氧的p型孤对电子对抗氧化剂苯氧自由基的稳定作用

氧的p型孤对电子对抗氧化剂苯氧自由基的稳定作用 生物物理学报 第十五卷 第二期 一九九九年六月 ACTA BIO P HYS ICA S I NICA Vol . 15 No . 2 Jun . 1999 *氧的 型孤对电子对抗氧化剂苯氧自由基的稳定作用 p * *李金龙 孙 蓬 张红雨 ( )山东师范大学生物系 济南 250014 摘 要 Δ用 A M 1 计算了几种甲氧基苯酚的HO F 值 , 以此为理论指标探讨了甲氧基氧的 型p 孤对电子对苯氧自由基的稳定作用 。发现 p 型孤对电子对邻 、对位苯氧自由基的稳定作用较强 , 对 间位自由基没有稳定作用 , 呈现出明显的位置效应 。同时 型孤对电子轨道的扭转对稳定作用有 p 较大影响 。当轨道与苯环平面垂直时 , 稳定作用最强 , 而当轨道与苯环平面平行时 , 稳定作用最 弱 。最后将上述结果用于黄酮类抗氧化剂和维生素 E , 阐明了许多实验现象 。 苯氧自由基 抗氧化剂 构效关系 A M 1 方法 关键词 : 量子化学计算 目前 , 氧自由基在导致疾病和食品氧化的过程中所起的作用已被充分认识 , 因此寻找高 1 ,2 效 、低毒抗氧化剂的工作正在不同领域广泛展开。对抗氧化作用机制的研究明 , 抗氧化 剂通过酚羟基抽氢反应生成稳定的苯氧式自由基 , 从而中断链式反应是其发挥作用的主要途 径 , 因而苯氧自由基的稳定性与抗氧化剂的活性密切相关 。生成的苯氧自由基越稳定 , 则相 应的抗氧化剂活性越强 。迄今 , 已发现若干种使苯氧自由基稳定的机制 , 比如 :与邻位酚羟基 3 , 4 4 以及与对位甲氧基氧的 型孤形成分子内氢键 或与邻位酚羟基共振形成邻苯醌结构 ,p 5 4 对电子产生共振作用等等 。其中对前两种机制已有较充分的研究 , 但后一种机制仍有待 6) , 而 ( 深入探讨 。由于目前广泛使用的抗氧化剂维生素 E V是通过后一种机制产生作用的E 7 , 且有实验表明 V清除自由基的活性强于以前两种机制稳定苯氧自由基的黄酮抗氧化剂 E 4 因此这一机制很值得深入研究 。鉴于半经验量子化学方法对前两种机制的卓有成效的阐释,我们仍采用理论方法探讨这一问题 。所得结果势必深化对抗氧化剂构效关系的认识 , 对今后 合成 、筛选性能更优良的抗氧化剂也有帮助 。 1 方法 首先选取合适的衡量苯氧自由基稳定性的理论参数 。显然 , 苯氧自由基越稳定其生成热 (Δ) 相对越小 , 因此自由基与母体分子的生成热之差 HO F 值是很好的衡量苯氧自由基稳定 6 Δ() 性的指标。事实上 , HO F 值与抗氧化剂清除自由基相对速率常数的对数 l / k有良好 kg 3 1 6 ,8 Δ的线性相关性, 因此选取HO F 值作理论参数是合适的 。 其次确定计算方法 。经过对 A M 1 、M N DO 、PM 3 等几种半经验量子化学方法的比较发 8 ,9Δ现 , ; 而且以往研究表明在计算抗氧化剂 用 A M 1 计算的HO F 值与 l / k相关性最好 kg 3 1 O - H 键解离能方面 , A M 1 方法与从头计算方法 3 - 21 G 所得结果几乎一样 , 但前者计算 10 消耗的时间少得多, 因此采用 A M 1 方法计算 。具体步骤如下 。先用 PCM OD EL 中的分子 3 山东师范大学博士科研启动基金的资助项目 。 3 3 通讯联系人 。 V ? Baicali n IX Go ssi et i np Molec ula r st r uct ure s Fi. 1g 11 12 力学方法 M M X对分子进行初步的结构优化 , 然后再用 M O PA C7 中的 A M 1 方法 进行全结构优化计算 。计算生成热时 , 为了与母体分子比较 , 对自由基也直接用 R H F 方法 。已证 9 明这种方法比对自由基先做 U H F 计算 , 再做一次自洽场的 R H F 计算所得结果还好。 2 结果与讨论 2. 1 型孤对电子稳定苯氧自由基的位置效应 p ( ) 虽然早已发现甲氧基氧的 型孤对电子通过与自由基的单占分子轨道 SO M O 重叠产生 p 5 , 13 共振作用可使对位苯氧自由基稳定 , 但这一机制对邻位 、间位的苯氧自由基是否也有稳 (Δ) Δ 定作用尚属未知 。对分子 I 、I I 、I I I 、IV 的HO F 值的计算表明 表 1, 分子 I I 比 I 的HO F值小 17. 52kJ / mol 。考虑到分子 I I 仅比 I 多一个甲氧基 , 可知 型孤对电子对对位苯氧自由 p 基的稳定作用约为 17kJ / mol 。这与前述形成分子内氢键和共振形成邻苯醌两种机制对自由基 4 能量上的稳定数值相近 。同样由表 1 可看出 , 型孤对电子对邻位苯氧自由基的稳定作用 p 约为 8kJ / mol , 而对间位苯氧自由基几乎没有稳定作用 。可见 型孤对电子的稳定作用表现 p 出明显的位置效应 , 对邻 、对位苯氧自由基稳定作用较强 。这也可以由甲氧基氧的电子自旋密 () 度看出 表 2, 分子 I I 、I I I 甲氧基氧的自旋密度相似 , 后者还略高于前者 , 分别为 0. 0771和 氧的 型孤对电子对抗氧化剂苯氧自由基的稳定作用371 p 第 2 期 0. 0799 , 而分子 IV 的相应数值仅为 0. 0035 , 故稳定作用远低于分子 I I 、I I I 。同时由此可以 Δ推断 , 分子 I I 、I I I 甲氧基的稳定作用应当相近 , 但其HO F 值却相差 9kJ / mol 。产生这一现 () 象的原因是分子 I I I 存在分子内氢键 图 1 - I I I, 酚羟基氢被抽去时还要克服氢键键能 , 因 Δ而使其HO F 值升高 。总之 , 虽然分子 I I 、I I I 的甲氧基对苯氧自由基的稳定作用相近 , 但分 子 I I 比分子 I I I 更易进行抽氢反应 , 因而清除自由基活性更强 。 以往实验发现 , 黄酮抗氧化剂的 B 环酚羟基是活性中心 , 而 A 环酚羟基清除自由基作用 7 4 很弱, 理论研究已对此进行了初步解释。原因是 B 环 O H 多处于邻位 ,可通过形成分子内 氢键和共振作用两种机制使苯氧自由基稳定 , 而 A 环 O H 多处于间位 , 不具备上述稳定机 () 制 , 故活性较差 。但某些黄酮化合物 , 如儿茶素 ca t ec hi n , 结构与 V相似 , 都具有苯并二E 氢吡喃环 , 因此它们的 A 环 O H 应与 VO H 活性相近 , 也应该很活泼 。而对此的计算表明 , E 4 Δ 儿茶素 A 环 O H 的HO F 值为 160kJ / mol 左右 , 远高于 V的相应数值 127. 74kJ / molE 8 。由上述结果可知 , 产生这种现象的原因是 VE 的 O H 与二氢吡喃环的氧处于对位 , 故氧的 而儿茶素 A 环 O H 与二氢吡喃环的氧原子处于间 型孤对电子对苯氧自由基稳定作用较强 ,p Δ位 , 因而其苯氧自由基不稳定 , 故活性远低于 V。至于为何 V的HO F 值比儿茶素的相应E E Δ 数值低 30kJ / mol , 而不是 17kJ / mol , 原因在于 VE A 环三个甲基的推电子性质使其HO F 6 值进一步下降 , 对此已有详尽的理论可供参考。进一步观察可以发现 ,事实上大多数黄酮化 7 这是 B 环 O H 成 合物 A 环 O H 与 C 环的氧原子处于间位 , 因此 A 环 O H 活性总是很低 , ΔTa bl e 1 HO F val ue s of he nol sp I I I I I I IV ( ) - 92. 97 - 248. 27 - 250. 71 - 252. 70 HO F of mo t he r molec ule s kJ / mol ( )HO F of f ree ra dical s kJ / mol 64. 57 - 108. 25 - 101. 61 - 94. 85 Δ( )HO F kJ / mol 157. 54 140. 02 149. 10 157. 85 HO F i s a bbre viat io n of heat of fo r mat io n Ta bl e 2 di st ri but io n s of ra dical s Si n de n si t he no x l f reepy p y I I I I I I IV ato m s 1 0. 0357 0. 0407 0. 0178 0. 2706 2 0. 2260 0. 2120 0. 1512 0. 0318 3 0. 0031 0. 0151 0. 0434 0. 1695 4 0. 3359 0. 3108 0. 2654 0. 0061 5 0. 0034 0. 0137 0. 0048 0. 3557 6 0. 2250 0. 1758 0. 2746 0. 0012 7 0. 1490 0. 1566 0. 1610 0. 1708 8 0. 0771 0. 0799 0. 0035 9 0. 0000 0. 0000 0. 0002 为黄酮抗氧化剂活性中心的又一原因 。但也有少量的黄酮化合物 A 环 O H 与 C 环氧原子处于 ( ( ) ) 对位或邻位 , 结构如图 1 所示 。由上述结果分 比如黄芩甙 baicali n 与棉黄素 o ssiet i n, gp 析 , 它们 A 环的 O H 也应比较活泼 。但由于它们的 C 环已不是二氢吡喃环 , 而是色原酮 , 考 4 虑到后者的吸电子性质将使 A 环 O H 活性下降 , 而且 A 环处于邻位的 O H 还有其他稳定 机制 , 因而它们 A 环 O H 的清除活性是受多种因素制约的 , 比较复杂 。 0. 10 160 0. 08 150 0. 06 0. 04 140 0. 02 130 0. 00 - 100 0 100 200 - 200 - 200 - 100 0 100 200 ()Di he dral a nle of C9 - O 8 - C4 - C5 o g ()Di he dral a nle of C9 - O 8 - C4 - C5 o g di he dral Cha ne of si n de n si t a ai n stΔFi. 3gpy g di he dral g Fi. 2 Cha n e of HO F val ue s a ai n st g gg C9 - O 8 - C4 - C5 fo r molec ule I I a nle ofC9 - O 8 - C4 - C5 fo r molec ule I I g a ngle of 2. 2 型孤对电子轨道的旋转对稳定作用的影响 p 由于 型孤对电子是通过与自由基的 SO M O 重叠产生共振作用而稳定苯氧自由基的 ,p 因此其轨道与 SO M O 的重叠程度与稳定作用紧密相关 。显然当 轨道与苯环平面垂直时 ,它 p 与 SO M O 重叠得最好 , 因而稳定作用最强 , 它与 SO M O 重 而当 轨道与苯环平面平行时 ,p 叠得最差 , 因而此时稳定作用最低 。为了深入探讨这一现象 , 我们对分子 I I 逐步改变甲氧基 Δ与苯环的二面角 , 步长 15?, 计算HO F 值及甲氧基氧的电子自旋密度 , 结果示于图 2 、图3 。与前述完全一致 , 当二面角 C9 - O 8 - C4 - C5 约为 ?180 度时 , 型孤对电子轨道与 p Δ苯环平面垂直 , 此时HO F 值最低 , 约为 140kJ / mol , 而氧原子上的电子自旋密度最高 , 为 Δ0. 0771 。当二面角 C9 - O 8 - C4 - C5 在 ?90 度左右时 , 轨道与苯环平面平行 , HO F 值最 p 高 , 约为 151kJ / mol , 此时氧原子上的电子自旋密度最低 , 为 0. 0155 。可见即使 轨道与苯 p 环平面平行 , 它与 SO M O 也并非完全没有重叠 , 而仅是重叠很弱而已 。由轨道与苯环平面垂 Δ直和平行时的HO F 值可知两种状态的稳定作用相差 11 - 12kJ / mol 。以往研究认为 , V的E mol 苯氧自由基比结构相似但 轨道平行于苯环平面的分子 V 的苯氧自由基稳定 12. 55kJ /p 5 左右,显然这一能量差别的根源在于 轨道的旋转 ,因此我们的计算结果与实验完全吻合 。 p 参考文献 ( ) ( ) 1 曹国锋 . 翁新楚 . 鱼油氧化稳定性的研究 I I. 中国油脂 ,1995 ,20 5: 44 - 46 Oat a M , Ho shi M , Shi mo to h no K , et al . : A n t i o x i d a n t act i v i t om a nol ol , ho nok i ol , a n d rel at e d 2 gy f g he nol i c co m o u n ds , J . 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B i ol . & M e d . , 1993 ,15 : 311 - 328 as ects oa n t i o x i d a n t act i v i t .pf y 7 Ro i n skV A , Ba r su ko va T K , Re mo ro va A A ,et al . : M o de r at e a n t i o x i d at i v e ei cie ncies ol a v o noi dsgy f f f f d u ri n e ro x i d at i o n om et hl l i noleat e i n ho m oe neo us a n dg pf y g m i cel l a r sol u t i o ns . J . A m . O i l C he m . S oc . , ( ) 1996 ,73 6: 777 - 786 8 Y : Zha nHS elect i o n ot heo ret i cal a r a m et e r c h a r act e ri z i n sca v e n i n act i v i t oa n t i o x i d a n ts o n g f p g gg y f J . A m . O i l C he m . S oc . , 1998 ,75 : 1705 - 1709 ree r a d i cals .f 9 ( ) Δ韦新 . 张红雨 . 计算酚类抗氧化剂HO F 值方法的比较 . 山东师范大学学报 自然科学版, 1999 , 增刊 10 Mi lia vacca E , Ca r r ut P A , Te st a B : T heo ret i cala r a m et e rs t o c h a r act e ri z e a n t i o x i d a n ts .Pa r t 1 . gp p Hel v . C hi m . 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S oc . , 1985 ,107 : 7053 - 7065 a n t i o x i d a n t act i v i t ohe nols ,y f p STABIL IZI NG EFFECT OF -TY P E L O NE PA I R EL ECTRON S OF O XY GE N p O N A NTIO XID A NT P HE NO XYL F REE RAD ICAL S Zha nHo nuL i J i nlo n Su n Pe ng gy g g ( U n i v e rs i t ,)De a r t m e n t oB i ol o, S h a n d o n Teac he rs ’ y J i n a n , 250014 p f g y g ABSTRACT ΔA M 1 met ho d wa s e mlo e dto calc ula t e HO F val ue s ofmet ho x l he nol s ,a n d p yyp t he val ue s we re use d a s t heo ret ical a ra met e r s to i nve st i a t et he st a bilizi n eff ect of p g g - t elo ne ai relect ro n s of met ho x l o x e no n t he he no x lf ree ra dical s . It wa s p yp p yygp y st a bilizi n - t eai rdi sla e dfo u n d t ha t t he eff ect of t he lo ne elect ro n s di st i nct gp yp p p ysi t e - eff ect . The f ree ra dical s a t o r t ho o r we re well st a bilize d , he no x la ra si t io nop y p p o si t io nha r dl -but t he ra dical a t met a wa s st a bilize d . Mea nw hile , ro t a t io n of t he pyp lo ne o r bi t al ha d co n si de ra ble i nf l ue nce o n t he eff ect . W he n t he t ai rst a bilizi n eyp p g la ne ,o r bi t al wa s e re n dic ula rto t he a ro ma t ic p eff ect wa s t he hi he st ,t he st a bilizi n p p g g t he eff ect wa s t he lo we st . A bo ve re2 a n d w he n t he o r bi t al wa s to t he a rallella ne ,p p e x2 sul t s we re al so alie dto f la vo noi d a nt io xi da nt s a n d vi t a mi n E to el uci da t e ma n pp y e ri me nt al he no me na .p p KeWor ds : Q ua nt u m c he mical calc ula t io n A M 1 met ho d y f ree ra dical A nt io xi da nt Phe no x ly St r uct ure - act i vi t rela t io n shis y p 本文于 1998 年 9 月 10 日收到 。