三種黃酮類化合物的電子吸收光譜的理論研究

安貝貝,朱秋玲，吳文鵬

(河南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院,環(huán)境與分析科學(xué)研究所,河南 開封 475004)

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三種黃酮類化合物的電子吸收光譜的理論研究

安貝貝,朱秋玲，吳文鵬*

(河南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院,環(huán)境與分析科學(xué)研究所,河南 開封 475004)

黃酮類化合物普遍存在于天然產(chǎn)物中，具有多種生理活性.本文中我們用密度泛函理論優(yōu)化了3種黃酮類化合物的幾何結(jié)構(gòu)，用含時(shí)密度泛函理論計(jì)算了它們的垂直激發(fā)能，并擬合了它們的電子吸收光譜，同時(shí)還預(yù)測(cè)了它們的抗氧化活性.結(jié)果表明，擬合的光譜與實(shí)驗(yàn)光譜符合較好，很好地解釋了實(shí)驗(yàn)光譜；3種黃酮類化合物的抗氧化活性均高于維生素C.

黃酮類化合物；電子吸收光譜；密度泛函理論；含時(shí)密度泛函理論

黃酮類化合物廣泛存在于植物的根莖葉花果中，是一大類植物次級(jí)代謝產(chǎn)物[1-4].黃酮類化合物具有抗氧化[5-6]、抗自由基[7]、抗菌消炎[8-9]、抗癌[10-11]、抗輻射[12]、抗糖尿病[13]、抗心血管疾病[14]、抗骨質(zhì)疏松[15]等多種生理活性，因此，對(duì)黃酮類化合物的研究已經(jīng)成為一個(gè)非常熱門的課題.

最近，王勇等[16]從黑沙蒿植物中分離出了3,5-二羥基-7,4′-二甲氧基黃酮(1，見圖1)，報(bào)道了其晶體結(jié)構(gòu)，并測(cè)定了化合物1和之前從黑沙蒿植物中分離得到的5-羥基-7,4′-二甲氧基黃酮[17](2，見圖1)的電子吸收光譜.結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與化合物2相比，化合物1的最大吸收波長(zhǎng)發(fā)生了44 nm的紅移.為了更深入地認(rèn)識(shí)這一現(xiàn)象，有必要從計(jì)算化學(xué)的角度對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行理論研究.同時(shí)，我們?cè)O(shè)計(jì)了5-巰基取代的化合物3(見圖1)，對(duì)這3種化合物的電子吸收光譜進(jìn)行了詳細(xì)的理論研究，并理論預(yù)測(cè)了它們的抗氧化活性.

圖1 化合物1、2、3的結(jié)構(gòu)式

以前的研究[18-23]表明，密度泛函理論能比較合理地預(yù)測(cè)有機(jī)共軛分子的幾何結(jié)構(gòu)和光譜.因此，本文中我們擬采用密度泛函理論進(jìn)行計(jì)算.

1 計(jì)算方法

基態(tài)的幾何結(jié)構(gòu)是在B3LYP[24-25]/6-31G*水平上優(yōu)化得到的，并在相同理論水平下進(jìn)行振動(dòng)分析以確定其為勢(shì)能面上的能量極小點(diǎn).垂直激發(fā)能是在TD[26-27]-B3LYP/6-31+G**水平上計(jì)算得到的，并用CPCM模型[28]考慮了氯仿溶劑的影響.所有計(jì)算都是在Gaussian09程序包[29]中完成的.

2 結(jié)果與討論

2.1 基態(tài)的幾何結(jié)構(gòu)

優(yōu)化得到的3個(gè)化合物的幾何結(jié)構(gòu)見圖2，從圖2中可以看出，3個(gè)化合物幾何結(jié)構(gòu)相差不大，色原酮和7-OMe在一個(gè)平面上(不考慮Me中的H)，苯環(huán)和4′-OMe在同一平面上(不考慮Me中的H)，差別較大的地方是前后兩個(gè)平面之間的夾角，在化合物1、2、3中分別為0.2°、17.7°和34.8°.化合物1中羰基上的氧可以和5-OH、3-OH形成2個(gè)O-H…O分子內(nèi)氫鍵，同時(shí)化合物1中的1-O和3-C上的O還可以分別與2′-C和6′-C上的H形成兩個(gè)較弱的C-H…O分子內(nèi)氫鍵；化合物2、3中羰基上的氧只能和5-OH形成1個(gè)O-H…O分子內(nèi)氫鍵.因此，化合物1的共面性最好，電子離域程度最大.

2.2 電子吸收光譜

分子的化學(xué)反應(yīng)性質(zhì)、電子吸收光譜的性質(zhì)等都與前線分子軌道密切相關(guān)，因此我們將計(jì)算得到的各體系的最高占據(jù)軌道(HOMO)、最低空軌道(LUMO)能級(jí)、HOMO-LUMO能級(jí)差ΔEg列于表1中.比較真空和氯仿溶劑中的數(shù)據(jù)可以看出，氯仿溶劑中的HOMO、LUMO能級(jí)比真空中的都降低了約0.1 eV，ΔEg幾乎不變.比較3種化合物的能級(jí)可以看出，化合物2的HOMO能級(jí)最低，LUMO能級(jí)最高，ΔEg最大.當(dāng)色原酮環(huán)上3位H被—OH或者—SH取代后，HOMO能級(jí)明顯升高(分別升高0.33和0.31 eV)，LUMO能級(jí)略有降低(分別降低0.05和0.1 eV)，ΔEg顯著減小.由此可見，3位取代對(duì)HOMO能級(jí)影響較大，對(duì)LUMO能級(jí)影響較小.

圖2 優(yōu)化得到的化合物1、2、3的幾何結(jié)構(gòu)的球鍵模型圖

為了得到這3種黃酮類化合物的電子吸收光譜，我們分別計(jì)算了它們前20個(gè)激發(fā)態(tài)的垂直激發(fā)能(ΔEv)和振子強(qiáng)度(f)，擬合采用高斯線型，得到的電子吸收光譜見圖3、圖4和圖5，詳細(xì)的光譜數(shù)據(jù)和相應(yīng)的躍遷情況見表2.為簡(jiǎn)化起見，表2中只列出了f> 0.1和CI系數(shù)>0.3的躍遷.從圖3、圖4和表2中可以看出，理論預(yù)測(cè)的光譜和實(shí)驗(yàn)光譜[16]符合得很好.化合物1的第一個(gè)吸收帶相對(duì)于化合物2的發(fā)生較大的紅移主要有2個(gè)原因：其一是化合物1的HOMO-LUMO能級(jí)差(S1態(tài)主要由HOMO→LUMO躍遷產(chǎn)生)比化合物2的明顯減小(前文已討論過)，導(dǎo)致S0→S1的吸收發(fā)生紅移；其二是化合物1中S0→S1躍遷的f是S0→S2躍遷的3倍多，第一個(gè)吸收帶由S0→S1躍遷貢獻(xiàn)，而化合物2中S0→S1躍遷的f小于S0→S2，第一個(gè)吸收帶主要由S0→S2躍遷貢獻(xiàn)，這使得光譜紅移程度進(jìn)一步增大.從圖3、圖4和表2還可以看出，實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到的化合物1和化合物2分別在265和270 nm附近的吸收峰都是由一系列激發(fā)態(tài)的躍遷產(chǎn)生的.同時(shí)我們還得到了化合物1和化合物2實(shí)驗(yàn)上未測(cè)得的吸收峰216和212 nm，都是來(lái)自多個(gè)高能激發(fā)態(tài)的貢獻(xiàn).此外，我們還預(yù)測(cè)了化合物3的電子吸收光譜，化合物3第一吸收帶的位置與化合物1接近，詳見圖5和表2.

表1 計(jì)算得到的化合物1、2、3的HOMO和LUMO能級(jí)(單位：eV)a

Table 1 Calculated HOMO and LUMO energy levels in eVfor compounds 1, 2 and 3

CompoundsHOMO/eVLUMO/eVΔEg/eV1-5.77(-5.86)-2.12(-2.22)3.65(3.64)2-6.10(-6.20)-2.02(-2.12)4.08(4.08)3-5.79(-5.92)-2.07(-2.18)3.72(3.74)

a括號(hào)外數(shù)據(jù)為真空中計(jì)算值，括號(hào)內(nèi)數(shù)據(jù)為氯仿溶液中計(jì)算值.

曲線為光譜，豎線為振子強(qiáng)度.

曲線為光譜，豎線為振子強(qiáng)度.

曲線為光譜，豎線為振子強(qiáng)度.

2.3 抗氧化活性

分子的抗氧化活性通常與HOMO能級(jí)相關(guān).HOMO能級(jí)越高，越容易失去電子，抗氧化活性越高.從表1可以看出，無(wú)論是在真空中還是在氯仿溶劑中，化合物2的HOMO能級(jí)都是最低的，化合物1和3的HOMO能級(jí)接近，前者略高于后者.由此可推測(cè)這3個(gè)化合物中，化合物1的抗氧化活性最高.

維生素C是一種常見的還原劑，文獻(xiàn)曾報(bào)道的維生素C的HOMO能級(jí)在真空中為-6.84 eV (-0.251 20 a.u.[30])，-7.08 eV (-0.260 21 a.u.[31])，在水溶液中為-6.78 eV(-0.249 14 a.u.[31])，在CCl4溶液中為-6.95 eV (-0.255 50 a.u.[31]).與維生素C相比，化合物1、2、3的HOMO能級(jí)遠(yuǎn)高于維生素C的.因此，從能級(jí)上分析，本文中報(bào)道的3種化合物的抗氧化活性都遠(yuǎn)高于維生素C.

3 結(jié)論

用密度泛函理論的B3LYP方法優(yōu)化得到了3種黃酮類化合物1、2、3基態(tài)的幾何結(jié)構(gòu).計(jì)算表明，色原酮環(huán)和苯環(huán)兩個(gè)平面之間的夾角在化合物1、2、3中分別為0.2°、17.7°和34.8°.化合物1存在2個(gè)O-H…O分子內(nèi)氫鍵，而化合物2、3中只有1個(gè)O-H…O分子內(nèi)氫鍵.用含時(shí)密度泛函理論計(jì)算得到了各體系的垂直激發(fā)能，并擬合了其電子吸收光譜.結(jié)果表明，計(jì)算的光譜和實(shí)驗(yàn)光譜符合較好，并對(duì)實(shí)驗(yàn)光譜進(jìn)行了詳細(xì)的解釋.同時(shí)，我們還預(yù)測(cè)了這3種黃酮類化合物的抗氧化活性順序，即1>3>2>維生素C.

表2 計(jì)算得到的化合物1、2、3的垂直激發(fā)能a

Table 2 Calculated vertical excitation energies of compounds 1, 2 and 3

ExcitedstatesΔEv/eVλ/nmfMaintransitionPeak/nmExpt./nm[16]Compound1S13.193890.654H→L389368S23.773290.207H-1→L329324S64.612690.144H→L+1S74.772600.105H-4→L,H-3→L,H→L+2S94.942510.150H→L+3S105.092440.142H-1→L+1,H→L+3255265S195.812140.125H→L+8,H-6→L216Compound2S13.503550.390H→LS23.893180.484H-1→L323324S64.672660.189H→L+1S74.912530.107H-1→L+1259270S135.492260.232H-2→L+1,H→L+3S175.812130.162H-1→L+3,H-2→L+3S185.882110.264H-2→L+3,H-6→L,H-1→L+3S205.992070.193H-4→L+1212Compound3S13.203880.384H→L388S23.813250.172H-1→LS44.252920.160H-3→L,H→L+1S64.432800.126H-5→LS74.542730.173H-3→L,H→L+1,H-5→LS94.892540.251H-1→L+1,H→L+3277S165.512250.105H-3→L+1,H-6→LS205.672190.159H-6→L223

a表中H指HOMO，L指LUMO，Peak指擬合得到的吸收峰的位置，Expt.為實(shí)驗(yàn)值.

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[責(zé)任編輯：張普玉]

Theoretical studies on the electronic absorption spectra of three flavonoids

AN Beibei, ZHU Qiuling, WU Wenpeng*

(InstituteofEnvironmentalandAnalyticalSciences,CollegeofChemistryandChemicalEngineering,HenanUniversity,Kaifeng475004,Henan,China)

Flavonoids are widely existed in natural products with various biological activities.In this paper, density functional theory was used to optimize the geometries of three flavonoids, and time dependent density functional theory was employed to calculate their vertical excitation energies.Then the electronic absorption spectra were fitted.Meanwhile, the antioxidant activity was predicted.It indicates that the fitted spectra are in good agreement with the experimental spectra.Furthermore, the antioxidant activity of the three flavonoids is predicted to be higher than that of vitamin C.

flavonoid; electronic absorption spectrum; density functional theory; time dependent density functional theory

2016-10-18.

河南大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金(B2013141)，河南大學(xué)科學(xué)研究基金(2015YBZR009).

安貝貝(1992-), 女, 碩士生, 研究方向?yàn)槔碚撆c計(jì)算化學(xué).*

O641

A

1008-1011(2016)06-0693-05