黄酮类抗氧化剂结构.docx

黄酮类抗氧化剂结构-活性关系的理论解释*张红雨 单位：山东师范大学生物系动物抗性生物学省重点实验室, 济南 250014山东师范大学博士科研启动基金资助项目 1998-03-04收稿，1998-06-01收修改稿*致谢在计算过程中与中国科学院研究生院颜达予教授进行了有益的讨论，在此致以诚挚谢 意.摘要 用AM1方法对若干黄酮类抗氧化剂做了计算.发现：（1）黄酮化合物邻二酚 羟基清除自由基的活性强于间二酚羟基. 原因一是前者半醌式自由基与邻位酚羟 基形成分子内氢键, 从而更稳定; 二是前者半醌式自由基通过共振形成邻苯醌, 这使其未成对电子密度在邻位氧上有较多分布，内能更低.（2）色原酮类黄酮化 合物C环的吸电子性质使它对A环酚羟基有钝化作用，使其更不活泼.由于B环受 C环影响较小，而且大多数黄酮类抗氧化剂B环为邻二酚羟基取代，因此实验总结 出的 B 环酚羟基活性高的规律得以解释.关键词 黄酮类抗氧化剂 AM1 方法 结构-活性关系 理论解释鉴于氧自由基与疾病的关系十分密切而且又是食品氧化的主要原因［1，2］， 寻找 抗氧化剂的工作已在不同领域广泛展开［3，4］. 由于人工合成的抗氧化剂存在副作用 大及价格昂贵等多方面的缺陷， 因此近来人们逐渐将注意力转向植物中蕴藏的丰 富的天然抗氧化剂，其中黄酮类化合物（flavonoids）是研究较多的一类［5,6］.以前黄酮类化合物主要是指基本母核为2-苯基色原酮（2-phenylchromone）的 化合物，现在则是泛指2个苯环（A与B环）通过中央三碳链相互联结而成的一系列 化合物（图 1）［7］ . 它们的种类很多， 大多在各环都有酚羟基取代. 近来大量的体 内和体外研究表明黄酮类化合物有较强的抗氧化活性［8］ ， 由于它们同时也具有各 种药理作用且毒副作用很小， 因而特别引人注目， 并且作为抗氧化药物很有发展潜 力.2-苯基色原酮结构式3'图1黄酮母核结构式C6-C3-C6 联结形式在黄酮类抗氧化剂的作用机制中， 通过酚羟基与氧自由基反应生成 较稳定的半醌式自由基， 从而中止链式反应无疑是最主要的. 对这种机制的结构- 活性关系（structure-activity relationships）的研究发现黄酮各个环上的酚羟 基活性相差较大， B 环酚羟基活性最高， 当 C 环为色原酮时， 其上的酚羟基也有一 定作用， A 环酚羟基活性最弱［9］ . 但这一经验规律尚无理论解释， 这无疑限制了今后合成、筛选性能更优良的黄酮类抗氧化剂. 为此我们用半经验量子化学方法AM1 对几种黄酮化合物进行了计算, 希望能对实验总结出的构效关系给予理论解 释.1 方法本文研究思路为用合适的理论参数代表抗氧化剂的活性, 然后观察各种结构 因素对此理论参数的影响, 借以阐明抗氧化剂的构效关系.由于黄酮类抗氧化剂主要是通过酚羟基与氧自由基反应, 形成共振稳定的半 醌式自由基而中断链式反应的, 因此共振半醌式自由基的稳定性与抗氧化剂活性 成正相关. 在比较了多种指标之后发现, 抗氧化剂形成半醌式自由基前后的生成 热之差(△ HOF)是最好的衡量其活性的理论参数[I。

]，1). △ HOF越低说明自由基越稳 定, 相应的抗氧化剂活性越强.具体计算步骤如下：先用PCMODEL程序中的分子力学方法MMX对各分子进行结 构优化Hi],所得结果作为分子的初始结构，然后用MOPAC7软件包中的AM1方法 对分子的不同状态(基态、自由基、形成或不形成分子内氢键等)进行量子化学计算 [12].为了与基态进行比较，对自由基的计算用RHF方法，加入关键词ESR.抗氧化剂的结构式见图2.图 2 若 干抗氧化 剂的结构 式2 结果与讨论从黄酮类抗氧化剂结构上分析，B环酚羟基与A环酚羟基有两点差别.首先前 者的2个OH多处于邻位，而后者则多处于间位（参见文献［9］的结构式）.显然邻 位OH被抽氢产生自由基后可借助形成分子内氢键得以稳定（以槲皮素为例示如图3 中I ）,因而抗氧化活性更高，而且邻位OH的自由基可通过共振形成邻苯醌（图3 中II,W）,这也可降低其内能从而提高自由基的稳定性，而间位酚羟基不具备这 两种稳定机制.其次A环与C环的共轭较好，从理论上分析色原酮类C环的吸电子 性质将使A环的OH的OH键能增大，不利于H的解离［10］,因而降低A环OH的活 性，而与C环共轭较差的B环受这种影响较小•总起来看A环与B环的这两点差别 可能是导致B环OH活性高的原因.以下用AM1方法对此进行深入研究.槲皮素清除自由基示意图2.1 经验规律的验证首先对典型的黄酮类抗氧化剂槲皮素（quercetin，图2中A）、桑色素（morin, 图2中B）和儿茶素（catechin,图2中C）做了计算，因为它们代表黄酮化合物中两 类最主要的结构，而且在A, B, C各环都有酚羟基取代，实验上的资料也很丰富. 计算结果列于表1.由△ HOF值可看出，它们B环OH的活性强于A环OH,而具有 2-苯基色原酮结构的槲皮素、桑色素的C环OH活性也很高，这与实验总结出的规 律一致，说明△ HOF能很好地反映酚羟基清除自由基的活性.下面对影响△ HOF值 的两种结构因素分别加以讨论.表1几种黄酮类抗氧化剂不同状态下的生成热和△ HOF 单位：kJ.mol-1槲皮素儿茶素桑色素生成热△ HOF生成热△ HOF生成热△ HOF基态-882.50-849.39-881.22去7’位H形成氢键-749.22133.28-719.30130.09不形成氢键-731.33151.17-701.57147.82-712.84168.38去8’位H形成氢键-749.47133.03-714.47134.92不形成氢键-725.16157.34-701.35148. 04-710.92170.30去9位H-752.82129.68-600.97248. 42-747.50133.72去10位H-687.26195.24-694.33155.06-684.15197.07去11位H-686.81195.69-689.05160.34-690.00191.222.2邻位OH与间位OH的差别槲皮素、儿茶素B环3’或4’位酚羟基与相邻半醌式自由基形成和不形成分 子内氢键（图3中1,111 ）的△ HOF值表明，形成氢键确能使半醌式自由基更稳定，并 由两种状态的△ HOF差值可估算出氢键键能在15 kJ.mol-i左右.但另一方面，即 使不形成分子内氢键，槲皮素、儿茶素B环邻二酚羟基的△ HOF仍较桑色素B环间 二酚羟基的△ HOF低15 kJ.mol-1左右.结合表2键级数据可以看出这种稳定作用 源于邻二酚羟基自由基共振形成邻苯醌结构， 致使内能降低. 因为当槲皮素、儿茶 素形成半醌自由基时相邻酚羟基CO键级在1.15左右，具有部分双键性质，而桑色 素的相应键级仅为1.07左右， 这也使得前者相邻酚羟基氧的电子自旋密度（0.08 左右）显著高于后者的相应数值（0.0005左右）（表2）. 至此初步验证了前述关于邻 二酚羟基活性强于间二酚羟基的两种机制的推测.由△ HOF值还可知，这两种机制 对自由基的稳定作用几乎相同，都在15 kJ.mol-1左右.此外由槲皮素、儿茶素的 键级及电子密度分布数值与是否形成氢键关系甚微可推断，这两种机制几乎是相互 独立的.表 2 槲皮素、儿茶素和桑色素 B 环半醌式自由基的键级和电子自旋密度分布槲皮素儿茶素桑色素去7’位H去8’位H去7’位H去8’位H去7’位H去8’位H成氢不成成氢不成成氢不成成氢不成键氢键键氢键键氢键键氢键C3’07’1.7001.7651.1421.1421.7131.7631.1361.134C2’07’1.7861.064键级29152100键级87C4’08’1.1521.1451.7401.7841.1411.1411.7361.791C4’08’1.0701.776键级78608592键级82原子编号1 f0.0290.0210.2540.2650.0270.0190.2630.2770.2670.33116207349290电0.1380.1550.0070.0080.1570.1690.0050.0050.0230.000子2’9226394958自0.0630.0460.2500.2460.0630.0460.2470.2640.1430.169旋3’密6329600146UJ 度4’0.2530.2630.0470.0340.2380.2480.0530.0390.0010.022452858986165’0.0030.0030.1100.1210.0020.002> 0.1420.1460.2960.196456186889「46/0.2300.2510.0150.0110.2530.2610.0170.0120.0010.000109831727370.1910.1760.0790.0740.1790.1770.0770.0760.1490.00065094169158/0.0800.0760.1500.1480.0750.0730.1670.1550.0000.1425973665866实验发现，槲皮素的抗氧化活性显著高于结构类似的桑色素[13], 原因是前者 自由基可借形成分子内氢键得以稳定. 由上述结果可知这只是原因之一, 另一原 因是前者自由基可共振形成邻苯醌, 这使其自由基更加稳定. 其他实验也发现邻 二酚羟基是分子保持强抗氧化活性所必需的,而酚羟基数量的多少并不重要[14], 这 一现象也可由以上两种机制合理解释.为了进一步验证以上结论，必须排除C环的影响，因此又对苯酚、邻苯二酚、 间苯二酚（图2中D, E, F）的△ HOF及电子自旋密度做了计算，结果列于表3.可 以看出与上述槲皮素、儿茶素及桑色素的结果。