不同取代基对酚羟基抗氧化活性影响的计算研究
【摘要】 目的:研究不同取代苯酚类化合物的抗氧化活性。方法:用杂化密度泛函B3LYP方法在6-31+G(d, p)水平上，分别对20种苯酚类化合物及其自由基的几何结构、结构、键解离能等性质进行比较研究。结果:①所有自由基中C-O键长较分子状态都变短，但其键长与具有真正C=O双键的对苯醌和环己酮相比较又稍长。②由Mulliken原子电荷分析，酚羟基抽氢形成自由基后，羟基氧原子电荷数都减少，同时本位碳上的净电荷数值比抽氢前增加。③由偶极矩数值显示，苯环上取代基分别位于邻位、间位和对位，其偶极矩依次减小；随着对位取代基上氯原子的增多极性减小。④前线轨道组成表明，在抽氢形成自由基后，氧的p-π共轭作用增强，使其自旋电子密度降低，但吸电子基团使氧原子上自旋密度增加。中性分子中当苯环上有供电子的基团时，HOMO和LUMO的能差降低，但相差不大，均比环己醇低，而自由基的能差均比环己酮、对苯醌要低。⑤取代苯酚类化合物抗氧化能力大小直接体现于O-H键强度，当取代基为吸电子基团时，所需解离能大，抗氧化活性相对减弱；相反，当取代基团为供电子基团时其抗氧活性加强。结论:烷烃基类取代物易于抗氧化，卤代烃基或硝基类取代物抗氧化活性差。
【关键词】 苯酚化合物 抗氧化 密度泛函 酚羟基
Abstract: Objective:To explore antioxidant activity of the different substituted phenols. Methods: The geometrical structures, electronic structures, and O-H bond dissociation energies of neutral and free radicals of 20 phenol and substituted phenols were calculated with hybrid density functional theory B3LYP method at 6-31+G(d,p) level. Results: ①The bond length of C-O bond in all free radicals was shorter than that in their neutral compounds but was longer than that in p-benzoquinone and cyclohexanone with real C=O double bonds. ②The Mulliken population showed that the net charges of O atom decreased in the free radicals, but the charges of connected C atom increased. And different alkanyls had little affected on spin density of O atom in free radicals，however, electron-withdrawing groups such as-CHCl2 led to increase. ③The dipole moments of different alkanyl-phenol compounds were ortho>meta>para order, and nearly all the dipole moments of free radicals of different substituted phenols were bigger than that of the neutral substituted phenols, especially the dipole moments of β-naphthol were always bigger than that of α-naphthol. ④The frontier molecular orbitals HOMO and LUMO were comprise of p orbital of O atom, p orbital of benzene, and s or p orbital of substitutes, the gap energies difference values for HOMO and LUMO of free radicals were nearly half of their neutral compounds'. ⑤The more electron-withdrawing and p-conjugating interaction the smaller the gap energies difference was, and the bigger the O-H bond dissociation energies was, so that these substituted phenols have lower antioxidant activity. Conclusions: The alkanyls substituted phenols have higher antioxidant activity than that of electron-withdrawing groups substituted phenols.
Key words: phenols; antioxidant; density functional method; phenolic hydroxy
在生命的研究领域中，自由基生物学是近年来研究较多、较快的一门新兴学科，它主要研究生物机体内自由基的产生与清除、利用与危害等作用及其调控情况，属于亚分子生物学的范畴。自由基与人的病理(肿瘤、炎症、动脉粥样硬化等)、生理(衰老)有密切关系，防止自由基的氧化作用，对防治疾病保障人的健康具有积极的意义[1]。酚类化合物是一族结构中含有酚羟基的化合物，广泛存在于植物食品中，酚类是极好的氢质子或电子供体，它可以形成稳定的酚类自由基中间体，因为共振非定域作用和没有适合分子氧进攻的位置，不会引发新的自由基或者由于链反应而被迅速氧化，比较稳定；由于其羟基取代的高反应活性和具有吞噬自由基的能力而表现出很好的抗氧化活性。研究发现多酚类化合物可以延缓肿瘤的发作，减慢肿瘤的形成，提高认知功能，抑制低密度蛋白氧化及抑制血小板凝集等功能[2]——这些功能都与酚羟基的抗氧化性能有关。实验研究不同的化合物抗氧化活性时常因所用方法不同而结果不一致，理论计算研究则突显出优势[3～5]。
本工作将对苯环上不同取代的20种苯酚类化合物（简写为Phenol-XYZ）及其自由基，以及可与其对比分析的对苯醌、环己酮、环己醇分子进行杂化密度泛函方法DFT/B3LYP的计算，探讨不同取代基对酚羟基抗氧化活性大小的影响及其变化规律。
1 研究的理论方法
1.1 酚类化合物清除自由基机制[6] 酚类化合物与过氧自由基发生如图1所示的过程，产生酚氧自由基和过氧化物，而苯环上如有供电子基团则能增加抗氧化活性，它有利于稳定过渡态；能够使芳环的电子发生离域的取代基，从过渡态的结构可以看出氧原子上的单电子能够离域到芳环上，如果芳环连有使单电子进一步分散的取代基，则有利于形成过渡态，抗氧化活性就高。立体效应的因素也不容忽视，因为体积大的基团能稳定生成的酚羟基自由基，因而自由基形成的难易直接影响酚类化合物的抗氧化活性的高低[7，8]。
1.2 计算方法 本研究采用DFT理论中的杂化密度泛函B3LYP方法，计算系列苯酚化合物(结构示意图如图2)及其自由基的电子结构、几何结构、红外光谱、偶极矩、O-H键解离能(Bond Dissociation Energies，BDE)等性质，C、H、O、N、Cl等原子用6-31+G(d，p) 基组来计算。首先用ChemDraw Ultra 8.0[10]画出二维平面结构，再用Chem3D Ultra 8.0[10]中的半经验方法PM3优化结构，最后用B3LYP/6-31+G(d，p)做结构全优化和振动频率计算，得到体系总的电子能量(total electronic energy，TE)和零点振动能(zero-point vibra-tional energy, ZPVE)，并进行Mulliken和NBO布局分析。O-H键解离能(Bond Dissociation Energies，BDE)计算为：
BDE=E[F(TE+ZPVE)]+E(H)-E[Phenol-XYZ(TE +ZPVE)]
其中E[F(TE+ZPVE)]为自由基的总能量，E(H)为氢原子的能量，E[Phenol-XYZ(TE+ZPVE)]为中性酚类化合物的总能量(X、Y、Z为不同的原子或基团)。
所有计算工作在Dell精密工作站上用G03[11]程序包完成的，分子的几何结构图和前线轨道等密度用Chem3D Ultra 8.0绘出。
2 结果和讨论
2.1 几何结构分析 通过对20种酚类化合物在分子状态和形成相应自由基结构的B3LYP/6-31+G(d， p)全优化，进行键长、键角比较分析，可以得出：在分子状态时，O-H键长平均为0.966 ，C-O键长在1.375 左右，O-H伸缩振动频率计算值在3820～3840 cm-1之间，C-O振动在1300 cm-1左右，C-O-H键角均在110°左右，与苯环共面。苯酚类化合物的C-O键长小于环己醇中的C-O键长1.434 ，由于O原子的p轨道与苯环发生p-π共轭，致使键长缩短，相应振动频率大于环己醇中C-O。形成自由基后，C-O键长在1.259 左右，所有化合物的C-O键长较分子状态都变短；与具有真正C=O双键的对苯醌和环己酮相比较，其C-O键长又都稍大于两者的C=O键长。由于形成自由基后，氧原子的未成键的单占据的p轨道与苯环的共轭作用和氧原子对电子的吸引能力较C原子强。C-O伸缩振动频率在1500 cm-1左右，较分子状态振动明显加强。
单取代苯酚类化合物，如甲、乙基取代在相同取代位置上，键长变化不大，而邻、间、对位取代导致羟基或自由基氧所连环碳的键角均依次减小1°。苯环上有多个甲基取代的酚类化合物，结构成类似变化。对于有吸电子效应的取代基位于酚羟基的对位的化合物，随着吸电子的能力增强，如-CH2Cl<-CHCl2<-CCl3<-NO2，分子状态中的C-O键长对应为1.368>1.367>1.365>1.360 ，形成自由基后也有同样变化。
2.2 布局分析 对20种酚类化合物的Mulliken自旋密度和NBO电荷布局分析显示：在所有化合物中，O原子都带有大约0.7单位负电荷，分子状态时键合的H和C原子分别带上0.5和0.3左右的正电荷，与环己醇相比较，O所带的负电荷减少，由于在环己醇中没有共轭作用。从分子到去羟基氢形成自由基，氧原子上的净电荷平均减少0.2个单位负电荷。形成自由基后，O原子与苯环之间的共轭作用和诱导作用加强，自由基呈现部分半醌式结构的特征，电子离域程度较高，有利于自由基的稳定。本位碳上的净电荷比分子态增加，但在对苯醌和环己酮中的本位碳原子带更多正电荷，从而说明苯酚化合物自由基类似半醌式结构，而并非完全是半醌结构。萘酚化合物在自由基状态时，α-萘酚的O原子和萘环上的C原子电荷相对于β-萘酚来说，在数值上都是更大；支链氯取代中，其自由基本位C原子的电荷随着氯的增加而更正，O原子所带的负电荷则递减。
形成自由基后，苯环的空间结构发生了变化，当形成高度对称性结构时，其自旋密度都明显地高于其他。例如单甲基取代时，其自旋密度对位明显大于邻位和间位；单乙基取代时，邻位取代的自由基自旋密度最小。多个供电子基团使自由基O上的自旋电子密度降低；大的共轭体系也使其自旋密度降低，如α-和β-萘酚自由基O的自旋密度是最低的。支链氯取代中，自由基自旋密度随氯原子的增加而增大。
2.3 偶极矩分析 对于不同取代苯酚类化合物分子态来说，由取代位置分析可发现其偶极矩的大小为邻位＞间对＞对位；取代基团吸能力越强其偶极矩越大；在支链氯取代中，其偶极矩大小顺序为p-chloromethanyl＞p-dichloromethanyl＞p-chloroformyl，即随着氯原子增加，分子极性减小。由于羟基和取代基均为极性基团，而且处于对位，致使极性抵消。在去羟基氢形成的自由基中，大部分自由基分子偶极矩较分子时增加，而p-nitrophenol 分子结构对称性加强，分子极性大大降低；在支链氯取代中，其偶极矩大小顺序为p-chloroformyl＞p-dichloromethanyl＞p-chloromethanyl，自有基的极性随着氯原子取代的增加而增大，与分子状态时恰好相反。萘酚化合物，在两种状态下β-萘酚的偶极矩始终大于α-萘酚，因此β-萘酚的极性较大。
苯酚完全氧化产物对苯醌，具有较好对称性，没有偶极；而环己酮和环己醇中，羰基的极性大于羟基，分子偶极矩也大些。中性酚类化合物的偶极都小于其自由基的偶极矩，自由基中C-O键的极性小于分子态C-O键。
2.4 前线轨道分析 抗氧化剂的作用机制中包含电子转移成分，因此近来也有采用抗氧化剂的给电子能力作为理论指标，这一参数包括最高占据分子轨道(HOMO)能级、次高占据分子轨道（HOMO-1）、最低空轨道（LUMO）、次低空轨道（LUMO+1）和能量差△ε(HOMO-LUMO)。我们对20种酚类化合物及其自由基的上述四种前线轨道均作出等密度图进行了比较分析，图3中罗列了三种典型分子的HOMO和LUMO图。
从图3可见，无论是分子态还是自由基态，所有化合物的HOMO轨道等密度图中都明确显示具有O的p轨道与苯环π轨道以及取代基的s或p轨道间发生的共轭现象。抽氢形成自由基后，在HOMO轨道上，酚中氧原子的电子发生转移，使得由氧原子的p电子云与苯环的π电子云所形成的p-π共轭作用增强，从而致C-O距离减小，与氧化终产物半醌式结构接近。当苯环上连有供电子的基团如甲基、乙基、丙基等，无论是对位、邻位、间位和1～3个，都明显存在Q-π超共轭作用，使环电子云密度增大，从而致酚羟基易于氧化。如有-NO2吸电子基团，其π轨道与苯环的π轨道在HOMO和LUMO中都有共轭，形成大共轭体系，而N、O的电负性均大于C、H原子，使苯环电子云密度降低、酚羟基氧化难度增加，致使该类化合物的抗氧化的活性降低。在支链氯取代时如-CH2Cl、-CHCl2、-CCl3，C-Cl键与苯环的超共轭作用比C-Hδ键要强，随着氯原子的增加，苯环电子云密度降低越大，也使酚羟基越不易氧化。
从表1中分子态和自由基态的数据看出，酚类化合物在自由基状态下其最高占据（HOMO）轨道的能量值比分子态时高，反应活性更强，而LUMO轨道能量则成相反变化趋势。当苯环上有供电子的烃基时，HOMO和LUMO轨道的能级均比苯酚要高，而有吸电子的基团时，则呈相反变化，轨道能差则是前者大后者小。如在支链氯取代中，轨道的能量差在分子和自由基状态下都是随氯原子的增加而减少；单取代中，供电子基团甲基和乙基在相同位置上比较，HOMO和LUMO的能差降低，但相差不大。所有分子态的能差均比环己醇低，所有自由基状态的能差均比环己酮要低又比对苯醌要高。分子状态下，α-萘酚的能量差小于β-萘酚，而在自由基状态下却相好相反。
2.5 键解离能分析 在羟基抗氧化中，抗氧化剂倾向于通过一步抽氢反应清除自由基，而酚羟基的键解离焓 (bond dissociation enthalpy，简称BDE)是合适的表征自由基抽氢反应的理论参数[12]。因此本研究采用不同取代苯酚BDE作为表征系列苯酚类化合物抗氧化活性的理论指标，以综合体现各种取代基对其活性的影响。
20种酚类化合物BDE顺序如下：p-nitrol ＞ p-trichloromethyl ＞ p-dichloromethyl ＞p-chloromethyl＞ phenol＞ m-ethyl＞ m-methyl＞ p-propenyl＞ p-ethynyl＞ p-methyl ＞ 3,4-dimethyl＞p-ethyl＞o-methyl＞o-ethylphenol＞β-naphthol＞5,6,7,8-tetrahydronaphthol＞p-ethenyl＞2,4-dimethylphenol＞2,4,6-trimethylphenol＞α-naphthol。
从BDE数值体现：取代基团吸电子能力越大，所需键解离能越大，O-H键越不容易断裂，其抗氧化能力就越小；苯环上取代的供电子基团越多，BDE越小，因此抗氧化能力增强；在单取代中，不管是甲基取代还是乙基取代根据取代位置不同，其BDE的顺序都为间位＞对位＞邻位，即在苯酚单取代中抗氧性大小为邻位＞对位＞间位；α-萘酚的抗氧化活性大于β-萘酚。
3 结论
苯酚类化合物抗氧化活性主要取决于酚羟基上氧氢键的强弱，而苯环上不同取代基直接产生影响。通过对20种不同取代基的酚类化合物的分子态和自由基的几何结构、电子结构的杂化密度泛函B3LYP/6-31+G(d，p)的分析比较，可以得到以下结论：①所有自由基中C-O键长较分子状态都变短，但其键长与具有真正C-O双键的对苯醌和环己酮相比较又稍长。②由原子电荷分析，酚羟基抽氢形成自由基后，羟基氧原子电荷数都减少，同时本位碳上的净电荷数值比抽氢前增加，带更多的正电荷。③偶极矩数值显示，苯环上取代基分别位于邻位、间位和对位，其偶极矩依次减小；随着对位支链氯原子取代的增多极性减小。④前线轨道组成表明，在抽氢形成自由基后，氧的p-π共轭作用增强，使其自旋电子密度降低，但吸电子基团使O上自旋密度增加。中性分子中当苯环上有供电子的基团时，HOMO和LUMO的能差降低，但相差不大，均比环己醇低，而自由基的能差均比环己酮和对苯醌低，体现强的反应性。⑤取代苯酚类化合物抗氧化能力大小直接与O-H键强度相关，当取代基为吸电子基团时，所需解离能大，抗氧化活性相对减弱；相反，当取代基团为供电子基团时其抗氧活性加强。
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