1、本科毕业论文（设计）题 目 大 黄 酚 、 大 黄 素 甲 醚 、 芦 荟 大 黄 素 及 大 黄 酸 的 光敏 性 研 究 学生姓名 曹继鹏 专业名称 应用化学 指导教师 闫海燕 2015 年 5 月 4 日教学单位 宝鸡文理学院 学生学号 201192064055 编 号 HX2015YY055 大黄酚、大黄素甲醚、芦荟大黄素及大黄酸的光敏性研究曹继鹏 (（宝鸡文理学院 化学化工学院 陕西 宝鸡 721007） 摘 要: 本文选用密度泛函方法，研究了大黄酚、大黄素甲醚、芦荟大黄素和大黄酸与氧分子之间的光敏反应机制，计算结果表明，在有氧条件下，四种分子在溶剂和真空都能产生单重态氧 1O2，要
2、产生超氧负离子自由基 却只能在溶剂中，而无氧条件下，在乙醚和2O水中，四种分子都可以破坏 DNA 和 RNA。关键词：大黄酚; 大黄素甲醚; 芦荟大黄素; 大黄酸; 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 and Sciences, Baoji, 721007, Sh
3、anxi)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 investigated using time-dependent density functional t
4、heory (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, the rhubarb 2anthraquinone compounds can damage DN
5、A and RNA in aqueous and ether solutions.Key-word: density functional; excited state; phototoxic ability; rhubarb anthraquinone compounds交稿日期：2015-5-4 指导教师：闫海燕作者简介：曹继鹏(1992-)，男，陕西咸阳人，化学化工学院 2015 届毕业生目 录引言 .11 计算方法 .22 计算结果与分析 .22.1 四种分子的光化学反应 .22.1.1 激发态的波长变化 .22.1.2 垂直电离能和垂直电子亲和势 .52.2 光敏反应机制 .52.2
6、.1 有氧条件下的光敏反应 .62.2.2 无氧条件下的光敏反应 .73 结论 .8参考文献 .9谢 辞 .100引言大黄是一种多年生的蓼科草本植物掌叶大黄（Rheum palmatuml） ，唐古特大黄（Rheum tanguticum Maxim ex Reg） ，和药用大黄（ Rheum officinale Baill）的根和根茎，由于大黄性寒，并且味苦，具有攻积导滞，泻火，止血，抗肿瘤，促肝利胆的药用作用，是最常见的中药之一。大黄所含的成分大体上能够分为蒽醌类，多糖类，鞣质类，蒽脂类，而大黄中药用疗效的重要组成成分是其中的蒽醌类，而其中的主要活性成分是芦荟大黄酸，大黄酸，大黄素，大黄
7、酚，大黄素甲醚 1-2，它们的分子式和结构如图 1 所示: 大黄酸（1,8二羟基3羧基蒽醌，Rhein） ；大黄素（1,3,8三羟基6甲基蒽醌，Emdin） ；芦荟大黄素（1,8二羟基3羟甲基蒽醌，Aloe-emodin）大黄酸（1,8二羟基3甲基蒽醌，Chrysophanol） ；大黄素甲醚（ 1,8二羟基3甲氧基，Physican）图 1 大黄酸，大黄素，芦荟大黄素，大黄素甲醚，大黄酚结构示意图大黄本身具有很高的生物活性，可以被当做光敏剂 3-4，应用于光化学反应中。通过光敏反应产生的单重态氧 O2 和超氧负离子 以及自由羟自由基OH 等高活21性的物质可以对生物分子和细胞产生破坏从而实现
8、治疗疾病的目的。要对大黄蒽醌类化合物中的大黄酚，大黄素甲醚，芦荟大黄素，大黄酸的光敏性进行量子化学方面的研究，首先，就应该了解什么是所谓的光敏剂？在光化学反应中，有一类分子，光子只能够被它们吸收并将能量传递给那些不能吸收能量的分子，促其发生光化学反应，而自身则不发生化学反应，恢复到原来的状态，这一类分子称为光敏剂。由光敏剂引起的光化学反应称为光敏反应。通常，人们把有氧分子参与的伴随生物效应的光敏反应称为光动力反应，把可引发光动力反应破坏细胞结构的药物称为光敏药物。目前，量子化学方法的快速发展为人们从计算化学的角度对具有光敏性的光敏剂进行研究成为了可能 5-8。赵雪等 9采用含时密度泛函的方法，
9、计算了大黄素基态和激发态的相关性质。但是，对大黄蒽醌类化合物系统性研究很少，本文使用含时密度泛函的方法，对大黄中大黄素甲醚，大黄酚，大黄酸和芦荟大黄素的光敏性都进行了系统的研究。1 计算方法本文主要采用B3LYP 杂化密度泛函的方法，垂直电子亲和势和垂直电离势均在B3LYP6-31G+(d,p)B3LYP6-31G(d)理论水平上完成的。对于激发态的研究与计算分析通常基于优化的基态构型基础上，选用的都是含时密度泛函方法（TD-DFT)。所有的计算都是使用Gaussian 09软件包完成。2 计算结果与分析2.1 四种分子的光化学反应 2.1.1 激发态的波长变化光敏剂在受到光辐射后会从基态跃迁
10、至第一单重激发态，通过系统间的交叉跃迁，第一单重激发态可以无辐射的方式跃迁到第一三重激发态，因此计算激发态的性质对光敏性的研究很重要。大黄素甲醚，大黄素，大黄酸和芦荟大黄素的基态结构如图2所示2图 2 大黄素甲醚，大黄素，大黄酸和芦荟大黄素的基态结构从图 1 里面可以看出它们的平衡态结构都具有 CS 对称性，分子的电子态都是 1-A表 1 大黄酚、大黄素甲醚、芦荟大黄素、大黄酸前 6个单重激发态的激发能 E（eV） ，谐振波长 （nm） ，谐振强度 f单重激发态Singlet excited state S1 S2 S3 S4 S5 S6E 2.8820 2.9126 3.1663 3.455
11、3 3.6363 4.3163 430.21 425.69 391.58 358.82 340.96 287.25气相f 0.2362 0.0000 0.0063 0.0019 0.0000 0.1256E 2.8122 3.0081 3.1415 3.3479 3.6545 4.2030 440.89 412.17 394.66 370.34 339.26 294.99水f 0.2901 0.0000 0.0078 0.0060 0.0000 0.1810E 2.8176 2.9743 3.1408 3.3803 3.6479 4.2275 440.04 416.85 394.75 366.
12、78 339.88 293.28大黄酚乙醚f 0.2958 0.0000 0.0081 0.0045 0.0000 0.1825E 2.8317 2.9852 3.2216 3.3833 3.7075 4.0264 437.85 415.32 384.85 366.46 334.41 307.93气相f 0.2358 0.0000 0.0032 0.0121 0.0000 0.1081E 2.7287 3.0814 3.1662 3.2883 3.7211 3.8822 454.37 402.36 391.58 377.05 333.19 319.37水f 0.2684 0.0000 0.01
13、72 0.0216 0.0000 0.1460E 2.7482 3.0478 3.1784 3.3128 3.7171 3.9183 451.14 406.80 390.09 374.26 333.55 316.42大黄素甲醚乙醚f 0.2823 0.0000 0.0104 0.0210 0.0000 0.1488芦荟大黄素气相 E 2.8716 eV2.9286 3.1624 3.4536 3.6303 4.23033 431.76 423.36 392.06 359.00 341.52 293.09f 0.2423 0.0000 0.0067 0.0021 0.0000 0.0973E 2
14、.8059 3.0155 3.1400 3.3649 3.6544 4.0566 441.87 411.16 394.86 368.46 339.27 305.64水f 0.3010 0.0000 0.0064 0.0057 0.0000 0.1059E 2.8089 2.9863 3.1381 3.3881 3.6450 4.1001 441.40 415.18 395.09 365.94 340.15 302.39乙醚f 0.3047 0.0000 0.0073 0.0046 0.0000 0.1155E 2.8317 2.8332 3.0811 3.5226 3.5557 3.9653
15、437.84 437.61 402.40 351.97 348.69 312.68气相f 0.0000 0.2445 0.0165 0.0057 0.0000 0.0000E 2.7657 2.9505 3.0625 3.4366 3.5617 4.0879 448.30 420.21 404.85 360.78 348.11 303.29水f 0.2966 0.0000 0.0223 0.0018 0.0000 0.0000E 2.7700 2.9069 3.0597 3.4632 3.5596 4.0421 447.59 426.52 405.21 358.01 348.31 306.74
16、大黄酸乙醚f 0.3027 0.0000 0.0220 0.0031 0.0000 0.0000从表 1 可以看出大黄酚、大黄素甲醚、芦荟大黄素和大黄酸的单重激发态吸收光谱全部位于可见光范围内，而且四种分子的单重激发态吸收光谱都发生了明显的红移，吸收波长具有明显的变长，但是与气相相比，这种红移在水和乙醚这两种极性溶剂中更加明显。这可能是由于在这两种分子中都存在有 n-*跃迁的缘故，在水溶液和乙醚溶剂中，大黄酚、大黄素甲醚、芦荟大黄素和大黄酸的第一单重激发态激发能全部减小，这说明由于溶剂的作用使得这四种分子很容易从基态激发到单重激发态。由表 1 可知，大黄酚、大黄素甲醚、芦荟大黄素和大黄酸的最大
17、吸收波长的理论计算值分别为 430nm，438 nm，432 nm 和 438 nm，这与实验值（429nm MeOH ，433 nm MeOH ，428 nm MeOH ，437 nm MeOH ）相吻合，这就说明了我们计算激发态所选取的相关-交换泛函和基组是合理并可信的。因为诱发光敏反应的根源是三重态，所以光敏剂第一三重激发态的激发能对于研究光敏反应机制显得尤为重要。这四种分子的第一三重激发态的激发能用含时密度泛函理论（TD-DFT）计算得到的三重激发态的激发能如表 2 所示 表 2 大黄酚、大黄素甲醚、芦荟大黄素、大黄酸第一三重单重激发态的激发能 E（eV）大黄酚大黄素甲醚芦荟大黄素大黄
18、酸气相 2.2263 2.2095 2.2061 2.1610水 2.1953 2.1466 2.1950 2.1275E(T1)乙醚 2.2051 2.1673 2.1968 2.137042.1.2 垂直电离能和垂直电子亲和势为了研究这四种化合物作为光敏剂的光敏反应机制，我们分别对四种分子处于基态及第一三重激发态的垂直电离能和垂直电子亲和势进行了计算，结果见表 3。表 3 大黄酚、大黄素甲醚、芦荟大黄素、大黄酸基态和第一三重激发态的垂直电子亲和势（eV）和垂直电离势（eV）大黄酚 大黄素甲醚芦荟大黄素大黄酸气相 -1.88 -1.73 -1.86 -2.25乙醚 -3.15 -3.04 -
19、3.15 -3.43垂直电子亲和势水 -3.55 -3.46 -3.56 -3.79气相 8.27 8.01 8.22 8.54乙醚 7.00 6.82 6.99 7.22垂直电离势水 6.62 6.46 6.62 6.80气相 -4.11 -3.94 -4.07 -4.41乙醚 -5.36 -5.21 -5.35 -5.57第一三重激发态垂直电子亲和势水 -5.75 -5.61 -5.76 -5.92气相 6.04 5.80 6.01 6.38乙醚 4.79 4.65 4.79 5.08第一三重激发态垂直电离势水 4.42 4.31 4.43 4.67研究结果发现，大黄酚、大黄素甲醚、芦荟大
20、黄素、大黄酸的基态垂直电子亲和势都满足：VEA 气相 VEA 乙醚 VEA 水 ，这就说明由于溶剂的极性作用使得四种分子更容易获得电子，这可能是由于随着溶剂的极性增大，分子之间的作用力更大所以更容易得到电子，也就是说它们的阴离子更容易在溶剂中存在。与气相和乙醚相相比较，在水溶剂中这四种分子的阴离子更稳定，这是因为水的极性最大的缘故。经过比较我们还发现这四种分子的基态垂直电离势也符合：VIP 气相 VIP 乙醚 VIP 水 ，这就表明由于溶剂化效应使得大黄酚、大黄素甲醚、芦荟大黄素、大黄酸更易失电子，与在气相和乙醚溶剂中相比，在水溶剂中反而更容易失去电子。另外从表 3中我们还可以看出第一三重激发
21、态的垂直电子亲和势和第一三重激发态的垂直电离势在气相、乙醚相、水相及中的变化与它们处于基态时的变化的很接近，都是随着溶剂极性的增加而呈现逐渐减小的趋势。2.2 光敏反应机制光敏反应通常有两种反应机制：一种反应机制是有氧存在条件下，直接通过能量传递，电子转移而产生活性氧。还有一种是在无氧条件下，光敏剂与底物（如：5DNA，RNA 和蛋白质）等直接发生作用。所以我们进一步对大黄酚，大黄素甲醚，芦荟大黄素，大黄酸这四种分子在两种不同的反应机制下的作用方式进行更加深入的研究。2.2.1 有氧条件下的光敏反应在光化学作用下，光敏剂会产生具有较高活性的物质, 如单重态氧 1O2, 超氧自由基 等，这些高活
22、性物质会破坏一系列生物分子或人体的细胞，从而帮助实现2O疾病治疗。而通常想要获得单重态氧 1O2可以使用式（ 1）中所描述的方法，这四种分子的三重激发态和基态的氧 3O2将发生直接的能量转换，从而产生处于单重激发态的氧。从表2的计算结果我们不难看出，四种分子最低的三重激发态在气相，水以及乙醚溶液中的能量全部大于基态氧 3O2的垂直激发能（ ：1.05 eV， 1g：1.65 eV），这个结果就表明不管是在气相还是溶液中，这四种分子都能与基1g态的氧发生反应而产生有活性的单重态氧。（1）31122Anth()nthT而且，四种分子的第一三重激发态和基态的氧 3O2还有可能发生直接的电子转移，从而
23、得到一种超氧阴离子自由基 ，具体反应如式（ 2）所示。2（2）312nth()nthTO此反应发生的先决条件是分子的第一三重激发态的垂直电离势（VIP(T 1)）和基态氧的绝热电子亲和势（AEA）之和必须为负值。我们使用B3LYP方法和6-31+G(d,p)基组计算的基态氧的绝热电子亲和势在气相，水和乙醚溶液中分别为：-0.59eV,-3.72eV,-3.01.eV。很明显，这四种分子在气相，水和乙醚溶液中VIP(T 1)与氧气的绝热电子亲和势之和都是正值，那么此反应是不可能发生的。但是通过有关资料文献显示大黄酚、大黄的蒽醌混合物可以产生超氧负离子自由基，所以这里有第三种反应路径也是我们必须考
24、虑的，而所谓的第三种反应路径，就是自电离路径。（3）1Anth()tAnthtT（4）1()（5）322ttO6这四种分子中的激发态与基态（式（3）或者激发态与激发态（式（4）都有可能相互发生反应，从而得到可以作为光敏剂的阴离子，而后该阴离子将与基态氧作用得到超氧阴离子自由基 （式（5）。那么是不是这样呢？这个从计算结2O果就可以判断反应是否可以发生？具体结果见表3。经过对数值进行分析，我们发现无论是气相还是在水或者乙醚溶液中，这四种分子基态的垂直电离势和三重态的垂直电子亲和势之和都是大于零的，因此（3）式的反应从热力学角度讲是不可能发生的，也就是说这四种分子都不可能通过（3）式反应来获得阴离
25、子。由于四种分子处于气相时第一三重激发态的垂直电离势和垂直电子亲和势（VEA(T 1)）之和大于零，因此处于气相状态的四种分子也不能发生（4）所描述的反应，但是我们又发现当在水或者乙醚溶剂中时，此四种分子的VEA(T 1)+ VIP(T1)很显然都是小于零的，因此溶剂化效应将使四种分子可以产生阴离子。而（5）式反应发生的条件是光敏剂的基态垂直电子亲和势必须要大于氧气的绝热电子亲和势，那么这就说明只有在水溶液中，大黄酚、大黄素甲醚和芦荟大黄素阴离子才可能会向基态氧转移电子，从而形成超氧负离子自由基 。2O2.2.2 无氧条件下的光敏反应下面我们来讨论无氧条件下这四种分子又会发生什么样的反应呢？在
26、这里无氧条件下的光敏反应主要是讨论大黄酚、大黄素甲醚、芦荟大黄素、大黄酸与DNA或RNA碱基（D）之间的反应。 一种是位于三重激发态的四种分子直接与DNA或RNA碱基对发生反应（具体反应见公式（6），电子将从DNA 或RNA碱基上转移到四种分子上。（6）1Anth()nthTD在表4中我们分别列出了DNA和RNA碱基（A：腺嘌呤，C：胞嘧啶，G ：鸟嘌呤，T：胸腺嘧啶，U：尿嘧啶）的垂直电子亲和势（VEA（D ）及垂直电离势（VIP（ D）。我们发现不论在气相还是水或是乙醚溶液中，VIP（D ）+ VIP(T 1)的值均大于零，这就表明该反应是热力学不允许的。另外一种反应路径则是四种分子的第一三重激发态与基态（式（3）或者第一三重激发态与第一三重激发态。 可以获得光敏剂的阳离子，继而阳离子夺取DNA上的子（式（7）。
