黄芩中黄酮类化合物清除自由基机理的密度泛函理论计算

摘要

抗氧化剂是一种重要的食品添加剂，它具有传递电子，清除自由基或抑制自由基形成的作用。在食品安全越来越受到人们的关注的今天，寻求一种安全、可靠的抗氧化剂显得尤为重要。黄酮类化合物具有优良的清除自由基的作用，它们通过酚羟基氢原子发挥抗氧化作用。本文研究的中药黄芩中的几种黄酮类化合物，具有抗氧化、清除自由基、抗菌、抗肿瘤的作用，安全、无害、高效，是优良的抗氧化剂。
　　量子化学是以量子力学为基础，利用其原理和方法研究化学问题的一门理论学科。密度泛函理论(DFT)方法是量子化学中解决电子结构理论中难题的有效工具，本文通过在高斯软件中构建合适的分子模型，得到分子能量指标和结构指标，分析化合物的电子结构、分子结构参数和光谱性质等，研究化合物的活性，探讨作用机理。目前DFT理论已广泛应用于分子的结构和性质、光谱、热化学、过渡态反应机理等许多问题的研究中，并正在向材料科学、生命科学、药物设计等领域迅速发展。
　　运用密度泛函(DFT)B3LYP方法在6-311G(d)基组下计算了中药黄芩中的四种黄酮类化合物黄芩苷、黄芩素、汉黄芩苷和汉黄芩素，分别从酚羟基键长、自然电荷分布、酚羟基的解离焓、前线轨道及分子疏水性参数等方面分析了它们的活性。结果表明，黄芩苷上C5处酚羟基的键长最长；四个分子C5处酚羟基氢原子上的正电荷数都是最大的，所带正电荷顺序是：黄芩苷>黄芩素>汉黄芩素>汉黄芩苷；酚羟基的解离能分析得到抗氧化活性顺序与其相同；最高占据轨道和最低空轨道的能级差△E的顺序是：黄芩苷<汉黄芩苷<黄芩素<汉黄芩素；疏水性参数表明葡糖酸苷取代基可显著提高黄芩苷和汉黄芩苷在水中的溶解性。各种计算数据都表明黄芩苷在这四种黄酮化合物中的活性最大，消除自由基的理论活性顺序与文献报道的顺序一致。
　　黄芩苷作为黄芩中含量最高、活性最强的黄酮类化合物，探讨其消除自由基的反应机理具有一定的意义。运用DFT方法优化计算得到黄芩苷的红外光谱，和标准黄芩苷的红外光谱进行对比分析，得知优化结果比较合理。Gaussian的强项应该是在处理分子反应机理和过渡态，在黄芩苷C6酚羟基与·OH自由基反应的过渡态计算中，得到其正反应所需的活化能是113.2 kJ·mol-1，反应热为-1053 kJ·mol-1。
　　千层纸素-A和汉黄芩素是同分异构体，二者都具有都具有抗菌、抗病毒、抗肿瘤的作用，对它们进行密度泛函理论研究，对比分析二者的抗氧化活性，为二者能否作为替代药品提供理论依据。分析两个分子的最高占据轨道，它们的还原性主要集中在A、C两个环以及环上的酚羟基上，通过酚羟基发生抽氢反应消除·OH自由基和O2-·自由基的时候，二者能力不相上下。但是在消除·OH自由基的时候，它们的抗氧化活性位点体现在不同的酚羟基上：千层纸素-A的活性位点主要是C5酚羟基，汉黄芩素的活性位点是C7酚羟基。由于千层纸素-A和汉黄芩素的活性位点存在一定的差别，因此，将两种化合物作为相互替代药品的设想还需进一步的研究。
　　野黄芩苷是黄芩中有效提取物之一，也是灯盏细辛中的主要黄酮化合物，比黄芩苷多一个C4’位置的酚羟基，采用密度泛函理论B3LYP方法在6-311G(d)基组上对野黄芩苷进行了理论计算，对其分子构型、偶极矩、疏水参数、红外光谱、酚羟基解离焓、自旋密度分布和前线轨道结构进行详细分析。结果表明，野黄芩苷是通过酚羟基发挥抗氧化作用的，其中，A环C6位置酚羟基活性最强，B环C4’酚羟基活性次之，A环C5酚羟基活性最弱。野黄芩苷在体内极性较大的环境下可以达到好的吸收效果。