大黃素和大黃素甲醚抗氧化活性的密度泛函理論研究

曹 曼，王宜尚，陳 哲，裴 玲

(濱州學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院 濱州市材料化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濱州 256603)

大黃素和大黃素甲醚抗氧化活性的密度泛函理論研究

曹 曼，王宜尚，陳 哲，裴 玲

(濱州學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院 濱州市材料化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濱州 256603)

本文采用密度泛函理論(DFT)方法，在B3LYP/6-311G(d,p)水平下對(duì)氣相和溶劑中大黃素和大黃素甲醚及其可能解離途徑中形成的自由基進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)上用B3LYP/6-311++G(2 d,2 p)基組計(jì)算了其相應(yīng)的單點(diǎn)能，通過(guò)三種抗氧化反應(yīng)機(jī)制、清除·OOH自由基的機(jī)理等方面分析了分子活性位與其性質(zhì)的關(guān)系，分析了兩種物質(zhì)酚羥基在不同環(huán)境中抗氧化活性的能力大小。計(jì)算結(jié)果表明，大黃素和大黃素甲醚分子分別在C3和C8位上酚羥基活性最高，是最大可能的活性位點(diǎn)，大黃素的酚羥基活性略高于大黃素甲醚。在氣相中氫原子轉(zhuǎn)移是主要的機(jī)制，在極性溶劑中單電子轉(zhuǎn)移是主要機(jī)制，在非極性溶劑中連續(xù)的質(zhì)子損失電子轉(zhuǎn)移是主要機(jī)制。

活性位點(diǎn)；抽氫反應(yīng)；酚羥基；鍵解離焓

大黃素和大黃素甲醚都屬蒽醌類(lèi)化合物，實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)大黃素和大黃素甲醚具有抗氧化作用，能抑制過(guò)氧化物的形成和活性氧產(chǎn)生，清除并捕捉自由基，達(dá)到抗氧化性的目的[1-2]。而對(duì)大黃素和大黃素甲醚的研究主要關(guān)注在實(shí)驗(yàn)及作用層面上[3-4]，對(duì)其各個(gè)酚羥基位點(diǎn)反應(yīng)的抗氧化活性的作用機(jī)理報(bào)道較少。量子化學(xué)計(jì)算可以很好地預(yù)測(cè)藥物分子的抗氧化活性的強(qiáng)弱[5-6]，為了從理論上闡述大黃素和大黃素甲醚清除自由基活性能力的原理，本課題擬通過(guò)密度泛函理論的方法，從大黃素和大黃素甲醚不同位置上酚羥基清除自由基的活性方面進(jìn)行研究，進(jìn)而對(duì)其抗氧化活性進(jìn)行理論評(píng)價(jià)。

1 計(jì)算方法

本研究采用密度泛函理論(DFT)的方法在B3LYP/6-311G(d,p)基組水平下，對(duì)大黃素和大黃素甲醚單體及其相應(yīng)自由基進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，然后在B3LYP/6-311++G(2d,2p)基組水平下進(jìn)行單點(diǎn)能計(jì)算。基于大黃素和大黃素甲醚分子的結(jié)構(gòu)參數(shù)、三種反應(yīng)機(jī)制[7-8]、與自由基的反應(yīng)機(jī)理，詳細(xì)分析兩分子各個(gè)酚羥基清除自由基活性的強(qiáng)弱。溶劑中的計(jì)算采用CPCM 模型[9]，所有的計(jì)算通過(guò)Gaussian 03程序完成[10]。

2 結(jié)果與討論

2.1 三種反應(yīng)機(jī)制分析

2.1.1 氫原子轉(zhuǎn)移機(jī)制

氫原子轉(zhuǎn)移(HAT)是物質(zhì)抗氧化反應(yīng)的一種很重要的反應(yīng)機(jī)制，尤其是在非極性溶劑中，其反應(yīng)機(jī)理為R·+ArOH→RH+ArO·，抗氧化劑(ArOH)與自由基(R)反應(yīng)，由一個(gè)氫原子轉(zhuǎn)移到R通過(guò)均裂鍵的斷裂完成。ArOH的反應(yīng)活性可以由酚羥基的鍵解離焓(BDE)值來(lái)估計(jì)，BDE值越低，清除自由基的活性越高，反應(yīng)越容易進(jìn)行[11]。BDE的計(jì)算公式為BDE=Hr+Hh-Hp，其中Hr、Hh、Hp分別代表化合物自由基的焓、氫原子的焓、化合物的焓[7-8]。

表1 大黃素和大黃素甲醚脫氫自由基在不同溶劑中的 鍵解離焓(BDE)(單位：kcal/mol)

BDE值越小，反應(yīng)需要的熱量越小，即反應(yīng)越容易進(jìn)行，酚羥基活性越大。從表1數(shù)據(jù)中可以看出無(wú)論是在哪種溶劑中大黃素C3位酚羥基的BDE值最小，大黃素和大黃素甲醚C8位酚羥基的BDE值都略小于C1位的，說(shuō)明大黃素HAT反應(yīng)的最大可能活性位點(diǎn)是C3位的酚羥基，兩物質(zhì)C8位酚羥基的活性略強(qiáng)于C1位的。比較溶劑對(duì)兩物質(zhì)不同位置酚羥基BDE的影響可以看出，對(duì)應(yīng)酚羥基的BDE數(shù)值在苯非極性溶劑中略小于氣相的，水和甲醇極性溶劑中又略小于苯中的，但整體來(lái)看溶劑對(duì)BDE數(shù)值影響不大，即HAT機(jī)制在各相中都可發(fā)生反應(yīng)。比較兩物質(zhì)同位點(diǎn)酚羥基的BDE值看出大黃素的酚羥基BDE低于大黃素甲醚的，說(shuō)明大黃素的抗氧化活性要強(qiáng)于大黃素甲醚。

2.1.2 單電子轉(zhuǎn)移機(jī)制

單電子轉(zhuǎn)移(SET-PT)機(jī)制反應(yīng)式為R·+ArOH→R-+ArOH+·→RH+ArO·，此機(jī)制涉及到兩個(gè)步驟：ArOH失去電子形成自由基正離子ArOH+，隨后ArOH+失去H+成自由基ArO·，H+與R-形成RH。電離勢(shì)(IP)主要反映分子的給電子能力，IP越小說(shuō)明物質(zhì)是優(yōu)良的電子供體；質(zhì)子解離焓(PDE)反映物質(zhì)給出質(zhì)子的能力，PDE值越小說(shuō)明物質(zhì)是優(yōu)良的質(zhì)子供體。在此兩步反應(yīng)中，IP和PDE可用作自由基清除活動(dòng)評(píng)價(jià)中有效的能量因子，IP和PDE越小說(shuō)明物質(zhì)抗氧化性越強(qiáng)。IP與PDE計(jì)算公式為IP=Hcr-Hp+He, PDE=Hr+Hh+-Hcr，其中He、Hcr、Hh+分別代表電子的焓、陽(yáng)離子自由基的焓、質(zhì)子的焓[7-8]。

表2 大黃素和大黃素甲醚在不同溶劑中的電離勢(shì)(IP)和質(zhì)子解離焓(PDE)(單位：kcal/mol)

由表2中數(shù)據(jù)看出，兩物質(zhì)在同一溶劑中的IP數(shù)值差別不大，大黃素甲醚略小于大黃素的，說(shuō)明在單電子轉(zhuǎn)移過(guò)程中大黃素甲醚略優(yōu)于大黃素。大黃素不同位置上脫氫自由基的PDE的大小順序?yàn)镃3

2.1.3 連續(xù)的質(zhì)子損失電子轉(zhuǎn)移機(jī)制

連續(xù)的質(zhì)子損失電子轉(zhuǎn)移(SPLET)機(jī)制為ArOH→ArO-+H+ArO-+R→ArO+R-R-+H+→RH ，首先ArOH失去去一個(gè)H+，形成ArO-，然后ArO-中的電子轉(zhuǎn)移到自由基R上形成R-，最后R-與H+形成RH。由此看出，質(zhì)子親和能(PA)和電子轉(zhuǎn)移焓(ETE)可以用來(lái)衡量抗氧化劑清除自由基活性的相對(duì)大小。PA和ETE的值越小說(shuō)明清除自由基活性越大，PA、ETE的計(jì)算公式為PA=Han+Hh+，ETE=Hr+He-Han，其中Han、Hh+、Hp、Hr、He分別代表陰離子基團(tuán)的焓、質(zhì)子的焓、母體分子的焓、苯氧自由基的焓、電子的焓[7-8]。

表3 大黃素和大黃素甲醚在不同溶劑中的質(zhì)子親和能(PA)及電子轉(zhuǎn)移焓(ETE)(單位：kcal/mol)

由表3數(shù)據(jù)可得在不同溶劑中大黃素PA的大小順序?yàn)镃3

2.2 大黃素和大黃素甲醚清除·OOH自由基的機(jī)理分析

·OOH自由基為高活性自由基，單電子位于端位O原子，大黃素和大黃素甲醚能清除·OOH自由基，反應(yīng)駐點(diǎn)物種結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 優(yōu)化得到的反應(yīng)物、過(guò)渡態(tài)、產(chǎn)物的幾何結(jié)構(gòu)(鍵長(zhǎng)單位：nm)

為了確定所得為其真實(shí)的過(guò)渡態(tài)結(jié)構(gòu)，在B3LYP/6-311G(d,p)基組水平上對(duì)每個(gè)過(guò)渡態(tài)進(jìn)行了分子內(nèi)反應(yīng)坐標(biāo)(IRC)計(jì)算。經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，IRC計(jì)算曲線兩邊顯示的分子構(gòu)型分別指向?qū)?yīng)的反應(yīng)物和產(chǎn)物，由此可見(jiàn)所得的過(guò)渡態(tài)結(jié)構(gòu)為其真實(shí)過(guò)渡態(tài)，IRC曲線如圖3所示。

圖3 在B3LYP/6-311G(d,p)基組水平下計(jì)算得到的IRC曲線

如圖2所示，當(dāng)·OOH進(jìn)攻大黃素C3位的酚羥基時(shí)，反應(yīng)復(fù)合物O3…H3之間為正常的O-H鍵，H3…O之間的距離為0.1932 nm，接著O3…H3之間的距離逐漸増長(zhǎng)為0.1222 nrn，H3…O之間的距離則縮短到0.1158nrn形成過(guò)渡態(tài)，經(jīng)計(jì)算需越過(guò)37.386 kJ/mol的能壘，最后經(jīng)過(guò)產(chǎn)物復(fù)合物形成醌式結(jié)構(gòu)和H2O2，C3=O3之間為正常的C=O雙鍵?！OH與大黃素、大黃素甲醚分子C1、C8位酚羥基發(fā)生抽氫反應(yīng)的過(guò)程中，產(chǎn)物與反應(yīng)物能量差分別為27.940、36.786、26.839、36.209kJ/mol。比較發(fā)現(xiàn)，C3位上酚羥基與·OOH發(fā)生抽氫反應(yīng)時(shí)達(dá)到過(guò)渡態(tài)時(shí)所需要的能壘小于C1、C8位酚羥基發(fā)生抽氫反應(yīng)達(dá)到過(guò)渡態(tài)時(shí)所需要的能壘，且C3位酚羥基發(fā)生抽氫反應(yīng)時(shí)的反應(yīng)熱小于C1和C8位的，因此與大黃素C1和C8位酚羥基相比，C3位上酚羥基更容易與·OOH發(fā)生抽氫反應(yīng)，是最大可能的活性位點(diǎn)。

3 結(jié)論

結(jié)合三種抗氧化反應(yīng)機(jī)制分析，大黃素的C3位酚羥基是最大可能的活性位點(diǎn)，大黃素甲醚C8位酚羥基是最大可能的活性位點(diǎn)。在氣相和非極性溶劑中，HAT機(jī)制起主要作用；在極性溶劑中SET-PT是主要的反應(yīng)機(jī)制。大黃素的抗氧化性略強(qiáng)于大黃素甲醚。不同位置上酚羥基與·OOH發(fā)生抽氫反應(yīng)時(shí)達(dá)到過(guò)渡態(tài)所需要的能壘C3< C1< C8，整個(gè)反應(yīng)的反應(yīng)熱大小順序也是C3< C1< C8，這都充分說(shuō)明大黃素C3位、大黃素甲醚C1位酚羥基是最大可能的活性位點(diǎn)。

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(本文文獻(xiàn)格式：曹 曼，王宜尚，陳 哲，等.大黃素和大黃素甲醚抗氧化活性的密度泛函理論研究[J].山東化工,2017,46(3):14-16,18.)

Density Functional Theory Study on the Antioxidant Activity of Emodin and Physcion

CaoMan,WangYishang,ChenZhe,PeiLing

(College of Chemistry &Chemical Engineering,Binzhou University,Binzhou Key Laboratory of Material Chemistry,Binzhou 256603,China)

In this paper, the structure of emodin, physcion and their free radicals in the formation of dissociation pathways were optimized using density functional theory (DFT) method with the B3LYP/6-311G(d,p) basis set level in gas phase and solvents. Then with B3LYP/6-311++G(2d,2p) basis set level the corresponding single point energy were calculated. The activity of the phenolic hydroxyls on different sites of emodin and physcion was discussed on the basis of the structure parameters, the frontier molecular orbitals and three antioxidant reaction mechanisms. The results show that 3-OH and 8-OH are the most activist site, respectively. Emodin's antioxidant activity is higher than physcion. The results obtained also demonstrate that HAT would be the most favourable mechanism in the gas phase, whereas the SPLET mechanism is the thermodynamically preferred pathway in polar media, and SET-PT is the main mechanism in nonpolar media.

active site;hydrogen abstraction reaction;phenolic hydroxyl;bond dissociation enthalpy

2016-11-18

曹 曼(1995—)，女，山東臨沂人，本科在讀，研究方向：理論計(jì)算化學(xué)。

TQ461

A

1008-021X(2017)03-0014-03