昆仑雪菊中2个查尔酮化合物抗氧化活性构效关系

胡栋宝 周文兵 张福鹏　姜发艳　杨赛娇

摘要 [目的] 研究昆仑雪菊中2个查尔酮化合物的抗氧化活性的大小顺序，解释这2个化合物抗氧化活性产生差异的原因。[方法] 采用密度泛函理论（DFT）方法在B3LYP/6-311++G（d，p）计算水平下对2个查尔酮化合物进行了电子结构、酚羟基氢键解离能、分子轨道能级差3个方面的数据分析。[结果] 2个查尔酮化合物抗氧化活性的大小与分子结构中酚羟基数目及分子内氢键数目多少呈正相关，与酚羟基氢键解离能、分子轨道能级差呈负相关。[结论] 理论模型预测结果与试验所测结果一致，解释了试验上2个化合物抗氧化活性大小差异的原因。

关键词 昆仑雪菊；查尔酮；抗氧化活性；构效关系

中图分类号 TS201.2 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2017）01-0094-03

The Antioxidant Activity StructureActivity Relationship of Two Chalcone Compounds in Kunlun Chrysanthemum

HU Dongbao1，2， ZHOU Wenbing1， ZHANG Fupeng2 et al

（1. Yuxi Branch of Yunnan Tobacco Company， Yuxi， Yunnan 653100；2. School of Resource and Environment， Yuxi Normal University， Yuxi， Yunnan 653100）

Abstract [Objective] To study the antioxidant activity of two chalcone compounds of Kunlun chrysanthemum and explain the causes of the differences in antioxidant activity of two compounds. [Method] Using density functional theory（DFT） method at B3LYP/6311++G （d， p） level， the electronic structure， hydroxyl hydrogen bond dissociation energy and molecular orbital energy in two chalcone compounds were analyzed. [Result] The antioxidant activity of two chalcone compounds were positively correlated with number of phenolic hydroxyl groups and number of intramolecular hydrogen bonds in molecular structure， negatively correlated with the phenolic hydroxyl hydrogen bond dissociation energy， molecular orbital energy levels. [Conclusion] The forecast results of theoretical model were consistent with the experimental results， which explained the causes of the differences in antioxidant activity of two compounds in the experiment.

Key words Kunlun chrysanthemum；Chalcone；Antioxidant activity；Structureactivity relationship

自由基是指带有未成对电子的分子、原子或离子。由于未成对电子总是有成对的趋向，因此自由基很容易发生失去或得到电子的反应而显示出较活泼的化学性质[1]。正常情况下，人体内自由基的产生和清除应当是平衡的，这样身体才能保持健康，如果人体内自由基的数量过多就会损坏细胞成分，干扰人体的正常代谢活动，引起疾病發生，加速人体衰老进程[2]。目前，很多保健产品都是利用了其中的有效成分抗氧化剂对有害自由基的清除作用原理，如茶多酚、锻杏黄酮、葡萄籽和葡萄皮提取物原花青素和白藜芦醇等。从中草药中提取分离出的单体天然抗氧化剂，在疾病的预防和治疗方面发挥着重要作用[3-4]。随着人们对自由基与健康、疾病关系进一步认识，人们对具有抗氧化功能的保健食品的需求不断增长，因此从天然产物中寻找具有显著生物活性的天然抗氧化剂成为目前的研究热点[5]。黄酮类、多酚类天然产物具有抗氧化、抗菌和抗癌等功效，能有效抑制磷酸酶和脂氧化酶等的产生，从传统中药中寻找强天然抗氧化剂正越来越被科研人员所重视。

运用量子化学计算方法研究黄酮类化合物抗氧化活性的影响因素及大小顺序已成为中药有效成分评价的重要手段。胡栋宝等[6]运用量子化学计算方法研究探讨了中药满山红中几种典型黄酮类化合物抗氧化活性的大小顺序并且得到了与试验一致的结果；齐婧敏[7]运用量子化学密度泛函理论（DFT）方法对从黑沙蒿植物中分离得到的4种黄酮类化合物从分子几何结构、不同位置酚羟基解离能及分子轨道能级差大小等几方面进行了抗氧化活性的评估，为认识黑沙蒿植物中黄酮类化合物的抗氧化活性提供了理论方法上的指导。笔者选取昆仑雪菊中2个已经分离得到的具有显著生物活性的查尔酮化合物作为研究对象[8]，采用量子化学的DFT方法对其电子结构、键离解能（BDE）以及轨道能量分布进行了研究，比较了各参数的大小，初步评估出2个查尔酮化合物抗氧化活性的大小顺序，为该种药物的开发与药理活性的研究提供理论上的指导。

1 材料与方法

1.1 材料

供试材料为昆仑雪菊中的2个查尔酮化合物，其分子结构如图1所示。

1.2 方法

采用密度泛函理论（DFT）方法在B3LYP/6-311++G（d，p）计算水平下对2个查尔酮化合物进行了分子结构优化、频率分析、氢键解离能等的计算。所有计算运用Gaussian 09软件包在PcPentium（R）2.0 G的计算机上完成。

2 结果与分析

2.1 分子结构及参数

由图 1可以看出，化合物1分子内具有4个酚羟基，化合物2分子内具有5个酚羟基，主要区别在于后者在3′位比前者多了1个酚羟基。由于化合物2酚羟基较多，相邻位置的酚羟基可以形成分子内的氢键，故化合物2分子内氢键数目（4个）多于化合物1（2个）。张鑫等[9-10]在对甘草黄酮类化合物、黄芪黄酮类化合物抗氧化活性研究时指出，分子内氢键数目中黄酮分子内氢键越多，酚羟基数目越多，分子越稳定，抗氧化活性越强。化合物2无

论是分子内酚羟基的数目还是分子内形成的氢键数目都要 多于化合物1，所以化合物2的抗氧化活性要强于化合物1。从表1中对2个化合物主要的结构参数分析可以看出，2个化合物所有的原子之间彼此形成的二面角几乎都接近1800°，说明2个分子的平面共轭效应较强，都有利于分子结构中电子的离域。由分子价键理论可知，同种类型键的键长越长，键能越小，键越容易断裂，化学性质越活泼。分析2个化合物分子结构中酚羟基的键长数据，2个化合物靠近9位酮基的8′位与9′位氧原子上的氢与酮基更容易形成分子内的氢键，它们的键长都要大于1.000 ，应该是这2个化合物抗氧化的活性位点；化合物2的分子3′位的酚羟基键长由于与相邻2个位置酚羟基都易形成分子内氢键，故这个位置的酚羟基键长仅次于9′位。综上分析，基于酚羟基的键长和数量分析，抗氧化活性应该是化合物2强于化合物1。

2.2 酚羟基解离能分析

酚羟基的键解离能可以用来衡量其消除自由基的相对活性大小。 O-H键解离能越弱，氢键解离能越小与自由基起反应时越容易断键，抗氧化剂活性越强。由表2可知，2个查尔酮化合物酚羟基抽氢解离能的最小值几乎都出现在A环上，说明这2个查尔酮化合物的活性位点主要发生于A环。对于化合物1来说，酚羟基氢键解离能最小值为331.462 365 8 kJ/mol，发生在A环的4位，其次为A环的3位；B环上的2个酚羟基键的解离能较大尤其是靠近酮基的羟基。对于化合物2来说，酚羟基氢键解离能最小值为332.198 209 2 kJ/mol，与化合物1大小数值接近且同样发生在A环的4位，其次为B环的3′位，氢键解离能为351.475 617 6 kJ/mol，主要是因为3′位的羟基同时与相邻的2′位与4′位2个羟基都可以形成分子内氢键，使这个位置氢键解离能变小，这个位置的氢键解离能应该是影响化合物2抗氧化活性的主要因素。综上所述，化合物2结构中A环的4位氢键解离能与化合物1近似相等，但 是B环的3′位氢键解离能更小些，所以抗氧化活性应该是化合物2强于化合物1。

2.3 前线分子轨道及轨道能分析

根据前线分子轨道理论，分子发生化学反应时，能量最高的电子占有轨道（EHOMO和能量最低的电子未占轨道（ELUMO）有着非常重要的作用。EHOMO能量越高，该轨道中的电子越不稳定，越容易给出电子；ELUMO能量越低，该轨道越容易接受电子；最低空轨道与最高占据轨道的能级差△ELUMO-HOMO的大小反映了电子从最高占据轨道向最低空轨道跃迁需要的能量大小，带隙越小，电子越容易被激发，抗氧化活性越强[6-10]。从图2与表3可以看出，尽管化合物2的最高占有轨道能量略低于化合物1，但化合物2的最低空轨道能量EHOMO与最低和最高两级轨道能量差值△ELUMO-HOMO都要低于化合物1，说明最低空轨道能量与两级轨道能量差是影响化合物2抗氧化活性强于化合物1的主要因素之一。

3 结论与讨论

该研究通过量子化学密度泛函理论（DFT）方法在B3LYP/6-311++G（d，p）计算水平下研究了昆仑雪菊中2个查尔酮化合物的电子结构、酚羟基氢键解离能以及分子轨道能级差。结果发现，化合物2的抗氧化活性要强于化合物1，主要原因是由于化合物2分子结构中的酚羟基数目及分子内形成的氢键数目多于化合物1，化合物2分子中最低空轨道与最高占有轨道能级差低于化合物1。理论模型预测结果与试验结果一致，从量子化学微观水平解释了试验观察到的结果。该研究初步评估了2个查尔酮化合物抗氧化活性的大小顺序，为今后该药物的开发与药理活性的研究提供了理论指导。

参考文獻

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