黄酮类抗氧化剂结构.doc

黄酮类抗氧化剂结构-活性关系的理论解释*张红雨单位：山东师范大学生物系动物抗性生物学省重点实验室, 济南 250014*山东师范大学博士科研启动基金资助项目 ????????? 1998-03-04收稿，1998-06-01收修改稿致谢　在计算过程中与中国科学院研究生院颜达予教授进行了有益的讨论，在此致以诚挚谢意.　摘要　用AM1方法对若干黄酮类抗氧化剂做了计算. 发现: (1) 黄酮化合物邻二酚羟基清除自由基的活性强于间二酚羟基. 原因一是前者半醌式自由基与邻位酚羟基形成分子内氢键, 从而更稳定; 二是前者半醌式自由基通过共振形成邻苯醌, 这使其未成对电子密度在邻位氧上有较多分布, 内能更低. (2) 色原酮类黄酮化合物C环的吸电子性质使它对A环酚羟基有钝化作用, 使其更不活泼. 由于B环受C环影响较小, 而且大多数黄酮类抗氧化剂B环为邻二酚羟基取代, 因此实验总结出的B环酚羟基活性高的规律得以解释.　　关键词　黄酮类抗氧化剂　AM1方法　结构-活性关系　理论解释 　　鉴于氧自由基与疾病的关系十分密切而且又是食品氧化的主要原因［1,2］, 寻找抗氧化剂的工作已在不同领域广泛展开［3,4］. 由于人工合成的抗氧化剂存在副作用大及价格昂贵等多方面的缺陷, 因此近来人们逐渐将注意力转向植物中蕴藏的丰富的天然抗氧化剂, 其中黄酮类化合物(flavonoids)是研究较多的一类［5,6］.　　以前黄酮类化合物主要是指基本母核为2-苯基色原酮(2-phenylchromone)的化合物, 现在则是泛指2个苯环(A与B环)通过中央三碳链相互联结而成的一系列化合物(图1)［7］. 它们的种类很多, 大多在各环都有酚羟基取代. 近来大量的体内和体外研究表明黄酮类化合物有较强的抗氧化活性［8］, 由于它们同时也具有各种药理作用且毒副作用很小, 因而特别引人注目,并且作为抗氧化药物很有发展潜力. 图1　黄酮母核结构式 2-苯基色原酮结构式　 ???? C6-C3-C6联结形式??? ?????? 在黄酮类抗氧化剂的作用机制中, 通过酚羟基与氧自由基反应生成较稳定的半醌式自由基, 从而中止链式反应无疑是最主要的. 对这种机制的结构-活性关系(structure-activity relationships)的研究发现黄酮各个环上的酚羟基活性相差较大, B环酚羟基活性最高, 当C环为色原酮时, 其上的酚羟基也有一定作用, A环酚羟基活性最弱［9］. 但这一经验规律尚无理论解释, 这无疑限制了今后合成、筛选性能更优良的黄酮类抗氧化剂. 为此我们用半经验量子化学方法AM1对几种黄酮化合物进行了计算, 希望能对实验总结出的构效关系给予理论解释. 1　方法 　　本文研究思路为用合适的理论参数代表抗氧化剂的活性, 然后观察各种结构因素对此理论参数的影响, 借以阐明抗氧化剂的构效关系.　　由于黄酮类抗氧化剂主要是通过酚羟基与氧自由基反应, 形成共振稳定的半醌式自由基而中断链式反应的, 因此共振半醌式自由基的稳定性与抗氧化剂活性成正相关. 在比较了多种指标之后发现, 抗氧化剂形成半醌式自由基前后的生成热之差(ΔHOF)是最好的衡量其活性的理论参数［10］，1). ΔHOF越低说明自由基越稳定, 相应的抗氧化剂活性越强.　　具体计算步骤如下: 先用PCMODEL程序中的分子力学方法MMX对各分子进行结构优化［11］, 所得结果作为分子的初始结构, 然后用MOPAC7软件包中的AM1方法对分子的不同状态(基态、自由基、形成或不形成分子内氢键等)进行量子化学计算［12］. 为了与基态进行比较, 对自由基的计算用RHF方法, 加入关键词ESR. 　　抗氧化剂的结构式见图2. 图2　若干抗氧化剂的结构式 2　结果与讨论 　　从黄酮类抗氧化剂结构上分析, B环酚羟基与A环酚羟基有两点差别. 首先前者的2个OH多处于邻位, 而后者则多处于间位(参见文献［9］的结构式). 显然邻位OH被抽氢产生自由基后可借助形成分子内氢键得以稳定(以槲皮素为例示如图3中Ⅰ),因而抗氧化活性更高, 而且邻位OH的自由基可通过共振形成邻苯醌(图3中Ⅱ,Ⅳ), 这也可降低其内能从而提高自由基的稳定性, 而间位酚羟基不具备这两种稳定机制. 其次A环与C环的共轭较好, 从理论上分析色原酮类C环的吸电子性质将使A环的OH的OH键能增大, 不利于H的解离［10］, 因而降低A环OH的活性, 而与C环共轭较差的B环受这种影响较小. 总起来看A环与B环的这两点差别可能是导致B环OH活性高的原因. 以下用AM1方法对此进行深入研究. 图3　槲皮素清除自由基示意图 2.1　经验规律的验证　　首先对典型的黄酮类抗氧化剂槲皮素(quercetin, 图2中A)、桑色素