酚酸物质抗氧化性及溶剂化效应的理论计算

卢 俊，高 涵，卢庆华，王国泽，吕俊丽，王建华，左文欢

（内蒙古科技大学生命科学与技术学院，内蒙古 包头 014010）

酚酸类物质是指1 个苯环上的氢原子被1 个或多个酚羟基取代的芳香族羧酸化合物，其广泛存在于植物、食品和人类代谢物中[1-2]，也是水果、蔬菜等的重要组成成分之一，可以在体内外清除氧自由基[3]。酚酸类化合物能预防与氧化应激相关的人类疾病，尤其能防止氧化损伤引起的疾病，如冠心病、中风和癌症等[4]。酚酸类化合物的抗氧化能力与其结构有关，当酚酸类化合物与氧化过程中形成的自由基发生反应时，烷基化和酯化作用有助于抗氧化性的提高[5]。近年来，随着计算机软硬件的高速迭代及基于密度泛函理论发展，理论结果经常被用于进一步解释实验结果或预测物质的抗氧化活性[6]。多酚类物质的抗氧化机制主要有3 种：氢原子转移（hydrogenatom transfer，HAT）、单电子转移后的质子转移（single electron transfer followed by proton transfer，SETPT）和顺序质子电子转移（sequential proton loss electron transfer，SPLET）[7-8]，在不同微环境下的抗氧化反应机制可以不同的速率独立发生或同时发生[9-10]。多年来，寻找和探索抗氧化能力更强的物质是科学家们一致追求的目标，基于此，本研究选取12 种代表性酚酸物质作为目标化合物，即阿魏酸（I）、鞣花酸（II）、咖啡酸（III）、没食子酸（IV）、儿茶素（V）、二羟基查耳酮（VI）、白藜芦醇（VII）、丁香酚（VIII）、龙胆酸（IX）、3,4-二羟基苄醇（X）、原儿茶酸（XI）及p-香豆酸（XII），通过量子化学方法计算研究其分子结构、抗氧化性及溶剂化效应，运用3 种抗氧化性机制分析酚酸物质的抗氧化性及溶剂化效应，为多酚物质在溶剂中表现出更为突出的抗氧化性，以及抗氧化剂的深入开发探究提供参考和借鉴。

1 材料与方法

利用GaussView6软件构造12 种酚酸物质的分子结构，利用泛函M06-2X/6-311G*对酚酸物质进行计算，得到所有分子的键长、键角等结构数据，计算抗氧化机制键解离焓（bond dissociation enthalpy，BDE）、电离势（ionization potential，IP）、质子解离焓（proton dissociation enthalpy，PDE）、质子亲和力（proton affinity，PA）和电子转移焓（electron transfer enthalpy，ETE）等主要参数。BDE是衡量酚羟基向自由基给予氢原子难易程度的热力学参数。目前普遍认为，以BDE为理论指标研究抗氧化剂一步抽氢反应清除自由基的方法较为合适[11-12]；IP可直接反映分子的给电子能力，数值越小，相对应酚酸物质的抗氧化活性越强[13]；PDE受不同溶剂的溶剂效应影响，其结果有助于分析物质的抗氧化活性；PA越小，酚羟基的酸性越强，越容易电离出氢离子[14]；ETE可直接反映多酚脱氢阴离子的给电子能力，且在溶剂中多酚的ETE高于在气相中[15]。BDE、IP、PDE、PA和ETE分别按式（1）～（5）进行计算。

式中：H（ArO·）、H（H·）、H（ArOH·+）、H（ArOH）、H（e-）、H（H+）、H（ArO-）分别代表酚类自由基、氢自由基、酚类物质阳离子自由基、酚类物质、电子、氢离子及酚类脱氢阴离子的生成焓/（kcal/mol）。气相及溶剂计算全部在Gaussian 19量子化学程序中完成[16]。

在溶剂中优化及能量计算利用基于密度的溶剂化模型（solvation model based on density，SMD）隐式溶剂模型，它是目前被认为几乎最好的隐式溶剂模型之一。本研究选取具有代表性的涵盖极性与非极性的4 种常用溶剂，分别为苯（ε＝2.270 6，ε表示极性大小）、丙酮（ε＝20.493）、乙醇（ε＝24.852）和水（ε＝78.355 3），在4 种溶剂中计算酚酸物质的抗氧化性，以BDE、IP、PDE、PA和ETE 5 种热力学参数为理论指标，并与气相热力学参数比较，以阐明溶剂效应对阿魏酸类物质抗氧化性的影响。本研究使用的气相和溶液中的质子、电子及氢原子的热力学数据参考文献[17-19]。

2 结果与分析

2.1 酚酸物质的分子结构

多酚类物质均有不同程度抑制氧化应激的作用，是一类良好的抗氧化剂[20]，用量子化学方法计算物质的抗氧化性，可以明晰分子结构和抗氧化性的关系，为进一步的实验和设计性能更好的抗氧化剂提供理论依据。设计目标化合物的分子结构如图1所示。

图1 12 种酚酸物质结构式Fig.1 Molecular structures of 12 phenolic acids

2.1.1 酚酸物质的结构分析

通过计算得到酚酸代表物质阿魏酸的结构优化和能量数据。对比分析阿魏酸在气相、苯、丙酮、水及乙醇中结构数据和实验值[21]，计算得到的键长与阿魏酸键长实验数据吻合较好，误差较小，基本相符。阿魏酸结构中的键长与实验得出键长的平均绝对误差分别为0.020 07（气相）、0.019 57（苯）、0.019 78（丙酮）、0.018 78（水）、0.018 78 Å（乙醇）。计算得出的键角与实验数据的平均绝对误差分别为3.484 87°（气相）、3.463 68°（苯）、3.392 81°（丙酮）、3.285 12°（水）、3.310 62°（乙醇）。由表1、2可知，键长与实验值相符较好的是乙醇和水溶剂，键角与实验值最相符的是水溶剂环境。C5—C6的键长在气相与苯溶剂中的计算值与实验值完全相符。O12—C11—O13键角的计算值与实验数据偏差较小，在气相、苯、丙酮、水及乙醇中误差分别仅为0.190°、-0.020°、0.029°、-0.104°、0.064°。以上数据及分析充分说明选择的计算方法适合，得到的结果可靠。

表1 阿魏酸在气相和溶剂中键长的实验值、计算值及偏差Table 1 Calculated values,experimental values and deviation of bond lengths for ferulic acid in the gas phase and in solvents Å

表2 阿魏酸在气相和溶剂中键角的实验值、计算值及偏差Table 2 Calculated values,experimental values and deviation of bond angle for ferulic acid in the gas phase and solvents（°）

2.1.2 酚酸物质在气相中的抗氧化性

酚酸物质通过HAT机制清除自由基时，通常用BDE进行阐释，BDE的结果直接分析和预测多酚类物质的抗氧化活性[22-24]，采用SETPT机制清除自由基时，以IP和PDE为理论指标较为合适[25-27]，SPLET机制则用与之相关的热力学参数PA和ETE进行描述。通常，这几种抗氧化机制的理论指标越小，物质的抗氧化能力越强，即越容易清除自由基。由图2可知，咖啡酸的C6位、儿茶素的C16位、龙胆酸的C5位、3,4二羟基苄醇的C2位以及原儿茶酸的C4位都有较低的BDE，当化合物与活泼基团反应时，与上述C原子相连的酚羟基更易断裂，发生一步抽氢反应生成新的物质，从而表现出更好的自由基清除能力。其中龙胆酸（C5）的BDE最低，为81.78 kcal/mol，所以在气相中龙胆酸具有最好的抗氧化活性，且C5为其最活跃位点。龙胆酸C5位的BDE比其C2位减少7.78 kcal/mol，这可能由于龙胆酸C5位的邻位和对位取代基的推电子作用及分子内氢键[21]使得C5位上的酚羟基BDE下降所致。IP受分子整体结构和π电子离域的影响，能够反映分子的给电子能力[28]，在一定程度上，IP可以用于比较不同酚酸类物质的抗氧化能力，IP是抗氧化活性评定的主要参数之一[29]。由图2可知，IP最低的是白藜芦醇，为169.80 kcal/mol，说明白藜芦醇是优良的电子供体，清除自由基活性更强。在气相中所有IP（169.80～199.52 kcal/mol）均大于BDE（81.78～98.92 kcal/mol），这说明在抗氧化机制中抽氢反应比电子转移更易发生，PDE反映了酚酸类物质生成阳离子自由基的难易程度[30]，而这与IP判断的抗氧化活性顺序相反。SETPT机制是先给出电子再失去质子的过程。SETPT机制（IP+PDE）的最小值是龙胆酸的C5位点，为396.27 kcal/mol，这与HAT机制得出的强弱顺序相同，但是比BDE大314.49 kcal/mol，所以SETPT机制不具有热力学优势。

图2 酚酸物质在气相中的抗氧化指标Fig.2 Antioxidant indexes of phenolic acids in the gas phase

PA代表酚羟基去质子化难易程度，PA越小，电离出氢离子越容易[31]，计算结果中最低的是鞣花酸C13位点，为322.15 kcal/mol。ETE反映的是化合物脱氢后阴离子的给电子能力，ETE最低的是3,4二羟基苄醇，为46.57 kcal/mol。从图中还能够看出所有的ETE均为46.57～85.14 kcal/mol，而IP 普遍在169 .80～199.52 kcal/ mol，ETE比IP低得多，说明酚酸物质脱氢阴离子的给电子能力强于中性分子。SPLET机制包括2 个部分，先发生质子解离使抗氧化剂转化成阴离子，然后给出电子使自由基转化为阴离子[32]。SPLET机制下抗氧化性最好的是龙胆酸C5位点，其（PA+ETE）值为396.27 kcal/mol，这与HAT和SETPT机制的结果相同。

2.2 溶剂效应

通常情况下，计算得到的结果是在气相或真空条件下，但实验中化学反应很有可能在溶液中发生，溶剂会对溶质的分子结构和理化性质产生一定的影响。在此，基于SMD模型计算苯、丙酮、乙醇和水4 种不同溶剂中酚酸物质的抗氧化性，以5 种热力学参数为理论指标，并与气相的热力学参数相比较，以阐明溶剂效应对酚酸物质抗氧化性的影响。

2.2.1 苯对酚酸物质的溶剂化作用

由图3可知，在苯溶剂中BDE最低的是III（C6），为80.76 kcal/mol，说明在苯溶剂中咖啡酸的酚羟基键解离能力最强。除XII（C3）、XI（C4）、XI（C3）、X（C2）、IX（C2）、IX（C5），与气相相比，苯溶剂中的酚酸类物质BDE更低，说明它们在非极性溶剂中表现出更优秀的给氢原子能力。但是，对IP和PDE而言，气相中的数值高于苯溶剂中。苯溶剂中IP最低的是VII，为143.26 kcal/mol，说明在苯溶剂中白藜芦醇更易失去电子，抗氧化性更强。苯溶剂中ETE最低的是VIII（C1），为64.97 kcal/mol，说明在苯中丁香酚离子的给电子能力更强；PDE和PA分别表示阳离子与中性分子脱质子的难易程度，二者在苯中最低的分别是原儿茶酸（XI（C4））和龙胆酸（IX（C2）。

图3 苯溶剂中酚酸物质抗氧化指标Fig.3 Antioxidant indexes of phenolic acids in benzene

2.2.2 丙酮对酚酸物质的溶剂化作用

由图4可知，丙酮中BDE最低的是IX（C5），为81.51 kcal/mol，说明在丙酮中龙胆酸更易脱去氢原子，VII的IP最低，为100.96 kcal/mol，表明白藜芦醇具有较好的给电子能力。丙酮中ETE最低的是V（C16）和VIII（C1），均为58.44 kcal/mol，表示儿茶素（C16）和丁香酚（C1）具有相同的给电子能力。丙酮中PDE最低的是IV（C3），为-2.65 kcal/mol，PDE与酚酸物质阳离子自由基的PA有关，说明在丙酮中没食子酸阳离子更易失去质子，这有利于SETPT的反生。

图4 丙酮溶剂中酚酸物质抗氧化指标Fig.4 Antioxidant indexes of phenolic acids in acetone

与气相相比，在丙酮中大多数分子的BDE要更低，说明在丙酮溶剂中分子抽氢反应会更易发生，然而I（C3）、III（C6）、IX（C5）、X（C2）、XI（C4）略有不同，分子在气相中的BDE要高于丙酮中的BDE。由图4C可知，酚酸类物质在丙酮中的IP小于气相中的IP，说明丙酮溶剂对分子给出电子有促进作用，PDE与之相反，在丙酮中的PDE大于气相中的PDE，说明在气相中的质子解离能力更强。除原儿茶素（C16）外，丙酮中的ETE比气相中的ETE要低，说明多酚类物质阴离子电离出电子的能力在气相中更强。

2.2.3 乙醇对酚酸物质的溶剂化作用

由图5可知，乙醇中BDE最低的是IX（C5），为85.37 kcal/mol，故龙胆酸（IX（C5））脱氢原子更容易，抗氧化性更强，C5位点是龙胆酸的优势位点。乙醇中IP最低的是VII，为110.31 kcal/mol，IP越低，分子更易失去电子，消除自由基会更容易。乙醇中ETE最低为76.28 kcal/mol（丁香酚），低于IP，说明选取的酚酸类物质脱氢阴离子的给电子能力强于中性分子。乙醇中PA最低的是鞣花酸（II（C13）），为38.78 kcal/mol，PDE最低的是没食子酸（IV（C3）），为9.35 kcal/mol。

图5 乙醇溶剂中酚酸抗氧化指标Fig.5 Antioxidant indexes of phenolic acids in ethanol

乙醇溶剂中，BDE为85.37～97.14 kcal/mol，鞣花酸（II）和儿茶素（V）的苯氧自由基在乙醇中的BDE小于气相中，在乙醇中的键解离能力更强，而阿魏酸（I（C3））和p-香豆酸（XII（C3））在气相中的键解离能力更强。在气相中，XII（C3）、XI（C4）、X（C2）、IX（C5）几种酚酸类物质BDE更低，这与苯溶剂中的计算结果一致。对于IP，乙醇中IP比气相中平均减少69.07 kcal/mol，并且二者的变化趋势相似，说明分子在乙醇溶剂中更易失去电子。乙醇中PDE比气相中平均增加202.90 kcal/mol，说明在气相中质子解离能力比在乙醇中更强。乙醇中PA比气相中平均减少291.91 kcal/mol，说明在乙醇中的质子亲和能力更强。乙醇中ETE比气相中增加21.92 kcal/mol，表明在气相中脱氢阴离子的给电子能力比在乙醇中更强。此外，在乙醇溶剂中计算的所有参数中PDE最小，表明酚酸阳离子给出质子所需要的能量最低。

2.2.4 水对酚酸类物质的溶剂化作用

由图6可知，水中PA与气相相比平均减少290.21 kcal/mol，水中的ETE比气相中高18.47 kcal/mol。此外，不论在水中还是在气相中，PA和ETE变化趋势大体相反，这说明失电子能力越强的分子，其质子解离比较困难。此外，水中PDE比PA小，说明在水中酚酸类物质的阳离子自由基去质子化更容易，其主要原因可能是SETPT中，先失去电子将自由基转换成脱氢阴离子，水的极性可能有助于进一步去质子化。就BDE而言，气相中的XI（C4）、X（C2）、IX（C5）几种酚酸类物质BDE更低，这与苯、乙醇溶剂中的计算结果类似。

图6 水溶剂中酚酸类物质抗氧化指标Fig.6 Antioxidant indexes of phenolic acids in water

2.3 溶剂极性对热力学参数的影响

由图7A可知，绝大多数分子在气相中的BDE高于溶剂中，说明酚酸类物质在溶剂中更易脱去氢原子。另外，在弱极性溶剂丙酮中，多数酚酸物质的BDE相对最低。在极性溶剂水和乙醇中分子BDE的变化趋势基本一致。并且在极性溶剂水中表现出更好的解离能，这可能是水中的氢键有利于抽氢反应的发生。还可以看到咖啡酸（III（C6））在苯中的BDE最低，说明C6位点在非极性溶剂苯中可以更好发挥其抗氧化活性，而龙胆酸（IX（C5））和3,4-二羟基苄醇（X（C2））在气相和溶剂中都表现出很强的脱氢能力。

图7 4 种溶剂中酚酸类物质的抗氧化指标Fig.7 Antioxidant indexes of phenolic acids in four solvents

IP受π电子离域和共轭效应的影响，能直接反映分子的给电子能力。由图7B可知，IP在气相与4 种溶剂中变化趋势基本一致，在溶剂中的IP明显低于气相中，随着溶剂极性的增加IP降低，大多数分子的IP大小顺序为水＜乙醇＜丙酮＜苯＜气相，其中白藜芦醇是所有分子中IP最低，所以其给电子能力最强，这与文献中计算得到的阿魏酸溶剂效应一致[17]。此外分子在气相和非极性溶剂中的IP相较于极性溶剂高，说明对形成的自由基阳离子具有更强的稳定性。极性溶剂中，IP变化不大。

由图7C可知，PDE受到溶剂极性影响较大，PDE大小顺序为丙酮＜乙醇＜水＜苯＜气相，在弱极性溶剂丙酮中，多数酚酸物质相对最低，这与BDE的溶剂效应一致。这也说明酚酸阳离子自由基在溶液中脱去氢离子的能力与极性大小有关。在强极性溶剂和非极性溶剂中，给出氢离子的能力相对较弱。

由图7D可知，选取的12 种酚酸物质在气相与溶剂中PA变化趋势也基本一致，气相中具有最大的数值，苯溶剂中次之。在3 种极性溶剂中PA相近，大多数酚酸类物质在丙酮中保持最低的PA。酚酸分子在非极性溶剂中给出氢离子生成脱氢阴离子较困难，在极性溶剂水、乙醇与丙酮中较容易，这说明溶剂的极性促进了酚酸分子的电离。

由图7E可知，极性溶剂中ETE强于非极性溶剂及气相中。乙醇与水有相近的ETE，表明非极性和强极性溶剂中，可能是因为受到电子溶剂化焓的影响，不利于酚酸阴离子给出电子形成脱氢自由基。ETE比IP普遍较低，说明多酚脱氢阴离子比中性分子更易给出电子。另外，对酚酸类物质而言，5 种表征抗氧化性指标的参数IP、BDE、PDE、PA和ETE，无论是酚酸脱氢阴离子还是酚酸阳离子生成脱氢自由基的能力，受溶剂极性大小的影响相似。特别对于IP、PDE、PA来说，弱极性溶剂丙酮中的抗氧化能力相对最强，强极性溶剂中稍弱，非极性溶剂中酚酸的抗氧化能力相对最弱。这也与文献报道的极性抗氧化剂在弱极性溶剂中比在极性溶剂中表现出更好的抗氧化性结论[5]一致。就抗氧化机制而言，无论是在气相还是在溶剂中，因为BDE最低，所以酚酸物质抗氧化性主要是HAT机制的抽氢反应，其次是SET、SETPT或SPLET机制。

3 结论

本研究选取12 种酚酸物质，使用M06-2X泛函理论，在气相及4 种溶剂中对其进行结构优化和频率计算，研究苯、丙酮、乙醇和水4 种不同溶剂及气相中酚酸物质的抗氧化性，以BDE、IP、PDE、PA和ETE为理论指标，对比气相的热力学参数，探究溶剂对酚酸物质抗氧化性的影响。结果表明：经过热力学参数计算结果的对比分析，以BDE为标准，气相中龙胆酸（IX（C5））的BDE最低；以IP为标准，在4 种溶剂中抗氧化性最好的均为白藜芦醇；以PA为标准：在苯中抗氧化性最好的为龙胆酸（IX（C2）），丙酮、乙醇和水中为鞣花酸（II（C13））；以PDE为标准，在苯中抗氧化性最好的为原儿茶酸（XI（C4）），丙酮、乙醇和水中为没食子酸（IV（C3））；以ETE为标准，在4 种溶剂中最好的均为丁香酚（VIII（C1））；绝大多数分子在气相中的BDE高于溶剂中。总体来说，在弱极性溶剂丙酮中的抗氧化能力相对最强，强极性溶剂水和乙醇中抗氧化指标稍弱于丙酮中，在非极性溶剂中，酚酸的抗氧化能力相对较弱。

为使人体免受自由基的侵害，酚酸作为天然的抗氧化剂，因具有无毒、无害等优点而被广泛关注，因此，寻找更高效的抗氧化剂已经成为食品、药品、生物等领域的重要研究课题，本研究可以为进一步深化开发酚酸物质抗氧化性提供理论参考和数据支撑。