河北香菊中5種黃酮類化合物抗氧化活性的DFT研究

胡棟寶+李德良+李明+伍賢學(xué)

[摘要] 運(yùn)用密度泛函理論（DFT）方法在B3LYP/6-311G（d）水平研究了河北香菊中5種黃酮類化合物木犀草素、芹菜素、金合歡素、木犀草苷、金合歡苷的電子結(jié)構(gòu)、酚羥基氫原子的自然軌道電荷布局?jǐn)?shù)（NBO）、酚羥基氫氧鍵離解能（BDE）、酚羥基氫氧鍵鍵級(jí)大小以及分子前線軌道的能級(jí)差。通過(guò)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，B環(huán)鄰位酚羥基分子內(nèi)氫鍵的形成有利于增強(qiáng)分子的抗氧化活性；糖苷上的羥基并不具有消除自由基的活性，但是由于分子失去了7位酚羥基，從整體上降低了分子的抗氧化括性。初步判斷出這5種黃酮類化合物抗氧化活性的大小順序?yàn)椋耗鞠菟?木犀草苷>芹菜素>金合歡素>金合歡苷。理論預(yù)測(cè)結(jié)果與文獻(xiàn)報(bào)道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。該研究結(jié)果表明DFT方法可為天然黃酮類抗氧化劑的篩選提供理論指導(dǎo)。

[關(guān)鍵詞] 河北香菊； 黃酮； DFT； 鍵離解能（BDE）； 抗氧化活性

[Abstract] Five main flavonoids of Hebei Xiangju were studied using the Density Functional Theory （DFT） B3LYP method with 6-311 G （d） basis set.Their activities were analyzed based on molecular structure，bond dissociation energy （BDE），natural orbital charge distribution （NBO），bond order and the energy gap between HOMO and LUMO. The results showed that the existing of intra molecular hydrogen bond in B ring can improve the antioxidant activity of the flavonoids， at the same time， the hydroxyl groups on the glycosides do not have the activity of eliminating free radicals， but decrease the total molecular antioxidant activity. As a result， the antioxidant ability order of the five flavonoids compounds is luteolin>luteolin-7-O-glucoside>apigenin>acacetin>acacetin-7-O-glucose， which is agreement with the experimental conclusion reported in literature. The results showed that the DFT method can provide theoretical guidance for the selection of natural flavonoid antioxidants.

[Key words] Hebei Xiangju； flavonoids； DFT； bond dissociation energy （BDE）； antioxidant activities

菊花為菊科植物菊花Chrysanthemum morifolium Ramat.的干燥頭狀花序。作為傳統(tǒng)中藥，代藥理學(xué)研究表明，菊花具有抗菌、抗炎、抗氧化、舒血管、降血脂、降血壓、抗腫瘤、增強(qiáng)毛細(xì)血管反抗力等多種藥理作用[1]?，F(xiàn)代化學(xué)研究表明菊花中含有黃酮類、菊甙類、三萜類、生物堿類、菊色素類等物質(zhì)，其中的黃酮類物質(zhì)已經(jīng)被證實(shí)對(duì)自由基有很強(qiáng)的清除作用，而且在抗氧化、防衰竭等方面卓有成效[2-4]。菊花原產(chǎn)中國(guó)，在我國(guó)各地均有栽培，由于生態(tài)環(huán)境的不同，形成了各具特色的不同品種，最常見(jiàn)的藥用菊花有8大類包括杭白菊、毫菊、滁菊、貢菊、濟(jì)菊、祁菊、黃菊和懷菊。河北香菊是河北省農(nóng)業(yè)技術(shù)科學(xué)院培育的國(guó)內(nèi)唯一的濃香型菊花新品種，所含黃酮類化合物含量明顯高于同類菊花品種。河北醫(yī)科大學(xué)張曉媛、董江龍等人對(duì)河北香菊進(jìn)行了系統(tǒng)的化學(xué)成分及藥理學(xué)研究[2-4]，從中分離到了大量不同類型的化合物，尤其是對(duì)得到的黃酮類化合物進(jìn)行了體外抗氧化活性的篩選評(píng)估[5]，為河北香菊的開(kāi)發(fā)利用提供了物質(zhì)基礎(chǔ)方面的指導(dǎo)。

近年來(lái)，運(yùn)用量子化學(xué)計(jì)算方法較廣泛地用于黃酮類化合物抗氧化活性的構(gòu)效關(guān)系研究，如趙繼紅等人通過(guò)量子化學(xué)計(jì)算方法研究指出，分子中的酚羥基的數(shù)目及可以形成分子內(nèi)氫鍵的數(shù)目與分子的抗氧化活性正相關(guān)[6]； 齊婧敏運(yùn)用密度泛函理論方法對(duì)黑沙蒿中分的4種黃酮類化合物進(jìn)行了抗氧化活性評(píng)估，為黑沙蒿中抗氧化性黃酮類化合物的篩選提供了理論方法上的指導(dǎo)[7]。

本文選取河北香菊中的5種黃酮類化合物木犀草素、芹菜素、金合歡素、木犀草苷、金合歡苷作為研究對(duì)象，采用密度泛函理論方法對(duì)5個(gè)化合物的電子結(jié)構(gòu)、酚羥基氫氧鍵離解能（BDE）、酚羥基氫氧鍵鍵級(jí)大小以及軌道能量分布進(jìn)行了研究，比較了各個(gè)參數(shù)的大小，初步評(píng)估出5種黃酮類化合物抗氧化活性的大小順序，為該中藥的開(kāi)發(fā)與藥理活性的研究提供理論上的指導(dǎo)。

1 計(jì)算方法

本研究采用密度泛函理論DFT方法，在B3LYP/6-311G（d）計(jì)算水平對(duì)河北香菊中5種黃酮化合物的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化、頻率分析、NBO電荷分析、酚羥基氫氧鍵離解能（BDE）分析、酚羥基氫氧鍵鍵級(jí)大小及分子最高占有軌道HOMO和分子最低空軌道LUMO的能級(jí)及其能級(jí)差分析，初步研究了5種活性藥物分子的抗氧化活性大小。計(jì)算所用軟件為Gaussian 09 Revision E.01。

2 結(jié)果與討論

2.1 分子幾何結(jié)構(gòu)的優(yōu)化參數(shù) [鍵長(zhǎng)（）及其二面角（°）] 黃酮類化合物抗氧化活性的影響因素主要是羥基化的位置和程度[6]，5種化合物的羥基數(shù)目順序?yàn)椋耗鞠菟兀?個(gè)）>木犀草苷（3個(gè)）=芹菜素（3個(gè)）>金合歡素（2個(gè)）>金合歡苷（1個(gè)）；5種化合物可形成的氫鍵數(shù)目順序?yàn)椋耗鞠菟兀?個(gè)）=木犀草苷（2個(gè)）>芹菜素（1個(gè)）=金合歡素（1個(gè)）=金合歡苷（1個(gè)），見(jiàn)圖1。當(dāng)黃酮化合物的B環(huán)4′位酚羥基與鄰位3′位酚羥基形成分子內(nèi)氫鍵時(shí)鍵長(zhǎng)發(fā)生了拉長(zhǎng)（木犀草素與木犀草苷），由價(jià)鍵理論可知，鍵長(zhǎng)越長(zhǎng)，鍵能越小，鍵越容易斷裂，化學(xué)反應(yīng)越活潑，說(shuō)明黃酮類化合物抗氧化活性大小差異主要發(fā)生在B環(huán)上且分子內(nèi)氫鍵對(duì)其抗氧化活性影響較大，見(jiàn)圖1，表1。氫鍵數(shù)目越多，形成的半醌式自由基越穩(wěn)定，抗氧化活性就越強(qiáng)。對(duì)黃酮類化合物幾何結(jié)構(gòu)的計(jì)算表明其自由基主要以半醌式結(jié)構(gòu)存在，這正是酚類化合物具有較好抗氧化活性的結(jié)構(gòu)特征，半醌式結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性直接和自由基的穩(wěn)定性相聯(lián)系，半醌式越穩(wěn)定，則自由基越穩(wěn)定，二者成正相關(guān)[6-8]。 其中有利于自由基上單電子分散的因素， 就能使形成的自由基比較穩(wěn)定，抗氧化活性高， 所以鄰、對(duì)位上的羥基能有效分散苯氧自由基上的單電子，從而穩(wěn)定了自由基對(duì)黃酮類化合物， 2，3位雙鍵和4位羰基對(duì)分子的結(jié)構(gòu)有較大的影響； B環(huán)含有鄰位酚羥基，則活性較高，其主要原因是鄰位的酚羥基能形成分子內(nèi)氫鍵，有利于B環(huán)苯氧自由基的穩(wěn)定[6-8]。

運(yùn)用B3LYP/6-311G（d）方法對(duì)5個(gè)黃酮類化合物分子進(jìn)行優(yōu)化，5個(gè)黃酮分子優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)列于表 1 中。由表 1二面角的數(shù)據(jù)及圖1分子結(jié)構(gòu)（含氫鍵）可知，木犀草素和木犀草苷（除葡萄糖苷）的整個(gè)分子骨架幾乎共平面（二面角都接近于180°），C環(huán)2、3位的C=C雙鍵與4位羰基可形成共軛平面結(jié)構(gòu)，B環(huán)3′位與4′位上2個(gè)鄰位羥基易形成分子內(nèi)的氫鍵使整個(gè)分子穩(wěn)定性增強(qiáng)，使共軛體系變大，有利于形成更穩(wěn)定的共軛結(jié)構(gòu)體系，因此木犀草素和木犀草苷2個(gè)化合物的抗氧化活性要強(qiáng)于其他3個(gè)分子。芹菜素分子雖然與木犀草苷分子相比也具有3個(gè)酚羥基，但B環(huán)上只存在1個(gè)酚羥基不能形成氫鍵，所以其抗氧化活性要低于木犀草苷。金合歡素分子中含有2個(gè)酚羥基且都連接在A環(huán)上但是B環(huán)上沒(méi)有，所以抗氧化活性要低于芹菜素。金合歡苷分子相當(dāng)于是金合歡素分子中A環(huán)7位被葡萄糖基給取代后形成的苷，由于減少了1個(gè)酚羥基，所以其抗氧化活性要低于其對(duì)應(yīng)的苷元。綜上討論，5種黃酮化合物的抗氧化活性順序?yàn)椋耗鞠菟?gt;木犀草苷>芹菜素>金合歡素>金合歡苷。

2.2 酚羥基氫原子的NBO電荷分析 原子的正電荷越多，則受親核試劑進(jìn)攻的可能性也越大。由于體內(nèi)對(duì)身體有損害作用的自由基多為含氧小分子片段，如羥基自由基、超氧陰離子自由基、脂氧自由基、二氧化氮和一氧化氮自由基，氧原子上帶有負(fù)電荷，容易進(jìn)攻酚羥基上帶正電荷較大的氫原子[8]。5種黃酮類化合物所有酚羥基上氫原子的NBO電荷數(shù)分布，見(jiàn)表2。從表2中可以看出，木犀草素與木犀草苷B環(huán)的 C3′與 C4′兩個(gè)位置酚羥基氫原子上的正電荷數(shù)最大，說(shuō)明這兩個(gè)分子與自由基發(fā)生抽氫反應(yīng)時(shí)活性位點(diǎn)主要發(fā)生在B環(huán)上面，其中木犀草素酚羥基氫原子上的正電荷數(shù)最大值出現(xiàn)在C4′位，而木犀草苷則出現(xiàn)在C3′；由于木犀草苷結(jié)構(gòu)中的C7位羥基氫原子被葡萄糖基取代，比木犀草素分子少了1個(gè)羥基造成C7 羥基 H原子不帶正電荷，因此其抗氧化活性要弱一些。由于芹菜素分子B環(huán)的C4′位比金合歡素多了1個(gè)酚羥基因此正電荷數(shù)目更多，所以芹菜素的抗氧化活性要大于金合歡素。由于金合歡素葡萄糖苷只有A環(huán)的C5位有1個(gè)羥基，在5個(gè)分子中酚羥基氫原子上所帶正電荷數(shù)是最少的，所以其抗氧化活性最弱。另外，從表2可以看出，5個(gè)分子酚羥基上氫的NBO總正電荷數(shù)目大小順序?yàn)椋耗鞠菟?gt;木犀草苷>芹菜素>金合歡素>金合歡苷，分子總的正電荷數(shù)目多說(shuō)明分子與帶負(fù)電荷的自由基越容易結(jié)合其抗氧化能力越強(qiáng)。綜合以上分析，這5個(gè)活性化合物的抗氧化活性的大小順序?yàn)椋耗鞠菟?gt;木犀草苷>芹菜素>金合歡素>金合歡苷。理論模型預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)清除自由基的活性順序一致[5]。

2.3 5種黃酮化合物不同位置酚羥基的鍵離解能（BDE）及酚羥基氫的鍵級(jí)分析 通?？梢杂每寡趸瘎┑腛—H鍵的解離焓（BDE）作為參數(shù)來(lái)表征不同位置酚羥基氫離域能力，其值越小，化學(xué)鍵越弱，抽氫反應(yīng)就越容易進(jìn)行，抗氧化活性就越強(qiáng)[7-10]。在B3LYP/6-311G（d）計(jì)算水平下，H原子的電子能量的精確值為 -0.502 155 9 hartree，化合物O—H的鍵解離能（BDE）計(jì)算公式為BDE=Esr+EHr-Es，Esr，Her，Es分別代表黃酮自由基的能量、氫原子的能量和黃酮化合物分子的能量。河北香菊中5種黃酮類化合物不同位置酚羥基抽氫解離能BDE的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。從表中可以看出： 木犀草素與木犀草苷酚羥基抽氫解離能BDE的最小值都出現(xiàn)在B環(huán)上的4′位，說(shuō)明這2個(gè)黃酮化合物的活性位點(diǎn)主要位于B環(huán)且4′位為這2個(gè)分子最大可能的活性位點(diǎn)； 對(duì)于木犀草素分子，B4的BDE最小為312.567 374 6 kJ·mol-1，其次為B3達(dá)到360.767 484 4 kJ·mol-1，接著A7的BDE值達(dá)到370.871 888 9 kJ·mol-1，A5的BDE值最大為372.210 217 1 kJ·mol-1，說(shuō)明木犀草素分子結(jié)構(gòu)中B4的酚羥基最為活潑且與鄰位的羥基易形成分子內(nèi)的氫鍵而A5的酚羥基由于與C環(huán)的4位羰基易形成分子內(nèi)的氫鍵而非常穩(wěn)定不容易失去氫原子，同樣的情況在木犀草苷分子中也存在，不同的是前者在A環(huán)的7位多了1個(gè)酚羥基故苷元的活性要大于其苷的活性。對(duì)于芹菜素分子，B4的BDE最小為358.589 736 1 kJ·mol-1，其次為A7達(dá)到379.420 532 9 kJ·mol-1， A5的BDE值最大為430.683 142 6 kJ·mol-1，故該分子的B環(huán)上只連接1個(gè)酚羥基較活潑容易失去，而A環(huán)上的2個(gè)酚羥基BDE值較大使得分子較為穩(wěn)定不容易發(fā)生抽氫反應(yīng)。與芹菜素分子相比較，金合歡素分子只在B環(huán)的4′位將羥基取代為了甲氧基，氫鍵解離能發(fā)生在A環(huán)故其抗氧化活性要低于芹菜素。金合歡苷只有A環(huán)的5位存在有1個(gè)酚羥基且鍵的解離能較大為456.581 032 5 kJ·mol-1，抗氧化活性應(yīng)該最弱。 從以上5種黃酮化合物的不同位置酚羥基的鍵離解能（BDE）數(shù)值分析可以看出，B環(huán)上面的酚羥基最為活潑，特別是像木犀草素及其苷這樣在B環(huán)能形成分子內(nèi)氫鍵的黃酮分子其抗氧化能力會(huì)大大提高。對(duì)5種化合物分子結(jié)構(gòu)中的酚羥基的鍵離解能（BDE）數(shù)值排序，5種化合物的BDE值大小順序?yàn)槟鞠菟?lt;木犀草苷<芹菜素<金合歡素<金合歡苷，即抗氧化活性順序?yàn)椋耗鞠菟?gt;木犀草苷>芹菜素>金合歡素>金合歡苷。另外，對(duì)5個(gè)黃酮分子在同一計(jì)算水平下對(duì)它們的分子鍵級(jí)進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果也列于表3中：從酚羥基氫氧鍵的鍵級(jí)大小分析來(lái)看，當(dāng)鍵級(jí)較小時(shí)酚羥基的鍵離解能（BDE）也較小，抽氫反應(yīng)也就越容易進(jìn)行，這與鍵級(jí)理論中鍵級(jí)越大鍵越牢固、鍵級(jí)越小鍵越弱的規(guī)律是一致的?？傊瑥?種黃酮化合物不同位置酚羥基的鍵離解能（BDE）數(shù)據(jù)及酚羥基氫氧鍵的鍵級(jí)大小分析也得到了與上面酚羥基氫原子上自然軌道電荷布局?jǐn)?shù)分析相同的結(jié)果，與實(shí)驗(yàn)所測(cè)結(jié)果也是一致的。

2.4 前線分子軌道 前線分子軌道是指最高占據(jù)軌道HOMO和最低空軌道LUMO。根據(jù)前線分子軌道理論，能量越高的最高占據(jù)軌道中的電子越不穩(wěn)定，越容易失電子，能量越低的最低空軌道越易接收電子；并且，最高占據(jù)軌道與最低空軌道的能極差反映了分子形成過(guò)渡態(tài)所須的能壘大小，即其差值越小，所需能壘越小，反應(yīng)的活性越高，分子越發(fā)活潑，抗氧化性越強(qiáng)[7-11]。

5種化合物的前線軌道可以看出，木犀草苷和金合歡苷的葡萄糖苷上不存在HOMO和LUMO電子云，葡萄糖苷上的羥基中的氧原子軌道沒(méi)有參與形成前線分子軌道見(jiàn)圖2。所以在與含氧自由基的反應(yīng)中葡萄糖苷上的羥基不具有活性，這與甘草中4種黃酮抗氧化活性的理論研究的結(jié)果具有一致性[8]。木犀草素與金合歡素與葡萄糖形成苷后，分子軌道前后幾乎沒(méi)有發(fā)生改變，但是分子前后的最高占有軌道HOMO與最低空軌道LUMO的能量值稍有增加；最高占據(jù)軌道和最低空軌道的能極差也稍微增加見(jiàn)圖2，表4。糖苷上的羥基雖然沒(méi)有參與形成前線軌道，但是由于在一定程度上增加了整個(gè)分子的極性進(jìn)而影響到藥物分子的溶解度與吸收。從分子最高占據(jù)軌道HOMO能量來(lái)分析，木犀草素HOMO能級(jí)明顯高于其他4種化合物，該軌道上的電子最不穩(wěn)定，最易失去，抗氧化活性應(yīng)該最強(qiáng)，其次是木犀草苷；另外，從5種分子的最高占據(jù)軌道和最低空軌道能的能極差⊿E （LUMO-HOMO）大小可知：⊿E木犀草素<⊿E木犀草苷<⊿E芹菜素<⊿E金合歡素<⊿E金合歡苷。綜上分析可以得出：抗氧化活性大小為木犀草素>木犀草苷>芹菜素>金合歡素>金合歡苷。

3 結(jié)論

本文采用量子化學(xué)密度泛函理論（DFT）的計(jì)算方法從理論的角度研究了河北香菊中5種黃酮類化合物分子的抗氧化活性大小順序。從分子的幾何結(jié)構(gòu)、酚羥基氫原子上自然軌道（NBO）電荷布局?jǐn)?shù)、不同位置酚羥基的鍵離解能（BDE）、酚羥基氫氧鍵鍵級(jí)大小及前線軌道能級(jí)差等的理論參數(shù)得出木犀草素分子抗氧化活性最強(qiáng)，苷元與葡萄糖成苷后抗氧化活性降低，苷元成苷后糖取代基沒(méi)有參與分子軌道前后的改變。綜合4個(gè)方面的分析，最后得出河北香菊中5種黃酮化合物的抗氧化活性大小順序?yàn)槟鞠菟?gt;木犀草苷>芹菜素>金合歡素>金合歡苷。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 張健， 李友賓， 錢大偉， 等. 菊花化學(xué)成分及藥理作用研究[J]. 時(shí)珍國(guó)醫(yī)國(guó)藥， 2006， 17（10）： 1941.

[2] 張曉媛. 河北香菊化學(xué)成分的研究[D].石家莊：河北醫(yī)科大學(xué)， 2007.

[3] 董江龍. 河北香菊降壓活性部位篩選及相關(guān)藥理作用的研究[D].石家莊：河北醫(yī)科大學(xué)， 2007.

[4] 張霞. 河北香菊舒張血管有效部位的藥理學(xué)研究[D].石家莊：河北醫(yī)科大學(xué)，2007.

[5] 孫靜，黃蕓，孫桂波，等.河北香菊中黃酮類成分體外抗氧化活性研究及構(gòu)效關(guān)系探討[J].中國(guó)中藥雜志，2012，37（13）： 1958.

[6] 趙繼紅，梁宇，顏達(dá)予. 黃酮類化合物抗氧化活性的結(jié)構(gòu)因素[J].北方工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，13（1）： 36.

[7] 齊婧敏.幾種天然黃酮類化合物清除自由基活性的密度泛函理論研究[D].鄭州：河南師范大學(xué)，2014.

[8] 張?chǎng)?，楊英杰，呂慶章.4種甘草黃酮類化合物抗氧化活性的密度泛函理論研究[J].計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)，2012，29（6）： 656.

[9] 吳肖虎. 6種苦參黃酮的抗氧化活性的DFT研究[J]. 廣東化工，2013，40（261）： 54.

[10] 劉小寧，楊英杰，呂慶章. 中藥黃芩中4種黃酮類化合物的密度泛函理論研究[J].河南師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版， 2013， 41（3）： 83.

[11] 胡棟寶，趙劍雄.中藥滿山紅中4個(gè)黃酮類化合物結(jié)構(gòu)及其抗氧化活性的理論研究[J].中國(guó)中藥雜志， 2016， 41（14）： 2675.