没食子酸及其衍生物抗氧化活性的理论研究

裴 玲，张海霞，张 岩



没食子酸及其衍生物抗氧化活性的理论研究

*裴 玲1,2，张海霞1,2，张 岩1,2

（1.滨州学院化学工程系，山东，滨州 256603；2.滨州市材料化学重点实验室，山东，滨州 256603）

采用量子化学密度泛函理论(DFT)中的B3LYP方法在6-311+G(d,p)水平下对没食子酸(GA)及其衍生物没食子酸甲酯(MG)、没食子酸乙酯(EG)、没食子酸丙酯(PG)、没食子酸异丙酯(IPG)、没食子酸丁酯(BG)和没食子酸叔丁酯(TBG)进行了优化计算，从7个分子的几何结构、氢原子的NBO电荷、羟基解离能、电离势、HOMO、LUMO、ΔE(LUMO-HOMO)等方面分析了7种物质清除自由基的可能机理。结果表明，7种物质C(2)位的酚羟基为最大可能活性位点，容易发生抽氢反应，其次是C(1)位和C(3)位。抽氢反应表明，在非极性溶剂中其抗氧化能力大小为TBG > BG > IPG > PG > EG > MG > GA；电子转移机理表明，极性溶剂中其抗氧化能力大小为TBG > IPG > BG ≈ PG ≈ EG > MG > GA。

没食子酸；抗氧化性；解离能；密度泛函

多酚类物质是一类广泛存在于植物体内的次生代谢物质的混合物，具有众多的生物活性，尤其是在清除自由基能力方面表现了很好的抗氧化性[1-4]，成为近年来备受关注的具有广泛开发前景的天然抗氧化剂。其抗氧化结构-活性相关性研究引起了人们研究的兴趣，并取得了一些研究成果[5-8]。没食子酸(GA)及其衍生物是植物界中分布较广的一类多酚类物质，具有抗氧化性，作为常见的油溶性抗氧化剂，已被广泛应用于油脂及含油食品、油炸食品、肉类食品、花粉食品、化妆品等。马耀等人[9]采用了循环伏安扫描和电子自旋共振相结合的方法对没食子酸(GA)及其衍生物没食子酸甲酯(MG)、没食子酸乙酯(EG)、没食子酸丙酯(PG)、没食子酸异丙酯(IPG)、没食子酸丁酯(BG)和没食子酸叔丁酯(TBG)的电子转移能力、清除自由基的能力和临床应用之间的关系进行了研究，结果表明GA类化合物能有效清除自由基，故而显示抗氧化性。为了进一步深入了解此类物质的抗氧化机理，本研究用GA类化合物清除自由基能力的大小代表其抗氧化性的相对强弱，运用密度泛函方法计算GA类化合物的结构性质，从理论上对其抗氧化活性进行详细的理论分析，以期能从理论的角度，深化GA类物质的抗氧化性机理研究，为能更好的开发利用天然植物源多酚类提供理论依据。

1 计算方法

构建GA及其衍生物的初始构象后，运用密度泛函B3LYP方法，在6-311＋G(d,p)基组的水平下，对GA类化合物及其脱氢自由基的几何构型进行优化和能量计算，得到优势构象，频率分析表明无虚频，为势能面上的稳定驻点。所有的计算通过Gaussian 03程序完成[10]。

2 结果与讨论

2.1 GA类化合物及自由基的优化

2.1.1 GA类化合物的优化

根据理论分析三个羟基成顺式时，相邻两OH可形成弱氢键，此时化合物较稳定，但三个OH的取向可能会影响化合物的稳定性，为了全面考虑化合物的稳定性，我们优化了三个OH成顺式取向的两种情况，两种情况下优化的GA类化合物几何构型见图1。不同构型下优化的化合物的能量、相对能量列于表1。由表1的数据可知，各个化合物构型I和构型II的能量相差2 kJ·mol-1左右，说明两种构型都是其稳定结构。

图1 GA及其衍生物的几何构型

表1 GA及其衍生物的能量

2.1.2 GA类化合物自由基的优化

由于酚类抗氧剂在清除自由基过程中主要是通过抽氢反应产生较稳定的半醌自由基来终止链式反应，因此我们主要考虑生成半醌自由基的情况，考虑到形成自由基后是否存在氢键，优化了7种物质可能形成的半醌式自由基，以PG为例画出形成自由基时有无氢键的结构，结果见图2。各个物质自由基的能量列于表2中。

酚类化合物清除自由基的活性，取决于环上羟基抽氢反应的难易和抽氢后生成自由基的稳定性。从每种分子自由基的能量来看，三个酚羟基各去掉一个H原子后形成的自由基，有两个氢键的自由基(1-OH-a、2-OH-a、3-OH-a)最稳定，其次是含有一个氢键的自由基(1-OH-b、1-OH-c、2-OH-b、2-OH-c、3-OH-c)，最不稳定的是不含氢键的自由基(2-OH-d)。但含有一个氢键自由基时，OH的H与相邻C=O双键的O形成氢键的自由基比OH的H与相邻OH的O形成氢键的自由基更稳定，如1-OH-b比1-OH-c稳定，3-OH-c比3-OH-b稳定。

表2 各个自由基的能量(单位：a.u.)

2.2 反应活性位点确定

2.2.1 GA类化合物及其自由基的结构参数

根据表1知，每种分子的结构I的能量较低，较稳定，表3列出了各化合物构型I的主要结构参数。酚类化合物清除自由基活性与酚羟基键强度成反比，O-H键长越长，键强度越低，则抗氧化剂活性越高。从表2可以看出，7种物质的RO(2)-H(2)> RO(1)-H(1)> RO(3)-H(3)，说明C(2)位的酚羟基键最弱，即7种物质的C(2)位的羟基氢原子可能更容易失去。

表3 GA及其衍生物的主要几何结构参数(键长单位：nm)

鉴于各自由基的稳定性，后面讨论半醌式自由基时主要以形成的双氢键自由基作为基础来讨论。比较表2含有两个氢键的自由基，发现各个物质的2-OH-a自由基能量最低，其次是1-OH-a，3-OH-a自由基的能量最高，据此我们可以初步判断当C(2)上OH失去H原子后形成的自由基最稳定。

2.2.2 NBO 电荷布居分析

亲电基团倾向于进攻负电荷多的原子，亲核基团倾向于进攻正电荷多的原子。人体内自由基多是氧自由基，其上的氧原子带有较大的负电荷。酚类化合物清除自由基的最主要机制是酚羟基与自由基发生抽氢反应。所以酚羟基H原子所带正电荷越正，与自由基上带负电荷的氧原子吸引作用越强，就越容易与自由基发生反应。因此带较大正电荷的酚羟基H原子就是自由基反应的最大可能活性位点。表4列出了7种分子的酚羟基H的NBO电荷。从表4可以看出，7种分子的C(2)位的羟基H 原子所带正电荷稍大，所以2位C 原子上的羟基氢原子与自由基作用稍大，2位C原子上的羟基为最大可能活性位点。

表4 羟基H原子上的NBO电荷布局数

2.2.3 O-H键解离焓与电离势

目前普遍认为[11-12]在非极性溶剂中，抗氧化剂倾向于通过一步抽氢反应清除自由基，以键解离焓(BDE)为理论指标；在极性溶剂中，抗氧化剂清除自由基主要通过电子转移反应进行，以电离势(IP)为理论指标。BDE为理论指标对应抗氧化剂清除自由基的一步抽氢机理，BDE越低说明O-H 键越弱，当与自由基反应时，越容易断裂，抽氢反应越容易进行，相应的抗氧化剂活性可能越强。IP为理论指标对应抗氧化剂清除自由基的电子转移机理，IP越小越容易发生电子转移，相应的抗氧化剂活性可能越强。键解离焓和电离势可根据文献[13]公式、来计算，其中是母体分子失去氢原子后产生的自由基的焓，是氢原子的焓，是母体分子的焓，是相应的自由基阳离子的生成焓。计算时设定温度为标准温度，校正因子v = 0.9804[14]。表5列出了计算得到的GA类化合物的不同羟基的脱氢解离焓和电离势。

从表5的结果发现，当GA类化合物生成半醌自由基时，比较这3种断键方式，发现C(2)上O-H键BDE最小，其次是C(1)上O-H和C(3)上O-H键的BDE，分别比2号位要高大约25 kJ·mol-1和27 kJ·mol-1，IP也有类似现象。由此可以判断生成3种可能的半醌自由基由易到难依次为：2-OH、1-OH、3-OH自由基。此结论和表2中自由基能量分析的结果是一致的，2号位在容易发生反应，体现出较好的抗氧化性。主要原因在于2号位上发生抽氢反应以后，形成更加稳定的分子内氢键，从而使其产物的稳定性较好，容易发生反应。

表5 GA及其衍生物稳定自由基的OH键解离能和电离势(单位：kJ·mol-1)

2.3 抗氧化活性比较

2.3.1 一步抽氢机理

当GA类化合物形成半醌自由基时，各种物质的BDE大小顺序为：TBG < BG < IPG < PG < EG < MG < GA，由此可以判定在非极性溶剂中7种物质的抗氧化活性为TBG > BG > IPG > PG > EG > MG > GA。影响BDE的一个很重要的因素是分子内的氢键效应，分子内氢键可以稳定化合物，也可以稳定自由基，但对后者的稳定作用更大。另一个因素是电子效应，给电子取代基降低O-H的BDE，吸电子取代基升高O-H的BDE，7种基团(H, CH3, C2H5, C3H7, CH(CH3)2,C4H9, C(CH3)3)的给电子能力依次增强，因此其降低O-H的BDE依次增强，结果导致7种物质的BDE大小为TBG < BG < IPG < PG < EG < MG < GA。

3.3.2 电子转移机理

（1）电离势分析

根据表5中的数据可以看出，在形成半醌自由基时，各物质的IP大小顺序为：TBG < IPG < BG < PG < EG < MG < GA，由此可以判断在极性溶剂中7种分子的抗氧化性为TBG > IPG > BG > PG > EG > MG > GA。

（2）前线分子轨道及轨道能级分析

前线分子轨道理论认为分子在反应过程中优先起作用的是前线分子轨道。它对于分子的化学性质特别是其反应活性有着决定性作用。一般地讲，HOMO对电子束缚较为松弛，具有电子给予体的性质，表现为EHOMO越大，其上电子受核吸引力越小，电子越不稳定，越易失去。抗氧化机理中参数IP与最高占据轨道(HOMO)的能级密切相关。在以IP为指标的单电子转移机理中，从母体化合物中转移一个电子的难易程度，直接决定了化合物抗氧化能力的强弱。而对母体化合物而言，其最高占据轨道(HOMO)能级越高，轨道中的电子受到原子核的束缚越松弛，就越容易发生质子伴随的电子转移反应，分子的抗氧化性就越好。7个分子的HOMO数值见表6。从表6中可看到，7种分子的HOMO能级顺序为TBG > IPG > BG ≈ PG ≈ EG > MG > GA，由此可以判断在极性溶剂中，抗氧化性TBG优于IPG，BG、PG、EG三物质的抗氧化性相差不大，都比MG、GA的抗氧化性强。另外，对比7种分子的前线轨道能量和其去掉H原子以后的自由基前线轨道能量，可以看出失去H原子后，导致其电子最高占据轨道能级降低，从而使其失电子能力降低，即还原性降低。从理论上得出7种分子分子具有还原性的特征是由于它容易失去H 自由基。

表6 GA及其衍生物的最高占据轨道能 (a.u.)

通过电离势和前线分子轨道分析知，在极性溶剂中抗氧化性TBG优于IPG，BG、PG、EG三物质的抗氧化性相差不大，都比MG、GA强。区别于抽氢反应机理，IPG的抗氧化性优于BG。

3 结论

采用B3LYP/6-311＋G(d,p)方法对7种GA类化合物抗氧化活性进行了研究，计算结果表明，7种物质在生成半醌自由基时2-OH活性最高，羟基上的氢最容易被含氧自由基提取，最有可能参与自由基的清除，这主要是由于GA类化合物C(2)位相邻羟基之间的弱氢键相互作用，这种额外的共轭稳定性以及协同作用增强了2-羟基的活性，这跟马耀等[9]的实验研究结果是一致的。同时比较7种物质的抗氧化活性发现，在极性溶剂中7种化合物的抗氧化活性：TBG > BG > IPG > PG > EG > MG > GA，非极性溶剂中抗氧化性为TBG > IPG > BG ≈ PG ≈ EG > MG > GA。GA类化合物的抗氧化活性不同，主要受苯环上羰基取代基性质的影响。

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Theory Study on the Antioxidation Activity of Gallic Acid and its Derivatives

*PEI Ling1,2, ZHANG Hai-xia1,2, ZHANG Yan1,2

(1.Department of Chemical Engineering, Binzhou University, Binzhou, Shandong 256603, China;2. Binzhou Key Laboratory of Material Chemistry, Binzhou, Shandong 256603, China)

The geometrical structures of gallic acid and its derivatives including methyl gallate (MG), ethyl gallate (EG), propyl gallate (PG), isopropyl gallate (IPG), butyl gallate (BG) and tertbutyl gallate (TBG) were calculated by using the Density Functional Theory (DFT) B3LYP method at the level of 6-311+G (d, p). The possible mechanism of scavenging free radicals of the seven compounds were discussed in detail based on the analysis of molecular structures, NBO charges on hydrogen atoms, the dissociation energy and ionization potential of O-H bonds, the energies of the highest occupied molecular orbital (HOMO) and the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO), the energy gap between HOMO and LUMO, and etc. The calculated results showed that C2-OH should be the most active site for eliminating free radicals, next as the C1-OH and C3-OH. Pumping hydrogen reaction indicated that the order of the antioxidative activities of seven compounds in non-polar solvent listed as: TBG > BG > IPG > PG > EG > MG > GA. Electron transfer mechanism indicated that the order in polar solvent listed as: TBG > IPG > BG ≈ PG ≈ EG > MG > GA.

gallic acid; antioxidation; dissociation enthalpy; DFT

1674-8085(2015)04-0027-07

O 641

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2015.04.006

2015-04-04；修改日期：2015-06-01

山东省滨州市科技发展计划项目（2014ZC0306），滨州学院科研基金项目（BZXYG1210）

*裴 玲(1980-)，女，山东邹平人，讲师，硕士，主要从事量子化学理论计算研究(E-mail:peiling1201@163.com);

张海霞(1988-)，女，山东无棣人，助教，硕士，主要从事胶体与界面化学研究(Email:angle00521@163.com);

张 岩(1983-)，女，山东枣庄人，讲师，主要从事天然有机物的提取研究(E-mail:yanzhang19@163.com).