不同取代基对酚羟基抗氧化活性影响的计算研究

1、不同取代基对酚羟基抗氧化活性影响的计算研究         08-11-01 11:31:00     作者：王朝杰 吴润 金毅    编辑：studa20【摘要】  目的:研究不同取代苯酚类化合物的抗氧化活性。方法:用杂化密度泛函B3LYP方法在6-31+G(d, p)水平上，分别对20种苯酚类化合物及其自由基的几何结构、电子结构、键解离能等性质进行计算比较研究。结果:所有自由基中C-O键长较分子状态都变短，但其键长与具有真

2、正C=O双键的对苯醌和环己酮相比较又稍长。由Mulliken原子电荷分析，酚羟基抽氢形成自由基后，羟基氧原子电荷数都减少，同时本位碳上的净电荷数值比抽氢前增加。由偶极矩数值显示，苯环上取代基分别位于邻位、间位和对位，其偶极矩依次减小；随着对位取代基上氯原子的增多极性减小。前线轨道组成表明，在抽氢形成自由基后，氧的p-共轭作用增强，使其自旋电子密度降低，但吸电子基团使氧原子上自旋密度增加。中性分子中当苯环上有供电子的基团时，HOMO和LUMO的能差降低，但相差不大，均比环己醇低，而自由基的能差均比环己酮、对苯醌要低。取代苯酚类化合物抗氧化能力大小直接体现于O-H键强度，当取代基为吸电子基团时，所

3、需解离能大，抗氧化活性相对减弱；相反，当取代基团为供电子基团时其抗氧活性加强。结论:烷烃基类取代物易于抗氧化，卤代烃基或硝基类取代物抗氧化活性差。 【关键词】  苯酚化合物 抗氧化 密度泛函 酚羟基    Abstract:  Objective:To explore antioxidant activity of the different substituted phenols. Methods: The geometrical structures, electronic structures, and O-H bond dissocia

4、tion energies of neutral and free radicals of 20 phenol and substituted phenols were calculated with hybrid density functional theory B3LYP method at 6-31+G(d,p) level. Results: The bond length of C-O bond in all free radicals was shorter than that in their neutral compounds but was longer than that

5、 in p-benzoquinone and cyclohexanone with real C=O double bonds. The Mulliken population showed that the net charges of O atom decreased in the free radicals, but the charges of connected C atom increased. And different alkanyls had little affected on spin density of O atom in free radicals，however,

6、 electron-withdrawing groups such as-CHCl2 led to increase. The dipole moments of different alkanyl-phenol compounds were ortho>meta>para order, and nearly all the dipole moments of free radicals of different substituted phenols were bigger than that of the neutral substituted phenols, especia

7、lly the dipole moments of -naphthol were always bigger than that of -naphthol. The frontier molecular orbitals HOMO and LUMO were comprise of p orbital of O atom, p orbital of benzene, and s or p orbital of substitutes, the gap energies difference values for HOMO and LUMO of free radicals were nearl

8、y half of their neutral compounds'. The more electron-withdrawing and p-conjugating interaction the smaller the gap energies difference was, and the bigger the O-H bond dissociation energies was, so that these substituted phenols have lower antioxidant activity. Conclusions: The alkanyls substit

9、uted phenols have higher antioxidant activity than that of electron-withdrawing groups substituted phenols.    Key words:  phenols; antioxidant; density functional method; phenolic hydroxy    在生命科学的研究领域中，自由基生物学是近年来研究较多、发展较快的一门新兴学科，它主要研究生物机体内自由基的产生与清除、利用与危害等作用规律及其调控

10、情况，属于亚分子生物学的范畴。自由基与人的病理(肿瘤、炎症、动脉粥样硬化等)、生理(衰老)有密切关系，防止自由基的氧化作用，对防治疾病保障人的健康具有积极的意义1。酚类化合物是一族结构中含有酚羟基的化合物，广泛存在于植物食品中，酚类是极好的氢质子或电子供体，它可以形成稳定的酚类自由基中间体，因为共振非定域作用和没有适合分子氧进攻的位置，不会引发新的自由基或者由于链反应而被迅速氧化，比较稳定；由于其羟基取代的高反应活性和具有吞噬自由基的能力而表现出很好的抗氧化活性。研究发现多酚类化合物可以延缓肿瘤的发作，减慢肿瘤的形成，提高认知功能，抑制低密度蛋白氧化及抑制血小板凝集等功能2这些功能都与酚羟基的

11、抗氧化性能有关。实验研究不同的化合物抗氧化活性时常因所用方法不同而结果不一致，理论计算研究则突显出优势35。    本工作将对苯环上不同取代的20种苯酚类化合物（简写为Phenol-XYZ）及其自由基，以及可与其对比分析的对苯醌、环己酮、环己醇分子进行杂化密度泛函方法DFT/B3LYP的计算，探讨不同取代基对酚羟基抗氧化活性大小的影响及其变化规律。    1  研究的理论方法    1.1  酚类化合物清除自由基机制6  酚类化合物与过氧自由基发生如图1所示的过程，产生酚氧自

12、由基和过氧化物，而苯环上如有供电子基团则能增加抗氧化活性，它有利于稳定过渡态；能够使芳环的电子发生离域的取代基，从过渡态的结构可以看出氧原子上的单电子能够离域到芳环上，如果芳环连有使单电子进一步分散的取代基，则有利于形成过渡态，抗氧化活性就高。立体效应的因素也不容忽视，因为体积大的基团能稳定生成的酚羟基自由基，因而自由基形成的难易直接影响酚类化合物的抗氧化活性的高低7，8。    1.2  计算方法  本研究采用DFT理论中的杂化密度泛函B3LYP方法，计算系列苯酚化合物(结构示意图如图2)及其自由基的电子结构、几何结构、红外光谱、偶极矩、O-

13、H键解离能(Bond Dissociation Energies，BDE)等性质，C、H、O、N、Cl等原子用6-31+G(d，p) 基组来计算。首先用ChemDraw Ultra 8.010画出二维平面结构，再用Chem3D Ultra 8.010中的半经验方法PM3优化结构，最后用B3LYP/6-31+G(d，p)做结构全优化和振动频率计算，得到体系总的电子能量(total electronic energy，TE)和零点振动能(zero-point vibra-tional energy, ZPVE)，并进行Mulliken和NBO布局分析。O-H键解离能(Bond Dissociati

14、on Energies，BDE)计算为：    BDE=EF(TE+ZPVE)+E(H)-EPhenol-XYZ(TE +ZPVE)    其中EF(TE+ZPVE)为自由基的总能量，E(H)为氢原子的能量，EPhenol-XYZ(TE+ZPVE)为中性酚类化合物的总能量(X、Y、Z为不同的原子或基团)。    所有计算工作在Dell精密工作站上用G0311程序包完成的，分子的几何结构图和前线轨道等密度用Chem3D Ultra 8.0绘出。    2  结果和讨论

15、    2.1  几何结构分析  通过对20种酚类化合物在分子状态和形成相应自由基结构的B3LYP/6-31+G(d， p)全优化，进行键长、键角比较分析，可以得出：在分子状态时，O-H键长平均为0.966 ，C-O键长在1.375 左右，O-H伸缩振动频率计算值在38203840 cm-1之间，C-O振动在1300 cm-1左右，C-O-H键角均在110°左右，与苯环共面。苯酚类化合物的C-O键长小于环己醇中的C-O键长1.434 ，由于O原子的p轨道与苯环发生p-共轭，致使键长缩短，相应振动频率大于环己醇中C-O。形成自由基后，C

16、-O键长在1.259 左右，所有化合物的C-O键长较分子状态都变短；与具有真正C=O双键的对苯醌和环己酮相比较，其C-O键长又都稍大于两者的C=O键长。由于形成自由基后，氧原子的未成键的单占据的p轨道与苯环的共轭作用和氧原子对电子的吸引能力较C原子强。C-O伸缩振动频率在1500 cm-1左右，较分子状态振动明显加强。    单取代苯酚类化合物，如甲、乙基取代在相同取代位置上，键长变化不大，而邻、间、对位取代导致羟基或自由基氧所连环碳的键角均依次减小1°。苯环上有多个甲基取代的酚类化合物，结构成类似变化。对于有吸电子效应的取代基位于酚羟基的对位的化合物，随着吸电子的能力增强，如-CH2Cl<-CHCl2<-CCl3<-NO2，分子状