Summarization and Application of Structure-Activity Relationship for Phenolic Antioxidants Zhang Hongyu (Department of Biology, Shandong Teachers University, Jinan 250014 China) Abstract The free radical scavenging activity of phenolic antioxidants is related to the stability of phenoxyl free radical generated after H-abstraction of the antioxidant.And the structural factors stabilizing the phenoxyl free radical include: i) Having heteroatom, O, N, S, etc., substituted at ortho or para position, and the p-type lone pair orbit of these atoms are perpendicular to the phenoxyl plane; ii) Having electron-donating groups substituted in the phenoxyl ring; iii) Forming intramolecular hydrogen bond with the neighboring hydroxyl group.Employing these structure-activity relationship, the free radical scavenging activity characters of 10 flavonoid antioxidants have been predicted successfully. Key words phenolic antioxidants,structure-activity relationship,free radical 摘要 酚类抗氧化剂清除自由基的活性与其抽氢反应形成的苯氧自由基的稳定性有关, 而稳定苯氧自由基的结构因素有: 1.邻对位有 O、N、S 等杂原子取代, 且它们的 p 型孤对电子轨道与苯环平面垂直; 2.苯环上有推电子基团取代; 3.与邻近的酚羟基形成分子内氢键。借助这种构效关系对 10 种黄酮类抗氧化剂清除自由基活性的差异作出了良好的预测。 关键词 酚类抗氧化剂 构效关系 自由基 酚类抗氧化剂构效关系的总结与应用 张红雨 (山东师范大学生物系 济南 250014) 寻找高效、无毒、价廉的抗氧化剂一直是食品、医药、化工等领域的研究热点[1-3]。随着研究工作的深入,总结抗氧化剂的构效关系已成为可能。考虑到目前酚类抗氧化剂应用最广泛,而此类抗氧化剂的作用机制主要是通过酚羟基直接清除自由基以中断链式反应,以下将探讨酚类抗氧化剂的结构与清除自由基活性之间的关系,并用实例验证。希望能深化对抗氧化剂的认识,加速抗氧化剂的筛选。 1 构效关系的总结 由于酚类抗氧化剂主要是通过抽氢反应产生较稳定的苯氧自由基来终止链式反应的,因此所产生的苯氧自由基的稳定性与其清除自由基活性密切相关。苯氧自由基越稳定,说明 O—H 键越弱,故清除活性越强[4]。据此,大体言之,能稳定苯氧自由基的因素都可提高抗氧化剂的清除自由基活性。目前已发现至少有三类结构因素可稳定苯氧自由基。 1.1 酚羟基邻对位有 O、N、S 等杂原子取代 1980 年 Ingold 及其合作者[5]指出维生素 E(图 1-I、II、III、IV)清除自由基的活性主要来自酚羟基对位的氧原子对苯氧自由基的稳定作用, 因为氧原子的 p 型孤对电子轨道可与苯氧自由基的单占分子轨道(SOMO)重叠, 从而使苯氧自由基得以稳定。p 型孤对电子轨道与 SOMO 所成的角度越小, 它们重叠得越好, 稳定作用越大。比如: 人工合成的 a-生育酚类似物(图 1-V)的五元环的平面性比 a-生育酚六元环的平面性好, 因而前者氧原子的 p 型孤对电子轨道与 SOMO 重叠得更好一些, 故对自由基的稳定作用大于后者[4]。实验表明前者清除自由基的速率确实高于后者(表 1)。相反对四甲基对甲氧基苯酚(tetra-methyl-p-methoxyl-phenol, 简称 TMMP, 图 1-VI)而言, 由于甲基与甲氧基之间的位阻效应, 甲氧基的 p 型孤对电子轨道与SOMO垂直, 故稳定作用很弱[4]。实验确实证明 TMMP 的清除自由基活性远低于 a-生育酚(表 1)。进一步研究表明, 这种稳定机制也适用于其他的酚类抗氧化剂[6]。此外还发现, 氧原子只有在酚羟基的邻对位才有稳定作用, 在酚羟基的间位则没有稳定作用[7]。同样,N、S 等杂原子由于具有 p 型孤对电子也具有与 O 类似的稳定机制[4]。
图 1 维生素 E 及其类似物的分子结构
I.a-生育酚; II.b-生育酚; III.g-生育酚; IV.d-生育酚; V.a-生育酚类似物; VI, TMMP
表 1 维生素E及其类似物清除自由基的速率常数[4]
抗氧化剂 | I | II | III | IV | V | VI
速率常数 (10-4 M-1 s-1) | 320 | 130 | 140 | 44 | 570 | 39
1.2 推电子基团的取代 观察维生素E清除自由基的活性可以发现, 虽然它们都有前述杂原子取代的稳定作用, 但活性差异仍较大, 且有规律: 取代甲基越多的活性越高。这是由于甲基的推电子性质可增加苯环的电子密度, 从而有利于苯氧自由基的稳定[4]。据此容易理解吸电子取代基将使苯环的电子密度降低, 不利于苯氧自由基的稳定, 故将降低抗氧化剂的活性。事实确实如此, 比如在黄酮类抗氧化剂中色原酮的 C 环的吸电子性质就使 A 环酚羟基的活性降低[8]。在某种程度上, 前述杂原子对苯氧自由基的稳定作用也可理解为一种推电子取代基的稳定作用。 1.3 形成分子内氢键 如果苯氧自由基与邻位酚羟基形成分子内氢键, 则显然有利于前者的稳定, 因此具有邻二酚羟基结构的化合物都有较强的抗氧化活性。这在黄酮类抗氧化剂中体现得特别明显。许多实验都表明黄酮类抗氧化剂的活性与酚羟基的数目无关, 但与是否存在邻二酚羟基有关[9,10]。事实上, 邻二酚羟基的高活性还源于其形成邻苯醌型结构的共振作用(图 2), 这已得到量子化学计算的证实[8]。由此也容易理解联苯三酚型酚羟基比邻二酚羟基还活泼, 因为前者中间的酚羟基被抽氢后可形成两个分子内氢键, 因而更稳定[8]。同时应注意, 若酚羟基在形成苯氧自由基之前即与邻近的杂原子形成分子内氢键, 则其抽氢反应还要克服氢键键能, 这将使其活性降低[6]。
图 2 邻苯二酚经抽氢反应产生的自由基的稳定机制
2 构效关系的应用 为了对以上构效关系进行验证与评价, 以下对 10 种黄酮类抗氧化剂的活性差异进行理论预测, 并与实验结果对照。 图 3 黄酮类抗氧化剂的分子结构
表 2 黄酮类抗氧化剂清除自由基的相对活性 (以 a-生育酚为 100)[10]
抗氧化剂 |
Ⅰ | Ⅱ | Ⅲ | Ⅳ | Ⅴ | Ⅵ | Ⅶ | Ⅷ | Ⅸ | Ⅹ
相对活性 |
22 | 1.70 | 90 | 0.51 | 无活性 | 70 | 63 | 0.61 | 0.01 | 1
由图 3 可看出, 分子 I、III、VI、VII 都具有邻二酚羟基, 因而具有较强的清除自由基活性, 而其余 6 种化合物只有间二酚羟基或单酚羟基, 所以活性较弱, 这与实验结果完全一致(表 2)。进一步分析还可发现, 分子 VI、VII 的邻二酚羟基位于 A 环, 而分子 I、III 的邻二酚羟基则位于 B 环。 显然色原酮 C 环的吸电子性质将降低分子 VI、VII 的 A 环酚羟基活性; 而分子 I 的 C 环有弱的推电子性质, 分子 III 的 C 环与 B 环由于相互之间的位阻处于几乎垂直的位置, 这使得 C 环对 B 环的吸电子作用很弱[8], 故分子 I、III 的活性将高于分子 VI、VII。 实验表明分子 III 确实比 VI、VII 活性高, 但分子 I 却比 VI、VII 活性弱(表 2), 与预测不符。这是由于抗氧化剂清除自由基的活性还与其溶解性有关, 并非完全决定于酚羟基活性[10]。但显然借助上述构效关系能在相当程度上预测抗氧化剂的活性。 此外, 分子 VI、VII 的 A 环两个酚羟基的活性是不同的, VI 的 6 位酚羟基和 VII 的 8 位酚羟基活性高于相邻的酚羟基, 这是因为前者形成苯氧自由基后可借1位氧原子 p 型孤对电子的共振作用而稳定, 而后者由于与 1 位氧原子处于间位而没有稳定作用。 2 参考文献 [1] Scott G. Antioxidants。 Bull Chem Soc Jpn, 1988, 61: 165-170 [2] Graf E. Antioxidant potential of ferulic acid. Free Radic Biol & Med, 1992, 13: 435-448. [3] 曹国锋, 翁新楚. 鱼油氧化稳定性的研究(II). 中国油脂, 1995, 20(5): 44-46. [4] van Acker S A B E, Koymans L M H, Bast A. Molecular pharmacology of vitamin E: Structural aspects of antioxidant activity. Free Radical Biol & Med, 1993, 15: 311-328. [5] Burton G W, Le Page Y, Gabe E J, et al. Antioxidant activity of vitamin E and related phenols. Importance of stereoelectronic factors. J Am Chem Soc, 1980, 102: 7791-7792 [6] Zhang H Y, Ge N, Zhang Z Y. Theoretical elucidation of activity difference of five phenolic antioxidants. Acta Pharmacol Sin, 1999, 20: 363-366 [7] 张红雨, 李金龙, 孙蓬. 氧的 p 型孤对电子对抗氧化剂苯氧自由基的稳定作用. 生物物理学报, 1999, 15: 369-373 [8] Zhang H Y. Theoretical elucidation of structure-activity relationships of flavonoid antioxidants. Science in China (series B), 1999, 42: 106-112 [9] Ogata M, Hoshi M, Shimotohno K, et al. Antioxidant activity of magnolol honokiol, and related phenolic compounds. J Am Oil Chem Soc, 1997, 74: 557-562 [10] Foti M, Piattelli M, Baratta, M T, et al. Flavonoids, coumarins, and cinnamic acids as antioxidants in a micellar system. Structure-activity relationship.J Agric Food Chem, 1996, 44: 497-501 张红雨 男, 30 岁, 籍贯: 河北省丰润县, 教授, 博士。研究方向: 自由基生物学, 量子药理学, 药物化学。 99-04-21 收稿, 99-08-20 修回