李怡菲，覃小麗，闞建全，劉雄，鐘金鋒

(西南大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院，重慶，400715)

γ-谷維素是由阿魏酸與三烯萜及甾醇酯化而成的一種天然營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[1]，其廣泛存在于谷類食物中，在米糠油中含量尤其豐富(1%～3%)[2]。它的主要成分為環(huán)木菠蘿烯醇阿魏酸酯、2,4-亞甲基環(huán)木菠蘿醇阿魏酸酯以及甾醇類阿魏酸酯，其中環(huán)木菠蘿烯醇阿魏酸酯含量最高可達(dá)38.4%[2]。LIANG等[3]研究表明γ-谷維素可通過(guò)降低膽固醇治療血脂異常，SHU等[4]報(bào)道γ-谷維素可減輕由乙?；右鸬母螕p傷。目前對(duì)于γ-谷維素的研究主要集中于具體物質(zhì)中γ-谷維素的提取以及生理活性上，而對(duì)于從分子結(jié)構(gòu)層面分析其性質(zhì)的研究還尚未涉及，這對(duì)于有效開(kāi)發(fā)利用γ-谷維素各種生理活性，擴(kuò)寬其在食品中的應(yīng)用具有重要意義。

量子化學(xué)可基于量子理論，精確、靜態(tài)地研究單個(gè)或少量分子的性質(zhì)、特征及反應(yīng)，能夠考察實(shí)驗(yàn)無(wú)法研究的問(wèn)題，從而指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)，具有綠色、省時(shí)、過(guò)程簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[5]。密度泛函理論(density functional theory, DFT)是計(jì)算分子幾何和能量的重要計(jì)算技術(shù)，其精度高、速度快且克服了傳統(tǒng)的從頭算法的缺陷，目前使用最為廣泛[6]。ZHENG等[7]基于概念密度泛函對(duì)短葉松素及其酯衍生物抗氧化活性進(jìn)行了理論研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其分子鏈長(zhǎng)與抗氧化性具有密切的聯(lián)系。WANG等[8]利用密度泛函理論評(píng)估了香豆素的抗氧化活性，并進(jìn)一步計(jì)算其熱力學(xué)參數(shù)，探究了香豆素清除自由基、實(shí)現(xiàn)抗氧化的主要機(jī)理。量子化學(xué)在多酚類物質(zhì)結(jié)構(gòu)性質(zhì)的研究上已經(jīng)有了一定的應(yīng)用，但是目前還未見(jiàn)使用該方法對(duì)γ-谷維素的結(jié)構(gòu)性質(zhì)進(jìn)行研究的相關(guān)報(bào)道，這在一定程度上阻礙了食品工業(yè)上對(duì)γ-谷維素的深入開(kāi)發(fā)與利用。

因此，本文選用γ-谷維素中主要成分環(huán)木菠蘿烯醇阿魏酸酯作為研究對(duì)象，基于密度泛函理論，對(duì)其分子結(jié)構(gòu)、反應(yīng)活性位點(diǎn)(分子表面靜電勢(shì)、原子電荷、前線分子軌道、概念密度泛函活性指數(shù))、分子內(nèi)弱作用力、芳香性以及紅外光譜進(jìn)行分析計(jì)算，以期為深入探究環(huán)木菠蘿烯醇阿魏酸酯的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，促進(jìn)其在食品中的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用提供一定的理論參考。

1 材料與方法

1.1 計(jì)算方法

環(huán)木菠蘿烯醇阿魏酸酯的分子結(jié)構(gòu)取自PubChem數(shù)據(jù)庫(kù)，利用Gaussian 09程序進(jìn)行環(huán)木菠蘿烯醇阿魏酸酯的結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及后續(xù)理論計(jì)算，GaussView 5.0.9用于結(jié)構(gòu)可視化。采用B3LYP-D3理論方法，在6-311G + (d,p) 基組水平上完成了對(duì)環(huán)木菠蘿烯醇阿魏酸酯的幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化和頻率振動(dòng)分析，得到無(wú)虛頻的能量極小結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行理論紅外光譜計(jì)算，對(duì)環(huán)木菠蘿烯醇阿魏酸酯的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性分析，采用的頻率校正因子為0.969。采用M062X-D3理論方法，在帶彌散的MA-DEF2TZVP基組水平上對(duì)環(huán)木菠蘿烯醇阿魏酸酯進(jìn)行單點(diǎn)能計(jì)算，通過(guò)Multiwfn[9]程序，對(duì)分子表面靜電勢(shì)、原子電荷、前線分子軌道進(jìn)行分析，并基于概念密度泛函理論對(duì)全局描述符(電負(fù)性、化學(xué)勢(shì)、化學(xué)硬度、化學(xué)軟度、親電指數(shù)以及親核指數(shù))和局部描述符(簡(jiǎn)縮福井函數(shù))進(jìn)行分析。利用JOHNSON等[10]提出的約化密度梯度函數(shù)(reduced density gradient, RDG)，進(jìn)行弱相互作用力分析；為進(jìn)一步表征弱相互作用的關(guān)鍵臨界點(diǎn)，依據(jù)分子中的原子理論(atom in molecular, AIM)進(jìn)行電子密度拓?fù)浞治?。之后，采用M062X-D3理論方法，在DEF2TZVP基組水平，基于芳香性諧振模型(aromatic resonance model, HOMA)以及適配性自然密度劃分[11](adaptive natural density partioning, AdNDP)對(duì)環(huán)木菠蘿烯醇阿魏酸酯進(jìn)行進(jìn)行芳香性分析。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用KBr(光譜純，購(gòu)自天津科密歐試劑公司)壓片法進(jìn)行傅里葉紅外光譜分析。將環(huán)木菠蘿烯醇阿魏酸酯(純度為98%，購(gòu)自大連美侖生物技術(shù)有限公司)與在100 ℃下烘干后的KBr按質(zhì)量比1∶100混合后，快速研磨均勻。取適量混合樣品粉末壓片，使用紅外光譜儀(Spectrum100, PerkinElmer, Waltham, MA, USA)進(jìn)行掃描，掃描范圍為4 000～500 cm-1，掃描次數(shù)為32。

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)木菠蘿烯醇阿魏酸酯分子結(jié)構(gòu)及活性位點(diǎn)預(yù)測(cè)

2.1.1 分子結(jié)構(gòu)

在B3LYP-D3/6-311G + (d,p) 水平下優(yōu)化得到環(huán)木菠蘿烯醇阿魏酸酯分子幾何構(gòu)型如圖1-C所示，頻率分析無(wú)虛頻，表明優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)是全局能量最小值的穩(wěn)定構(gòu)型。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)用于后續(xù)單點(diǎn)能計(jì)算以及分析。

A-環(huán)木菠蘿烯醇阿魏酸酯的分子式；B-優(yōu)化前的分子幾何構(gòu)型；C-優(yōu)化后的分子幾何構(gòu)型

2.1.2 活性位點(diǎn)預(yù)測(cè)

2.1.2.1 分子表面靜電勢(shì)

圖2為環(huán)木菠蘿烯醇阿魏酸酯分子表面靜電勢(shì)(electrostatic surface potential, ESP)分布圖，其可用于預(yù)測(cè)反應(yīng)活性位點(diǎn)，分子表面靜電勢(shì)越負(fù)的位置對(duì)應(yīng)的原子越容易發(fā)生親電反應(yīng)，越正的位置對(duì)應(yīng)的原子越容易發(fā)生親核反應(yīng)[12]。分子表面靜電勢(shì)圖上顏色深淺反映靜電勢(shì)的強(qiáng)弱，靜電勢(shì)為正的區(qū)域用紅色表示，靜電勢(shì)為負(fù)的區(qū)域用藍(lán)色表示。其中，黃球?qū)?yīng)靜電勢(shì)極大點(diǎn)，青球?qū)?yīng)靜電勢(shì)極小點(diǎn)。圖2顯示，分子表面靜電勢(shì)在全局的最小值為-37.910 kcal/mol，位于酯基氧O2(圖1)附近，其次為甲基氧O3、酚羥基氧O4附近(-36.400 kcal/mol)，這是因?yàn)镺的電負(fù)性比較強(qiáng)，周圍電子較多密度較大，具有親電活性，易發(fā)生親電反應(yīng)。分子表面靜電勢(shì)在全局的最大值(+53.850 kcal/mol)出現(xiàn)在酚羥基氫H99附近，表明此區(qū)域親核性較高，容易發(fā)生親核反應(yīng)。于建成[13]對(duì)茶多酚的分子表面靜電勢(shì)測(cè)定結(jié)果表明，酚羥基氫附近分布著靜電勢(shì)極大值點(diǎn)(+64.210 kcal/mol)，這與我們結(jié)果相似。STRUIJ等[14]實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，谷維素的抗氧化能力主要來(lái)源于阿魏酸分子的酚羥基基團(tuán)，其可阻止自由基鏈的傳遞。分子靜電勢(shì)結(jié)果表明環(huán)木菠蘿烯醇阿魏酸酯酚羥基氫具有較強(qiáng)的親核反應(yīng)活性，這可能與其抗氧化反應(yīng)存在著一定的聯(lián)系。

圖2 環(huán)木菠蘿烯醇阿魏酸酯分子表面靜電勢(shì)分布圖

2.1.2.2 原子電荷

原子偶極矩校正的Hirshfeld電荷(ADCH)可表征分子內(nèi)不同原子所帶電荷大小，其與分子體系的親電、親核活性具有一定關(guān)系，其中帶負(fù)電荷越多的原子相應(yīng)的親電活性可能也越強(qiáng)[15]。計(jì)算得到環(huán)木菠蘿烯醇阿魏酸酯碳氧原子的ADCH電荷如表1所示，其中酚羥基氧O4帶有最多的負(fù)電荷，酯基氧O2次之，但兩者的原子電荷相差極小，表明這2個(gè)位置都具有較好的親電活性，這與分子靜電勢(shì)結(jié)果酯基O2與酚羥基O4附近具有較強(qiáng)的親電活性一致。這與常瑞等[16]的研究結(jié)果，N-羥乙酰神經(jīng)氨酸分子的羥基氧具有多的負(fù)電荷分布，較強(qiáng)的親電活性結(jié)果相似。酚羥基氫H99帶有較高正電荷，表明此處親核活性較高，易發(fā)生親核反應(yīng)。高子飛[17]研究結(jié)果表明綠原酸分子的酚羥基氫原子所帶正電荷較大，這與我們的結(jié)論相似。

表1 環(huán)木菠蘿烯醇阿魏酸酯碳氧原子ADCH電荷

2.1.2.3 前線分子軌道

根據(jù)前線軌道分子理論[18]可知，前線分子軌道在分子反應(yīng)過(guò)程中具有重要作用。前線軌道包括最高占據(jù)軌道(highest occupied molecular orbital，HOMO)以及最低未占軌道(lowest unoccupied molecular orbital，LUMO)，其中HOMO束縛電子能力較差，具有給電子性質(zhì)。前線軌道能級(jí)差越小，表示分子中電子越容易發(fā)生躍遷，反應(yīng)活性就越強(qiáng)。通過(guò)計(jì)算得到環(huán)木菠蘿烯醇阿魏酸酯的前線軌道結(jié)構(gòu)圖(圖3)，其中藍(lán)色代表軌道波函數(shù)負(fù)相位，綠色代表軌道波函數(shù)正相位。由圖3可以看出，環(huán)木菠蘿烯醇阿魏酸酯HOMO-LUMO能隙為7.502 eV，其中HOMO軌道都位于酚羥基氧O4、甲基氧O3、酯基O2以及苯環(huán)上酚羥基的鄰位、對(duì)位碳附近，表明這些位置易受親電試劑攻擊，發(fā)生親電反應(yīng)。此結(jié)果與分子表面靜電勢(shì)以及原子電荷結(jié)果一致。研究表明，酚羥基具有定位活化作用，使得處于苯環(huán)上的酚羥基對(duì)位、鄰位的碳原子化學(xué)性質(zhì)更為活潑，易發(fā)生反應(yīng)[19]，這與我們的結(jié)論相似。而LUMO軌道主要分布在酯基氧(O1、O2)、雙鍵碳(C35、C33)及酚羥基附近，表明這些位置易受親核試劑攻擊，發(fā)生親核反應(yīng)。前線分子軌道分析結(jié)果表明，環(huán)木菠蘿烯醇阿魏酸酯分子結(jié)構(gòu)中的阿魏酸基團(tuán)上的原子是主要的親電或親核反應(yīng)位點(diǎn)。

圖3 環(huán)木菠蘿烯醇阿魏酸酯的HOMO和LUMO軌道分布圖

2.1.2.4 簡(jiǎn)縮福井函數(shù)

簡(jiǎn)縮福井函數(shù)可定量分析分子中原子的親電親核反應(yīng)活性，其中f+表示親核活性，f-表示親電活性，一個(gè)分子的某原子對(duì)應(yīng)的福井函數(shù)值越大，其越可能是相應(yīng)類型反應(yīng)的活性位點(diǎn)[20]。由表2可知，環(huán)木菠蘿烯醇阿魏酸酯分子中，雙鍵C33原子、酚羥基O4原子的f-值均較大，為0.083、0.078，其次為酚羥基對(duì)位C43原子，表明這些點(diǎn)易發(fā)生親電反應(yīng)。雙鍵碳原子C35對(duì)應(yīng)的f+值最大，為0.102，其次為C33(0.095)，表明這些原子可能是親核反應(yīng)活性位點(diǎn)。簡(jiǎn)縮福井函數(shù)結(jié)果表明環(huán)木菠蘿烯醇阿魏酸酯的親電、親核位點(diǎn)主要分布在阿魏酸基團(tuán)的原子附近，此結(jié)果與前線分子軌道分析結(jié)果一致。

全局活性參數(shù)有助于分析化合物的行為以及反應(yīng)性，對(duì)于預(yù)測(cè)化學(xué)反應(yīng)活性具有重要意義。表3呈現(xiàn)了環(huán)木菠蘿烯醇阿魏酸酯的全局活性參數(shù)。其中，硬度是一個(gè)重要的穩(wěn)定性指標(biāo)，其值為7.502。由表3可知，在電荷轉(zhuǎn)移絡(luò)合物形成的過(guò)程中，環(huán)木菠蘿烯醇阿魏酸酯分子可能充當(dāng)?shù)氖墙邮茈娮拥氖荏w中心。

表2 環(huán)木菠蘿烯醇阿魏酸酯碳氧原子簡(jiǎn)縮福井函數(shù)值

表3 環(huán)木菠蘿烯醇阿魏酸酯的全局活性參數(shù)

2.2 環(huán)木菠蘿烯醇阿魏酸酯分子內(nèi)弱相互作用分析

RDG分析可有效直觀地表征弱相互作用區(qū)域及類型[21]。相互作用的性質(zhì)取決于sign(λ2)ρ的值，sign(λ2)ρ>0時(shí)，表示強(qiáng)的互斥作用，如環(huán)、籠中的位阻效應(yīng)；sign(λ2)ρ≈0時(shí)，表示范德華相互作用；sign(λ2)ρ<0時(shí)，表示強(qiáng)的吸引作用，如氫鍵等。環(huán)木菠蘿烯醇阿魏酸酯的RDG二維散點(diǎn)圖和填色等值面圖如圖4-A、圖4-B所示。圖4中藍(lán)色部分代表吸引作用，綠色部分代表范德華力，紅色部分代表強(qiáng)的吸引作用。在環(huán)木菠蘿烯醇阿魏酸酯分子的環(huán)狀結(jié)構(gòu)中間均有著明顯的紅色梭形區(qū)域，體現(xiàn)較強(qiáng)位阻作用，對(duì)應(yīng)散點(diǎn)圖最右邊的spike；環(huán)木菠蘿烯醇阿魏酸酯分子中酚羥基與甲氧基等基團(tuán)間的RDG等值面既有紅色，又有綠色，表明既有范德華力，也有位阻作用。圖5是環(huán)木菠蘿烯醇阿魏酸酯的AIM電子密度拓?fù)浞肿咏Y(jié)果圖，其中黃球代表環(huán)臨界點(diǎn)，橘球代表鍵臨界點(diǎn)。其中鍵臨界點(diǎn)通常出現(xiàn)在有吸引力的2原子之間。結(jié)合圖4-B、圖5可知，環(huán)木菠蘿烯醇阿魏酸酯的鍵臨界點(diǎn)分布的范德華力及位阻作用，而環(huán)木菠蘿烯醇阿魏酸酯的環(huán)臨界點(diǎn)主要分布在RDG等值面的空間位阻處。以上結(jié)果表明維持環(huán)木菠蘿烯醇阿魏酸酯分子內(nèi)部穩(wěn)定的作用力主要是范德華力及空間位阻作用力。

A-散點(diǎn)圖；B-等值面圖

圖5 環(huán)木菠蘿烯醇阿魏酸酯電子密度拓?fù)浞植?/p>

2.3 環(huán)木菠蘿烯醇阿魏酸酯的芳香性

HOMA是最為常用的基于幾何結(jié)構(gòu)衡量芳香性的方法[22]。HOMA越接近1，說(shuō)明芳香性越強(qiáng)；HOMA為1時(shí)，表明所有鍵長(zhǎng)長(zhǎng)度相同。計(jì)算分析環(huán)木菠蘿烯醇阿魏酸酯環(huán)狀結(jié)構(gòu)的HOMA，結(jié)果表明環(huán)木菠蘿烯醇阿魏酸酯中苯環(huán)結(jié)構(gòu)的HOMA為0.960，接近1，這表明其具有較強(qiáng)的芳香性。采用AdNDP進(jìn)一步分析環(huán)木菠蘿烯醇阿魏酸酯的芳香性和成鍵特性[23]。由圖6可知，環(huán)木菠蘿烯醇阿魏酸酯結(jié)構(gòu)中的具有3個(gè)6中心2電子(6c-2e)中心軌道，其形狀與苯分子的占據(jù)的pi正則分子軌道相似，這表明環(huán)木菠蘿烯醇阿魏酸酯分子的阿魏酸基團(tuán)中構(gòu)成了局部類似苯的六中心共軛體系，證明了環(huán)木菠蘿烯醇阿魏酸酯具有芳香性。實(shí)驗(yàn)表明，谷維素具有強(qiáng)抗氧化性是由于其阿魏酸基團(tuán)中的共軛體系形成了較為穩(wěn)定的自由基，在脂質(zhì)自動(dòng)氧化過(guò)程中起到了終止自由基鏈?zhǔn)絺鬟f的作用[24]。芳香性分析結(jié)構(gòu)證明了環(huán)木菠蘿烯醇阿魏酸酯分子中共軛體系的存在，這與其抗氧化性有著一定的聯(lián)系。

圖6 環(huán)木菠蘿烯醇阿魏酸酯的AdNDP鍵合圖

2.4 環(huán)木菠蘿烯醇阿魏酸酯的紅外光譜

A-理論光譜圖；B-實(shí)驗(yàn)光譜圖

3 結(jié)論

本文基于密度泛函理論對(duì)環(huán)木菠蘿烯醇阿魏酸酯分子結(jié)構(gòu)、反應(yīng)活性位點(diǎn)(分子表面靜電勢(shì)、原子電荷、前線分子軌道、概念密度泛函活性指數(shù))、分子內(nèi)弱作用力、芳香性以及紅外光譜進(jìn)行分析。環(huán)木菠蘿烯醇阿魏酸酯酚羥基氫原子(H99)附近具有分子表面靜電勢(shì)極大點(diǎn)(53.580 kcal/mol)，且H99帶有較高正電荷(0.352 a.u.)，表明其具有較強(qiáng)的親核活性，易發(fā)生親核反應(yīng)。環(huán)木菠蘿烯醇阿魏酸酯酚羥基氧原子(O4)附近具有分子表面靜電勢(shì)極小點(diǎn)(-36.400 kcal/mol)，且O4具有較高負(fù)電荷(-0.378 a.u.)，較高f-值(0.078)，表明其具有較強(qiáng)的親電活性，易發(fā)生親電反應(yīng)。環(huán)木菠蘿烯醇阿魏酸酯分子的HOMO軌道都位于酚羥基氧O4、甲基氧O3以及苯環(huán)上酚羥基的鄰位、對(duì)位碳附近，表明這些位置易受親電試劑攻擊，發(fā)生親電反應(yīng)。而LUMO軌道主要分布在酯基氧(O1、O2)、雙鍵碳(C33、C35)附近，表明這些位置易受親核試劑攻擊，發(fā)生親核反應(yīng)。簡(jiǎn)縮福井函數(shù)表明酚羥基氧O4的f-值(0.078)大于其他位置氧原子，其具有較強(qiáng)的親電活性；雙鍵碳原子C33附近的f+值(0.095)較大，其具有較強(qiáng)親核活性。弱相互作用分析可得環(huán)木菠蘿烯醇阿魏酸酯分子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定主要與分子內(nèi)范德華力及位阻作用有關(guān)。理論計(jì)算紅外光譜數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較為相似，這表明借助于密度泛函理論可較好地研究環(huán)木菠蘿烯醇阿魏酸酯，這可對(duì)提取或改性的環(huán)木菠蘿烯醇阿魏酸酯進(jìn)行光譜預(yù)測(cè)提供一定的指導(dǎo)作用。本文為深入開(kāi)發(fā)環(huán)木菠蘿烯醇阿魏酸酯生理活性，拓寬其在食品中的應(yīng)用提供了一定的理論基礎(chǔ)。