酚酸物質抗氧化性及溶劑化效應的理論計算

盧 俊，高 涵，盧慶華，王國澤，呂俊麗，王建華，左文歡

（內蒙古科技大學生命科學與技術學院，內蒙古 包頭 014010）

酚酸類物質是指1 個苯環上的氫原子被1 個或多個酚羥基取代的芳香族羧酸化合物，其廣泛存在于植物、食品和人類代謝物中[1-2]，也是水果、蔬菜等的重要組成成分之一，可以在體內外清除氧自由基[3]。酚酸類化合物能預防與氧化應激相關的人類疾病，尤其能防止氧化損傷引起的疾病，如冠心病、中風和癌癥等[4]。酚酸類化合物的抗氧化能力與其結構有關，當酚酸類化合物與氧化過程中形成的自由基發生反應時，烷基化和酯化作用有助于抗氧化性的提高[5]。近年來，隨著計算機軟硬件的高速迭代及基于密度泛函理論發展，理論結果經常被用于進一步解釋實驗結果或預測物質的抗氧化活性[6]。多酚類物質的抗氧化機制主要有3 種：氫原子轉移（hydrogenatom transfer，HAT）、單電子轉移后的質子轉移（single electron transfer followed by proton transfer，SETPT）和順序質子電子轉移（sequential proton loss electron transfer，SPLET）[7-8]，在不同微環境下的抗氧化反應機制可以不同的速率獨立發生或同時發生[9-10]。多年來，尋找和探索抗氧化能力更強的物質是科學家們一致追求的目標，基于此，本研究選取12 種代表性酚酸物質作為目標化合物，即阿魏酸（I）、鞣花酸（II）、咖啡酸（III）、沒食子酸（IV）、兒茶素（V）、二羥基查耳酮（VI）、白藜蘆醇（VII）、丁香酚（VIII）、龍膽酸（IX）、3,4-二羥基芐醇（X）、原兒茶酸（XI）及p-香豆酸（XII），通過量子化學方法計算研究其分子結構、抗氧化性及溶劑化效應，運用3 種抗氧化性機制分析酚酸物質的抗氧化性及溶劑化效應，為多酚物質在溶劑中表現出更為突出的抗氧化性，以及抗氧化劑的深入開發探究提供參考和借鑒。

1 材料與方法

利用GaussView6軟件構造12 種酚酸物質的分子結構，利用泛函M06-2X/6-311G*對酚酸物質進行計算，得到所有分子的鍵長、鍵角等結構數據，計算抗氧化機制鍵解離焓（bond dissociation enthalpy，BDE）、電離勢（ionization potential，IP）、質子解離焓（proton dissociation enthalpy，PDE）、質子親和力（proton affinity，PA）和電子轉移焓（electron transfer enthalpy，ETE）等主要參數。BDE是衡量酚羥基向自由基給予氫原子難易程度的熱力學參數。目前普遍認為，以BDE為理論指標研究抗氧化劑一步抽氫反應清除自由基的方法較為合適[11-12]；IP可直接反映分子的給電子能力，數值越小，相對應酚酸物質的抗氧化活性越強[13]；PDE受不同溶劑的溶劑效應影響，其結果有助于分析物質的抗氧化活性；PA越小，酚羥基的酸性越強，越容易電離出氫離子[14]；ETE可直接反映多酚脫氫陰離子的給電子能力，且在溶劑中多酚的ETE高于在氣相中[15]。BDE、IP、PDE、PA和ETE分別按式（1）～（5）進行計算。

式中：H（ArO·）、H（H·）、H（ArOH·+）、H（ArOH）、H（e-）、H（H+）、H（ArO-）分別代表酚類自由基、氫自由基、酚類物質陽離子自由基、酚類物質、電子、氫離子及酚類脫氫陰離子的生成焓/（kcal/mol）。氣相及溶劑計算全部在Gaussian 19量子化學程序中完成[16]。

在溶劑中優化及能量計算利用基于密度的溶劑化模型（solvation model based on density，SMD）隱式溶劑模型，它是目前被認為幾乎最好的隱式溶劑模型之一。本研究選取具有代表性的涵蓋極性與非極性的4 種常用溶劑，分別為苯（ε＝2.270 6，ε表示極性大小）、丙酮（ε＝20.493）、乙醇（ε＝24.852）和水（ε＝78.355 3），在4 種溶劑中計算酚酸物質的抗氧化性，以BDE、IP、PDE、PA和ETE 5 種熱力學參數為理論指標，并與氣相熱力學參數比較，以闡明溶劑效應對阿魏酸類物質抗氧化性的影響。本研究使用的氣相和溶液中的質子、電子及氫原子的熱力學數據參考文獻[17-19]。

2 結果與分析

2.1 酚酸物質的分子結構

多酚類物質均有不同程度抑制氧化應激的作用，是一類良好的抗氧化劑[20]，用量子化學方法計算物質的抗氧化性，可以明晰分子結構和抗氧化性的關系，為進一步的實驗和設計性能更好的抗氧化劑提供理論依據。設計目標化合物的分子結構如圖1所示。

圖1 12 種酚酸物質結構式Fig.1 Molecular structures of 12 phenolic acids

2.1.1 酚酸物質的結構分析

通過計算得到酚酸代表物質阿魏酸的結構優化和能量數據。對比分析阿魏酸在氣相、苯、丙酮、水及乙醇中結構數據和實驗值[21]，計算得到的鍵長與阿魏酸鍵長實驗數據吻合較好，誤差較小，基本相符。阿魏酸結構中的鍵長與實驗得出鍵長的平均絕對誤差分別為0.020 07（氣相）、0.019 57（苯）、0.019 78（丙酮）、0.018 78（水）、0.018 78 ?（乙醇）。計算得出的鍵角與實驗數據的平均絕對誤差分別為3.484 87°（氣相）、3.463 68°（苯）、3.392 81°（丙酮）、3.285 12°（水）、3.310 62°（乙醇）。由表1、2可知，鍵長與實驗值相符較好的是乙醇和水溶劑，鍵角與實驗值最相符的是水溶劑環境。C5—C6的鍵長在氣相與苯溶劑中的計算值與實驗值完全相符。O12—C11—O13鍵角的計算值與實驗數據偏差較小，在氣相、苯、丙酮、水及乙醇中誤差分別僅為0.190°、-0.020°、0.029°、-0.104°、0.064°。以上數據及分析充分說明選擇的計算方法適合，得到的結果可靠。

表1 阿魏酸在氣相和溶劑中鍵長的實驗值、計算值及偏差Table 1 Calculated values,experimental values and deviation of bond lengths for ferulic acid in the gas phase and in solvents ?

表2 阿魏酸在氣相和溶劑中鍵角的實驗值、計算值及偏差Table 2 Calculated values,experimental values and deviation of bond angle for ferulic acid in the gas phase and solvents（°）

2.1.2 酚酸物質在氣相中的抗氧化性

酚酸物質通過HAT機制清除自由基時，通常用BDE進行闡釋，BDE的結果直接分析和預測多酚類物質的抗氧化活性[22-24]，采用SETPT機制清除自由基時，以IP和PDE為理論指標較為合適[25-27]，SPLET機制則用與之相關的熱力學參數PA和ETE進行描述。通常，這幾種抗氧化機制的理論指標越小，物質的抗氧化能力越強，即越容易清除自由基。由圖2可知，咖啡酸的C6位、兒茶素的C16位、龍膽酸的C5位、3,4二羥基芐醇的C2位以及原兒茶酸的C4位都有較低的BDE，當化合物與活潑基團反應時，與上述C原子相連的酚羥基更易斷裂，發生一步抽氫反應生成新的物質，從而表現出更好的自由基清除能力。其中龍膽酸（C5）的BDE最低，為81.78 kcal/mol，所以在氣相中龍膽酸具有最好的抗氧化活性，且C5為其最活躍位點。龍膽酸C5位的BDE比其C2位減少7.78 kcal/mol，這可能由于龍膽酸C5位的鄰位和對位取代基的推電子作用及分子內氫鍵[21]使得C5位上的酚羥基BDE下降所致。IP受分子整體結構和π電子離域的影響，能夠反映分子的給電子能力[28]，在一定程度上，IP可以用于比較不同酚酸類物質的抗氧化能力，IP是抗氧化活性評定的主要參數之一[29]。由圖2可知，IP最低的是白藜蘆醇，為169.80 kcal/mol，說明白藜蘆醇是優良的電子供體，清除自由基活性更強。在氣相中所有IP（169.80～199.52 kcal/mol）均大于BDE（81.78～98.92 kcal/mol），這說明在抗氧化機制中抽氫反應比電子轉移更易發生，PDE反映了酚酸類物質生成陽離子自由基的難易程度[30]，而這與IP判斷的抗氧化活性順序相反。SETPT機制是先給出電子再失去質子的過程。SETPT機制（IP+PDE）的最小值是龍膽酸的C5位點，為396.27 kcal/mol，這與HAT機制得出的強弱順序相同，但是比BDE大314.49 kcal/mol，所以SETPT機制不具有熱力學優勢。

圖2 酚酸物質在氣相中的抗氧化指標Fig.2 Antioxidant indexes of phenolic acids in the gas phase

PA代表酚羥基去質子化難易程度，PA越小，電離出氫離子越容易[31]，計算結果中最低的是鞣花酸C13位點，為322.15 kcal/mol。ETE反映的是化合物脫氫后陰離子的給電子能力，ETE最低的是3,4二羥基芐醇，為46.57 kcal/mol。從圖中還能夠看出所有的ETE均為46.57～85.14 kcal/mol，而IP 普遍在169 .80～199.52 kcal/ mol，ETE比IP低得多，說明酚酸物質脫氫陰離子的給電子能力強于中性分子。SPLET機制包括2 個部分，先發生質子解離使抗氧化劑轉化成陰離子，然后給出電子使自由基轉化為陰離子[32]。SPLET機制下抗氧化性最好的是龍膽酸C5位點，其（PA+ETE）值為396.27 kcal/mol，這與HAT和SETPT機制的結果相同。

2.2 溶劑效應

通常情況下，計算得到的結果是在氣相或真空條件下，但實驗中化學反應很有可能在溶液中發生，溶劑會對溶質的分子結構和理化性質產生一定的影響。在此，基于SMD模型計算苯、丙酮、乙醇和水4 種不同溶劑中酚酸物質的抗氧化性，以5 種熱力學參數為理論指標，并與氣相的熱力學參數相比較，以闡明溶劑效應對酚酸物質抗氧化性的影響。

2.2.1 苯對酚酸物質的溶劑化作用

由圖3可知，在苯溶劑中BDE最低的是III（C6），為80.76 kcal/mol，說明在苯溶劑中咖啡酸的酚羥基鍵解離能力最強。除XII（C3）、XI（C4）、XI（C3）、X（C2）、IX（C2）、IX（C5），與氣相相比，苯溶劑中的酚酸類物質BDE更低，說明它們在非極性溶劑中表現出更優秀的給氫原子能力。但是，對IP和PDE而言，氣相中的數值高于苯溶劑中。苯溶劑中IP最低的是VII，為143.26 kcal/mol，說明在苯溶劑中白藜蘆醇更易失去電子，抗氧化性更強。苯溶劑中ETE最低的是VIII（C1），為64.97 kcal/mol，說明在苯中丁香酚離子的給電子能力更強；PDE和PA分別表示陽離子與中性分子脫質子的難易程度，二者在苯中最低的分別是原兒茶酸（XI（C4））和龍膽酸（IX（C2）。

圖3 苯溶劑中酚酸物質抗氧化指標Fig.3 Antioxidant indexes of phenolic acids in benzene

2.2.2 丙酮對酚酸物質的溶劑化作用

由圖4可知，丙酮中BDE最低的是IX（C5），為81.51 kcal/mol，說明在丙酮中龍膽酸更易脫去氫原子，VII的IP最低，為100.96 kcal/mol，表明白藜蘆醇具有較好的給電子能力。丙酮中ETE最低的是V（C16）和VIII（C1），均為58.44 kcal/mol，表示兒茶素（C16）和丁香酚（C1）具有相同的給電子能力。丙酮中PDE最低的是IV（C3），為-2.65 kcal/mol，PDE與酚酸物質陽離子自由基的PA有關，說明在丙酮中沒食子酸陽離子更易失去質子，這有利于SETPT的反生。

圖4 丙酮溶劑中酚酸物質抗氧化指標Fig.4 Antioxidant indexes of phenolic acids in acetone

與氣相相比，在丙酮中大多數分子的BDE要更低，說明在丙酮溶劑中分子抽氫反應會更易發生，然而I（C3）、III（C6）、IX（C5）、X（C2）、XI（C4）略有不同，分子在氣相中的BDE要高于丙酮中的BDE。由圖4C可知，酚酸類物質在丙酮中的IP小于氣相中的IP，說明丙酮溶劑對分子給出電子有促進作用，PDE與之相反，在丙酮中的PDE大于氣相中的PDE，說明在氣相中的質子解離能力更強。除原兒茶素（C16）外，丙酮中的ETE比氣相中的ETE要低，說明多酚類物質陰離子電離出電子的能力在氣相中更強。

2.2.3 乙醇對酚酸物質的溶劑化作用

由圖5可知，乙醇中BDE最低的是IX（C5），為85.37 kcal/mol，故龍膽酸（IX（C5））脫氫原子更容易，抗氧化性更強，C5位點是龍膽酸的優勢位點。乙醇中IP最低的是VII，為110.31 kcal/mol，IP越低，分子更易失去電子，消除自由基會更容易。乙醇中ETE最低為76.28 kcal/mol（丁香酚），低于IP，說明選取的酚酸類物質脫氫陰離子的給電子能力強于中性分子。乙醇中PA最低的是鞣花酸（II（C13）），為38.78 kcal/mol，PDE最低的是沒食子酸（IV（C3）），為9.35 kcal/mol。

圖5 乙醇溶劑中酚酸抗氧化指標Fig.5 Antioxidant indexes of phenolic acids in ethanol

乙醇溶劑中，BDE為85.37～97.14 kcal/mol，鞣花酸（II）和兒茶素（V）的苯氧自由基在乙醇中的BDE小于氣相中，在乙醇中的鍵解離能力更強，而阿魏酸（I（C3））和p-香豆酸（XII（C3））在氣相中的鍵解離能力更強。在氣相中，XII（C3）、XI（C4）、X（C2）、IX（C5）幾種酚酸類物質BDE更低，這與苯溶劑中的計算結果一致。對于IP，乙醇中IP比氣相中平均減少69.07 kcal/mol，并且二者的變化趨勢相似，說明分子在乙醇溶劑中更易失去電子。乙醇中PDE比氣相中平均增加202.90 kcal/mol，說明在氣相中質子解離能力比在乙醇中更強。乙醇中PA比氣相中平均減少291.91 kcal/mol，說明在乙醇中的質子親和能力更強。乙醇中ETE比氣相中增加21.92 kcal/mol，表明在氣相中脫氫陰離子的給電子能力比在乙醇中更強。此外，在乙醇溶劑中計算的所有參數中PDE最小，表明酚酸陽離子給出質子所需要的能量最低。

2.2.4 水對酚酸類物質的溶劑化作用

由圖6可知，水中PA與氣相相比平均減少290.21 kcal/mol，水中的ETE比氣相中高18.47 kcal/mol。此外，不論在水中還是在氣相中，PA和ETE變化趨勢大體相反，這說明失電子能力越強的分子，其質子解離比較困難。此外，水中PDE比PA小，說明在水中酚酸類物質的陽離子自由基去質子化更容易，其主要原因可能是SETPT中，先失去電子將自由基轉換成脫氫陰離子，水的極性可能有助于進一步去質子化。就BDE而言，氣相中的XI（C4）、X（C2）、IX（C5）幾種酚酸類物質BDE更低，這與苯、乙醇溶劑中的計算結果類似。

圖6 水溶劑中酚酸類物質抗氧化指標Fig.6 Antioxidant indexes of phenolic acids in water

2.3 溶劑極性對熱力學參數的影響

由圖7A可知，絕大多數分子在氣相中的BDE高于溶劑中，說明酚酸類物質在溶劑中更易脫去氫原子。另外，在弱極性溶劑丙酮中，多數酚酸物質的BDE相對最低。在極性溶劑水和乙醇中分子BDE的變化趨勢基本一致。并且在極性溶劑水中表現出更好的解離能，這可能是水中的氫鍵有利于抽氫反應的發生。還可以看到咖啡酸（III（C6））在苯中的BDE最低，說明C6位點在非極性溶劑苯中可以更好發揮其抗氧化活性，而龍膽酸（IX（C5））和3,4-二羥基芐醇（X（C2））在氣相和溶劑中都表現出很強的脫氫能力。

圖7 4 種溶劑中酚酸類物質的抗氧化指標Fig.7 Antioxidant indexes of phenolic acids in four solvents

IP受π電子離域和共軛效應的影響，能直接反映分子的給電子能力。由圖7B可知，IP在氣相與4 種溶劑中變化趨勢基本一致，在溶劑中的IP明顯低于氣相中，隨著溶劑極性的增加IP降低，大多數分子的IP大小順序為水＜乙醇＜丙酮＜苯＜氣相，其中白藜蘆醇是所有分子中IP最低，所以其給電子能力最強，這與文獻中計算得到的阿魏酸溶劑效應一致[17]。此外分子在氣相和非極性溶劑中的IP相較于極性溶劑高，說明對形成的自由基陽離子具有更強的穩定性。極性溶劑中，IP變化不大。

由圖7C可知，PDE受到溶劑極性影響較大，PDE大小順序為丙酮＜乙醇＜水＜苯＜氣相，在弱極性溶劑丙酮中，多數酚酸物質相對最低，這與BDE的溶劑效應一致。這也說明酚酸陽離子自由基在溶液中脫去氫離子的能力與極性大小有關。在強極性溶劑和非極性溶劑中，給出氫離子的能力相對較弱。

由圖7D可知，選取的12 種酚酸物質在氣相與溶劑中PA變化趨勢也基本一致，氣相中具有最大的數值，苯溶劑中次之。在3 種極性溶劑中PA相近，大多數酚酸類物質在丙酮中保持最低的PA。酚酸分子在非極性溶劑中給出氫離子生成脫氫陰離子較困難，在極性溶劑水、乙醇與丙酮中較容易，這說明溶劑的極性促進了酚酸分子的電離。

由圖7E可知，極性溶劑中ETE強于非極性溶劑及氣相中。乙醇與水有相近的ETE，表明非極性和強極性溶劑中，可能是因為受到電子溶劑化焓的影響，不利于酚酸陰離子給出電子形成脫氫自由基。ETE比IP普遍較低，說明多酚脫氫陰離子比中性分子更易給出電子。另外，對酚酸類物質而言，5 種表征抗氧化性指標的參數IP、BDE、PDE、PA和ETE，無論是酚酸脫氫陰離子還是酚酸陽離子生成脫氫自由基的能力，受溶劑極性大小的影響相似。特別對于IP、PDE、PA來說，弱極性溶劑丙酮中的抗氧化能力相對最強，強極性溶劑中稍弱，非極性溶劑中酚酸的抗氧化能力相對最弱。這也與文獻報道的極性抗氧化劑在弱極性溶劑中比在極性溶劑中表現出更好的抗氧化性結論[5]一致。就抗氧化機制而言，無論是在氣相還是在溶劑中，因為BDE最低，所以酚酸物質抗氧化性主要是HAT機制的抽氫反應，其次是SET、SETPT或SPLET機制。

3 結論

本研究選取12 種酚酸物質，使用M06-2X泛函理論，在氣相及4 種溶劑中對其進行結構優化和頻率計算，研究苯、丙酮、乙醇和水4 種不同溶劑及氣相中酚酸物質的抗氧化性，以BDE、IP、PDE、PA和ETE為理論指標，對比氣相的熱力學參數，探究溶劑對酚酸物質抗氧化性的影響。結果表明：經過熱力學參數計算結果的對比分析，以BDE為標準，氣相中龍膽酸（IX（C5））的BDE最低；以IP為標準，在4 種溶劑中抗氧化性最好的均為白藜蘆醇；以PA為標準：在苯中抗氧化性最好的為龍膽酸（IX（C2）），丙酮、乙醇和水中為鞣花酸（II（C13））；以PDE為標準，在苯中抗氧化性最好的為原兒茶酸（XI（C4）），丙酮、乙醇和水中為沒食子酸（IV（C3））；以ETE為標準，在4 種溶劑中最好的均為丁香酚（VIII（C1））；絕大多數分子在氣相中的BDE高于溶劑中。總體來說，在弱極性溶劑丙酮中的抗氧化能力相對最強，強極性溶劑水和乙醇中抗氧化指標稍弱于丙酮中，在非極性溶劑中，酚酸的抗氧化能力相對較弱。

為使人體免受自由基的侵害，酚酸作為天然的抗氧化劑，因具有無毒、無害等優點而被廣泛關注，因此，尋找更高效的抗氧化劑已經成為食品、藥品、生物等領域的重要研究課題，本研究可以為進一步深化開發酚酸物質抗氧化性提供理論參考和數據支撐。