗氧化活性要強于大黃素甲醚。

2.1.2 單電子轉移機制

單電子轉移(SET-PT)機制反應式為R·+ArOH→R-+ArOH+·→RH+ArO·，此機制涉及到兩個步驟：ArOH失去電子形成自由基正離子ArOH+，隨后ArOH+失去H+成自由基ArO·，H+與R-形成RH。電離勢(IP)主要反映分子的給電子能力，IP越小說明物質是優良的電子供體；質子解離焓(PDE)反映物質給出質子的能力，PDE值越小說明物質是優良的質子供體。在此兩步反應中，IP和PDE可用作自由基清除活動評價中有效的能量因子，IP和PDE越小說明物質抗氧化性越強。IP與PDE計算公式為IP=Hcr-Hp+He, PDE=Hr+Hh+-Hcr，其中He、Hcr、Hh+分別代表電子的焓、陽離子自由基的焓、質子的焓[7-8]。

表2 大黃素和大黃素甲醚在不同溶劑中的電離勢(IP)和質子解離焓(PDE)(單位：kcal/mol)

由表2中數據看出，兩物質在同一溶劑中的IP數值差別不大，大黃素甲醚略小于大黃素的，說明在單電子轉移過程中大黃素甲醚略優于大黃素。大黃素不同位置上脫氫自由基的PDE的大小順序為C3

2.1.3 連續的質子損失電子轉移機制

連續的質子損失電子轉移(SPLET)機制為ArOH→ArO-+H+ArO-+R→ArO+R-R-+H+→RH ，首先ArOH失去去一個H+，形成ArO-，然后ArO-中的電子轉移到自由基R上形成R-，最后R-與H+形成RH。由此看出，質子親和能(PA)和電子轉移焓(ETE)可以用來衡量抗氧化劑清除自由基活性的相對大小。PA和ETE的值越小說明清除自由基活性越大，PA、ETE的計算公式為PA=Han+Hh+，ETE=Hr+He-Han，其中Han、Hh+、Hp、Hr、He分別代表陰離子基團的焓、質子的焓、母體分子的焓、苯氧自由基的焓、電子的焓[7-8]。

表3 大黃素和大黃素甲醚在不同溶劑中的質子親和能(PA)及電子轉移焓(ETE)(單位：kcal/mol)

由表3數據可得在不同溶劑中大黃素PA的大小順序為C3

2.2 大黃素和大黃素甲醚清除·OOH自由基的機理分析

·OOH自由基為高活性自由基，單電子位于端位O原子，大黃素和大黃素甲醚能清除·OOH自由基，反應駐點物種結構圖如圖2所示。

圖2 優化得到的反應物、過渡態、產物的幾何結構(鍵長單位：nm)

為了確定所得為其真實的過渡態結構，在B3LYP/6-311G(d,p)基組水平上對每個過渡態進行了分子內反應坐標(IRC)計算。經過計算發現，IRC計算曲線兩邊顯示的分子構型分別指向對應的反應物和產物，由此可見所得的過渡態結構為其真實過渡態，IRC曲線如圖3所示。

圖3 在B3LYP/6-311G(d,p)基組水平下計算得到的IRC曲線

如圖2所示，當·OOH進攻大黃素C3位的酚羥基時，反應復合物O3…H3之間為正常的O-H鍵，H3…O之間的距離為0.1932 nm，接著O3…H3之間的距離逐漸増長為0.1222 nrn，H3…O之間的距離則縮短到0.1158nrn形成過渡態，經計算需越過37.386 kJ/mol的能壘，最后經過產物復合物形成醌式結構和H2O2，C3=O3之間為正常的C=O雙鍵?！OH與大黃素、大黃素甲醚分子C1、C8位酚羥基發生抽氫反應的過程中，產物與反應物能量差分別為27.940、36.786、26.839、36.209kJ/mol。比較發現，C3位上酚羥基與·OOH發生抽氫反應時達到過渡態時所需要的能壘小于C1、C8位酚羥基發生抽氫反應達到過渡態時所需要的能壘，且C3位酚羥基發生抽氫反應時的反應熱小于C1和C8位的，因此與大黃素C1和C8位酚羥基相比，C3位上酚羥基更容易與·OOH發生抽氫反應，是最大可能的活性位點。

3 結論

結合三種抗氧化反應機制分析，大黃素的C3位酚羥基是最大可能的活性位點，大黃素甲醚C8位酚羥基是最大可能的活性位點。在氣相和非極性溶劑中，HAT機制起主要作用；在極性溶劑中SET-PT是主要的反應機制。大黃素的抗氧化性略強于大黃素甲醚。不同位置上酚羥基與·OOH發生抽氫反應時達到過渡態所需要的能壘C3< C1< C8，整個反應的反應熱大小順序也是C3< C1< C8，這都充分說明大黃素C3位、大黃素甲醚C1位酚羥基是最大可能的活性位點。

[1] 劉全德,唐仕榮,宋 慧,等.蘆薈蒽醌類化合物的超聲提取及其抗氧化性研究[J].食品與機械,2011,27(5):68-71.

[2] 袁 曉,舒楚金,龔二蘭,等.虎杖蒽醌化合物的分離及抗氧化活性的研究[J]. 食品研究與開發,2013,34(2): 22-24.

[3] 潘曉麗,向 暉,謝運飛,等.大黃素-鎂(Ⅱ) 配合物的合成、表征及抗氧化活性研究[J].中成藥,2013,35(12):2757-2768.

[4] 呂慧英,趙晨曦,吳 海,等.大黃提取物抗氧化活性與游離蒽醌相關性的研究[J].中草藥,2010,41(3):412-415.

[5] Ghiasi M, Majid M H.Quantum mechanical study of antioxidative ability and antioxidative mechanism of rutin (vitamin P) in solution[J]. Carbohydrate Research,2011,346:739-744.

[6] María A M W, Sergio I C A, René R B Q. Computational study of the structure-free radical scavenging relationship of procyanidins[J]. Food Chemistry, 2014, 161:155-161.

[7] Xue Y S,Zheng Y G,An L,et al.Density functional theory study of the structre -antioxidant activity of polyphenoli deoxybenzoins[J].Food Chemistry,2014,151:198-206.

[8] Wang G R,Xue Y S.Theoretical study on the structural and antioxidant properties of some recently synthesised 2,4,5-trimethoxy chalcones[J].Food Chemistry,2015,171:89-97.

[9] Cossi M,Barone V,Cammi R,et al.Ab initio study of solvated molecues:a new implementation of the polarizable continuum mode[J].Chemical Physics Letters,1996,255:327-335.

[10] Fris ch M J,Trucks G W,Schlegel H B,et al.Gaussian03[M]. Gaussian Inc,Pittsburgh PA, 2003.

[11] 張 軍,陳德展.橄欖油中兩種酚類化合物的抗氧化性理論研究[J].山東師范大學學報:自然科學版,2005,20(4):36-37.

(本文文獻格式：曹 曼，王宜尚，陳 哲，等.大黃素和大黃素甲醚抗氧化活性的密度泛函理論研究[J].山東化工,2017,46(3):14-16,18.)

Density Functional Theory Study on the Antioxidant Activity of Emodin and Physcion

CaoMan,WangYishang,ChenZhe,PeiLing

(College of Chemistry &Chemical Engineering,Binzhou University,Binzhou Key Laboratory of Material Chemistry,Binzhou 256603,China)

In this paper, the structure of emodin, physcion and their free radicals in the formation of dissociation pathways were optimized using density functional theory (DFT) method with the B3LYP/6-311G(d,p) basis set level in gas phase and solvents. Then with B3LYP/6-311++G(2d,2p) basis set level the corresponding single point energy were calculated. The activity of the phenolic hydroxyls on different sites of emodin and physcion was discussed on the basis of the structure parameters, the frontier molecular orbitals and three antioxidant reaction mechanisms. The results show that 3-OH and 8-OH are the most activist site, respectively. Emodin's antioxidant activity is higher than physcion. The results obtained also demonstrate that HAT would be the most favourable mechanism in the gas phase, whereas the SPLET mechanism is the thermodynamically preferred pathway in polar media, and SET-PT is the main mechanism in nonpolar media.

active site;hydrogen abstraction reaction;phenolic hydroxyl;bond dissociation enthalpy

2016-11-18

曹 曼(1995—)，女，山東臨沂人，本科在讀，研究方向：理論計算化學。

TQ461

A

1008-021X(2017)03-0014-03