黃酮類化合物抗氧化活性的結(jié)構(gòu)因素

黃酮類化合物抗氧化活性的結(jié)構(gòu)因素

1黃酮和總酚類化合物已經(jīng)證明，自由基與人體的病理（腫瘤、炎癥、動(dòng)脈硬化等）和生理（衰老）密切相關(guān)。大多數(shù)自由基都氧化嚴(yán)重。在生理和生物化學(xué)中，少量自由基會(huì)對(duì)人體的健康健康狀況造成重大損害。避免自由基氧化作用對(duì)預(yù)防疾病和人類健康非常重要，避免含油脂的藥物和食物氧化和變質(zhì)。黃酮是具有酚羥基的一類還原性化合物,在復(fù)雜反應(yīng)體系中,由于其自身被氧化而具有抗氧化作用.黃酮在生物體外和體內(nèi)都具有較強(qiáng)的抗氧化性,具有許多藥理作用,對(duì)人的毒副作用很小.一般認(rèn)為,自由基參加的反應(yīng)的活化能極小,反應(yīng)具有鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的動(dòng)力學(xué)特征.抗氧化劑的抗氧化作用有不同的途徑,最有效的途徑就是抗氧化劑分子的酚羥基與有害自由基反應(yīng)變成較穩(wěn)定的半醌式自由基,從而中止有害自由基的鏈?zhǔn)椒磻?yīng);其次是抗氧化劑通過自身的還原性質(zhì)直接給出電子消耗掉有害自由基.對(duì)于具有多個(gè)酚羥基的化合物,活性最高或者還原性最強(qiáng)的酚羥基將決定物質(zhì)作為抗氧化劑的性能.深入研究黃酮類的抗氧化機(jī)理,對(duì)天然抗氧化劑的篩選,改進(jìn)抗氧化劑的結(jié)構(gòu),獲取性能更加優(yōu)良的抗氧化劑具有重要意義.2各型的耦合力常數(shù)分析由于所研究的對(duì)象有30多個(gè)原子,受計(jì)算機(jī)時(shí)的限制,不可能用量子化學(xué)方法從頭計(jì)算來完成本計(jì)算工作.因此,對(duì)所研究的各個(gè)構(gòu)型,用MOPAC程序包中的AM1方法進(jìn)行優(yōu)化,對(duì)各分子組態(tài):基態(tài)、自由基、負(fù)離子、形成或不形成分子內(nèi)氫鍵的形態(tài)進(jìn)行有關(guān)量子化學(xué)計(jì)算.以相同的方法對(duì)各個(gè)構(gòu)型進(jìn)行力常數(shù)分析,確認(rèn)所研究的構(gòu)型處于穩(wěn)態(tài)或一級(jí)鞍點(diǎn).3黃酮類化合物抗氧化活性的機(jī)制黃酮類物質(zhì)是指兩個(gè)苯環(huán)通過中央三碳鏈相互聯(lián)結(jié)而成的一系列化合物,圖1是桑色素、槲皮素和兒茶素3種黃酮類抗氧化劑的結(jié)構(gòu)式.這類化合物的A環(huán)具有間位羥基取代,B環(huán)有不同結(jié)構(gòu),C環(huán)可以含有鄰位取代或間位取代酚羥基,一般沒有對(duì)位取代.大量實(shí)驗(yàn)證實(shí),黃酮各個(gè)環(huán)上的酚羥基有不同的抗氧化活性,C環(huán)上的酚羥基的抗氧化活性最高,A環(huán)上的抗氧化活性最弱.桑色素、槲皮素和兒茶素3種化合物中,桑色素的抗氧化活性比槲皮素顯著減小,而兒茶素的抗氧化性最弱.計(jì)算結(jié)果顯示,在黃酮類抗氧化劑分子中,A和B環(huán)在同一平面內(nèi)形成共軛π鍵,與C環(huán)共軛π平面的夾角約26°.一般理論認(rèn)為,化合物的反應(yīng)性與靜電荷分布有關(guān),電荷集中的原子就是反應(yīng)的活性中心.黃酮類化合物的結(jié)構(gòu)中,A與B環(huán)形成共軛體系較C環(huán)大,在A環(huán)上形成的半醌式自由基應(yīng)當(dāng)更為穩(wěn)定,從而活性更高.這與實(shí)驗(yàn)事實(shí)不符.桑色素與槲皮素分子結(jié)構(gòu)的差異僅在于C環(huán)上的2個(gè)羥基桑色素是間位而不是鄰位,鄰位取代的羥基在形成半醌式自由基后有可能含有分子內(nèi)氫鍵.從能量上看,一般生成氫鍵使體系能量降低大約8～20kJ/mol,從計(jì)算形成自由基所需的能量看,這對(duì)自由基的形成沒有重大影響.因此經(jīng)典的理論分析不能解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.為尋找指導(dǎo)篩選與改進(jìn)黃酮類抗氧化性的理論依據(jù),需從以下方面研究分子結(jié)構(gòu)與抗氧化活性的關(guān)系.3.1黃酮類半式自由基的抗氧化活性和自由基活性的關(guān)系一般認(rèn)為,黃酮類抗氧化劑是通過酚羥基與自由基反應(yīng),形成共振穩(wěn)定半醌式自由基結(jié)構(gòu),從而中斷鏈?zhǔn)椒磻?yīng),黃酮類分子[flavone—OH]清除自由基R·的反應(yīng)可以表達(dá)為:[flavone—OH]+R?→[flavone—O?]+RH[flavone—ΟΗ]+R?→[flavone—Ο?]+RΗ因此,共振半醌式自由基的穩(wěn)定性越大,黃酮類化合物的抗氧活性越強(qiáng).VanAcker認(rèn)為:抗氧化劑分子形成半醌式自由基前后生成熱之差△HOF越低,自由基越穩(wěn)定.從另外的角度看:由于生成自由基時(shí),體系能量是升高的,△HOF小意味著生成自由基所需要的能量較少,因而容易實(shí)現(xiàn)消除自由基R·的反應(yīng),用來描寫清除自由基R·能力的抗氧化活性就越高.幾種黃酮類半醌式自由基及負(fù)離子的生成熱的計(jì)算結(jié)果列于表1.數(shù)據(jù)提示,黃酮類化合物在形成不同位置的自由基時(shí),都需要獲得能量.對(duì)所列舉的3種黃酮類化合物,脫去H18成為自由基所需的能量比脫去其它酚羥基氫都高.對(duì)于這3個(gè)化合物,在能量上,在B環(huán)或C環(huán)形成半醌式自由基都比形成A環(huán)半醌式自由基更為有利,也更為穩(wěn)定.因此B環(huán)和C環(huán)自由基的抗氧化活性較A環(huán)強(qiáng).從能量上考慮所得的結(jié)論與實(shí)驗(yàn)事實(shí)完全一致.因此,半醌式自由基的△HOF的大小是解釋黃酮類物質(zhì)抗氧化活性高低的因素之一.從黃酮類分子離解失去氫離子成為負(fù)離子的△HOF數(shù)據(jù)說明,形成黃酮類負(fù)離子使體系能量降低,比其成為半醌式自由基更為有利.負(fù)離子的△HOF代表酚羥基O—H鍵的強(qiáng)度,提示生成負(fù)離子的難易及離子的穩(wěn)定性.一般分子中質(zhì)子離解的難易,與分子中原子所具有的凈電荷相關(guān),與生成自由基的難易沒有直接聯(lián)系.本研究沒有發(fā)現(xiàn)半醌式自由基△HOF與相應(yīng)負(fù)離子的△HOF有關(guān),也沒有找到自由基△HOF與靜電荷分布或與酚羥基的抗氧化活性的關(guān)系.3.2形成半式自由基的hof文獻(xiàn)中指出槲皮素的抗氧化活性遠(yuǎn)大于桑色素的原因在于槲皮素C環(huán)半醌式自由基與鄰位羥基形成分子內(nèi)氫鍵,從而降低了體系的能量,使自由基較為穩(wěn)定.從表1中的數(shù)據(jù)看出,生成含內(nèi)氫鍵的槲皮素C環(huán)半醌式自由基所需要的能量比桑色素自由基低29kJ/mol,不含內(nèi)氫鍵的也低9kJ/mol.說明槲皮素容易生成自由基,抗氧化活性較高,槲皮素與桑色素的這種抗氧化活性的差別并不僅僅在于是否形成氫鍵,更由于鄰位取代與間位取代在結(jié)構(gòu)上的不同,從而造成分子性質(zhì)的差異.為了簡(jiǎn)明探討鄰位取代物形成有內(nèi)氫鍵自由基時(shí)對(duì)抗氧化活性的影響,計(jì)算圖2所示的6種羥基取代苯的半醌式自由基的生成熱、形成自由基的△HOF,結(jié)果列于表2.數(shù)據(jù)顯示,間苯二酚形成自由基的△HOF比含內(nèi)氫鍵鄰苯二酚自由基高33kJ/mol,比無內(nèi)氫鍵鄰苯二酚自由基也高15kJ/mol.間苯三酚形成自由基所需要的能量(△HOF)與間苯二酚大致相當(dāng),鄰苯三酚無論脫去哪一個(gè)酚羥基上的氫形成自由基所需的能量都比間位取代低,[M-H11]·比間苯三酚的低46kJ/mol.這些數(shù)據(jù)很好解釋鄰苯三酚抗氧化性最強(qiáng)、鄰苯二酚次之、苯酚最弱、間苯三酚和間苯二酚次弱,鄰位酚羥基越多抗氧化性活性也越高的實(shí)驗(yàn)事實(shí).這些結(jié)果與槲皮素和桑色素之間抗氧化活性的差別相同,也說明鄰位取代物比間位取代物更容易變成半醌式自由基.鄰位取代物抗氧化活性更高,其原因并不僅僅是鄰苯二酚可以形成含有氫鍵的自由基.對(duì)苯二酚是熟知的還原劑,其生成半醌式自由基的△HOF與含氫鍵鄰位取代羥基酚自由基差別并不顯著(高2～8kJ/mol),對(duì)位羥基酚自由基比鄰位取代無氫鍵羥基酚自由基小10kJ/mol,與其相對(duì)于鄰苯二酚的抗氧化活性差別一致.黃酮類抗氧化劑幾乎沒有含有對(duì)位酚羥基取代的情況.用酚羥基脫氫形成自由基的△HOF來判斷黃酮類物質(zhì)的抗氧化活性,不能解釋以下現(xiàn)象:雖然兒茶素在形成各種自由基時(shí),其所需要的能量都比形成相對(duì)應(yīng)的槲皮素或桑色素自由基所需的能量小(自由基較穩(wěn)定),但其抗氧化活性仍然是這3種化合物中最低的.兒茶素與槲皮素在結(jié)構(gòu)上的差別在于B環(huán)上沒有羰基>C4=O21.羰基的存在,使O19-H20、O22-H23的氫原子可以與原子O21形成氫鍵,使分子內(nèi)氫鍵的數(shù)目增加.分子內(nèi)氫鍵的數(shù)目可能是影響黃酮類抗氧化活性的另一因素.圖1,2和3的各個(gè)分子結(jié)構(gòu)中,O原子相鄰的H原子之間的距離在氫鍵鍵長(zhǎng)之內(nèi),并經(jīng)AM1對(duì)分子幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化、計(jì)算確認(rèn)有氫鍵存在.本文論及的各個(gè)分子在形成半醌式自由基后可以形成的氫鍵數(shù)目列于表3和表4.可以看出,當(dāng)形成半醌式自由基的△HOF基本相同時(shí),自由基內(nèi)可形成氫鍵的數(shù)目與分子的抗氧化活性正相關(guān).3.3半式自由基結(jié)構(gòu)及其抗氧化活性圖2中6種羥基取代苯的半醌式自由基的自旋密度分布及負(fù)離子的原子凈電荷分布列于表3.可以看到,鄰苯二酚半醌式自由基的電子自旋密度分布比間苯二酚的分布均勻,對(duì)位酚半醌式自由基的電子自旋密度分布也比間苯二酚的分布均勻.鄰苯三酚半醌式自由基的電子自旋密度分布比間苯三酚的分布均勻.因而,除了生成半醌式自由基的△HOF外,生成自由基的自旋密度分布均勻性是影響抗氧化活性另一因素.自旋密度分布較均勻的半醌式自由基比較容易生成,相應(yīng)的抗氧化性也較強(qiáng).表4列出了兒茶素、桑色素、槲皮素以及槲皮素修飾物的某些半醌式自由基的自旋密度分布.兒茶素自由基各個(gè)原子的電子自旋分布最不均衡,一些原子上的自旋布居只有10-7,這與兒茶素的抗氧化活性較低相對(duì)應(yīng).槲皮素與桑色素的自旋分布比較均勻,但桑色素自由基的△HOF比槲皮素大,因此其抗氧化活性較低.研究圖3所示的3種槲皮素修飾物的一種半醌式自由基的△HOF以及自旋密度分布.BX—1是在槲皮素的C環(huán)上增加一個(gè)鄰位羥基取代,BX—2是在BX—1的基礎(chǔ)上將A環(huán)上的O17—H18羥基從C8移動(dòng)到C9成為C10羥基的鄰位,BX—3是用鄰苯三酚基取代的羰基來取代BX—1的H23,使其增加了鄰苯三酚型的3個(gè)羥基,同時(shí)也增加了形成氫鍵的可能性.已經(jīng)知道,槲皮素修飾物BX—3是具有強(qiáng)抗氧化活性的黃酮類物質(zhì)的茶多酚之一.雖然,其在形成[M—H40]·酚羥基自由基時(shí)的△HOF沒有明顯的優(yōu)勢(shì),而且其電子自旋密度的均勻性也不突出,但其含有的酚羥基數(shù)目以及其能形成的氫鍵數(shù)目都是最多的,因而具有比所列舉的其它幾種黃酮類物質(zhì)有更強(qiáng)的抗氧化活性是合理的.4黃酮類化合物結(jié)構(gòu)的性質(zhì)及其分子抗氧化活性黃酮類物質(zhì)的抗氧化活性的強(qiáng)弱與分子的多個(gè)結(jié)構(gòu)因素有關(guān):(1)形成半醌式自由基時(shí)所需要的能量△HOF低,形成的自由基穩(wěn)定,分子的抗氧化活性就高.在同一分子內(nèi)部,如槲皮素和桑色素的B環(huán)和C環(huán),半醌式自由基具有低△HOF的酚羥基具有較強(qiáng)的抗氧化活性.(2)電子自旋密度分布的均勻性是黃酮類半醌式自由基穩(wěn)定性較高,黃酮類抗氧化性較強(qiáng)的主要原因之一.含鄰二酚羥基的黃酮形成的半醌式自由基,電子自旋密度分布比較均勻,而且分子中半醌式基團(tuán)與鄰位酚羥基形成分子內(nèi)氫鍵使能位降低,使黃酮類化合物中具有鄰二酚羥基的分子比含間二羥酚基的分子抗氧化活性強(qiáng).(3)分子中的酚羥基的數(shù)目和可以形成氫鍵的數(shù)目和分子的抗氧化活性正相關(guān),也是黃酮類化合物具有強(qiáng)抗氧化活性的重要因素.兒茶素與槲皮素在結(jié)構(gòu)上的差別在于B環(huán)上沒有羰基>C4=O21.羰基的存在,使O19—H20、O22—H