耿佳琳，焦玉苗，焉炳飛，方圣濤，李文佐

（1. 煙臺(tái)大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院， 山東 煙臺(tái) 264005； 2. 中國(guó)科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所，山東 煙臺(tái) 264003）

羅布麻中5種黃酮化合物抗氧化活性DFT研究

耿佳琳1，焦玉苗1，焉炳飛1，方圣濤2，李文佐1

（1. 煙臺(tái)大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院， 山東 煙臺(tái) 264005； 2. 中國(guó)科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所，山東 煙臺(tái) 264003）

采用 B3LYP方法在 6-311+G（2d， p）基組水平上，對(duì)羅布麻中分離得到的 5種黃酮類(lèi)化合物plumbocatechin A （I）、甲雷杜辛 （II）、表兒茶素 （III）、山奈酚 （IV） 和槲皮素 （V） 進(jìn)行了密度泛函（DFT）理論研究，從5個(gè)黃酮分子的幾何結(jié)構(gòu)、羥基氫原子的NBO電荷、最低空軌道（LUMO）能量、最高占據(jù)軌道（HOMO）能量和最低空軌道與最高占據(jù)軌道能級(jí)差ΔE（LUMO-HOMO）方面評(píng)價(jià)了5 種羅布麻黃酮類(lèi)化合物抗氧化活性。結(jié)果表明，5 種黃酮類(lèi)化合物的抗氧化能力大小為：山奈酚 ＞ 槲皮素 ＞ 甲雷杜辛＞ plumbocatechin A ＞ 表兒茶素。

羅布麻；黃酮類(lèi)化合物；密度泛函；抗氧化活性

羅布麻 （Apocynum venetum Linn.） 為夾竹桃科Apocynaceae羅布麻屬直立半灌木，在我國(guó)資源非常豐富，分布于新疆、青海、甘肅、陜西、山西、河南、河北、江蘇、山東、遼寧及內(nèi)蒙古等省區(qū)，主要野生在鹽堿荒地和沙漠邊緣及河流兩岸、沖積平原、河泊周?chē)案瓯诨臄偵希?］。羅布麻葉是我國(guó)傳統(tǒng)中藥材，它具有顯著的平肝安神、清熱利水等藥效，主要被用于肝陽(yáng)眩暈、心悸失眠以及浮腫尿少等病癥的治療［2］。經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，黃酮類(lèi)化合物是羅布麻葉的主要活性成分。黃酮化合物具有降血壓、降血脂、抗氧化、消除自由基、抗抑郁以及預(yù)防癌癥等多種藥理活性［3］。

上世紀(jì)60至80年代，我國(guó)科學(xué)家對(duì)羅布麻葉以及根部進(jìn)行了全面細(xì)致的研究，并取得了一系列有用的成果，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了羅布麻葉是一味臨床療效十分確切的中草藥，然而，我們發(fā)現(xiàn)大部分的實(shí)驗(yàn)并沒(méi)有進(jìn)行深入研究；近些年來(lái)，國(guó)外一些科學(xué)家對(duì)羅布麻葉產(chǎn)生了濃厚的興趣，進(jìn)行了更為深入細(xì)致的研究，從羅布麻葉中分離得到了許多新化合物，并通過(guò)活性評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)許多新穎的藥理活性，已然成為了一個(gè)新的研究熱點(diǎn)［4，5］。本研究小組首次對(duì)生長(zhǎng)于山東半島鹽堿地中的羅布麻葉的化學(xué)成分進(jìn)行了研究報(bào)道，共從羅布麻葉中分離得到5個(gè)黃酮類(lèi)化合物（圖1）［6］。為了更為深入的了解羅布麻黃酮類(lèi)化合物抗氧化活性以及其抗氧化活性與結(jié)構(gòu)的內(nèi)在聯(lián)系，本文采用密度泛函方法，對(duì)5種黃酮類(lèi)化合物plumbocatechin A （I）、甲雷杜辛 （II）、表兒茶素 （III）、山奈酚 （IV）、槲皮素 （V） 進(jìn)行了抗氧化活性理論研究，對(duì)發(fā)現(xiàn)抗氧化藥物先導(dǎo)化合物以及天然黃酮類(lèi)化合物的高值利用及其結(jié)構(gòu)修飾和全合成提供理論上的指導(dǎo)。

1 計(jì)算方法

DFT（密度泛函理論）是研究有機(jī)小分子化合物結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的有效方法［7-11］。本文應(yīng)用 DFT方法中的B3LYP泛函方法在6-311+G（2d， p）基組計(jì)算水平下，對(duì)5個(gè)從生長(zhǎng)于山東半島鹽堿地中的羅布麻葉中分離得到的黃酮類(lèi)化合物進(jìn)行全參數(shù)優(yōu)化。在優(yōu)化好構(gòu)型的基礎(chǔ)上用相同的計(jì)算水平上對(duì)5個(gè)黃酮類(lèi)化合物進(jìn)行了振動(dòng)分析。此外，還對(duì)5個(gè)黃酮類(lèi)化合物進(jìn)行自然鍵軌道 （NBO） 分析以及前線分子軌道分析。所有計(jì)算采用Gaussian09程序［12］。

圖1 5種羅布麻黃酮類(lèi)化合物的分子結(jié)構(gòu)Fig.1 The molecular structures of the five flavonoids compounds

2 結(jié)果與討論

2.1 幾何參數(shù)

采用DFT方法在B3LYP/6-311+G（2d， p）基組水平優(yōu)化得到了plumbocatechin A （I）、甲雷杜辛 （II）、表兒茶素 （III）、山奈酚 （IV） 以及槲皮素 （V） 的基態(tài)幾何構(gòu)型。優(yōu)化結(jié)果表明，5種黃酮化合物分子均屬C1點(diǎn)群。主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

黃酮類(lèi)化合物清除自由基的活性取決于酚羥基的個(gè)數(shù)和位置。本文研究的5種黃酮類(lèi)化合物的羥基數(shù)目順序?yàn)椋簆lumbocatechin A = 表兒茶素 =山奈酚 ＞ 槲皮素 ＞ 甲雷杜辛。異黃酮和甲雷杜辛的羥基數(shù)目最少，推測(cè)其抗氧化活性可能最弱。由分子的價(jià)鍵理論可知，分子的鍵長(zhǎng)越長(zhǎng)，化學(xué)鍵的能量越小，化學(xué)鍵越容易斷裂，化合物的化學(xué)性質(zhì)越活潑。在化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，總是伴隨著舊化學(xué)鍵的斷裂和新化學(xué)鍵的生成，化合物中化學(xué)鍵的鍵長(zhǎng)越長(zhǎng)，化學(xué)鍵越容易發(fā)生斷裂，其參加反應(yīng)的活性越高?？梢?jiàn)分子化學(xué)鍵的強(qiáng)度與其鍵長(zhǎng)有著密切聯(lián)系，因此，我們可以通過(guò)判斷化學(xué)鍵的鍵長(zhǎng)來(lái)推斷其反應(yīng)活性。從表1可看出，5種黃酮類(lèi)化合物相同環(huán)上酚羥基的鍵長(zhǎng)近似相等，不同環(huán)上的酚羥基鍵長(zhǎng)略有差異，其中，山奈酚和槲皮素C5位連接的酚羥基鍵長(zhǎng)最長(zhǎng)，約為0.996 ?，說(shuō)明山奈酚和槲皮素在C5位上的酚羥基的O—H鍵強(qiáng)度較弱，即它們?cè)贑5位羥基上的氫原子可能最容易失去，推測(cè)其抗氧化活性可能最強(qiáng)。

表1 化合物I～V主要的結(jié)構(gòu)參數(shù) （埃、度）Table 1 The main molecular structure parameters of compounds I～V （Angstroms or Degrees）

2.2 電荷分布

藥物分子的電荷分布對(duì)藥物的活性有重要的影響，當(dāng)受體與藥物分子發(fā)生作用時(shí)，必然會(huì)通過(guò)兩者之間電子的相互作用來(lái)達(dá)到治療的目的，因此，對(duì)藥物分子內(nèi)電荷分布進(jìn)行研究分析可以揭示其與受體的作用點(diǎn)。人體內(nèi)以羥基自由基 （·OH） 破壞力最強(qiáng)，·OH上的氧原子帶有較大的負(fù)電荷，傾向于進(jìn)攻正電荷多的原子。研究表明，黃酮化合物在清除自由基的過(guò)程中，最主要的機(jī)制是通過(guò)分子上的酚羥基與·OH發(fā)生抽氫反應(yīng)。所以酚羥基H原子所帶正電荷越大就越傾向于吸引·OH，因此，黃酮化合物中帶有較大正電荷的酚羥基H原子就是清除自由基反應(yīng)的最大可能活性位點(diǎn)。

表2 酚羥基上氫原子的NBO電荷Table 2 NBO charges on phenolic hydrogen atoms

從表2中數(shù)據(jù)可看出，山奈酚和槲皮素C5位酚羥基氫原子上的正電荷最大，最容易吸引·OH自由基，活性最強(qiáng)，這與前文分子價(jià)鍵理論分析是一致的。考慮到，山奈酚C3與C4’位酚羥基氫原子上的正電荷均大于槲皮素，因此認(rèn)為抗氧化活性山奈酚＞ 槲皮素。雖然plumbocatechin A和表兒茶素C4’位酚羥基氫原子上的正電荷相對(duì)較大，考慮到這些鄰位的羥基容易形成分子內(nèi)氫鍵，從而使得酚羥基氫較為穩(wěn)定，不易被·OH自由基抽走。劉莉華等［13］發(fā)現(xiàn)黃酮化合物C5和C7位上的羥基為其活性位點(diǎn)，這與我們的結(jié)果是一致的。所以綜合考慮其活性應(yīng)該是山奈酚 ＞ 槲皮素 ＞ 甲雷杜辛＞plumbocatechin A ＞ 表兒茶素。

2.3 前線軌道分析

依據(jù)前線分子軌道 （FMO） 理論，分子在發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，F(xiàn)MO的能量直接影響分子的反應(yīng)活性。能量越高的最高占據(jù)軌道HOMO中的電子越不穩(wěn)定，越容易失去，能量越低的最低空軌道LUMO越容易得到電子；同時(shí)，前線分子軌道能級(jí)差Δ E（LUMO-HOMO）的大小反映了分子形成反應(yīng)活化態(tài)所需要的能量大小，即ΔE（LUMO-HOMO）值越小，形成活化態(tài)所需要的能量越小，反應(yīng)活性越高，分子越活潑，抗氧化活性越強(qiáng)［14］。在B3LYP/6-311+G（2d， p）優(yōu)化好的基礎(chǔ)上計(jì)算得到的相同水平下的5個(gè)分子的前線軌道能及能量差列于表3。

表3 5個(gè)分子的最低空軌道能和最高占據(jù)軌道能以及兩者之差Table 3 The energies of LUMO， HOMO and ΔE（LUMO-HOMO）of the five molecules J/mol

從表3中數(shù)據(jù)可看出，山奈酚、槲皮素和甲雷杜辛的ΔE（LUMO-HOMO）值要明顯小于 plumbocatechin A和表兒茶素，比較5種化合物的ΔE（LUMO-HOMO）可得：ΔE（山奈酚） ＜ ΔE（槲皮素） ＜ ΔE（甲雷杜辛） ＜ Δ E（表兒茶素） ＜ ΔE（plumbocatechin A）；雖然plumbocatechin A的HOMO能級(jí)高于其他化合物，該軌道上的電子較不穩(wěn)定，反應(yīng)活性較強(qiáng)，然而考慮到其LUMO能量太高，不易接受外來(lái)電子，因此其活性并不會(huì)太高。綜合比較5種化合物的抗氧化活性順序?yàn)椋荷侥畏?＞ 槲皮素 ＞ 甲雷杜辛＞plumbocatechin A ＞ 表兒茶素。

3 結(jié) 論

本文用Gaussian09軟件包，采用密度泛函理論DFT的B3LYP泛函方法，并在6-311+G（2d， p）機(jī)組水平上，對(duì)羅布麻中分離得到的5種黃酮類(lèi)化合物plumbocatechin A （I）、甲雷杜辛 （II）、表兒茶素 （III）、山奈酚 （IV） 和槲皮素 （V） 進(jìn)行了抗氧化活性理論研究。優(yōu)化得到了5種黃酮類(lèi)化合物的幾何構(gòu)型，在優(yōu)化好構(gòu)型的基礎(chǔ)上用相同的計(jì)算水平上對(duì)5個(gè)黃酮類(lèi)化合物進(jìn)行了振動(dòng)分析。此外，還對(duì)5個(gè)黃酮類(lèi)化合物進(jìn)行自然鍵軌道 （NBO） 分析以及前線分子軌道分析。通過(guò)綜合比較5種黃酮類(lèi)化合物的抗氧化活性順序?yàn)椋荷侥畏?＞ 槲皮素 ＞ 甲雷杜辛＞ plumbocatechin A ＞ 表兒茶素。本工作為羅布麻中黃銅化合物的開(kāi)發(fā)利用提供了有益參考。

［1］ 中國(guó)科學(xué)院植物志編委會(huì). 中國(guó)植物志（第63卷）［M］.北京: 科學(xué)出版社，1977.

［2］中國(guó)藥典［S］. 一部. 2010.

［3］侯晉軍， 韓利文， 楊官娥， 等. 羅布麻葉化學(xué)成分和藥理活性研究進(jìn)展［J］.中草藥， 2006， 37（10）: 附7-附9.

［4］王明時(shí)， 劉靜涵， 劉衛(wèi)國(guó). 羅布麻化學(xué)成分的研究［J］.南京藥學(xué)學(xué)報(bào)，1966， 13（8）: 589-595.

［5］Yokozawa T.， Nakagawa T. Inhibitory effects of Luobuma tea and its components against glucose-mediated protein damage［J］ Food Chem. Toxicol. 2004， 42（6）: 975-981.

［6］Kong N. N.， Fang S. T.， Liu Y.， et al. Flavonoids from the halophyte Apocynum venetum and their antifoulingactivities against marine biofilm-derived bacteria［J］.Natural Product Research， 2014， 28（12）: 928-931.

［7］徐鵬宇， 蘇婉芬， 鐘愛(ài)國(guó). 甲卡西酮光譜性質(zhì)的密度泛函模擬與指認(rèn)［J］.當(dāng)代化工， 2014， 43（3）: 334-336.

［8］焉炳飛， 朱亞南， 方圣濤， 等. 過(guò)氧化麥角甾醇分子的密度泛函理論研究［J］.當(dāng)代化工， 2015， 44（4）: 726-728.

［9］肖翠平， 程建波， 王進(jìn)軍， 等. 鐵屎米酮類(lèi)生物堿分子化學(xué)位移的理論研究［J］.分子科學(xué)學(xué)報(bào)， 2011， 27（4）: 283-286.

［10］孫彩霞， 焉炳飛， 李文佐， 等. 蘆竹堿分子的密度泛函理論研究［J］.煙臺(tái)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)與工程版）， 2014， 27（3）: 173-176.

［11］焉炳飛， 肖翠平， 李文佐， 等. 帕拉米韋分子的密度泛函理論研究［J］.煙臺(tái)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)與工程版）， 2015， 28（1）: 18-23.

［12］Frisch M. J.， Trucks G. W.， Schlegel H. B.， et al. Gaussian 09［C R］.Wallingford: Gaussian， Inc， 2009.

［13］劉莉華， 宛曉春， 李大祥. 黃酮類(lèi)化合物抗氧化活性構(gòu)效關(guān)系的研究進(jìn)展（綜述）［J］.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2002， 29（3）: 265-270.

［14］李新芳， 王學(xué)業(yè)， 劉萬(wàn)強(qiáng)， 等. 酚類(lèi)抗氧化劑結(jié)構(gòu)-活性的ab initio研究［J］.計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)， 2005， 22（4）: 287-290.

Density Functional Theory Study on Antioxidation Activity of Five Flavones From Apocynum venetum

GENG Jia-lin1，JIAO Yu-miao1，YAN Bing-fei1，2，F(xiàn)ANG Sheng-tao2，LI Wen-zuo1
（1. School of Chemistry and Chemical Engineering，Yantai University，Shandong Yantai 264005，China；2. Yantai Institute of Coastal Zone Research，Chinese Academy of Sciences，Shandong Yantai 264003，China）

Five flavonoids compounds from Apocynum venetum， including plumbocatechin A （I）， 8-O-methylretusin（II）， epicatechin （III）， kaempferol （IV） and quercetin （V）， were studied by using DFT （Density Functional Theory）B3LYP method and 6-311G+（2d， p） basis set. The antioxidant properties of the five flavonoids were investigated in detail though their molecular geometry， the NBO charges on geometry hydrogen atoms， the energies of the lowest unoccupied molecular orbital （LUMO）， the energies of the highest occupied molecular orbital （HOMO）， and the energy gap between LUMO and HOMO （ΔE（LUMO-HOMO））. As a result， the antioxidant ability order of the five flavonoids compounds is as follows：kaempferol ＞ quercetin ＞ 8-O-methylretusin ＞ plumbocatechin A ＞ epicatechin.

Apocynum venetum； Flavonoids； DFT； Antioxidation activity

O 641

A

1671-0460（2015）12-2763-03

煙臺(tái)大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目（140511） ； 煙臺(tái)大學(xué)研究生科技創(chuàng)新基金資助（YJSZ201411）。

2015-08-27

耿佳琳（1994-），女，山東濱州人，煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院應(yīng)用化學(xué)專(zhuān)業(yè)。E-mail：493360774@qq.com。

李文佐（1977-），男，副教授，博士，研究方向：物理有機(jī)化學(xué)。E-mail：liwenzuo2004@126.com。