大黃酚、大黃素甲醚、蘆薈大黃素及大黃酸的光敏性研究-應用化學畢業(yè)論文

1、教學單位 寶雞文理學院 學生學號 201192064055 編 號 HX2015YY055 本科畢業(yè)論文（設(shè)計）題目 大黃酚、大黃素甲醚、蘆薈大黃素及大黃酸的光敏性研究 學生姓名曹繼鵬 專業(yè)名稱應用化學 指導教師閆海燕 2015 年 5 月 4日大黃酚、大黃素甲醚、蘆薈大黃素及大黃酸的光敏性研究曹繼鵬*交稿日期：2015-5-4 指導教師：閆海燕 作者簡介：曹繼鵬(1992-)，男，陜西咸陽人，化學化工學院2015屆畢業(yè)生（寶雞文理學院 化學化工學院 陜西 寶雞 721007） 摘 要: 本文選用密度泛函方法，研究了大黃酚、大黃素甲醚、蘆薈大黃素和大黃酸與氧分子之間的光敏反應機制，計算結(jié)果表明

2、，在有氧條件下，四種分子在溶劑和真空都能產(chǎn)生單重態(tài)氧1O2，要產(chǎn)生超氧負離子自由基卻只能在溶劑中，而無氧條件下，在乙醚和水中，四種分子都可以破壞DNA和RNA。關(guān)鍵詞：大黃酚; 大黃素甲醚; 蘆薈大黃素; 大黃酸; 光敏性The photosensitivity of several rhubarb anthraquinone compounds from quantum chemistry calculationsCao ji peng(college of Chemistry and Chemical Engineering, Baoji University of Arts a

3、nd Sciences, Baoji, 721007, Shanxi)Abstract:The phototoxic reactions between several rhubarb anthraquinone compounds and molecular oxygen are investigated by employing density functional theory. All the calculations of excited state including vertical excitation energies are investiga

4、ted using time-dependent density functional theory (TD-DFT). The results show that the rhubarb anthraquinone compounds can generate singlet oxygen 1O2 in aqueous and ether solutions and only can generate superoxide anion in aqueous solution under aerobic conditions. Under anaerobic conditions,

5、the rhubarb anthraquinone compounds can damage DNA and RNA in aqueous and ether solutions.Key-word: density functional; excited state; phototoxic ability; rhubarb anthraquinone compounds目 錄引言11 計算方法22 計算結(jié)果與分析22.1 四種分子的光化學反應22.1.1 激發(fā)態(tài)的波長變化22.1.2 垂直電離能和垂直電子親和勢52.2 光敏反應機制52.2.1 有氧條件下的光敏反應62.2.2 無氧

6、條件下的光敏反應73 結(jié)論8參考文獻9謝 辭10引言 大黃是一種多年生的蓼科草本植物掌葉大黃（Rheum palmatuml），唐古特大黃（Rheum tanguticum Maxim ex Reg），和藥用大黃（Rheum officinale Baill）的根和根莖，由于大黃性寒，并且味苦，具有攻積導滯，瀉火，止血，抗腫瘤，促肝利膽的藥用作用，是最常見的中藥之一。大黃所含的成分大體上能夠分為蒽醌類，多糖類，鞣質(zhì)類，蒽脂類，而大黃中藥用療效的重要組成成分是其中的蒽醌類，而其中的主要活性成分是蘆薈大黃酸，大黃酸，大黃素，大黃酚，大黃素甲醚1-2，它們的分子式和結(jié)構(gòu)如圖1所示:大黃酸（1,8二羥

7、基3羧基蒽醌，Rhein）；大黃素（1,3,8三羥基6甲基蒽醌，Emdin）；蘆薈大黃素（1,8二羥基3羥甲基蒽醌，Aloe-emodin）大黃酸（1,8二羥基3甲基蒽醌，Chrysophanol）；大黃素甲醚（1,8二羥基3甲氧基，Physican）圖1 大黃酸，大黃素，蘆薈大黃素，大黃素甲醚，大黃酚結(jié)構(gòu)示意圖大黃本身具有很高的生物活性，可以被當做光敏劑3-4，應用于光化學反應中。通過光敏反應產(chǎn)生的單重態(tài)氧O2和超氧負離子以及自由羥自由基·OH等高活0性的物質(zhì)可以對生物分子和細胞產(chǎn)生破壞從而實現(xiàn)治療疾病的目的。 要對大黃蒽醌類化合物中的大黃酚，大黃素甲醚，蘆薈大黃素，大黃酸的光敏性

8、進行量子化學方面的研究，首先，就應該了解什么是所謂的光敏劑？在光化學反應中，有一類分子，光子只能夠被它們吸收并將能量傳遞給那些不能吸收能量的分子，促其發(fā)生光化學反應，而自身則不發(fā)生化學反應，恢復到原來的狀態(tài)，這一類分子稱為光敏劑。由光敏劑引起的光化學反應稱為光敏反應。通常，人們把有氧分子參與的伴隨生物效應的光敏反應稱為光動力反應，把可引發(fā)光動力反應破壞細胞結(jié)構(gòu)的藥物稱為光敏藥物。目前，量子化學方法的快速發(fā)展為人們從計算化學的角度對具有光敏性的光敏劑進行研究成為了可能5-8。趙雪等9采用含時密度泛函的方法，計算了大黃素基態(tài)和激發(fā)態(tài)的相關(guān)性質(zhì)。但是，對大黃蒽醌類化合物系統(tǒng)性研究很少，本文使用含時密

9、度泛函的方法，對大黃中大黃素甲醚，大黃酚，大黃酸和蘆薈大黃素的光敏性都進行了系統(tǒng)的研究。1 計算方法 本文主要采用B3LYP雜化密度泛函的方法，垂直電子親和勢和垂直電離勢均在B3LYP6-31G+(d,p)B3LYP6-31G(d)理論水平上完成的。對于激發(fā)態(tài)的研究與計算分析通常基于優(yōu)化的基態(tài)構(gòu)型基礎(chǔ)上，選用的都是含時密度泛函方法（TD-DFT)。所有的計算都是使用Gaussian 09軟件包完成。2 計算結(jié)果與分析2.1 四種分子的光化學反應 2.1.1 激發(fā)態(tài)的波長變化光敏劑在受到光輻射后會從基態(tài)躍遷至第一單重激發(fā)態(tài)，通過系統(tǒng)間的交叉躍遷，第一單重激發(fā)態(tài)可以無輻射的方式躍遷到第一三重激發(fā)態(tài)

10、，因此計算激發(fā)態(tài)的性質(zhì)對光敏性的研究很重要。 大黃素甲醚，大黃素，大黃酸和蘆薈大黃素的基態(tài)結(jié)構(gòu)如圖2所示圖2 大黃素甲醚，大黃素，大黃酸和蘆薈大黃素的基態(tài)結(jié)構(gòu)從圖1 里面可以看出它們的平衡態(tài)結(jié)構(gòu)都具有CS對稱性，分子的電子態(tài)都是1-A'表1 大黃酚、大黃素甲醚、蘆薈大黃素、大黃酸前6個單重激發(fā)態(tài)的激發(fā)能 E（eV），諧振波長（nm），諧振強度f單重激發(fā)態(tài)Singlet excited stateS1S2S3S4S5S6大黃酚氣相E2.88202.91263.16633.45533.63634.3163430.21425.69391.58358.82340.96287.25f0.2362

11、0.00000.00630.00190.00000.1256水E2.81223.00813.14153.34793.65454.2030440.89412.17394.66370.34339.26294.99f0.29010.00000.00780.00600.00000.1810乙醚E2.81762.97433.14083.38033.64794.2275440.04416.85394.75366.78339.88293.28f0.29580.00000.00810.00450.00000.1825大黃素甲醚氣相E2.83172.98523.22163.38333.70754.0264437

12、.85415.32384.85366.46334.41307.93f0.23580.00000.00320.01210.00000.1081水E2.72873.08143.16623.28833.72113.8822454.37402.36391.58377.05333.19319.37f0.26840.00000.01720.02160.00000.1460乙醚E2.74823.04783.17843.31283.71713.9183451.14406.80390.09374.26333.55316.42f0.28230.00000.01040.02100.00000.1488蘆薈大黃素氣相

13、E2.8716 eV2.92863.16243.45363.63034.2303431.76423.36392.06359.00341.52293.09f0.24230.00000.00670.00210.00000.0973水E2.80593.01553.14003.36493.65444.0566441.87411.16394.86368.46339.27305.64f0.30100.00000.00640.00570.00000.1059乙醚E2.80892.98633.13813.38813.64504.1001441.40415.18395.09365.94340.15302.39f

14、0.30470.00000.00730.00460.00000.1155大黃酸氣相E2.83172.83323.08113.52263.55573.9653437.84437.61402.40351.97348.69312.68f0.00000.24450.01650.00570.00000.0000水E2.76572.95053.06253.43663.56174.0879448.30420.21404.85360.78348.11303.29f0.29660.00000.02230.00180.00000.0000乙醚E2.77002.90693.05973.46323.55964.042

15、1447.59426.52405.21358.01348.31306.74f0.30270.00000.02200.00310.00000.0000從表1可以看出大黃酚、大黃素甲醚、蘆薈大黃素和大黃酸的單重激發(fā)態(tài)吸收光譜全部位于可見光范圍內(nèi)，而且四種分子的單重激發(fā)態(tài)吸收光譜都發(fā)生了明顯的紅移，吸收波長具有明顯的變長，但是與氣相相比，這種紅移在水和乙醚這兩種極性溶劑中更加明顯。這可能是由于在這兩種分子中都存在有n-*躍遷的緣故，在水溶液和乙醚溶劑中，大黃酚、大黃素甲醚、蘆薈大黃素和大黃酸的第一單重激發(fā)態(tài)激發(fā)能全部減小，這說明由于溶劑的作用使得這四種分子很容易從基態(tài)激發(fā)到單重激發(fā)態(tài)。由表1可知，大

16、黃酚、大黃素甲醚、蘆薈大黃素和大黃酸的最大吸收波長的理論計算值分別為430nm，438 nm，432 nm和438 nm，這與實驗值（429nm MeOH ，433 nm MeOH ，428 nm MeOH ，437 nm MeOH ）相吻合，這就說明了我們計算激發(fā)態(tài)所選取的相關(guān)-交換泛函和基組是合理并可信的。因為誘發(fā)光敏反應的根源是三重態(tài)，所以光敏劑第一三重激發(fā)態(tài)的激發(fā)能對于研究光敏反應機制顯得尤為重要。這四種分子的第一三重激發(fā)態(tài)的激發(fā)能用含時密度泛函理論（TD-DFT）計算得到的三重激發(fā)態(tài)的激發(fā)能如表2所示 表2 大黃酚、大黃素甲醚、蘆薈大黃素、大黃酸第一三重單重激發(fā)態(tài)的激發(fā)能E（eV）大

17、黃酚大黃素甲醚蘆薈大黃素大黃酸E(T1)氣相2.22632.20952.20612.1610水2.19532.14662.19502.1275乙醚2.20512.16732.19682.13702.1.2 垂直電離能和垂直電子親和勢為了研究這四種化合物作為光敏劑的光敏反應機制，我們分別對四種分子處于基態(tài)及第一三重激發(fā)態(tài)的垂直電離能和垂直電子親和勢進行了計算，結(jié)果見表3。表3 大黃酚、大黃素甲醚、蘆薈大黃素、大黃酸基態(tài)和第一三重激發(fā)態(tài)的垂直電子親和勢（eV）和垂直電離勢（eV）大黃酚大黃素甲醚蘆薈大黃素大黃酸垂直電子親和勢氣相-1.88-1.73-1.86-2.25乙醚-3.15-3.04-3.

18、15-3.43水-3.55-3.46-3.56-3.79垂直電離勢氣相8.278.018.228.54乙醚7.006.826.997.22水6.626.466.626.80第一三重激發(fā)態(tài)垂直電子親和勢氣相-4.11-3.94-4.07-4.41乙醚-5.36-5.21-5.35-5.57水-5.75-5.61-5.76-5.92第一三重激發(fā)態(tài)垂直電離勢氣相6.045.806.016.38乙醚4.794.654.795.08水4.424.314.434.67研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，大黃酚、大黃素甲醚、蘆薈大黃素、大黃酸的基態(tài)垂直電子親和勢都滿足：VEA氣相> VEA乙醚>VEA水，這就說明由于

19、溶劑的極性作用使得四種分子更容易獲得電子，這可能是由于隨著溶劑的極性增大，分子之間的作用力更大所以更容易得到電子，也就是說它們的陰離子更容易在溶劑中存在。與氣相和乙醚相相比較，在水溶劑中這四種分子的陰離子更穩(wěn)定，這是因為水的極性最大的緣故。經(jīng)過比較我們還發(fā)現(xiàn)這四種分子的基態(tài)垂直電離勢也符合：VIP氣相> VIP乙醚>VIP水 ，這就表明由于溶劑化效應使得大黃酚、大黃素甲醚、蘆薈大黃素、大黃酸更易失電子，與在氣相和乙醚溶劑中相比，在水溶劑中反而更容易失去電子。另外從表3中我們還可以看出第一三重激發(fā)態(tài)的垂直電子親和勢和第一三重激發(fā)態(tài)的垂直電離勢在氣相、乙醚相、水相及中的變化與它們處于基

20、態(tài)時的變化的很接近，都是隨著溶劑極性的增加而呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。2.2 光敏反應機制 光敏反應通常有兩種反應機制：一種反應機制是有氧存在條件下，直接通過能量傳遞，電子轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生活性氧。還有一種是在無氧條件下，光敏劑與底物（如：DNA，RNA和蛋白質(zhì)）等直接發(fā)生作用。所以我們進一步對大黃酚，大黃素甲醚，蘆薈大黃素，大黃酸這四種分子在兩種不同的反應機制下的作用方式進行更加深入的研究。2.2.1 有氧條件下的光敏反應在光化學作用下，光敏劑會產(chǎn)生具有較高活性的物質(zhì), 如單重態(tài)氧1O2, 超氧自由基等，這些高活性物質(zhì)會破壞一系列生物分子或人體的細胞，從而幫助實現(xiàn)疾病治療。而通常想要獲得單重態(tài)氧1O2可以

21、使用式（1）中所描述的方法，這四種分子的三重激發(fā)態(tài)和基態(tài)的氧3O2將發(fā)生直接的能量轉(zhuǎn)換，從而產(chǎn)生處于單重激發(fā)態(tài)的氧。從表2的計算結(jié)果我們不難看出，四種分子最低的三重激發(fā)態(tài)在氣相，水以及乙醚溶液中的能量全部大于基態(tài)氧3O2的垂直激發(fā)能（：1.05 eV， ：1.65 eV），這個結(jié)果就表明不管是在氣相還是溶液中，這四種分子都能與基態(tài)的氧發(fā)生反應而產(chǎn)生有活性的單重態(tài)氧。 （1）而且，四種分子的第一三重激發(fā)態(tài)和基態(tài)的氧3O2還有可能發(fā)生直接的電子轉(zhuǎn)移，從而得到一種超氧陰離子自由基，具體反應如式（2）所示。 （2）此反應發(fā)生的先決條件是分子的第一三重激發(fā)態(tài)的垂直電離勢（VIP(T1)）和基態(tài)氧的絕熱電

22、子親和勢（AEA）之和必須為負值。我們使用B3LYP方法和6-31+G(d,p)基組計算的基態(tài)氧的絕熱電子親和勢在氣相，水和乙醚溶液中分別為：-0.59eV,-3.72eV,-3.01.eV。很明顯，這四種分子在氣相，水和乙醚溶液中VIP(T1)與氧氣的絕熱電子親和勢之和都是正值，那么此反應是不可能發(fā)生的。但是通過有關(guān)資料文獻顯示大黃酚、大黃的蒽醌混合物可以產(chǎn)生超氧負離子自由基，所以這里有第三種反應路徑也是我們必須考慮的，而所謂的第三種反應路徑，就是自電離路徑。 （3） （4） （5）這四種分子中的激發(fā)態(tài)與基態(tài)（式（3）或者激發(fā)態(tài)與激發(fā)態(tài)（式（4）都有可能相互發(fā)生反應，從而得到可以作為光敏劑的

23、陰離子，而后該陰離子將與基態(tài)氧作用得到超氧陰離子自由基（式（5）。那么是不是這樣呢？這個從計算結(jié)果就可以判斷反應是否可以發(fā)生？具體結(jié)果見表3。經(jīng)過對數(shù)值進行分析，我們發(fā)現(xiàn)無論是氣相還是在水或者乙醚溶液中，這四種分子基態(tài)的垂直電離勢和三重態(tài)的垂直電子親和勢之和都是大于零的，因此（3）式的反應從熱力學角度講是不可能發(fā)生的，也就是說這四種分子都不可能通過（3）式反應來獲得陰離子。由于四種分子處于氣相時第一三重激發(fā)態(tài)的垂直電離勢和垂直電子親和勢（VEA(T1)）之和大于零，因此處于氣相狀態(tài)的四種分子也不能發(fā)生（4）所描述的反應，但是我們又發(fā)現(xiàn)當在水或者乙醚溶劑中時，此四種分子的VEA(T1)+ VIP

24、(T1)很顯然都是小于零的，因此溶劑化效應將使四種分子可以產(chǎn)生陰離子。而（5）式反應發(fā)生的條件是光敏劑的基態(tài)垂直電子親和勢必須要大于氧氣的絕熱電子親和勢，那么這就說明只有在水溶液中，大黃酚、大黃素甲醚和蘆薈大黃素陰離子才可能會向基態(tài)氧轉(zhuǎn)移電子，從而形成超氧負離子自由基。2.2.2 無氧條件下的光敏反應下面我們來討論無氧條件下這四種分子又會發(fā)生什么樣的反應呢？在這里無氧條件下的光敏反應主要是討論大黃酚、大黃素甲醚、蘆薈大黃素、大黃酸與DNA或RNA堿基（D）之間的反應。 一種是位于三重激發(fā)態(tài)的四種分子直接與DNA或RNA堿基對發(fā)生反應（具體反應見公式（6），電子將從DNA或RNA堿基上轉(zhuǎn)移到四種

25、分子上。 （6）在表4中我們分別列出了DNA和RNA堿基（A：腺嘌呤，C：胞嘧啶，G：鳥嘌呤，T：胸腺嘧啶，U：尿嘧啶）的垂直電子親和勢（VEA（D）及垂直電離勢（VIP（D）。我們發(fā)現(xiàn)不論在氣相還是水或是乙醚溶液中，VIP（D）+ VIP(T1)的值均大于零，這就表明該反應是熱力學不允許的。另外一種反應路徑則是四種分子的第一三重激發(fā)態(tài)與基態(tài)（式（3）或者第一三重激發(fā)態(tài)與第一三重激發(fā)態(tài)。 可以獲得光敏劑的陽離子，繼而陽離子奪取DNA上的子（式（7）。 （7） 通過前面的分析我們已經(jīng)知道了在水或者乙醚溶劑中，通過式（4）描述的反應可以得到這四種分子的陽離子。而要想發(fā)生（7）式的反應那么就要求這四

26、種分子陽離子的垂直電子親和勢與DNA或RNA堿基之間的垂直電離勢之和小于零。所以接下來我們對這四種化合物在水和乙醚溶液中的垂直電子親和勢分別進行了計算，通過計算我們得到了大黃酚、大黃素甲醚、蘆薈大黃素和大黃酸陽離子在水中的垂直電子親和勢分別為：-6.35eV，-6.23eV，-6.37eV，-6.49eV；在乙醚溶液中分別為-6.78 eV，-6.59eV，-6.76eV， -6.93eV。通過與DNA和RNA堿基垂直電離勢比較，我們發(fā)現(xiàn)在乙醚溶液中，大黃酚與大黃酸的陽離子可以與腺嘌呤和鳥嘌呤之間發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，而大黃素甲醚與蘆薈大黃素陽離子也可以與鳥嘌呤發(fā)生電子轉(zhuǎn)移。 表4 DNA和RNA堿基

27、（A：腺嘌呤，C：胞嘧啶，G：鳥嘌呤，T：胸腺嘧啶，U：尿嘧啶）的垂直電子親和勢（VEA（D）及垂直電離勢（VIP（D）DNA和RNA堿基ACGTU垂直電子親和勢水-1.22-1.41-0.92-1.55-1.65乙醚-0.7-0.9-0.6-1.1-1.2垂直電離勢水6.366.706.076.807.10乙醚6.777.146.497.327.66A：腺嘌呤 C：胞嘧啶 G：鳥嘌呤 T：胸腺嘧啶 U：尿嘧啶 3 結(jié)論 通過研究大黃酚、大黃素甲醚、蘆薈大黃素和大黃酸四種分子的光敏反應機制，我們發(fā)現(xiàn)大黃蒽醌類化合物不論是在真空中還是在溶劑中都可以通過直接能量轉(zhuǎn)移反應路徑產(chǎn)生單重態(tài)氧O2；在水溶液中，大黃酚、大黃素甲醚和蘆薈大黃素才可以通過自電離路徑產(chǎn)生超氧負離子自由基，而