山奈酚與水的氫鍵作用對其抗氧化活性影響的理論研究

祝亞云，潘良軍，趙良容，晏名勛，楊昌英

三峽大學天然產物研究與利用湖北省重點實驗室，宜昌443002

黃酮類化合物廣泛存在于蔬菜和水果中，是一類抗氧化劑，能捕獲自由基，在抑制因自由基氧化引起的細胞衰亡、化學物質分解等過程中起到至關重要的作用。山奈酚(Kaempferol，Kae)作為最常見的黃酮類化合物，主要來源于姜科植物山奈(Kaempferia galang a L.)的根莖，其抗氧化活性已經被證實［1］。此類化合物的抗氧化活性主要來源于多個酚羥基的存在，目前最有效的途徑就是酚羥基與有害自由基反應，從而中止有害自由基的鏈式反應;其次是抗氧化劑通過自身的還原性質，直接給出電子消耗掉有害自由基。有關黃酮化合物抗氧化活性的理論研究有一些報道［2，3］，理論研究主要采用密度泛函(DFT)方法，研究表明，黃酮化合物抗氧化活性的機理可能有三種(如圖1)，一是氫原子轉移機理(HAT)，清除自由基的能力主要取決于環上羥基發生抽氫反應的難易程度，因此酚羥基O-H 化學鍵離解能(BDE，bond dissociation energy)是評價其抗氧化活性的重要參數［4］。第二種機理是SPLET，化合物首先去質子化，然后轉化為自由基［5］?；衔锓恿u基質子解離能力(DPE，deprotonation energy)成為重要因素。第三種機理是電子-質子轉移機理［6］，可用分子最高占據軌道能級HOMO 作為化合物給電子能力的理論參數。事實上，由于酚羥基或羰基的存在，黃酮化合物分子內或與溶劑之間會形成氫鍵，氫鍵的存在會影響黃酮化合物分子化學鍵的解離能力或去質子化能力。本文采用計算化學手段，基于DFT 理論，探討山奈酚與水分子形成的分子間氫鍵對化合物分子結構、不同位置酚羥基BDE 及DPE的影響，闡述分子間氫鍵在山奈酚抗氧化活性中的意義，為更深入研究其抗氧化活性機理提供重要依據。

圖1 山奈酚生成自由基的兩種重要途徑Fig.1 Two important routes of Kae radical formation

1 計算原理與方法

首先，用密度泛函理論在(RO)B3LYP/6-31G(2d，2p)水平上對基態分子和相應的自由基﹑去質子化得到的陰離子進行結構優化，RO 指限制性開殼層［7］。并對每一個優化所得結構，用同樣的方法作頻率分析，以證實它對應著勢能面上一個穩定點。然后，在同一水平上，針對每一個優化的結構進行熱力學計算(Hessian)，利用電子(進行零點能校正)和熱焓的和，得到各結構在氣相中298.15 k，1atm 時的熱焓，根據Kae-OH→Kae-O· + H· 和Kae-OH→Kae-O-+ H+反應的焓變，得到山奈酚不同位置酚羥基的BDE 和DPE。全部量子化學計算通過GAMESS 軟件［8］，在biox.ctgu.edu 計算中心完成。

圖2 經過結構優化的山奈酚及其與H2O 氫鍵復合物的幾何構型Fig.2 Optimized structures of Kae and its hydrogen bond complex with H2O molecules

2 結果與討論

2.1 氫鍵對化合物幾何構型的影響

在B3LYP/6-31G(2d，2p)水平上，對山奈酚分子進行結構優化，結果如圖2A。山奈酚不僅A，C環共平面，B 環也幾乎在一個平面，二面角僅1.9°。C 環3 位(A3)的-OH 和A 環5 位(A5)的-OH 均與-C=O 形成分子內氫鍵，A5 位的-OH 與-C =O 之間的氫鍵鍵長更短(1.7489?)，氫鍵更強。因此本文主要考慮此位點分子間氫鍵的影響，在同一水平上，對化合物與一個H2O，兩個H2O 分子形成的氫鍵復合物進行結構優化，結果如圖2B、C，當H2O 分子在C3 位的-OH 與-C=O 之間時，會拆散兩者之間的分子內氫鍵，C3-OH 與H2O 之間形成分子間氫鍵(1.7666?)，但強化了A5 的-OH 與-C =O 之間的氫鍵，鍵長進一步縮短(1.6954?)，此時B 環與AC 環之間的二面角增大(25.8°)，結構發生扭曲。當H2O分子在A5 的-OH 與-C=O 之間時，兩個分子內氫鍵均被大大削弱，鍵長均達到1.9 ? 以上。進一步研究兩個H2O 分子與山奈酚的分子間氫鍵時發現，兩個H2O 分子與C3-OH 與H2O 之間形成分子間氫鍵簇(圖2 D)，同樣強化了A5 的-OH 與-C=O 之間的分子內氫鍵，鍵長為1.6944 ?，此時B 環與AC 環之間的二面角為15.2°。

可見與H2O 分子形成的分子間氫鍵會明顯影響山奈酚的分子結構及分子內氫鍵的強度，也會對化合物不同位置酚羥基的反應活性產生影響。

2.2 山奈酚不同位置酚羥基的BDE

可以用抗氧化劑的O-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。計算中，H 原子的電子能量采用它的精確值-0. 50000 hartree，應用溫度校正項5/2 RT，H 原子在298.15 k的焓是-0. 49764 hartree［9］。很明顯，化合物O-H BDE 越低，抗氧化劑就越容易把它的羥基氫原子傳遞給活性氧自由基ROO·，清除自由基的活性越大。

山奈酚不同位置酚羥基抽氫解離能BDE 的計算結果如表1，計算結果與酚酸類抗氧化劑BDE 計算值和實驗值結果相近［4］，與槲皮素酚羥基的BDE計算值也在同一范圍［2］，證實此計算結果的可靠性。山奈酚A5 的BDE 值最大，達到373.5 kJ/mol，其次是A7，340.9 kJ/mol，B4 與C3 位的BDE 較為接近，分別為319.2、315.9 kJ/mol?？梢奀3 的酚羥基最為活潑，易發生抽氫反應，B4 的酚羥基次之，較為容易解離出氫，而A5 的酚羥基由于分子內氫鍵的存在而顯得很穩定，難以發生抽氫反應。當山奈酚與H2O 形成分子間氫鍵時，同樣的方法計算不同位置的BDE，結果表明，由于分子間氫鍵的作用，削弱了各酚羥基O-H 的鍵強度，使抽氫反應相對變得容易，BDE 普遍降低。其中A5、A7 和B4 位的BDE 降低幅度在10 kJ/mol 以上，而C3 的BDE 變化不大。此時B4 位的BDE 值僅為307.8 kJ/mol，比C3 的BDE 還要低，這是因為分子間氫鍵削弱了分子的內部穩定性，但H2O 與C3 的分子間氫鍵對C3 的酚羥基有穩定作用，而B 環的適度扭轉有利于B4 的-OH活性發揮，因此B4 位的-OH 變成了抽氫反應的最活潑基團。兩個H2O 分子參與時，化合物A5 的BDE 進一步降低到355.6 kJ/mol，該位點氫的解離有利于分子間氫鍵簇的形成。而其它位置的BDE相對于一個H2O 的情況變化不大，A7 和C3 的BDE略有降低，而B4 的BDE 反而增大4 kJ/mol 左右，這是因為山奈酚與2H2O 形成的氫鍵復合物中，B 環的扭轉角度減小，此時氫解離相對難一些。

表1 B3LYP/6-31G(2d，2p)水平上計算得到的山奈酚及其氫鍵復合物酚羥基的BDE(298K)Table 1 BDEO-H of Kae and its hydrogen bond complex calculated using B3LYP/6-31G(2d，2p)method

可見，山奈酚與H2O 的分子間氫鍵作用主要降低A 環兩個酚羥基BDE 值，增強其氫的解離能力，而C3 和B4 位酚羥基由于可以通過氫鍵的相對取向和分子的二面角調節，BDE 值變化不大，但也有一定程度的降低，因此分子間氫鍵有利于化合物抗氧化活性的發揮。

2.3 氫鍵對化合物不同酚羥基質子解離能力的影響

SPLET 機制是黃酮化合物發揮抗氧化活性的重要途徑，因為大多數黃酮化合物有一定酸性，可以發生去質子化過程，尤其是在極性溶劑中，化合物一定存在一定數量的去質子化形態，因此，化合物去質子化能力與抗氧化活性大小有直接關系。

山奈酚結構中4 個酚羥基去質子化難易程度有明顯差別，本文在同一水平上優化化合物去質子化態的結構，利用Hessian 計算單元計算不同結構的H值，得到不同位置酚羥基去質子化能(DPE)，如表2所示。計算過程中，H (H+)=U + pV =5/2RT =1.48 kcal/mol［10］.

表2 B3LYP/6-31G(2d，2p)水平上計算得到的山奈酚及其氫鍵復合物酚羥基的DPE(298K)Table 2 DPEO-H of Kae and its hydrogen bond complex calculated by using B3LYP/6-31G (2d，2p)method

山奈酚不同酚羥基去質子化活性與抽氫反應活性順序有明顯差異，最明顯的區別是C3 位并不是最容易去質子化的位點，B4 和A7 的酸性反而更強，容易發生質子離域反應。A5 位由于分子內氫鍵的作用，去質子化相當困難，這與第一途徑是一致的。與H2O 形成氫鍵復合物后，A5，A7 及B4 位的去質子化能變化不大，但C3 位DPE 有較為明顯的降低。兩個H2O 參與時，A5 去質子化變得相對容易，其原因是當A5 位脫掉質子，其中一個H2O 迅速與A5 形成分子間氫鍵，如圖3，從優化后的氫鍵復合物結構來看，此時氫鍵鍵長短，作用強，結構穩定，因此從中性分子變為去質子化態相對容易，DPE 明顯降低，與之對應的A7 為DPE 反而增加。C3 位去質子化能力繼續降低，與B4 位共同成為質子解離能力較強的位點。

圖3 Kae-O-(A5)與兩個H2O 形成氫鍵復合物的結構Fig.3 Optimized structure of complex of Kae-O-(A5)with two H2O molecules

可見，在化合物質子解離過程中，分子內、分子間氫鍵均會產生影響，主要表現在A5 和C3 位，尤其是考慮的水分子數越多，影響越大。質子解離的難易程度是SPLET 途徑的重要影響因素，在動力學上可以認為是決速步驟。因此在進行理論研究時，應該考慮分子內、分子間的氫鍵作用，分子間氫鍵通過削弱、破壞分子內氫鍵，使分子結構發上改變，使酚羥基的抽氫和質子解離更容易發生，提高化合物抗氧化活性。

3 結論

本文通過計算化學探討了山奈酚與H2O 分子形成的分子間氫鍵對化合物不同酚羥基BDE、DPE的影響。計算結果表明，山奈酚C3、A5 與-C =O 之間有分子內氫鍵存在，降低C3、A5 位酚羥基發生抽氫反應和質子解離反應的程度。當山奈酚與溶劑H2O 形成分子間氫鍵，會使A5 位酚羥基發生抽氫反應和質子解離反應變得更容易，同時也降低C3位質子解離的DPE?？傮w上對化合物山奈酚發揮抗氧化活性更有利。

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