丁　　豪，苏里阳，王文君，杨海燕

（新疆农业大学食品科学与药学学院，新疆乌鲁木齐　830052）



昆仑雪菊中5个黄酮类化合物抗氧化活性的DFT研究

丁豪，苏里阳，王文君，*杨海燕

（新疆农业大学食品科学与药学学院，新疆乌鲁木齐830052）

摘要：采用量子化学密度泛函理论（DFT）的B3LYP/6-311G++(2d,2p)//B3LYP/6-31G方法，对昆仑雪菊中已分离得到的5个黄酮类化合物（马里苷、金鸡菊噢、黄杉素、紫铆因和奥卡宁）进行了优化及单点能计算。从黄酮分子的几何构型、氢键数目、不同位置酚羟基的解离焓（BDE）、HOMO和LUMO前线分子轨道图及其能级差分析所得，昆仑雪菊黄酮类化合物的羟基数目和形成的分子内氢键数目越多，抗氧化活性越强；羟基的活性因其位置不同而有所差异，且5个化合物B环4'位羟基的解离焓都最小，是抗氧化作用的主要活性位点；C环3位羟基的存在并没有提高黄杉素的抗氧化活性。

关键词：昆仑雪菊；黄酮类化合物；抗氧化；DFT

昆仑雪菊（Coreopsis tinctoria Nutt.）又称两色金鸡菊，属菊目科蛇目菊属[1]。首次发现于美国西北部，各州都有分布，常被称为“Calliopsis”，现世界范围内也都有分布，我国新疆也有大规模种植[2-3]。昆仑雪菊中存在大量的黄酮类物质（Flavonoids），能有效地清除人体过量自由基、延缓衰老，是抗氧化活性的主要功效成分，其含量越高说明昆仑雪菊品质越好[4]。

黄酮类化合物清除自由基的最主要机制为其上的酚羟基与自由基反应，形成共振稳定半醒式自由基结构，从而中断链式反应，黄酮类分子[Flavones-OH]清除自由基R·的反应可以表达为[Flavones-OH] +R·→[Flavones-O·]+RH[5-6]。除此之外，还有一个电子转移的反应，公式如下：[Flavones-OH]+R·→ R-···[Flavones-OH·]+→[Flavones-O·]+RH。因此，这类化合物清除自由基的能力与环上酚羟基抽氢反应的能力和生成的自由基中间体稳定性有关。

本研究选取昆仑雪菊中5个黄酮类化合物，采用量子化学计算的方法预测其抗氧化活性，为更好地开发利用昆仑雪菊黄酮资源提供理论依据。其具体化学结构如图1所示，其中化合物1，4和5属于查尔酮，2属于二氢黄酮，3属于二氢黄酮醇。

5个化合物的结构及黄酮类物质的基本结构见图1。

1　计算方法

运用杂化密度泛函B3LYP结合6-31G基组的方法[7-8]，对5个黄酮类化合物分子及其不同位置羟基脱氢自由基衍生物的几何构型进行优化和能量计算。为确证所得几何结构为势能面上的极小点或者过渡态，并得到零点能，对优化的结构结合6-311G+(2d, 2p)基组进行了频率振动分析。在此基础上，计算了各个分子中不同位羟基脱氢过程的解离焓（BDE）、分子的HOMO和LUMO前线分子轨道图、HOMO和LUMO的能级差等方面，对5个黄酮类化合物抗氧化活性进行了详细理论分析。所有的计算通过Gaussian 09程序完成[9]。

图1　5个化合物的结构及黄酮类物质的基本结构

2　结果与分析

2.1分子几何构型和结构参数

运用B3LYP/6-31G方法对5个黄酮类化合物分子进行优化，得到键长和二面角参数。

5个黄酮化合物的主要结构参数见表1，5个黄酮化合物的羟基和氢键数目见表2。

表1　5个黄酮化合物的主要结构参数

表2　5个黄酮化合物的羟基和氢键数目

由表1可知，5个分子相同位置的酚羟基键长都相差不多。除了黄杉素外，3'位的酚羟基键长比其他位置酚羟基的键长都大。黄杉素3号位的羟基键长为1.437 8埃，比其他键都长，这可能是由于3号位的羟基与4号位羰基形成氢键，使得3位O-H键伸长。由分子价键理论可知，键长越长，键能越小，越容易发生脱氢反应[10]。同样，分子间存在相邻2个羟基的时候，也会形成分子内氢键，活性较强的羟基H与邻位O形成氢键。

羟基化的程度及其位置是影响黄酮类化合物抗氧化活性最主要的因素，羟基化程度越高，抗氧化活性越强[11-12]。由5个黄酮类化合物的化学结构图可以发现，5个化合物中马里苷的羟基数目最多，其次为黄杉素和奥卡宁都有5个羟基，另外金鸡菊噢和紫铆因都有4个羟基。5个化合物分子的B环上都存在同样的3'位和4'位邻羟基结构，但是A环与C环上的取代基和羟基数目都不同。由表1和表2数据可知，马里苷的羟基数目最多，推测其抗氧化活性相比其他几个化合物较强。

另外，具有邻羟基的分子有时也会形成分子内氢键，这也是影响黄酮类化合物自身抗氧化活性的又一因素。分子内氢键可以使得分子形成更加稳定的半醌式自由基结构，且其抗氧化活性越强，抗氧化活性同分子内氢键数目成正比，但根据实际情况不同，抗氧化活性也会有所区别。本文所选的5个化合物分子都具有3'位和4'位邻二羟基结构，4'位羟基能同3'位羟基形成氢键，进一步增强了半醌式自由基的稳定性，从而增强其抗氧化活性。5个黄酮类化合物可形成的氢键数目为马里苷（3个）>金鸡菊噢（2个）=黄杉素（2个）=紫铆因（2个）=奥卡宁（2个）。由此可见，马里苷的活性相对其他4个化合物更强，这也与试验测得的抗氧化数据相符。

2.2酚羟基的解离焓（BDE）分析

黄酮类化合物能有效地清除自由基，主要是由于其A环和B环上的酚羟基发生脱氢反应，给游离的自由基提供了氢原子，从而形成了稳定半醌式自由基结构，达到了中断自由基链式反应的目的。

采用B3LYP/6-311G(2d,2p)//B3LYP/6-31G方法对马里苷、金鸡菊噢、黄杉素、紫铆因和奥卡宁脱除不同环上羟基氢原子的自由基进行理论分析。BDE=Hr+Hh-Hp，其中Hr，Hh，Hp分别代表黄酮自由基的能量、氢原子的能量和5个黄酮化合物的能量[13]。

5个黄酮化合物不同位置O-H键的解离焓见表3。

表3　5个黄酮化合物不同位置O-H键的解离焓

由表3可知，不同位置酚羟基的解离焓都不相同，且5个分子4'位羟基的解离焓都相比其他位置的羟基解离焓要低。根据解离焓原理，O-H键的解离焓大小在一定程度上反映了自由基反应的速率，其值越小，键能越弱，羟基的脱氢反应越容易发生，抗氧化活性越强[14]。以马里苷为例，解离焓顺序为4'O-H<3'O-H<5O-H<6O-H。由此可见，马里苷的最强酚羟基为4'O-H；同理，金鸡菊噢、黄杉素、紫铆因、奥卡宁的最强酚羟基都为4'O-H。所以，5个化合物的抗氧化活性位点都为B环4'位酚羟基。

2.3前线分子轨道及其轨道的能级分析

前线分子轨道是指已占有电子的能级最高轨道HOMO和未占有电子的能级最低空轨道LUMO[15]。由前线分子轨道理论可知，占据高能轨道的电子极不稳定，容易向低能轨道发生跃迁，而未占电子的低能轨道则容易获得跃迁的电子；同时，电子从高能往低能跃迁所需要的能量就是所谓的前线分子轨道能级差△E。△E值越小，说明高轨道电子越容易往最低空轨转移，因此分子相对活泼，反应活性越高，从而抗氧化活性越强。在B3LYP/6-31G优化好的基础上利用B3LYP/6-311G++(2d,2p)基组计算5个化合物分子的前线轨道能及其能级差。5个黄酮分子前线轨道HOMO和LUMO结构图通过Gauss view 5.0软件导出。

5个黄酮化合物的最高占据轨道和最低空轨道能及其能级差见表4，5个黄酮化合物的前线分子轨道结构见图2。

表4　5个黄酮化合物的最高占据轨道和最低空轨道能及其能级差

图2　5个黄酮化合物的前线分子轨道结构

由表4可知，奥卡宁的HOMO能级明显高于其他4个化合物，说明奥卡宁该轨道上的电子最不稳定；金鸡菊噢的LUMO能级相比其他4个化合物较低，最易接受外来电子。同时，比较5个化合物的能级差△E值可得：金鸡菊噢<奥卡宁<马里苷<紫铆因<黄杉素。因此，金鸡菊噢具有相对较强的抗氧化活性，黄杉素的抗氧化活性相对较弱。

由前线分子轨道图可直观地阐明分子中参与反应的活性部位分布情况，电子云密度大的位置易与自由基发生反应，活性相对较强。从5个分子的HOMO图观测到，5个化合物分子的电子云主要分布在A环、B环、C环上的C=C部分。金鸡菊噢、黄杉素的电子云主要分布在A环、C环及其羟基部位，说明A环上羟基是金鸡菊噢、黄杉素发生抗氧化反应的活性位点。马里苷、紫铆因、奥卡宁的A环、B环及C环上都有一定的电子云分布，且3'位羟基都无电子云分布，说明4'位羟基的H与3'位羟基O形成了分子内氢键，使得3'O-H较为稳定，而4'O-H更易失去电子，从而说明4'位羟基是化合物的主要活性位点。

由图2可知，马里苷的糖取代基上并没有很大的电子云密度，说明糖取代基上的羟基不能发生抽氢反应，因此糖取代基不能增强其抗氧化活性。而马里苷、紫铆因和奥卡宁的B环有较大的电子云密度，说明查尔酮类的B环C=C和羰基有可能与自由基发生反应，从而增强了该化合物的抗氧化活性。

3　结论与讨论

通过对5个黄酮分子的几何构型、酚羟基解离焓和前线轨道等进行计算，探究了5个黄酮化合物的抗氧化能力强弱。所选取的5个黄酮化合物抗氧化活性都相对较强，其试验抗氧化活性顺序为马里苷>紫铆因>金鸡菊噢>奥卡宁>黄杉素，然而能级差△E值计算所得的金鸡菊噢具有较强的抗氧化活性略有差异，这可能是由于试验中称量环节存在误差，也有可能各个化合物在反应过程中不止一个羟基发生脱氢反应。另外，关于3位羟基的活性国内外研究结论各异，Mora等人通过计算发现，3位羟基对于抗氧化活性影响不大，但也有研究发现3位羟基是抗氧化自由基清除反应的主要活性位点。黄杉素是5个化合物中唯一的二氢黄酮醇，其C环的3位存在1个羟基，然而仔细分析该分子的几何结构、计算所得3位羟基的解离焓，以及前线轨道电子云分布情况等多方面因素，可以证明黄杉素的3位羟基对该分子的抗氧化活性没有增效作用。

本文采用量子化学密度泛函理论的计算方法，研究了昆仑雪菊中5个黄酮类化合物的抗氧化活性。从分子的几何结构、BED、前线分子轨道图和能级差等计算结果得出，昆仑雪菊黄酮类化合物的羟基数目和形成的分子内氢键数目越多，抗氧化活性越强；羟基的活性因其位置不同而有所差异，且5个化合物B环4'位羟基的解离焓都最小，是抗氧化作用的主要活性位点；C环3位羟基的存在并没有提高黄杉素的抗氧化活性。

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中图分类号：O641.12

文献标志码：A

doi：10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2016.06.001

文章编号：1671-9646（2016）06a-0001-04

收稿日期：2016-05-06

基金项目：国家自然科学基金地区科学基金项目（31260377）；乌鲁木齐市科学技术计划项目（Y121120008）。

作者简介：丁豪（1992— ），男，硕士，研究方向为天然产物提取与利用。

*通讯作者：杨海燕（1962— ），女，博士，教授，研究方向为天然产物提取与利用。

Study on Antioxidant of Five Flavonodis in Coreopsis tinctoria Nutt.by DFT

DING Hao，SU Liyang，WANG Wenjun，*YANG Haiyan
（Food Science Pharmacy College，Xinjiang Agricultural University，Urumqi，Xinjiang 830052，China）

Abstract：Using B3LYP/6-311G++(2d,2p)//B3LYP/6-31G method of density functional theory calculated and optimized energy of five flavonoids of Coreopsis tinctoria Nutt.，including marein，maritimetin，taxifolin，butein and okanin.By the analysis of the molecular geometry，BDE of different position of the phenolic hydroxyl group，HOMO and LUMO frontier molecular orbital diagram and its energy gap，theoretical antioxidant activity of flavonoids are elucidated.And the results show that：antioxidant activity of flavonoids of Coreopsis tinctoria Nutt.related to the number of hydroxy group and the number of the hydrogen bonds；the activity of hydroxyl groups in different positions are different，and the BDE of 4'-hydroxyl in ring B of all five flavonoids are minimal，so 4'-hydroxyl is their main antioxidation active site；and 3-hydroxyl group in ring C did not increase the antioxidant activity of taxifolin.

Key words：Coreopsis tinctoria Nutt.；flavonoids；antioxidant；DFT