黄酮类化合物抗氧化活性的结构因素

黄酮类化合物抗氧化活性的结构因素

1黄酮和总酚类化合物已经证明，自由基与人体的病理（肿瘤、炎症、动脉硬化等）和生理（衰老）密切相关。大多数自由基都氧化严重。在生理和生物化学中，少量自由基会对人体的健康健康状况造成重大损害。避免自由基氧化作用对预防疾病和人类健康非常重要，避免含油脂的药物和食物氧化和变质。黄酮是具有酚羟基的一类还原性化合物,在复杂反应体系中,由于其自身被氧化而具有抗氧化作用.黄酮在生物体外和体内都具有较强的抗氧化性,具有许多药理作用,对人的毒副作用很小.一般认为,自由基参加的反应的活化能极小,反应具有链式反应的动力学特征.抗氧化剂的抗氧化作用有不同的途径,最有效的途径就是抗氧化剂分子的酚羟基与有害自由基反应变成较稳定的半醌式自由基,从而中止有害自由基的链式反应;其次是抗氧化剂通过自身的还原性质直接给出电子消耗掉有害自由基.对于具有多个酚羟基的化合物,活性最高或者还原性最强的酚羟基将决定物质作为抗氧化剂的性能.深入研究黄酮类的抗氧化机理,对天然抗氧化剂的筛选,改进抗氧化剂的结构,获取性能更加优良的抗氧化剂具有重要意义.2各型的耦合力常数分析由于所研究的对象有30多个原子,受计算机时的限制,不可能用量子化学方法从头计算来完成本计算工作.因此,对所研究的各个构型,用MOPAC程序包中的AM1方法进行优化,对各分子组态:基态、自由基、负离子、形成或不形成分子内氢键的形态进行有关量子化学计算.以相同的方法对各个构型进行力常数分析,确认所研究的构型处于稳态或一级鞍点.3黄酮类化合物抗氧化活性的机制黄酮类物质是指两个苯环通过中央三碳链相互联结而成的一系列化合物,图1是桑色素、槲皮素和儿茶素3种黄酮类抗氧化剂的结构式.这类化合物的A环具有间位羟基取代,B环有不同结构,C环可以含有邻位取代或间位取代酚羟基,一般没有对位取代.大量实验证实,黄酮各个环上的酚羟基有不同的抗氧化活性,C环上的酚羟基的抗氧化活性最高,A环上的抗氧化活性最弱.桑色素、槲皮素和儿茶素3种化合物中,桑色素的抗氧化活性比槲皮素显著减小,而儿茶素的抗氧化性最弱.计算结果显示,在黄酮类抗氧化剂分子中,A和B环在同一平面内形成共轭π键,与C环共轭π平面的夹角约26°.一般理论认为,化合物的反应性与静电荷分布有关,电荷集中的原子就是反应的活性中心.黄酮类化合物的结构中,A与B环形成共轭体系较C环大,在A环上形成的半醌式自由基应当更为稳定,从而活性更高.这与实验事实不符.桑色素与槲皮素分子结构的差异仅在于C环上的2个羟基桑色素是间位而不是邻位,邻位取代的羟基在形成半醌式自由基后有可能含有分子内氢键.从能量上看,一般生成氢键使体系能量降低大约8～20kJ/mol,从计算形成自由基所需的能量看,这对自由基的形成没有重大影响.因此经典的理论分析不能解释实验现象.为寻找指导筛选与改进黄酮类抗氧化性的理论依据,需从以下方面研究分子结构与抗氧化活性的关系.3.1黄酮类半式自由基的抗氧化活性和自由基活性的关系一般认为,黄酮类抗氧化剂是通过酚羟基与自由基反应,形成共振稳定半醌式自由基结构,从而中断链式反应,黄酮类分子[flavone—OH]清除自由基R·的反应可以表达为:[flavone—OH]+R⋅→[flavone—O⋅]+RH[flavone—ΟΗ]+R⋅→[flavone—Ο⋅]+RΗ因此,共振半醌式自由基的稳定性越大,黄酮类化合物的抗氧活性越强.VanAcker认为:抗氧化剂分子形成半醌式自由基前后生成热之差△HOF越低,自由基越稳定.从另外的角度看:由于生成自由基时,体系能量是升高的,△HOF小意味着生成自由基所需要的能量较少,因而容易实现消除自由基R·的反应,用来描写清除自由基R·能力的抗氧化活性就越高.几种黄酮类半醌式自由基及负离子的生成热的计算结果列于表1.数据提示,黄酮类化合物在形成不同位置的自由基时,都需要获得能量.对所列举的3种黄酮类化合物,脱去H18成为自由基所需的能量比脱去其它酚羟基氢都高.对于这3个化合物,在能量上,在B环或C环形成半醌式自由基都比形成A环半醌式自由基更为有利,也更为稳定.因此B环和C环自由基的抗氧化活性较A环强.从能量上考虑所得的结论与实验事实完全一致.因此,半醌式自由基的△HOF的大小是解释黄酮类物质抗氧化活性高低的因素之一.从黄酮类分子离解失去氢离子成为负离子的△HOF数据说明,形成黄酮类负离子使体系能量降低,比其成为半醌式自由基更为有利.负离子的△HOF代表酚羟基O—H键的强度,提示生成负离子的难易及离子的稳定性.一般分子中质子离解的难易,与分子中原子所具有的净电荷相关,与生成自由基的难易没有直接联系.本研究没有发现半醌式自由基△HOF与相应负离子的△HOF有关,也没有找到自由基△HOF与静电荷分布或与酚羟基的抗氧化活性的关系.3.2形成半式自由基的hof文献中指出槲皮素的抗氧化活性远大于桑色素的原因在于槲皮素C环半醌式自由基与邻位羟基形成分子内氢键,从而降低了体系的能量,使自由基较为稳定.从表1中的数据看出,生成含内氢键的槲皮素C环半醌式自由基所需要的能量比桑色素自由基低29kJ/mol,不含内氢键的也低9kJ/mol.说明槲皮素容易生成自由基,抗氧化活性较高,槲皮素与桑色素的这种抗氧化活性的差别并不仅仅在于是否形成氢键,更由于邻位取代与间位取代在结构上的不同,从而造成分子性质的差异.为了简明探讨邻位取代物形成有内氢键自由基时对抗氧化活性的影响,计算图2所示的6种羟基取代苯的半醌式自由基的生成热、形成自由基的△HOF,结果列于表2.数据显示,间苯二酚形成自由基的△HOF比含内氢键邻苯二酚自由基高33kJ/mol,比无内氢键邻苯二酚自由基也高15kJ/mol.间苯三酚形成自由基所需要的能量(△HOF)与间苯二酚大致相当,邻苯三酚无论脱去哪一个酚羟基上的氢形成自由基所需的能量都比间位取代低,[M-H11]·比间苯三酚的低46kJ/mol.这些数据很好解释邻苯三酚抗氧化性最强、邻苯二酚次之、苯酚最弱、间苯三酚和间苯二酚次弱,邻位酚羟基越多抗氧化性活性也越高的实验事实.这些结果与槲皮素和桑色素之间抗氧化活性的差别相同,也说明邻位取代物比间位取代物更容易变成半醌式自由基.邻位取代物抗氧化活性更高,其原因并不仅仅是邻苯二酚可以形成含有氢键的自由基.对苯二酚是熟知的还原剂,其生成半醌式自由基的△HOF与含氢键邻位取代羟基酚自由基差别并不显著(高2～8kJ/mol),对位羟基酚自由基比邻位取代无氢键羟基酚自由基小10kJ/mol,与其相对于邻苯二酚的抗氧化活性差别一致.黄酮类抗氧化剂几乎没有含有对位酚羟基取代的情况.用酚羟基脱氢形成自由基的△HOF来判断黄酮类物质的抗氧化活性,不能解释以下现象:虽然儿茶素在形成各种自由基时,其所需要的能量都比形成相对应的槲皮素或桑色素自由基所需的能量小(自由基较稳定),但其抗氧化活性仍然是这3种化合物中最低的.儿茶素与槲皮素在结构上的差别在于B环上没有羰基>C4=O21.羰基的存在,使O19-H20、O22-H23的氢原子可以与原子O21形成氢键,使分子内氢键的数目增加.分子内氢键的数目可能是影响黄酮类抗氧化活性的另一因素.图1,2和3的各个分子结构中,O原子相邻的H原子之间的距离在氢键键长之内,并经AM1对分子几何结构优化、计算确认有氢键存在.本文论及的各个分子在形成半醌式自由基后可以形成的氢键数目列于表3和表4.可以看出,当形成半醌式自由基的△HOF基本相同时,自由基内可形成氢键的数目与分子的抗氧化活性正相关.3.3半式自由基结构及其抗氧化活性图2中6种羟基取代苯的半醌式自由基的自旋密度分布及负离子的原子净电荷分布列于表3.可以看到,邻苯二酚半醌式自由基的电子自旋密度分布比间苯二酚的分布均匀,对位酚半醌式自由基的电子自旋密度分布也比间苯二酚的分布均匀.邻苯三酚半醌式自由基的电子自旋密度分布比间苯三酚的分布均匀.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匀性是影响抗氧化活性另一因素.自旋密度分布较均匀的半醌式自由基比较容易生成,相应的抗氧化性也较强.表4列出了儿茶素、桑色素、槲皮素以及槲皮素修饰物的某些半醌式自由基的自旋密度分布.儿茶素自由基各个原子的电子自旋分布最不均衡,一些原子上的自旋布居只有10-7,这与儿茶素的抗氧化活性较低相对应.槲皮素与桑色素的自旋分布比较均匀,但桑色素自由基的△HOF比槲皮素大,因此其抗氧化活性较低.研究图3所示的3种槲皮素修饰物的一种半醌式自由基的△HOF以及自旋密度分布.BX—1是在槲皮素的C环上增加一个邻位羟基取代,BX—2是在BX—1的基础上将A环上的O17—H18羟基从C8移动到C9成为C10羟基的邻位,BX—3是用邻苯三酚基取代的羰基来取代BX—1的H23,使其增加了邻苯三酚型的3个羟基,同时也增加了形成氢键的可能性.已经知道,槲皮素修饰物BX—3是具有强抗氧化活性的黄酮类物质的茶多酚之一.虽然,其在形成[M—H40]·酚羟基自由基时的△HOF没有明显的优势,而且其电子自旋密度的均匀性也不突出,但其含有的酚羟基数目以及其能形成的氢键数目都是最多的,因而具有比所列举的其它几种黄酮类物质有更强的抗氧化活性是合理的.4黄酮类化合物结构的性质及其分子抗氧化活性黄酮类物质的抗氧化活性的强弱与分子的多个结构因素有关:(1)形成半醌式自由基时所需要的能量△HOF低,形成的自由基稳定,分子的抗氧化活性就高.在同一分子内部,如槲皮素和桑色素的B环和C环,半醌式自由基具有低△HOF的酚羟基具有较强的抗氧化活性.(2)电子自旋密度分布的均匀性是黄酮类半醌式自由基稳定性较高,黄酮类抗氧化性较强的主要原因之一.含邻二酚羟基的黄酮形成的半醌式自由基,电子自旋密度分布比较均匀,而且分子中半醌式基团与邻位酚羟基形成分子内氢键使能位降低,使黄酮类化合物中具有邻二酚羟基的分子比含间二羟酚基的分子抗氧化活性强.(3)分子中的酚羟基的数目和可以形成氢键的数目和分子的抗氧化活性正相关,也是黄酮类化合物具有强抗氧化活性的重要因素.儿茶素与槲皮素在结构上的差别在于B环上没有羰基>C4=O21.羰基的存在,使O19—H20、O22—H