木犀草素分子密度泛函理論研究

孫立卿，周長會，吳啟勛

（青海民族大學(xué) 化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，青海 西寧 810007）

木犀草素作為天然黃酮類化合物之一，多以糖苷形式廣泛存在于自然界的植物體和天然藥材中[1]，木犀草素具有廣泛的藥理活性和潛在的藥用價值[2]，它具有抗氧化、抗炎、抗菌和抗癌等多種藥理作用[3].臨床上主要用于止咳、祛痰、消炎等.為更好地研究木犀草素分子的作用機理，本文利用密度泛函理論[4]計算了木犀草素分子的有關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)[5]，對木犀草素分子的活性部位進行了分析，為木犀草素的藥理活性研究提供了理論依據(jù)[6].

1 計算方法

本文采用 Gussian03軟件包 DFT/B3LYP方法，在 6-311G（d，p）基組水平下對木犀草素分子進行理論計算，獲得了木犀草素的結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用理論值來研究木犀草素分子的活性部位.主要計算過程是，首先使用ChemDraw Ultra 8.0軟件繪制出分子的結(jié)構(gòu)式，并用Chem3D Ultra8.0軟件對木犀草素分子進行結(jié)構(gòu)預(yù)優(yōu)化，創(chuàng)建高斯輸入文件；再用Gussian03軟件包中 B3LYP/6-311G（d， p）方法進行幾何優(yōu)化（見圖1）和電子結(jié)構(gòu)計算，包括木犀草素分子慕林肯電荷、鍵長、鍵角、二面角、最高占據(jù)軌道能、最低空軌道能、總能量及偶極矩等結(jié)構(gòu)參數(shù).全部計算研究是在PC-Intel（R）Core（TM）i5-3210M CPU@2.5GHZ內(nèi)存為3.5G的PC機上完成的.

2 結(jié)果和數(shù)據(jù)分析

2.1 木犀草素分子的幾何構(gòu)型和結(jié)構(gòu)參數(shù)

在 B3LYP/6-311G（d，p）的基組下，獲得了木犀草素分子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)式（能量最低時的結(jié)構(gòu)如圖 1）并計算出了木犀草素分子的鍵長、鍵角、二面角（見表 1），通過木犀草素分子的二面角說明 A、B、C不在同一個平面上.根據(jù)木犀草素分子的慕利肯電荷（如表 2）我們可以看出木犀草素分子中酚羥基及酮基處的電荷密度較大，這說明這些部位相對比較活潑，是分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的主要位置.經(jīng)計算木犀草素分子的能量為-1 029.23A.U，這說明木犀草素分子的結(jié)構(gòu)相對較為穩(wěn)定.

2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)對化學(xué)性質(zhì)的影響

鍵參數(shù)是可以表征化學(xué)鍵性質(zhì)的物理參量，由表 1中的鍵角和二面角可以看出木犀草素分子環(huán) A和環(huán) B幾共平面，而環(huán)B環(huán)C有一定的夾角，這使得A與C環(huán)產(chǎn)生扭曲，穩(wěn)定性相對降低.由表2可知C14-O18的鍵長比C15-O17稍長，說明共軛π鍵對酚羥基鍵RO18-H的拉力比其它分子的要小，說明C14-O18鍵能低，容易斷裂，同時由于A環(huán)與B環(huán)共平面，可將其整體視為吸電子基團，它對C環(huán)間位羥基鈍化的同時增強對位羥基的活化性，故而RO18-H位置是木犀草素分子的活性部位.由慕林肯電荷分布也可從側(cè)面推出RO18-H部位比較活潑，更容易受到化學(xué)試劑進攻，可能是與人體蛋白質(zhì)結(jié)合的靶點位置，所以木犀草素的羥基具有較高的生物活性，根據(jù)研究表明它與其它自由基反應(yīng)生成較穩(wěn)定的半醌式自由基，進而終止自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，穩(wěn)定活性氧，自由基團被反應(yīng)成無活性的原子團，方程式如下（R·為自由基，O·為氧自由基）：

黃酮類（OH） + R· → 黃酮類（O·） + RH

在上述反應(yīng)過程中，通過清除自由基團，黃酮類化合物能夠抑制LDL的氧化，保護LDL的功能，從而具有預(yù)防動脈粥樣硬化功效的作用[7].

圖1 木犀草素分子的幾何構(gòu)型

表1 木犀草素分子的主要幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)

續(xù)表

表2 木犀草素分子的慕林肯電荷

2.3 前線軌道對化合物性質(zhì)的影響

根據(jù)分子軌道理論：前線軌道對分子的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)起著重要的作用，分子前線軌道是分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的主要部分，所以探究木犀草素分子的生物活性時有必要探究木犀草素分子前線軌道.由木犀草素分子的前線軌道（如圖2和圖3），可以看出木犀草素整個分子的性質(zhì)比較活潑，活性較強，可發(fā)生取代反應(yīng)，氧化還原反應(yīng)和酯化反應(yīng)等.

圖2 木犀草素分子最高占據(jù)軌道

圖3 木犀草素分子的最低空軌道

根據(jù)前線軌道理論，最高占據(jù)軌道能越高，軌道上的電子越不穩(wěn)定，越容易給出電子；最低空軌道能量越低，該軌道越易接受電子；而能極差反應(yīng)了分子躍遷的難易程度，能級差越小，越容易發(fā)生躍遷[8].根據(jù)Gassian03W軟件計算出木犀草素分子軌道能量（見表3）其中最高占據(jù)軌道能為-0.227A.U，最低空軌道能為-0.070A.U，木犀草素分子的能級差為0.157A.U，這說明木犀草素分子的最高占據(jù)軌道向最低空軌道躍遷時所需能量較低，容易發(fā)生電子躍遷.將木犀草素分子中 C15原子所連羥基去除后計算得到其最高軌道占有能為-0.230 A.U最低空軌道能為-0.071 A.U，能級差為0.159 A.U；同理去掉 C14原子后得出其最高軌道占有能為-0.232 A.U，最低空軌道能為-0.076A.U，能級差為0.156 A.U，這說明去除 C15原子所連酚羥基之后能級差較大，體系越容易發(fā)生躍遷，從而說明 C14原子所連酚羥基活性較大.

表3 木犀草素分子各原子軌道能量

3 結(jié)語

通過對木犀草素分子的結(jié)構(gòu)參數(shù)計算及理論分析，可以得出木犀草素分子的活性部位主要集中在酚羥基、酮基部位，其中 C14所連羥基活性較大，容易受到化學(xué)試劑的進攻.根據(jù)木犀草素分子的軌道能及能級差，可以說明木犀草素分子較為活潑，可以與醇、酸、還原劑等發(fā)生反應(yīng).這些木犀草素分子結(jié)構(gòu)性質(zhì)研究，可為木犀草素的藥理活性的研究提供理論依據(jù).

[1] 王繼雙，何焱，張文靜，等.木犀草素的藥理作用研究進展[J].生命科學(xué)，2013，25（6）:560-565.

[2] 閻高峰，李學(xué)剛，袁呂江.木犀草素生物活性研究[J].糧食與油脂，2006（3）:23-29.

[3] 張志恒，李彩瑞，馬晶軍，等.熒光法研究木犀草素與人血清白蛋白的相互作用[J].光譜學(xué)與光譜分析，2008，28（5）:1135-1139.

[4] 高志強，徐強，宋仲容，等.黃酮類化合物抗氧化活性構(gòu)效關(guān)系的密度泛函理論研究[J].化學(xué)世界，2008（7）:439-443.

[5] 張鑫，楊英杰，呂慶章.黃芪異黃酮類化合物抗氧化活性的密度泛函理論研究[J].化學(xué)研究與應(yīng)用，2012，24（11）:1662-1669.

[6] 劉小寧，楊英杰，呂慶章.野黃芩的密度泛函理論研究[J].山東大學(xué)學(xué)報:理學(xué)版，2012，47（7）:20-25.

[7] 夏朋濱.黃酮類化合物的來源、結(jié)構(gòu)及作用機制[J].航空航天醫(yī)藥，2010，21（12）:2166-2167.

[8] 劉衍貞.前線軌道理論在化學(xué)中的應(yīng)用[J].濰坊學(xué)院學(xué)報，2002（2）:42-44.