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

[摘要] 運用密度泛函理論（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、金合歡苷的電子結構、酚羥基氫原子的自然軌道電荷布局數（NBO）、酚羥基氫氧鍵離解能（BDE）、酚羥基氫氧鍵鍵級大小以及分子前線軌道的能級差。通過數據分析發現，B環鄰位酚羥基分子內氫鍵的形成有利于增強分子的抗氧化活性；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為：木犀草素>木犀草苷>芹菜素>金合歡素>金合歡苷。理論預測結果與文獻報道的實驗結果一致。該研究結果表明DFT方法可為天然黃酮類抗氧化劑的篩選提供理論指導。

[關鍵詞] 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。作為傳統中藥，代藥理學研究表明，菊花具有抗菌、抗炎、抗氧化、舒血管、降血脂、降血壓、抗腫瘤、增強毛細血管反抗力等多種藥理作用[1]?，F代化學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，其中的黃酮類物質已經被證實對自由基有很強的清除作用，而且在抗氧化、防衰竭等方面卓有成效[2-4]。菊花原產中國，在我國各地均有栽培，由于生態環境的不同，形成了各具特色的不同品種，最常見的藥用菊花有8大類包括杭白菊、毫菊、滁菊、貢菊、濟菊、祁菊、黃菊和懷菊。河北香菊是河北省農業技術科學院培育的國內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。河北醫科大學張曉媛、董江龍等人對河北香菊進行了系統的化學成分及藥理學研究[2-4]，從中分離到了大量不同類型的化合物，尤其是對得到的黃酮類化合物進行了體外抗氧化活性的篩選評估[5]，為河北香菊的開發利用提供了物質基礎方面的指導。

近年來，運用量子化學計算方法較廣泛地用于黃酮類化合物抗氧化活性的構效關系研究，如趙繼紅等人通過量子化學計算方法研究指出，分子中的酚羥基的數目及可以形成分子內氫鍵的數目與分子的抗氧化活性正相關[6]； 齊婧敏運用密度泛函理論方法對黑沙蒿中分的4種黃酮類化合物進行了抗氧化活性評估，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[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象，采用密度泛函理論方法對5個化合物的電子結構、酚羥基氫氧鍵離解能（BDE）、酚羥基氫氧鍵鍵級大小以及軌道能量分布進行了研究，比較了各個參數的大小，初步評估出5種黃酮類化合物抗氧化活性的大小順序，為該中藥的開發與藥理活性的研究提供理論上的指導。

1 計算方法

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

2 結果與討論

2.1 分子幾何結構的優化參數 [鍵長（）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種化合物的羥基數目順序為：木犀草素（4個）>木犀草苷（3個）=芹菜素（3個）>金合歡素（2個）>金合歡苷（1個）；5種化合物可形成的氫鍵數目順序為：木犀草素（2個）=木犀草苷（2個）>芹菜素（1個）=金合歡素（1個）=金合歡苷（1個），見圖1。當黃酮化合物的B環4′位酚羥基與鄰位3′位酚羥基形成分子內氫鍵時鍵長發生了拉長（木犀草素與木犀草苷），由價鍵理論可知，鍵長越長，鍵能越小，鍵越容易斷裂，化學反應越活潑，說明黃酮類化合物抗氧化活性大小差異主要發生在B環上且分子內氫鍵對其抗氧化活性影響較大，見圖1，表1。氫鍵數目越多，形成的半醌式自由基越穩定，抗氧化活性就越強。對黃酮類化合物幾何結構的計算表明其自由基主要以半醌式結構存在，這正是酚類化合物具有較好抗氧化活性的結構特征，半醌式結構的穩定性直接和自由基的穩定性相聯系，半醌式越穩定，則自由基越穩定，二者成正相關[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定，抗氧化活性高， 所以鄰、對位上的羥基能有效分散苯氧自由基上的單電子，從而穩定了自由基對黃酮類化合物， 2，3位雙鍵和4位羰基對分子的結構有較大的影響； B環含有鄰位酚羥基，則活性較高，其主要原因是鄰位的酚羥基能形成分子內氫鍵，有利于B環苯氧自由基的穩定[6-8]。

運用B3LYP/6-311G（d）方法對5個黃酮類化合物分子進行優化，5個黃酮分子優化后的結構參數列于表 1 中。由表 1二面角的數據及圖1分子結構（含氫鍵）可知，木犀草素和木犀草苷（除葡萄糖苷）的整個分子骨架幾乎共平面（二面角都接近于180°），C環2、3位的C=C雙鍵與4位羰基可形成共軛平面結構，B環3′位與4′位上2個鄰位羥基易形成分子內的氫鍵使整個分子穩定性增強，使共軛體系變大，有利于形成更穩定的共軛結構體系，因此木犀草素和木犀草苷2個化合物的抗氧化活性要強于其他3個分子。芹菜素分子雖然與木犀草苷分子相比也具有3個酚羥基，但B環上只存在1個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個酚羥基且都連接在A環上但是B環上沒有，所以抗氧化活性要低于芹菜素。金合歡苷分子相當于是金合歡素分子中A環7位被葡萄糖基給取代后形成的苷，由于減少了1個酚羥基，所以其抗氧化活性要低于其對應的苷元。綜上討論，5種黃酮化合物的抗氧化活性順序為：木犀草素>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，則受親核試劑進攻的可能性也越大。由于體內對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，氧原子上帶有負電荷，容易進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電荷數分布，見表2。從表2中可以看出，木犀草素與木犀草苷B環的 C3′與 C4′兩個位置酚羥基氫原子上的正電荷數最大，說明這兩個分子與自由基發生抽氫反應時活性位點主要發生在B環上面，其中木犀草素酚羥基氫原子上的正電荷數最大值出現在C4′位，而木犀草苷則出現在C3′；由于木犀草苷結構中的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環的C4′位比金合歡素多了1個酚羥基因此正電荷數目更多，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環的C5位有1個羥基，在5個分子中酚羥基氫原子上所帶正電荷數是最少的，所以其抗氧化活性最弱。另外，從表2可以看出，5個分子酚羥基上氫的NBO總正電荷數目大小順序為：木犀草素>木犀草苷>芹菜素>金合歡素>金合歡苷，分子總的正電荷數目多說明分子與帶負電荷的自由基越容易結合其抗氧化能力越強。綜合以上分析，這5個活性化合物的抗氧化活性的大小順序為：木犀草素>木犀草苷>芹菜素>金合歡素>金合歡苷。理論模型預測結果與實驗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）及酚羥基氫的鍵級分析 通?？梢杂每寡趸瘎┑腛—H鍵的解離焓（BDE）作為參數來表征不同位置酚羥基氫離域能力，其值越小，化學鍵越弱，抽氫反應就越容易進行，抗氧化活性就越強[7-10]。在B3LYP/6-311G（d）計算水平下，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的計算結果見表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的最小值都出現在B環上的4′位，說明這2個黃酮化合物的活性位點主要位于B環且4′位為這2個分子最大可能的活性位點； 對于木犀草素分子，B4的BDE最小為312.567 374 6 kJ·mol-1，其次為B3達到360.767 484 4 kJ·mol-1，接著A7的BDE值達到370.871 888 9 kJ·mol-1，A5的BDE值最大為372.210 217 1 kJ·mol-1，說明木犀草素分子結構中B4的酚羥基最為活潑且與鄰位的羥基易形成分子內的氫鍵而A5的酚羥基由于與C環的4位羰基易形成分子內的氫鍵而非常穩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環的7位多了1個酚羥基故苷元的活性要大于其苷的活性。對于芹菜素分子，B4的BDE最小為358.589 736 1 kJ·mol-1，其次為A7達到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環上只連接1個酚羥基較活潑容易失去，而A環上的2個酚羥基BDE值較大使得分子較為穩定不容易發生抽氫反應。與芹菜素分子相比較，金合歡素分子只在B環的4′位將羥基取代為了甲氧基，氫鍵解離能發生在A環故其抗氧化活性要低于芹菜素。金合歡苷只有A環的5位存在有1個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）數值分析可以看出，B環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環能形成分子內氫鍵的黃酮分子其抗氧化能力會大大提高。對5種化合物分子結構中的酚羥基的鍵離解能（BDE）數值排序，5種化合物的BDE值大小順序為木犀草素<木犀草苷<芹菜素<金合歡素<金合歡苷，即抗氧化活性順序為：木犀草素>木犀草苷>芹菜素>金合歡素>金合歡苷。另外，對5個黃酮分子在同一計算水平下對它們的分子鍵級進行了計算，結果也列于表3中：從酚羥基氫氧鍵的鍵級大小分析來看，當鍵級較小時酚羥基的鍵離解能（BDE）也較小，抽氫反應也就越容易進行，這與鍵級理論中鍵級越大鍵越牢固、鍵級越小鍵越弱的規律是一致的?？傊?，從5種黃酮化合物不同位置酚羥基的鍵離解能（BDE）數據及酚羥基氫氧鍵的鍵級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數分析相同的結果，與實驗所測結果也是一致的。

2.4 前線分子軌道 前線分子軌道是指最高占據軌道HOMO和最低空軌道LUMO。根據前線分子軌道理論，能量越高的最高占據軌道中的電子越不穩定，越容易失電子，能量越低的最低空軌道越易接收電子；并且，最高占據軌道與最低空軌道的能極差反映了分子形成過渡態所須的能壘大小，即其差值越小，所需能壘越小，反應的活性越高，分子越發活潑，抗氧化性越強[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有參與形成前線分子軌道見圖2。所以在與含氧自由基的反應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有發生改變，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；最高占據軌道和最低空軌道的能極差也稍微增加見圖2，表4。糖苷上的羥基雖然沒有參與形成前線軌道，但是由于在一定程度上增加了整個分子的極性進而影響到藥物分子的溶解度與吸收。從分子最高占據軌道HOMO能量來分析，木犀草素HOMO能級明顯高于其他4種化合物，該軌道上的電子最不穩定，最易失去，抗氧化活性應該最強，其次是木犀草苷；另外，從5種分子的最高占據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 結論

本文采用量子化學密度泛函理論（DFT）的計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。從分子的幾何結構、酚羥基氫原子上自然軌道（NBO）電荷布局數、不同位置酚羥基的鍵離解能（BDE）、酚羥基氫氧鍵鍵級大小及前線軌道能級差等的理論參數得出木犀草素分子抗氧化活性最強，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有參與分子軌道前后的改變。綜合4個方面的分析，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為木犀草素>木犀草苷>芹菜素>金合歡素>金合歡苷。

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