借助尾辅助ESIPT和构象调控实现的黄酮类抗氧化剂中基于机制的结构-活性关系研究

《Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology》：Mechanism-resolved structure–activity relationships in flavonoid antioxidants enabled by tail-assisted ESIPT and conformational modulation

　　摘要：激发态分子内质子转移在增强黄酮类衍生物的光化学性质和抗氧化能力方面起着关键作用。然而，大多数天然黄酮类化合物本身并不具有激发态分子内质子转移功能。在具有该功能的体系中，这一过程往往会消耗酚羟基，而这些酚羟基正是清除自由基的主要活性位点。为克服这一局限，我们提出了一种创新的设计策略，通过引入基于N–H···N相互作用的尾辅助质子转移途径，将激发态分子内质子转移与酚羟基的消耗分离，从而实现抗氧化活性的双模式增强。以实验验证过的具有抗氧化作用的黄酮类化合物如丁烯黄和6,7,4′-三羟基异黄酮作为模型，及其经尾部修饰的衍生物作为研究对象，通过密度泛函理论及时间依赖密度泛函理论计算进行了分析。机制解析的结构-活性关系研究表明，尾部修饰后分子的空间构象更为折叠，有助于更高效地实现分子内相互作用，从而使这些化合物的抗氧化性能显著优于平面构象的同类物质。值得注意的是，本研究首次揭示了扭曲型分子内电荷转移与抗氧化活性之间的关系，明确了其微乎其微的贡献及其机制起源。我们的研究建立了一个基于实验、机制明确的结构-活性关系框架，在该框架中，尾辅助激发态分子内质子转移与空间折叠构象共同调控抗氧化活性，为设计具有更好药理潜力的新一代尾辅助抗氧化药物提供了实用方案。

引言：黄酮类化合物是一类天然存在的多酚类化合物，在植物中广泛存在，以其出色的抗氧化能力和多样的生物活性而著称[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。其抗氧化活性主要源自酚羟基功能团，这些功能团可通过氢原子转移或电荷转移机制有效清除活性氧物种和自由基。例如，黄酮类分子通过分子骨架上的酚羟基解离来中和环境中的自由基（如超氧离子），从而发挥抗氧化作用[6]、[7]。基于这些特性，黄酮类分子在药物化学和化学生物学领域被视为开发生物活性抗氧化剂的理想候选结构。

与此同时，激发态分子内质子转移作为一种基本的光物理过程，在光化学领域得到了广泛研究，其特点为极快的质子迁移速度、较大的斯托克斯位移以及独特的激发态反应性[8]、[9]。越来越多的证据表明，激发态分子内质子转移过程可通过改变分子内的氢键作用、电荷重分布以及激发态反应性，进一步调控黄酮类化合物的抗氧化行为[10]、[11]、[12]、[13]。然而，许多天然黄酮类化合物要么本身不具备激发态分子内质子转移能力，要么其质子转移过程涉及酚羟基，而这些酚羟基同时又是负责清除自由基的活性位点[14]、[15]。这些羟基参与质子转移可能会降低它们在抗氧化反应中的活性，进而限制分子的总体抗氧化效率。因此，在保留酚羟基固有抗氧化活性的同时引入激发态分子内质子转移功能，是黄酮类分子工程领域面临的一个重要挑战。此外，分子构象也被认为是调控分子内相互作用和电子传递的关键因素[16]、[17]，尤其是折叠构象，能够促进分子间的相互作用、有利于电荷重分布，并调节激发态行为[18]、[19]。

为解决这些难题，我们提出了尾辅助激发态分子内质子转移分子设计策略。通过在分子尾部引入能够形成N–H···N氢键相互作用的辅助激发态质子转移单元，可以构建一种新的质子转移途径，而不必消耗黄酮类骨架中的酚羟基[20]。像丁烯黄（本身为折叠构象）和6,7,4′-三羟基异黄酮（主要为平面构象）这样的典型黄酮类化合物，为阐明构象效应对激发态分子内质子转移及抗氧化活性的影响提供了理想的对比平台[21]。这两种分子都含有多个参与抗氧化作用的酚羟基，但本身不具备激发态分子内质子转移功能，因此非常适合用于研究在不影响其固有抗氧化活性位点的情况下引入激发态分子内质子转移功能的策略。

除了激发态分子内质子转移之外，激发态电荷转移过程，尤其是扭曲型分子内电荷转移，也受到分子构象和电子结构的强烈影响[22]、[23]，并且常常与激发态分子内质子转移一起被讨论[24]。值得注意的是，由于扭曲型分子内电荷转移容易促使非辐射衰变路径的产生，通常被认为会对化学反应性产生不利影响。在此背景下，本研究首次系统地探讨了扭曲型分子内电荷转移与抗氧化活性之间的关系，旨在阐明其如何影响与抗氧化相关的性质。在此基础上，我们进一步研究了调控抗氧化行为的激发态相关因素。尤其是，构象调控有望引发分子框架内的电荷重分布，这一现象可通过片段间电荷转移分析进行定量描述[25]，从而为不同分子片段之间的电子迁移提供机制层面的解释。这种方法有助于系统地评估激发态电荷转移过程对与抗氧化相关性质的影响。

为了系统研究丁烯黄、6,7,4′-三羟基异黄酮及其经尾部修饰的衍生物，我们采用了密度泛函理论和时间依赖密度泛函理论进行计算（见图1）。通过频率计算确认优化后的结构确实是势能面上的真实极小值，且不存在虚频，而计算得到的光谱数据与实验数据的高度吻合，进一步证明了所提出的分子结构的合理性。机制解析的结构-活性关系分析表明，引入尾部结构不仅能够实现高效的激发态分子内质子转移，还能改变原本为折叠构象的黄酮类骨架的激发态构象，从而促进扭曲型分子内电荷转移并增强分子内相互作用。研究结果还显示，尾辅助激发态分子内质子转移与构象调控之间的协同作用，尤其在第一激发态S1状态下，能够显著提升抗氧化性能。这项工作建立了连接激发态分子内质子转移行为、分子构象与抗氧化活性的机制清晰的理论框架，为设计具有更高药理潜力的新一代黄酮类抗氧化药物提供了实用的指导原则。

计算方法与细节：对丁烯黄、6,7,4′-三羟基异黄酮及其经尾部修饰的衍生物的所有计算分析均采用密度泛函理论和时间依赖密度泛函理论方法完成[26]、[27]、[28]。密度泛函理论计算基于霍恩伯格-科恩定理，该定理指出多电子系统的基态性质由其电子密度唯一决定。根据科恩-沙姆形式主义，系统的总电子能量可表示为：Eρ=Tρ+∫υextrρrdr+EHρ+Excρ，其中Tρ为动能。

优化后的分子构象与电子光谱：氢键的伸缩振动频率是反映氢键动态变化的关键指标，红外光谱中的红移或蓝移可直接体现分子间氢键强度的变化[38]。所有分子都是在结构优化到最稳定构象之后才进行红外光谱计算的。具体而言，首先优化这四种分子的所有烯醇态几何结构，然后再对其对应的结构进行优化。

结论：综上所述，我们提出了一种尾辅助激发态分子内质子转移设计策略，该策略通过N–H···N氢键作用建立独立的质子转移途径，从而避免消耗酚羟基，保持其固有的自由基清除能力。这一策略解决了实现激发态分子内质子转移与保留具有抗氧化活性的酚羟基之间的矛盾，提供了一种不同于传统黄酮类核心结构修饰的分子设计理念。

作者贡献声明：曹碧发：撰写——审阅与编辑、监督、方法论、概念设计；张新如：撰写——初稿、可视化、数据整理；周乔：概念设计；徐健：资源提供；施颖：撰写——审阅与编辑、监督、软件使用、资源提供。

利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢：本项工作得到了天津市教育委员会高等教育科学技术发展基金（编号2023KJ242）和中国国家自然科学基金（编号12404336）的资助。

曹碧发|张新如|周乔|徐健|施颖
中国天津300350，天津中德应用技术大学基础课程系