河北香菊中5种黄酮类化合物抗氧化活性的DFT研究

胡栋宝+李德良+李明+伍贤学

[摘要] 运用密度泛函理论（DFT）方法在B3LYP/6-311G（d）水平研究了河北香菊中5种黄酮类化合物木犀草素、芹菜素、金合欢素、木犀草苷、金合欢苷的电子结构、酚羟基氢原子的自然轨道电荷布局数（NBO）、酚羟基氢氧键离解能（BDE）、酚羟基氢氧键键级大小以及分子前线轨道的能级差。通过数据分析发现，B环邻位酚羟基分子内氢键的形成有利于增强分子的抗氧化活性；糖苷上的羟基并不具有消除自由基的活性，但是由于分子失去了7位酚羟基，从整体上降低了分子的抗氧化括性。初步判断出这5种黄酮类化合物抗氧化活性的大小顺序为：木犀草素>木犀草苷>芹菜素>金合欢素>金合欢苷。理论预测结果与文献报道的实验结果一致。该研究结果表明DFT方法可为天然黄酮类抗氧化剂的筛选提供理论指导。

[关键词] 河北香菊； 黄酮； DFT； 键离解能（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.的干燥头状花序。作为传统中药，代药理学研究表明，菊花具有抗菌、抗炎、抗氧化、舒血管、降血脂、降血压、抗肿瘤、增强毛细血管反抗力等多种药理作用[1]。现代化学研究表明菊花中含有黄酮类、菊甙类、三萜类、生物碱类、菊色素类等物质，其中的黄酮类物质已经被证实对自由基有很强的清除作用，而且在抗氧化、防衰竭等方面卓有成效[2-4]。菊花原产中国，在我国各地均有栽培，由于生态环境的不同，形成了各具特色的不同品种，最常见的药用菊花有8大类包括杭白菊、毫菊、滁菊、贡菊、济菊、祁菊、黄菊和怀菊。河北香菊是河北省农业技术科学院培育的国内唯一的浓香型菊花新品种，所含黄酮类化合物含量明显高于同类菊花品种。河北医科大学张晓媛、董江龙等人对河北香菊进行了系统的化学成分及药理学研究[2-4]，从中分离到了大量不同类型的化合物，尤其是对得到的黄酮类化合物进行了体外抗氧化活性的筛选评估[5]，为河北香菊的开发利用提供了物质基础方面的指导。

近年来，运用量子化学计算方法较广泛地用于黄酮类化合物抗氧化活性的构效关系研究，如赵继红等人通过量子化学计算方法研究指出，分子中的酚羟基的数目及可以形成分子内氢键的数目与分子的抗氧化活性正相关[6]； 齐婧敏运用密度泛函理论方法对黑沙蒿中分的4种黄酮类化合物进行了抗氧化活性评估，为黑沙蒿中抗氧化性黄酮类化合物的筛选提供了理论方法上的指导[7]。

本文选取河北香菊中的5种黄酮类化合物木犀草素、芹菜素、金合欢素、木犀草苷、金合欢苷作为研究对象，采用密度泛函理论方法对5个化合物的电子结构、酚羟基氢氧键离解能（BDE）、酚羟基氢氧键键级大小以及轨道能量分布进行了研究，比较了各个参数的大小，初步评估出5种黄酮类化合物抗氧化活性的大小顺序，为该中药的开发与药理活性的研究提供理论上的指导。

1 计算方法

本研究采用密度泛函理论DFT方法，在B3LYP/6-311G（d）计算水平对河北香菊中5种黄酮化合物的分子结构进行结构优化、频率分析、NBO电荷分析、酚羟基氢氧键离解能（BDE）分析、酚羟基氢氧键键级大小及分子最高占有轨道HOMO和分子最低空轨道LUMO的能级及其能级差分析，初步研究了5种活性药物分子的抗氧化活性大小。计算所用软件为Gaussian 09 Revision E.01。

2 结果与讨论

2.1 分子几何结构的优化参数 [键长（）及其二面角（°）] 黄酮类化合物抗氧化活性的影响因素主要是羟基化的位置和程度[6]，5种化合物的羟基数目顺序为：木犀草素（4个）>木犀草苷（3个）=芹菜素（3个）>金合欢素（2个）>金合欢苷（1个）；5种化合物可形成的氢键数目顺序为：木犀草素（2个）=木犀草苷（2个）>芹菜素（1个）=金合欢素（1个）=金合欢苷（1个），见图1。当黄酮化合物的B环4′位酚羟基与邻位3′位酚羟基形成分子内氢键时键长发生了拉长（木犀草素与木犀草苷），由价键理论可知，键长越长，键能越小，键越容易断裂，化学反应越活泼，说明黄酮类化合物抗氧化活性大小差异主要发生在B环上且分子内氢键对其抗氧化活性影响较大，见图1，表1。氢键数目越多，形成的半醌式自由基越稳定，抗氧化活性就越强。对黄酮类化合物几何结构的计算表明其自由基主要以半醌式结构存在，这正是酚类化合物具有较好抗氧化活性的结构特征，半醌式结构的稳定性直接和自由基的稳定性相联系，半醌式越稳定，则自由基越稳定，二者成正相关[6-8]。 其中有利于自由基上单电子分散的因素， 就能使形成的自由基比较稳定，抗氧化活性高， 所以邻、对位上的羟基能有效分散苯氧自由基上的单电子，从而稳定了自由基对黄酮类化合物， 2，3位双键和4位羰基对分子的结构有较大的影响； B环含有邻位酚羟基，则活性较高，其主要原因是邻位的酚羟基能形成分子内氢键，有利于B环苯氧自由基的稳定[6-8]。

运用B3LYP/6-311G（d）方法对5个黄酮类化合物分子进行优化，5个黄酮分子优化后的结构参数列于表 1 中。由表 1二面角的数据及图1分子结构（含氢键）可知，木犀草素和木犀草苷（除葡萄糖苷）的整个分子骨架几乎共平面（二面角都接近于180°），C环2、3位的C=C双键与4位羰基可形成共轭平面结构，B环3′位与4′位上2个邻位羟基易形成分子内的氢键使整个分子稳定性增强，使共轭体系变大，有利于形成更稳定的共轭结构体系，因此木犀草素和木犀草苷2个化合物的抗氧化活性要强于其他3个分子。芹菜素分子虽然与木犀草苷分子相比也具有3个酚羟基，但B环上只存在1个酚羟基不能形成氢键，所以其抗氧化活性要低于木犀草苷。金合欢素分子中含有2个酚羟基且都连接在A环上但是B环上没有，所以抗氧化活性要低于芹菜素。金合欢苷分子相当于是金合欢素分子中A环7位被葡萄糖基给取代后形成的苷，由于减少了1个酚羟基，所以其抗氧化活性要低于其对应的苷元。综上讨论，5种黄酮化合物的抗氧化活性顺序为：木犀草素>木犀草苷>芹菜素>金合欢素>金合欢苷。

2.2 酚羟基氢原子的NBO电荷分析 原子的正电荷越多，则受亲核试剂进攻的可能性也越大。由于体内对身体有损害作用的自由基多为含氧小分子片段，如羟基自由基、超氧阴离子自由基、脂氧自由基、二氧化氮和一氧化氮自由基，氧原子上带有负电荷，容易进攻酚羟基上带正电荷较大的氢原子[8]。5种黄酮类化合物所有酚羟基上氢原子的NBO电荷数分布，见表2。从表2中可以看出，木犀草素与木犀草苷B环的 C3′与 C4′两个位置酚羟基氢原子上的正电荷数最大，说明这两个分子与自由基发生抽氢反应时活性位点主要发生在B环上面，其中木犀草素酚羟基氢原子上的正电荷数最大值出现在C4′位，而木犀草苷则出现在C3′；由于木犀草苷结构中的C7位羟基氢原子被葡萄糖基取代，比木犀草素分子少了1个羟基造成C7 羟基 H原子不带正电荷，因此其抗氧化活性要弱一些。由于芹菜素分子B环的C4′位比金合欢素多了1个酚羟基因此正电荷数目更多，所以芹菜素的抗氧化活性要大于金合欢素。由于金合欢素葡萄糖苷只有A环的C5位有1个羟基，在5个分子中酚羟基氢原子上所带正电荷数是最少的，所以其抗氧化活性最弱。另外，从表2可以看出，5个分子酚羟基上氢的NBO总正电荷数目大小顺序为：木犀草素>木犀草苷>芹菜素>金合欢素>金合欢苷，分子总的正电荷数目多说明分子与带负电荷的自由基越容易结合其抗氧化能力越强。综合以上分析，这5个活性化合物的抗氧化活性的大小顺序为：木犀草素>木犀草苷>芹菜素>金合欢素>金合欢苷。理论模型预测结果与实验清除自由基的活性顺序一致[5]。

2.3 5种黄酮化合物不同位置酚羟基的键离解能（BDE）及酚羟基氢的键级分析 通常可以用抗氧化剂的O—H键的解离焓（BDE）作为参数来表征不同位置酚羟基氢离域能力，其值越小，化学键越弱，抽氢反应就越容易进行，抗氧化活性就越强[7-10]。在B3LYP/6-311G（d）计算水平下，H原子的电子能量的精确值为 -0.502 155 9 hartree，化合物O—H的键解离能（BDE）计算公式为BDE=Esr+EHr-Es，Esr，Her，Es分别代表黄酮自由基的能量、氢原子的能量和黄酮化合物分子的能量。河北香菊中5种黄酮类化合物不同位置酚羟基抽氢解离能BDE的计算结果见表3。从表中可以看出： 木犀草素与木犀草苷酚羟基抽氢解离能BDE的最小值都出现在B环上的4′位，说明这2个黄酮化合物的活性位点主要位于B环且4′位为这2个分子最大可能的活性位点； 对于木犀草素分子，B4的BDE最小为312.567 374 6 kJ·mol-1，其次为B3达到360.767 484 4 kJ·mol-1，接着A7的BDE值达到370.871 888 9 kJ·mol-1，A5的BDE值最大為372.210 217 1 kJ·mol-1，说明木犀草素分子结构中B4的酚羟基最为活泼且与邻位的羟基易形成分子内的氢键而A5的酚羟基由于与C环的4位羰基易形成分子内的氢键而非常稳定不容易失去氢原子，同样的情况在木犀草苷分子中也存在，不同的是前者在A环的7位多了1个酚羟基故苷元的活性要大于其苷的活性。对于芹菜素分子，B4的BDE最小为358.589 736 1 kJ·mol-1，其次为A7达到379.420 532 9 kJ·mol-1， A5的BDE值最大为430.683 142 6 kJ·mol-1，故该分子的B环上只连接1个酚羟基较活泼容易失去，而A环上的2个酚羟基BDE值较大使得分子较为稳定不容易发生抽氢反应。与芹菜素分子相比较，金合欢素分子只在B环的4′位将羟基取代为了甲氧基，氢键解离能发生在A环故其抗氧化活性要低于芹菜素。金合欢苷只有A环的5位存在有1个酚羟基且键的解离能较大为456.581 032 5 kJ·mol-1，抗氧化活性应该最弱。 从以上5种黄酮化合物的不同位置酚羟基的键离解能（BDE）数值分析可以看出，B环上面的酚羟基最为活泼，特别是像木犀草素及其苷这样在B环能形成分子内氢键的黄酮分子其抗氧化能力会大大提高。对5种化合物分子结构中的酚羟基的键离解能（BDE）数值排序，5种化合物的BDE值大小顺序为木犀草素<木犀草苷<芹菜素<金合欢素<金合欢苷，即抗氧化活性顺序为：木犀草素>木犀草苷>芹菜素>金合欢素>金合欢苷。另外，对5个黄酮分子在同一计算水平下对它们的分子键级进行了计算，结果也列于表3中：从酚羟基氢氧键的键级大小分析来看，当键级较小时酚羟基的键离解能（BDE）也较小，抽氢反应也就越容易进行，这与键级理论中键级越大键越牢固、键级越小键越弱的规律是一致的。总之，从5种黄酮化合物不同位置酚羟基的键离解能（BDE）数据及酚羟基氢氧键的键级大小分析也得到了与上面酚羟基氢原子上自然轨道电荷布局数分析相同的结果，与实验所测结果也是一致的。

2.4 前线分子轨道 前线分子轨道是指最高占据轨道HOMO和最低空轨道LUMO。根据前线分子轨道理论，能量越高的最高占据轨道中的电子越不稳定，越容易失电子，能量越低的最低空轨道越易接收电子；并且，最高占据轨道与最低空轨道的能极差反映了分子形成过渡态所须的能垒大小，即其差值越小，所需能垒越小，反应的活性越高，分子越发活泼，抗氧化性越强[7-11]。

5种化合物的前线轨道可以看出，木犀草苷和金合欢苷的葡萄糖苷上不存在HOMO和LUMO电子云，葡萄糖苷上的羟基中的氧原子轨道没有参与形成前线分子轨道见图2。所以在与含氧自由基的反应中葡萄糖苷上的羟基不具有活性，这与甘草中4种黄酮抗氧化活性的理论研究的结果具有一致性[8]。木犀草素与金合欢素与葡萄糖形成苷后，分子轨道前后几乎没有发生改变，但是分子前后的最高占有轨道HOMO与最低空轨道LUMO的能量值稍有增加；最高占据轨道和最低空轨道的能极差也稍微增加见图2，表4。糖苷上的羟基虽然没有参与形成前线轨道，但是由于在一定程度上增加了整个分子的极性进而影响到药物分子的溶解度与吸收。从分子最高占据轨道HOMO能量来分析，木犀草素HOMO能级明显高于其他4种化合物，该轨道上的电子最不稳定，最易失去，抗氧化活性应该最强，其次是木犀草苷；另外，从5种分子的最高占据轨道和最低空轨道能的能极差⊿E （LUMO-HOMO）大小可知：⊿E木犀草素<⊿E木犀草苷<⊿E芹菜素<⊿E金合欢素<⊿E金合欢苷。综上分析可以得出：抗氧化活性大小为木犀草素>木犀草苷>芹菜素>金合欢素>金合欢苷。

3 结论

本文采用量子化学密度泛函理论（DFT）的计算方法从理论的角度研究了河北香菊中5种黄酮类化合物分子的抗氧化活性大小顺序。从分子的几何结构、酚羟基氢原子上自然轨道（NBO）电荷布局数、不同位置酚羟基的键离解能（BDE）、酚羟基氢氧键键级大小及前线轨道能级差等的理论参数得出木犀草素分子抗氧化活性最强，苷元与葡萄糖成苷后抗氧化活性降低，苷元成苷后糖取代基没有参与分子轨道前后的改变。综合4个方面的分析，最后得出河北香菊中5种黄酮化合物的抗氧化活性大小顺序为木犀草素>木犀草苷>芹菜素>金合欢素>金合欢苷。

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