几种天然黄酮类化合物清除自由基活性的密度泛函理论研究

摘要

量子化学是以量子力学为基础，运用其基本原理和方法对化学中的问题进行研究的一门基础科学。密度泛函理论(Density Functional Theory,DFT)是一种使用最为广泛的量子化学计算方法，有着严格的理论基础，是研究物质性质的常用理论工具。现今密度泛函理论的研究内容包括分子的结构及性质、光谱、热化学、过渡态反应机理等，并向药物设计、材料科学、生命科学等领域迅速发展。黄酮类化合物广泛存在于天然植物界中，能够很好的清除自由基，防止过多的自由基对机体造成损伤，并且具有安全无毒的优点，是人们备受关注的天然抗氧化剂。
　　木犀草素是一种具有代表性的天然黄酮类化合物，具有很强的抗氧化、抗菌、抗肿瘤等药理活性，存在于多种药用植物及蔬菜果实中。运用密度泛函理论(DFT)的方法，从静态和动态两大方面分析了木犀草素分子不同位置酚羟基清除自由基的活性大小。基于该分子的结构参数、酚羟基(O-H)解离能、半醌式自由基电子的自旋密度分布、前线轨道等相关性质分析了木犀草素分子的性质与其活性位的关系。深入解析了木犀草素分子上不同酚羟基清除·OH的反应历程，在UB3LYP/6-311G(d，p)水平下，优化得到了该分子C5、C7位酚羟基与·OH发生抽氢反应的过渡态结构。结果表明，C4'位O-HBDE最小，自旋密度分布最为均匀，·OH可以无需克服能垒直接夺取该位酚羟基H生成自由基和水，该位酚羟基最易失去H，抗氧化活性最强，C5位酚羟基与·OH发生抽氢反应所需要克服的能垒最大，该位酚羟基的活性最弱。
　　黄酮类化合物的抗氧化活性与其分子结构有着密切的联系，以木犀草素作为先导化合物，对其结构进行了修饰并得到了三种木犀草素衍生物，采用密度泛函理论(DFT)的方法，在B3LYP/6-311+G(d，p)//B3LYP/6-311G(d，p)水平下，对三种木犀草素衍生物进行了构型优化和能量计算。计算结果表明三种木犀草素衍生物的胺甲基在不同程度上影响了酚羟基的解离能，8-胺甲基取代木犀草素C7位酚羟基的解离能值明显小于取代前木犀草素上C7位酚羟基的解离能值，即修饰后的木犀草素衍生物酚羟基活性较大。
　　山奈酚是一种重要的黄酮类化合物，广泛存在于植物界中，具有多种生物活性和药理功能。采用密度泛函理论(DFT)的方法，对气相和水溶剂中山奈酚分子及其脱氢自由基进行了优化计算，并在相同的理论水平下优化得到了八个山奈酚-H2O复合物。基于山奈酚的结构参数、酚羟基(O-H)的解离能、前线轨道相关性质研究了该分子不同位置酚羟基抗氧化活性的强弱;基于八个山奈酚-H2O复合物的结构参数及能量值等方面分析了山奈酚不同位酚羟基与水分子之间氢键作用的强弱。结果表明:C3位酚羟基BDE值最小，HOMO结构分布最大，抗氧化活性最强，C5位酚羟基BDE值最小，抗氧化活性最弱。水溶剂中，C7位酚羟基上H与水分子O之间的距离最短，分子间氢键相互作用能最强，与水分子结合形成的复合物能量也最小，即该位酚羟基与水能形成稳定的复合物。
　　采用量子化学密度泛函理论(DFT)的B3LYP/6-311G(d，p)//B3LYP/6-31G(d，p)方法对黑沙蒿植物中已分离得到的四种黄酮类化合物芹菜素-7，4'二甲醚、芜花素、羟基芜花素、鼠李素进行了优化及单点能计算。从黄酮分子的几何构型、酚羟基H的NBO电荷数、不同位置酚羟基解离能、HOMO和LUMO及其能级差分析所得:黄酮类化合物的羟基数目和形成的分子内氢键数目越多，抗氧化活性越强;不同位置酚羟基的活性不同，B环4'位酚羟基的活性最强，A环5位酚羟基的活性最弱，C环3位酚羟基的存在有利于鼠李素分子形成良好的共轭体系，提高了该化合物的抗氧化活性。结果表明，四种黄酮类化合物的抗氧化活性顺序为鼠李素＞羟基芜花素＞芜花素＞芹菜素-7，4'二甲醚，最后对鼠李素分子清除羟基自由基的反应历程进行了动态模拟分析。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 量子化学理论

1．1．1 量子化学的发展

1．1．2 量子化学的应用

1．1．3 量子化学计算方法

1．2 密度泛函理论基础

1．2．1 Hohenberg-Kohn定理

1．2．2 Kohn-Sham方程

1．2．3 交换相关泛函

1．3 Gaussian程序

1．3．1 Gaussian03

1．3．2 Gaussian中的化学理论模块

1．3．3 Gaussian中常用的基组

1．4 自由基与抗氧化剂

1．4．1 自由基

1．4．2 抗氧化剂

1．5 黄酮类化合物概述

1．5．1 黄酮类化合物结构及其分布

1．5．2 黄酮类化合物抗氧化作用机制

1．6 本论文的研究工作

第二章 木犀草素清除自由基活性的密度泛函理论研究

2．1 引言

2．2 计算方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 分子的几何构型和结构参数

2．3．2 酚羟基解离能(BDE)分析

2．3．3 木犀草素半醌式自由基电子自旋密度分析

2．3．4 前线轨道分析

2．3．5 木犀草素清除羟基自由基的动态模拟分析

2．4 结论

第三章 三种木犀草素衍生物清除自由基活性的理论研究

3．1 引言

3．2 计算方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 分子的构型分析

3．3．2 NBO电荷布居分析

3．3．3 酚羟基解离能(BDE)分析

3．3．4 前线轨道分析

3．3．5 消除自由基的模拟实验

3．4 结论

第四章 山奈酚的抗氧化活性及与水分子作用的理论研究

4．1 引言

4．2 计算方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 山奈酚的红外振动光谱

4．3．2 几何构型分析

4．3．3 酚羟基解离能(BDE)分析

4．3．4 前线轨道分析

4．3．5 山奈酚—H2O复合物

4．4 结论

第五章 黑沙蒿中四种黄酮类化合物抗氧化活性的理论研究

5．1 引言

5．2 计算方法

5．3 结果与讨论

5．3．1 分子的几何构型和结构参数

5．3．2 NBO电荷布局分析

5．3．3 酚羟基解离能(BDE)分析

5．3．4 前线分子轨道及其轨道能级分析

5．3．5 鼠李素清除羟基自由基的动态模拟分析

5．4 结论

参考文献

致谢

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