裴 玲，張海霞，張 巖

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沒食子酸及其衍生物抗氧化活性的理論研究

*裴 玲1,2，張海霞1,2，張 巖1,2

（1.濱州學(xué)院化學(xué)工程系，山東，濱州 256603；2.濱州市材料化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東，濱州 256603）

采用量子化學(xué)密度泛函理論(DFT)中的B3LYP方法在6-311+G(d,p)水平下對(duì)沒食子酸(GA)及其衍生物沒食子酸甲酯(MG)、沒食子酸乙酯(EG)、沒食子酸丙酯(PG)、沒食子酸異丙酯(IPG)、沒食子酸丁酯(BG)和沒食子酸叔丁酯(TBG)進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算，從7個(gè)分子的幾何結(jié)構(gòu)、氫原子的NBO電荷、羥基解離能、電離勢(shì)、HOMO、LUMO、ΔE(LUMO-HOMO)等方面分析了7種物質(zhì)清除自由基的可能機(jī)理。結(jié)果表明，7種物質(zhì)C(2)位的酚羥基為最大可能活性位點(diǎn)，容易發(fā)生抽氫反應(yīng)，其次是C(1)位和C(3)位。抽氫反應(yīng)表明，在非極性溶劑中其抗氧化能力大小為TBG > BG > IPG > PG > EG > MG > GA；電子轉(zhuǎn)移機(jī)理表明，極性溶劑中其抗氧化能力大小為TBG > IPG > BG ≈ PG ≈ EG > MG > GA。

沒食子酸；抗氧化性；解離能；密度泛函

多酚類物質(zhì)是一類廣泛存在于植物體內(nèi)的次生代謝物質(zhì)的混合物，具有眾多的生物活性，尤其是在清除自由基能力方面表現(xiàn)了很好的抗氧化性[1-4]，成為近年來備受關(guān)注的具有廣泛開發(fā)前景的天然抗氧化劑。其抗氧化結(jié)構(gòu)-活性相關(guān)性研究引起了人們研究的興趣，并取得了一些研究成果[5-8]。沒食子酸(GA)及其衍生物是植物界中分布較廣的一類多酚類物質(zhì)，具有抗氧化性，作為常見的油溶性抗氧化劑，已被廣泛應(yīng)用于油脂及含油食品、油炸食品、肉類食品、花粉食品、化妝品等。馬耀等人[9]采用了循環(huán)伏安掃描和電子自旋共振相結(jié)合的方法對(duì)沒食子酸(GA)及其衍生物沒食子酸甲酯(MG)、沒食子酸乙酯(EG)、沒食子酸丙酯(PG)、沒食子酸異丙酯(IPG)、沒食子酸丁酯(BG)和沒食子酸叔丁酯(TBG)的電子轉(zhuǎn)移能力、清除自由基的能力和臨床應(yīng)用之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，結(jié)果表明GA類化合物能有效清除自由基，故而顯示抗氧化性。為了進(jìn)一步深入了解此類物質(zhì)的抗氧化機(jī)理，本研究用GA類化合物清除自由基能力的大小代表其抗氧化性的相對(duì)強(qiáng)弱，運(yùn)用密度泛函方法計(jì)算GA類化合物的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，從理論上對(duì)其抗氧化活性進(jìn)行詳細(xì)的理論分析，以期能從理論的角度，深化GA類物質(zhì)的抗氧化性機(jī)理研究，為能更好的開發(fā)利用天然植物源多酚類提供理論依據(jù)。

1 計(jì)算方法

構(gòu)建GA及其衍生物的初始構(gòu)象后，運(yùn)用密度泛函B3LYP方法，在6-311＋G(d,p)基組的水平下，對(duì)GA類化合物及其脫氫自由基的幾何構(gòu)型進(jìn)行優(yōu)化和能量計(jì)算，得到優(yōu)勢(shì)構(gòu)象，頻率分析表明無虛頻，為勢(shì)能面上的穩(wěn)定駐點(diǎn)。所有的計(jì)算通過Gaussian 03程序完成[10]。

2 結(jié)果與討論

2.1 GA類化合物及自由基的優(yōu)化

2.1.1 GA類化合物的優(yōu)化

根據(jù)理論分析三個(gè)羥基成順式時(shí)，相鄰兩OH可形成弱氫鍵，此時(shí)化合物較穩(wěn)定，但三個(gè)OH的取向可能會(huì)影響化合物的穩(wěn)定性，為了全面考慮化合物的穩(wěn)定性，我們優(yōu)化了三個(gè)OH成順式取向的兩種情況，兩種情況下優(yōu)化的GA類化合物幾何構(gòu)型見圖1。不同構(gòu)型下優(yōu)化的化合物的能量、相對(duì)能量列于表1。由表1的數(shù)據(jù)可知，各個(gè)化合物構(gòu)型I和構(gòu)型II的能量相差2 kJ·mol-1左右，說明兩種構(gòu)型都是其穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

圖1 GA及其衍生物的幾何構(gòu)型

表1 GA及其衍生物的能量

2.1.2 GA類化合物自由基的優(yōu)化

由于酚類抗氧劑在清除自由基過程中主要是通過抽氫反應(yīng)產(chǎn)生較穩(wěn)定的半醌自由基來終止鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，因此我們主要考慮生成半醌自由基的情況，考慮到形成自由基后是否存在氫鍵，優(yōu)化了7種物質(zhì)可能形成的半醌式自由基，以PG為例畫出形成自由基時(shí)有無氫鍵的結(jié)構(gòu)，結(jié)果見圖2。各個(gè)物質(zhì)自由基的能量列于表2中。

酚類化合物清除自由基的活性，取決于環(huán)上羥基抽氫反應(yīng)的難易和抽氫后生成自由基的穩(wěn)定性。從每種分子自由基的能量來看，三個(gè)酚羥基各去掉一個(gè)H原子后形成的自由基，有兩個(gè)氫鍵的自由基(1-OH-a、2-OH-a、3-OH-a)最穩(wěn)定，其次是含有一個(gè)氫鍵的自由基(1-OH-b、1-OH-c、2-OH-b、2-OH-c、3-OH-c)，最不穩(wěn)定的是不含氫鍵的自由基(2-OH-d)。但含有一個(gè)氫鍵自由基時(shí)，OH的H與相鄰C=O雙鍵的O形成氫鍵的自由基比OH的H與相鄰OH的O形成氫鍵的自由基更穩(wěn)定，如1-OH-b比1-OH-c穩(wěn)定，3-OH-c比3-OH-b穩(wěn)定。

表2 各個(gè)自由基的能量(單位：a.u.)

2.2 反應(yīng)活性位點(diǎn)確定

2.2.1 GA類化合物及其自由基的結(jié)構(gòu)參數(shù)

根據(jù)表1知，每種分子的結(jié)構(gòu)I的能量較低，較穩(wěn)定，表3列出了各化合物構(gòu)型I的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。酚類化合物清除自由基活性與酚羥基鍵強(qiáng)度成反比，O-H鍵長越長，鍵強(qiáng)度越低，則抗氧化劑活性越高。從表2可以看出，7種物質(zhì)的RO(2)-H(2)> RO(1)-H(1)> RO(3)-H(3)，說明C(2)位的酚羥基鍵最弱，即7種物質(zhì)的C(2)位的羥基氫原子可能更容易失去。

表3 GA及其衍生物的主要幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)(鍵長單位：nm)

鑒于各自由基的穩(wěn)定性，后面討論半醌式自由基時(shí)主要以形成的雙氫鍵自由基作為基礎(chǔ)來討論。比較表2含有兩個(gè)氫鍵的自由基，發(fā)現(xiàn)各個(gè)物質(zhì)的2-OH-a自由基能量最低，其次是1-OH-a，3-OH-a自由基的能量最高，據(jù)此我們可以初步判斷當(dāng)C(2)上OH失去H原子后形成的自由基最穩(wěn)定。

2.2.2 NBO 電荷布居分析

親電基團(tuán)傾向于進(jìn)攻負(fù)電荷多的原子，親核基團(tuán)傾向于進(jìn)攻正電荷多的原子。人體內(nèi)自由基多是氧自由基，其上的氧原子帶有較大的負(fù)電荷。酚類化合物清除自由基的最主要機(jī)制是酚羥基與自由基發(fā)生抽氫反應(yīng)。所以酚羥基H原子所帶正電荷越正，與自由基上帶負(fù)電荷的氧原子吸引作用越強(qiáng)，就越容易與自由基發(fā)生反應(yīng)。因此帶較大正電荷的酚羥基H原子就是自由基反應(yīng)的最大可能活性位點(diǎn)。表4列出了7種分子的酚羥基H的NBO電荷。從表4可以看出，7種分子的C(2)位的羥基H 原子所帶正電荷稍大，所以2位C 原子上的羥基氫原子與自由基作用稍大，2位C原子上的羥基為最大可能活性位點(diǎn)。

表4 羥基H原子上的NBO電荷布局?jǐn)?shù)

2.2.3 O-H鍵解離焓與電離勢(shì)

目前普遍認(rèn)為[11-12]在非極性溶劑中，抗氧化劑傾向于通過一步抽氫反應(yīng)清除自由基，以鍵解離焓(BDE)為理論指標(biāo)；在極性溶劑中，抗氧化劑清除自由基主要通過電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)進(jìn)行，以電離勢(shì)(IP)為理論指標(biāo)。BDE為理論指標(biāo)對(duì)應(yīng)抗氧化劑清除自由基的一步抽氫機(jī)理，BDE越低說明O-H 鍵越弱，當(dāng)與自由基反應(yīng)時(shí)，越容易斷裂，抽氫反應(yīng)越容易進(jìn)行，相應(yīng)的抗氧化劑活性可能越強(qiáng)。IP為理論指標(biāo)對(duì)應(yīng)抗氧化劑清除自由基的電子轉(zhuǎn)移機(jī)理，IP越小越容易發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，相應(yīng)的抗氧化劑活性可能越強(qiáng)。鍵解離焓和電離勢(shì)可根據(jù)文獻(xiàn)[13]公式、來計(jì)算，其中是母體分子失去氫原子后產(chǎn)生的自由基的焓，是氫原子的焓，是母體分子的焓，是相應(yīng)的自由基陽離子的生成焓。計(jì)算時(shí)設(shè)定溫度為標(biāo)準(zhǔn)溫度，校正因子v = 0.9804[14]。表5列出了計(jì)算得到的GA類化合物的不同羥基的脫氫解離焓和電離勢(shì)。

從表5的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)GA類化合物生成半醌自由基時(shí)，比較這3種斷鍵方式，發(fā)現(xiàn)C(2)上O-H鍵BDE最小，其次是C(1)上O-H和C(3)上O-H鍵的BDE，分別比2號(hào)位要高大約25 kJ·mol-1和27 kJ·mol-1，IP也有類似現(xiàn)象。由此可以判斷生成3種可能的半醌自由基由易到難依次為：2-OH、1-OH、3-OH自由基。此結(jié)論和表2中自由基能量分析的結(jié)果是一致的，2號(hào)位在容易發(fā)生反應(yīng)，體現(xiàn)出較好的抗氧化性。主要原因在于2號(hào)位上發(fā)生抽氫反應(yīng)以后，形成更加穩(wěn)定的分子內(nèi)氫鍵，從而使其產(chǎn)物的穩(wěn)定性較好，容易發(fā)生反應(yīng)。

表5 GA及其衍生物穩(wěn)定自由基的OH鍵解離能和電離勢(shì)(單位：kJ·mol-1)

2.3 抗氧化活性比較

2.3.1 一步抽氫機(jī)理

當(dāng)GA類化合物形成半醌自由基時(shí)，各種物質(zhì)的BDE大小順序?yàn)椋篢BG < BG < IPG < PG < EG < MG < GA，由此可以判定在非極性溶劑中7種物質(zhì)的抗氧化活性為TBG > BG > IPG > PG > EG > MG > GA。影響B(tài)DE的一個(gè)很重要的因素是分子內(nèi)的氫鍵效應(yīng)，分子內(nèi)氫鍵可以穩(wěn)定化合物，也可以穩(wěn)定自由基，但對(duì)后者的穩(wěn)定作用更大。另一個(gè)因素是電子效應(yīng)，給電子取代基降低O-H的BDE，吸電子取代基升高O-H的BDE，7種基團(tuán)(H, CH3, C2H5, C3H7, CH(CH3)2,C4H9, C(CH3)3)的給電子能力依次增強(qiáng)，因此其降低O-H的BDE依次增強(qiáng)，結(jié)果導(dǎo)致7種物質(zhì)的BDE大小為TBG < BG < IPG < PG < EG < MG < GA。

3.3.2 電子轉(zhuǎn)移機(jī)理

（1）電離勢(shì)分析

根據(jù)表5中的數(shù)據(jù)可以看出，在形成半醌自由基時(shí)，各物質(zhì)的IP大小順序?yàn)椋篢BG < IPG < BG < PG < EG < MG < GA，由此可以判斷在極性溶劑中7種分子的抗氧化性為TBG > IPG > BG > PG > EG > MG > GA。

（2）前線分子軌道及軌道能級(jí)分析

前線分子軌道理論認(rèn)為分子在反應(yīng)過程中優(yōu)先起作用的是前線分子軌道。它對(duì)于分子的化學(xué)性質(zhì)特別是其反應(yīng)活性有著決定性作用。一般地講，HOMO對(duì)電子束縛較為松弛，具有電子給予體的性質(zhì)，表現(xiàn)為EHOMO越大，其上電子受核吸引力越小，電子越不穩(wěn)定，越易失去。抗氧化機(jī)理中參數(shù)IP與最高占據(jù)軌道(HOMO)的能級(jí)密切相關(guān)。在以IP為指標(biāo)的單電子轉(zhuǎn)移機(jī)理中，從母體化合物中轉(zhuǎn)移一個(gè)電子的難易程度，直接決定了化合物抗氧化能力的強(qiáng)弱。而對(duì)母體化合物而言，其最高占據(jù)軌道(HOMO)能級(jí)越高，軌道中的電子受到原子核的束縛越松弛，就越容易發(fā)生質(zhì)子伴隨的電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，分子的抗氧化性就越好。7個(gè)分子的HOMO數(shù)值見表6。從表6中可看到，7種分子的HOMO能級(jí)順序?yàn)門BG > IPG > BG ≈ PG ≈ EG > MG > GA，由此可以判斷在極性溶劑中，抗氧化性TBG優(yōu)于IPG，BG、PG、EG三物質(zhì)的抗氧化性相差不大，都比MG、GA的抗氧化性強(qiáng)。另外，對(duì)比7種分子的前線軌道能量和其去掉H原子以后的自由基前線軌道能量，可以看出失去H原子后，導(dǎo)致其電子最高占據(jù)軌道能級(jí)降低，從而使其失電子能力降低，即還原性降低。從理論上得出7種分子分子具有還原性的特征是由于它容易失去H 自由基。

表6 GA及其衍生物的最高占據(jù)軌道能 (a.u.)

通過電離勢(shì)和前線分子軌道分析知，在極性溶劑中抗氧化性TBG優(yōu)于IPG，BG、PG、EG三物質(zhì)的抗氧化性相差不大，都比MG、GA強(qiáng)。區(qū)別于抽氫反應(yīng)機(jī)理，IPG的抗氧化性優(yōu)于BG。

3 結(jié)論

采用B3LYP/6-311＋G(d,p)方法對(duì)7種GA類化合物抗氧化活性進(jìn)行了研究，計(jì)算結(jié)果表明，7種物質(zhì)在生成半醌自由基時(shí)2-OH活性最高，羥基上的氫最容易被含氧自由基提取，最有可能參與自由基的清除，這主要是由于GA類化合物C(2)位相鄰羥基之間的弱氫鍵相互作用，這種額外的共軛穩(wěn)定性以及協(xié)同作用增強(qiáng)了2-羥基的活性，這跟馬耀等[9]的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果是一致的。同時(shí)比較7種物質(zhì)的抗氧化活性發(fā)現(xiàn)，在極性溶劑中7種化合物的抗氧化活性：TBG > BG > IPG > PG > EG > MG > GA，非極性溶劑中抗氧化性為TBG > IPG > BG ≈ PG ≈ EG > MG > GA。GA類化合物的抗氧化活性不同，主要受苯環(huán)上羰基取代基性質(zhì)的影響。

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Theory Study on the Antioxidation Activity of Gallic Acid and its Derivatives

*PEI Ling1,2, ZHANG Hai-xia1,2, ZHANG Yan1,2

(1.Department of Chemical Engineering, Binzhou University, Binzhou, Shandong 256603, China;2. Binzhou Key Laboratory of Material Chemistry, Binzhou, Shandong 256603, China)

The geometrical structures of gallic acid and its derivatives including methyl gallate (MG), ethyl gallate (EG), propyl gallate (PG), isopropyl gallate (IPG), butyl gallate (BG) and tertbutyl gallate (TBG) were calculated by using the Density Functional Theory (DFT) B3LYP method at the level of 6-311+G (d, p). The possible mechanism of scavenging free radicals of the seven compounds were discussed in detail based on the analysis of molecular structures, NBO charges on hydrogen atoms, the dissociation energy and ionization potential of O-H bonds, the energies of the highest occupied molecular orbital (HOMO) and the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO), the energy gap between HOMO and LUMO, and etc. The calculated results showed that C2-OH should be the most active site for eliminating free radicals, next as the C1-OH and C3-OH. Pumping hydrogen reaction indicated that the order of the antioxidative activities of seven compounds in non-polar solvent listed as: TBG > BG > IPG > PG > EG > MG > GA. Electron transfer mechanism indicated that the order in polar solvent listed as: TBG > IPG > BG ≈ PG ≈ EG > MG > GA.

gallic acid; antioxidation; dissociation enthalpy; DFT

1674-8085(2015)04-0027-07

O 641

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2015.04.006

2015-04-04；修改日期：2015-06-01

山東省濱州市科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2014ZC0306），濱州學(xué)院科研基金項(xiàng)目（BZXYG1210）

*裴 玲(1980-)，女，山東鄒平人，講師，碩士，主要從事量子化學(xué)理論計(jì)算研究(E-mail:peiling1201@163.com);

張海霞(1988-)，女，山東無棣人，助教，碩士，主要從事膠體與界面化學(xué)研究(Email:angle00521@163.com);

張 巖(1983-)，女，山東棗莊人，講師，主要從事天然有機(jī)物的提取研究(E-mail:yanzhang19@163.com).