木犀草素分子密度泛函理论研究

孙立卿，周长会，吴启勋

（青海民族大学 化学与生命科学学院，青海 西宁 810007）

木犀草素作为天然黄酮类化合物之一，多以糖苷形式广泛存在于自然界的植物体和天然药材中[1]，木犀草素具有广泛的药理活性和潜在的药用价值[2]，它具有抗氧化、抗炎、抗菌和抗癌等多种药理作用[3].临床上主要用于止咳、祛痰、消炎等.为更好地研究木犀草素分子的作用机理，本文利用密度泛函理论[4]计算了木犀草素分子的有关结构参数[5]，对木犀草素分子的活性部位进行了分析，为木犀草素的药理活性研究提供了理论依据[6].

1 计算方法

本文采用 Gussian03软件包 DFT/B3LYP方法，在 6-311G（d，p）基组水平下对木犀草素分子进行理论计算，获得了木犀草素的结构参数，利用理论值来研究木犀草素分子的活性部位.主要计算过程是，首先使用ChemDraw Ultra 8.0软件绘制出分子的结构式，并用Chem3D Ultra8.0软件对木犀草素分子进行结构预优化，创建高斯输入文件；再用Gussian03软件包中 B3LYP/6-311G（d， p）方法进行几何优化（见图1）和电子结构计算，包括木犀草素分子慕林肯电荷、键长、键角、二面角、最高占据轨道能、最低空轨道能、总能量及偶极矩等结构参数.全部计算研究是在PC-Intel（R）Core（TM）i5-3210M CPU@2.5GHZ内存为3.5G的PC机上完成的.

2 结果和数据分析

2.1 木犀草素分子的几何构型和结构参数

在 B3LYP/6-311G（d，p）的基组下，获得了木犀草素分子的稳定结构式（能量最低时的结构如图 1）并计算出了木犀草素分子的键长、键角、二面角（见表 1），通过木犀草素分子的二面角说明 A、B、C不在同一个平面上.根据木犀草素分子的慕利肯电荷（如表 2）我们可以看出木犀草素分子中酚羟基及酮基处的电荷密度较大，这说明这些部位相对比较活泼，是分子发生化学反应的主要位置.经计算木犀草素分子的能量为-1 029.23A.U，这说明木犀草素分子的结构相对较为稳定.

2.2 结构参数对化学性质的影响

键参数是可以表征化学键性质的物理参量，由表 1中的键角和二面角可以看出木犀草素分子环 A和环 B几共平面，而环B环C有一定的夹角，这使得A与C环产生扭曲，稳定性相对降低.由表2可知C14-O18的键长比C15-O17稍长，说明共轭π键对酚羟基键RO18-H的拉力比其它分子的要小，说明C14-O18键能低，容易断裂，同时由于A环与B环共平面，可将其整体视为吸电子基团，它对C环间位羟基钝化的同时增强对位羟基的活化性，故而RO18-H位置是木犀草素分子的活性部位.由慕林肯电荷分布也可从侧面推出RO18-H部位比较活泼，更容易受到化学试剂进攻，可能是与人体蛋白质结合的靶点位置，所以木犀草素的羟基具有较高的生物活性，根据研究表明它与其它自由基反应生成较稳定的半醌式自由基，进而终止自由基链式反应，稳定活性氧，自由基团被反应成无活性的原子团，方程式如下（R·为自由基，O·为氧自由基）：

黄酮类（OH） + R· → 黄酮类（O·） + RH

在上述反应过程中，通过清除自由基团，黄酮类化合物能够抑制LDL的氧化，保护LDL的功能，从而具有预防动脉粥样硬化功效的作用[7].

图1 木犀草素分子的几何构型

表1 木犀草素分子的主要几何结构参数

续表

表2 木犀草素分子的慕林肯电荷

2.3 前线轨道对化合物性质的影响

根据分子轨道理论：前线轨道对分子的性质和结构起着重要的作用，分子前线轨道是分子发生化学反应的主要部分，所以探究木犀草素分子的生物活性时有必要探究木犀草素分子前线轨道.由木犀草素分子的前线轨道（如图2和图3），可以看出木犀草素整个分子的性质比较活泼，活性较强，可发生取代反应，氧化还原反应和酯化反应等.

图2 木犀草素分子最高占据轨道

图3 木犀草素分子的最低空轨道

根据前线轨道理论，最高占据轨道能越高，轨道上的电子越不稳定，越容易给出电子；最低空轨道能量越低，该轨道越易接受电子；而能极差反应了分子跃迁的难易程度，能级差越小，越容易发生跃迁[8].根据Gassian03W软件计算出木犀草素分子轨道能量（见表3）其中最高占据轨道能为-0.227A.U，最低空轨道能为-0.070A.U，木犀草素分子的能级差为0.157A.U，这说明木犀草素分子的最高占据轨道向最低空轨道跃迁时所需能量较低，容易发生电子跃迁.将木犀草素分子中 C15原子所连羟基去除后计算得到其最高轨道占有能为-0.230 A.U最低空轨道能为-0.071 A.U，能级差为0.159 A.U；同理去掉 C14原子后得出其最高轨道占有能为-0.232 A.U，最低空轨道能为-0.076A.U，能级差为0.156 A.U，这说明去除 C15原子所连酚羟基之后能级差较大，体系越容易发生跃迁，从而说明 C14原子所连酚羟基活性较大.

表3 木犀草素分子各原子轨道能量

3 结语

通过对木犀草素分子的结构参数计算及理论分析，可以得出木犀草素分子的活性部位主要集中在酚羟基、酮基部位，其中 C14所连羟基活性较大，容易受到化学试剂的进攻.根据木犀草素分子的轨道能及能级差，可以说明木犀草素分子较为活泼，可以与醇、酸、还原剂等发生反应.这些木犀草素分子结构性质研究，可为木犀草素的药理活性的研究提供理论依据.

[1] 王继双，何焱，张文静，等.木犀草素的药理作用研究进展[J].生命科学，2013，25（6）:560-565.

[2] 阎高峰，李学刚，袁吕江.木犀草素生物活性研究[J].粮食与油脂，2006（3）:23-29.

[3] 张志恒，李彩瑞，马晶军，等.荧光法研究木犀草素与人血清白蛋白的相互作用[J].光谱学与光谱分析，2008，28（5）:1135-1139.

[4] 高志强，徐强，宋仲容，等.黄酮类化合物抗氧化活性构效关系的密度泛函理论研究[J].化学世界，2008（7）:439-443.

[5] 张鑫，杨英杰，吕庆章.黄芪异黄酮类化合物抗氧化活性的密度泛函理论研究[J].化学研究与应用，2012，24（11）:1662-1669.

[6] 刘小宁，杨英杰，吕庆章.野黄芩的密度泛函理论研究[J].山东大学学报:理学版，2012，47（7）:20-25.

[7] 夏朋滨.黄酮类化合物的来源、结构及作用机制[J].航空航天医药，2010，21（12）:2166-2167.

[8] 刘衍贞.前线轨道理论在化学中的应用[J].潍坊学院学报，2002（2）:42-44.