環木菠蘿烯醇阿魏酸酯分子結構性質的密度泛函理論研究

李怡菲，覃小麗，闞建全，劉雄，鐘金鋒

(西南大學 食品科學學院，重慶，400715)

γ-谷維素是由阿魏酸與三烯萜及甾醇酯化而成的一種天然營養物質[1]，其廣泛存在于谷類食物中，在米糠油中含量尤其豐富(1%～3%)[2]。它的主要成分為環木菠蘿烯醇阿魏酸酯、2,4-亞甲基環木菠蘿醇阿魏酸酯以及甾醇類阿魏酸酯，其中環木菠蘿烯醇阿魏酸酯含量最高可達38.4%[2]。LIANG等[3]研究表明γ-谷維素可通過降低膽固醇治療血脂異常，SHU等[4]報道γ-谷維素可減輕由乙酰基酚引起的肝損傷。目前對于γ-谷維素的研究主要集中于具體物質中γ-谷維素的提取以及生理活性上，而對于從分子結構層面分析其性質的研究還尚未涉及，這對于有效開發利用γ-谷維素各種生理活性，擴寬其在食品中的應用具有重要意義。

量子化學可基于量子理論，精確、靜態地研究單個或少量分子的性質、特征及反應，能夠考察實驗無法研究的問題，從而指導實驗和生產，具有綠色、省時、過程簡單等優點[5]。密度泛函理論(density functional theory, DFT)是計算分子幾何和能量的重要計算技術，其精度高、速度快且克服了傳統的從頭算法的缺陷，目前使用最為廣泛[6]。ZHENG等[7]基于概念密度泛函對短葉松素及其酯衍生物抗氧化活性進行了理論研究，結果發現其分子鏈長與抗氧化性具有密切的聯系。WANG等[8]利用密度泛函理論評估了香豆素的抗氧化活性，并進一步計算其熱力學參數，探究了香豆素清除自由基、實現抗氧化的主要機理。量子化學在多酚類物質結構性質的研究上已經有了一定的應用，但是目前還未見使用該方法對γ-谷維素的結構性質進行研究的相關報道，這在一定程度上阻礙了食品工業上對γ-谷維素的深入開發與利用。

因此，本文選用γ-谷維素中主要成分環木菠蘿烯醇阿魏酸酯作為研究對象，基于密度泛函理論，對其分子結構、反應活性位點(分子表面靜電勢、原子電荷、前線分子軌道、概念密度泛函活性指數)、分子內弱作用力、芳香性以及紅外光譜進行分析計算，以期為深入探究環木菠蘿烯醇阿魏酸酯的結構性質，促進其在食品中的開發與應用提供一定的理論參考。

1 材料與方法

1.1 計算方法

環木菠蘿烯醇阿魏酸酯的分子結構取自PubChem數據庫，利用Gaussian 09程序進行環木菠蘿烯醇阿魏酸酯的結構優化以及后續理論計算，GaussView 5.0.9用于結構可視化。采用B3LYP-D3理論方法，在6-311G + (d,p) 基組水平上完成了對環木菠蘿烯醇阿魏酸酯的幾何結構優化和頻率振動分析，得到無虛頻的能量極小結構，并在此基礎上進行理論紅外光譜計算，對環木菠蘿烯醇阿魏酸酯的分子結構進行定性分析，采用的頻率校正因子為0.969。采用M062X-D3理論方法，在帶彌散的MA-DEF2TZVP基組水平上對環木菠蘿烯醇阿魏酸酯進行單點能計算，通過Multiwfn[9]程序，對分子表面靜電勢、原子電荷、前線分子軌道進行分析，并基于概念密度泛函理論對全局描述符(電負性、化學勢、化學硬度、化學軟度、親電指數以及親核指數)和局部描述符(簡縮福井函數)進行分析。利用JOHNSON等[10]提出的約化密度梯度函數(reduced density gradient, RDG)，進行弱相互作用力分析；為進一步表征弱相互作用的關鍵臨界點，依據分子中的原子理論(atom in molecular, AIM)進行電子密度拓撲分析。之后，采用M062X-D3理論方法，在DEF2TZVP基組水平，基于芳香性諧振模型(aromatic resonance model, HOMA)以及適配性自然密度劃分[11](adaptive natural density partioning, AdNDP)對環木菠蘿烯醇阿魏酸酯進行進行芳香性分析。

1.2 實驗方法

采用KBr(光譜純，購自天津科密歐試劑公司)壓片法進行傅里葉紅外光譜分析。將環木菠蘿烯醇阿魏酸酯(純度為98%，購自大連美侖生物技術有限公司)與在100 ℃下烘干后的KBr按質量比1∶100混合后，快速研磨均勻。取適量混合樣品粉末壓片，使用紅外光譜儀(Spectrum100, PerkinElmer, Waltham, MA, USA)進行掃描，掃描范圍為4 000～500 cm-1，掃描次數為32。

2 結果與分析

2.1 環木菠蘿烯醇阿魏酸酯分子結構及活性位點預測

2.1.1 分子結構

在B3LYP-D3/6-311G + (d,p) 水平下優化得到環木菠蘿烯醇阿魏酸酯分子幾何構型如圖1-C所示，頻率分析無虛頻，表明優化后的結構是全局能量最小值的穩定構型。優化后的結構用于后續單點能計算以及分析。

A-環木菠蘿烯醇阿魏酸酯的分子式；B-優化前的分子幾何構型；C-優化后的分子幾何構型

2.1.2 活性位點預測

2.1.2.1 分子表面靜電勢

圖2為環木菠蘿烯醇阿魏酸酯分子表面靜電勢(electrostatic surface potential, ESP)分布圖，其可用于預測反應活性位點，分子表面靜電勢越負的位置對應的原子越容易發生親電反應，越正的位置對應的原子越容易發生親核反應[12]。分子表面靜電勢圖上顏色深淺反映靜電勢的強弱，靜電勢為正的區域用紅色表示，靜電勢為負的區域用藍色表示。其中，黃球對應靜電勢極大點，青球對應靜電勢極小點。圖2顯示，分子表面靜電勢在全局的最小值為-37.910 kcal/mol，位于酯基氧O2(圖1)附近，其次為甲基氧O3、酚羥基氧O4附近(-36.400 kcal/mol)，這是因為O的電負性比較強，周圍電子較多密度較大，具有親電活性，易發生親電反應。分子表面靜電勢在全局的最大值(+53.850 kcal/mol)出現在酚羥基氫H99附近，表明此區域親核性較高，容易發生親核反應。于建成[13]對茶多酚的分子表面靜電勢測定結果表明，酚羥基氫附近分布著靜電勢極大值點(+64.210 kcal/mol)，這與我們結果相似。STRUIJ等[14]實驗結果發現，谷維素的抗氧化能力主要來源于阿魏酸分子的酚羥基基團，其可阻止自由基鏈的傳遞。分子靜電勢結果表明環木菠蘿烯醇阿魏酸酯酚羥基氫具有較強的親核反應活性，這可能與其抗氧化反應存在著一定的聯系。

圖2 環木菠蘿烯醇阿魏酸酯分子表面靜電勢分布圖

2.1.2.2 原子電荷

原子偶極矩校正的Hirshfeld電荷(ADCH)可表征分子內不同原子所帶電荷大小，其與分子體系的親電、親核活性具有一定關系，其中帶負電荷越多的原子相應的親電活性可能也越強[15]。計算得到環木菠蘿烯醇阿魏酸酯碳氧原子的ADCH電荷如表1所示，其中酚羥基氧O4帶有最多的負電荷，酯基氧O2次之，但兩者的原子電荷相差極小，表明這2個位置都具有較好的親電活性，這與分子靜電勢結果酯基O2與酚羥基O4附近具有較強的親電活性一致。這與常瑞等[16]的研究結果，N-羥乙酰神經氨酸分子的羥基氧具有多的負電荷分布，較強的親電活性結果相似。酚羥基氫H99帶有較高正電荷，表明此處親核活性較高，易發生親核反應。高子飛[17]研究結果表明綠原酸分子的酚羥基氫原子所帶正電荷較大，這與我們的結論相似。

表1 環木菠蘿烯醇阿魏酸酯碳氧原子ADCH電荷

2.1.2.3 前線分子軌道

根據前線軌道分子理論[18]可知，前線分子軌道在分子反應過程中具有重要作用。前線軌道包括最高占據軌道(highest occupied molecular orbital，HOMO)以及最低未占軌道(lowest unoccupied molecular orbital，LUMO)，其中HOMO束縛電子能力較差，具有給電子性質。前線軌道能級差越小，表示分子中電子越容易發生躍遷，反應活性就越強。通過計算得到環木菠蘿烯醇阿魏酸酯的前線軌道結構圖(圖3)，其中藍色代表軌道波函數負相位，綠色代表軌道波函數正相位。由圖3可以看出，環木菠蘿烯醇阿魏酸酯HOMO-LUMO能隙為7.502 eV，其中HOMO軌道都位于酚羥基氧O4、甲基氧O3、酯基O2以及苯環上酚羥基的鄰位、對位碳附近，表明這些位置易受親電試劑攻擊，發生親電反應。此結果與分子表面靜電勢以及原子電荷結果一致。研究表明，酚羥基具有定位活化作用，使得處于苯環上的酚羥基對位、鄰位的碳原子化學性質更為活潑，易發生反應[19]，這與我們的結論相似。而LUMO軌道主要分布在酯基氧(O1、O2)、雙鍵碳(C35、C33)及酚羥基附近，表明這些位置易受親核試劑攻擊，發生親核反應。前線分子軌道分析結果表明，環木菠蘿烯醇阿魏酸酯分子結構中的阿魏酸基團上的原子是主要的親電或親核反應位點。

圖3 環木菠蘿烯醇阿魏酸酯的HOMO和LUMO軌道分布圖

2.1.2.4 簡縮福井函數

簡縮福井函數可定量分析分子中原子的親電親核反應活性，其中f+表示親核活性，f-表示親電活性，一個分子的某原子對應的福井函數值越大，其越可能是相應類型反應的活性位點[20]。由表2可知，環木菠蘿烯醇阿魏酸酯分子中，雙鍵C33原子、酚羥基O4原子的f-值均較大，為0.083、0.078，其次為酚羥基對位C43原子，表明這些點易發生親電反應。雙鍵碳原子C35對應的f+值最大，為0.102，其次為C33(0.095)，表明這些原子可能是親核反應活性位點。簡縮福井函數結果表明環木菠蘿烯醇阿魏酸酯的親電、親核位點主要分布在阿魏酸基團的原子附近，此結果與前線分子軌道分析結果一致。

全局活性參數有助于分析化合物的行為以及反應性，對于預測化學反應活性具有重要意義。表3呈現了環木菠蘿烯醇阿魏酸酯的全局活性參數。其中，硬度是一個重要的穩定性指標，其值為7.502。由表3可知，在電荷轉移絡合物形成的過程中，環木菠蘿烯醇阿魏酸酯分子可能充當的是接受電子的受體中心。

表2 環木菠蘿烯醇阿魏酸酯碳氧原子簡縮福井函數值

表3 環木菠蘿烯醇阿魏酸酯的全局活性參數

2.2 環木菠蘿烯醇阿魏酸酯分子內弱相互作用分析

RDG分析可有效直觀地表征弱相互作用區域及類型[21]。相互作用的性質取決于sign(λ2)ρ的值，sign(λ2)ρ>0時，表示強的互斥作用，如環、籠中的位阻效應；sign(λ2)ρ≈0時，表示范德華相互作用；sign(λ2)ρ<0時，表示強的吸引作用，如氫鍵等。環木菠蘿烯醇阿魏酸酯的RDG二維散點圖和填色等值面圖如圖4-A、圖4-B所示。圖4中藍色部分代表吸引作用，綠色部分代表范德華力，紅色部分代表強的吸引作用。在環木菠蘿烯醇阿魏酸酯分子的環狀結構中間均有著明顯的紅色梭形區域，體現較強位阻作用，對應散點圖最右邊的spike；環木菠蘿烯醇阿魏酸酯分子中酚羥基與甲氧基等基團間的RDG等值面既有紅色，又有綠色，表明既有范德華力，也有位阻作用。圖5是環木菠蘿烯醇阿魏酸酯的AIM電子密度拓撲分子結果圖，其中黃球代表環臨界點，橘球代表鍵臨界點。其中鍵臨界點通常出現在有吸引力的2原子之間。結合圖4-B、圖5可知，環木菠蘿烯醇阿魏酸酯的鍵臨界點分布的范德華力及位阻作用，而環木菠蘿烯醇阿魏酸酯的環臨界點主要分布在RDG等值面的空間位阻處。以上結果表明維持環木菠蘿烯醇阿魏酸酯分子內部穩定的作用力主要是范德華力及空間位阻作用力。

A-散點圖；B-等值面圖

圖5 環木菠蘿烯醇阿魏酸酯電子密度拓撲分布

2.3 環木菠蘿烯醇阿魏酸酯的芳香性

HOMA是最為常用的基于幾何結構衡量芳香性的方法[22]。HOMA越接近1，說明芳香性越強；HOMA為1時，表明所有鍵長長度相同。計算分析環木菠蘿烯醇阿魏酸酯環狀結構的HOMA，結果表明環木菠蘿烯醇阿魏酸酯中苯環結構的HOMA為0.960，接近1，這表明其具有較強的芳香性。采用AdNDP進一步分析環木菠蘿烯醇阿魏酸酯的芳香性和成鍵特性[23]。由圖6可知，環木菠蘿烯醇阿魏酸酯結構中的具有3個6中心2電子(6c-2e)中心軌道，其形狀與苯分子的占據的pi正則分子軌道相似，這表明環木菠蘿烯醇阿魏酸酯分子的阿魏酸基團中構成了局部類似苯的六中心共軛體系，證明了環木菠蘿烯醇阿魏酸酯具有芳香性。實驗表明，谷維素具有強抗氧化性是由于其阿魏酸基團中的共軛體系形成了較為穩定的自由基，在脂質自動氧化過程中起到了終止自由基鏈式傳遞的作用[24]。芳香性分析結構證明了環木菠蘿烯醇阿魏酸酯分子中共軛體系的存在，這與其抗氧化性有著一定的聯系。

圖6 環木菠蘿烯醇阿魏酸酯的AdNDP鍵合圖

2.4 環木菠蘿烯醇阿魏酸酯的紅外光譜

A-理論光譜圖；B-實驗光譜圖

3 結論

本文基于密度泛函理論對環木菠蘿烯醇阿魏酸酯分子結構、反應活性位點(分子表面靜電勢、原子電荷、前線分子軌道、概念密度泛函活性指數)、分子內弱作用力、芳香性以及紅外光譜進行分析。環木菠蘿烯醇阿魏酸酯酚羥基氫原子(H99)附近具有分子表面靜電勢極大點(53.580 kcal/mol)，且H99帶有較高正電荷(0.352 a.u.)，表明其具有較強的親核活性，易發生親核反應。環木菠蘿烯醇阿魏酸酯酚羥基氧原子(O4)附近具有分子表面靜電勢極小點(-36.400 kcal/mol)，且O4具有較高負電荷(-0.378 a.u.)，較高f-值(0.078)，表明其具有較強的親電活性，易發生親電反應。環木菠蘿烯醇阿魏酸酯分子的HOMO軌道都位于酚羥基氧O4、甲基氧O3以及苯環上酚羥基的鄰位、對位碳附近，表明這些位置易受親電試劑攻擊，發生親電反應。而LUMO軌道主要分布在酯基氧(O1、O2)、雙鍵碳(C33、C35)附近，表明這些位置易受親核試劑攻擊，發生親核反應。簡縮福井函數表明酚羥基氧O4的f-值(0.078)大于其他位置氧原子，其具有較強的親電活性；雙鍵碳原子C33附近的f+值(0.095)較大，其具有較強親核活性。弱相互作用分析可得環木菠蘿烯醇阿魏酸酯分子結構的穩定主要與分子內范德華力及位阻作用有關。理論計算紅外光譜數據與實驗數據較為相似，這表明借助于密度泛函理論可較好地研究環木菠蘿烯醇阿魏酸酯，這可對提取或改性的環木菠蘿烯醇阿魏酸酯進行光譜預測提供一定的指導作用。本文為深入開發環木菠蘿烯醇阿魏酸酯生理活性，拓寬其在食品中的應用提供了一定的理論基礎。