黄酮醇的合成与多模态表征：电化学、光谱学及密度泛函理论方法

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Synthesis and multimodal characterization of flavonols: electrochemical, spectroscopic, and DFT approaches

　　

摘要

研究人员合成了五种含有给电子和吸电子取代基的黄酮醇，并通过核磁共振波谱、质谱、紫外-可见光谱以及循环伏安法对其进行了表征。为了研究它们的分子几何结构、前线分子轨道、电子结构以及激发态性质，研究人员还采用了密度泛函理论（DFT）和时变密度泛函理论（TDDFT）进行计算。优化后的几何结构表明，那些在C2′和C6′位置都带有取代基的黄酮醇呈现非平面构型，而其余衍生物则基本为平面构型。势能面计算结果显示，3-羟基团与邻位取代基之间的空间相互作用使得这些化合物保持扭曲构型，同时降低了π键的共轭程度。最高占据分子轨道主要分布在B环和C环上，而最低未占分子轨道则分布于A环和C环上，这表明该系列化合物的氧化和还原中心具有相似性。给电子取代基会提升最高占据分子轨道的能量，从而导致氧化电位降低，紫外-可见吸收带向长波方向移动。TDDFT计算结果准确再现了实验测得的吸收光谱，且证实最低能量的电子激发主要是由最高占据分子轨道向最低未占分子轨道的跃迁所导致的。实验测得的电化学能隙与DFT计算得到的最高占据分子轨道-最低未占分子轨道能隙之间存在很强的相关性（R² = 0.92），而计算得到的吸收峰与实验值之间也具有很高的一致性（R² = 0.98）。实验数据与计算结果之间的高度一致性，为通过整合DFT、TDDFT、紫外-可见光谱以及电化学方法来建立黄酮醇的定量结构-电子性质关系提供了依据，同时也为合理设计基于黄酮醇的功能材料及具有生物活性的衍生物奠定了基础。

引言

黄酮醇是黄酮类化合物中的一个重要亚类，属于天然存在的多酚类物质，广泛存在于各种水果、蔬菜以及药用植物中[1]。这类化合物以3-羟基黄酮骨架为结构特征，具有多种生物活性，包括抗氧化、抗炎以及抗癌作用[2]、[3]、[4]、[5]。这些生物活性主要源于它们参与电子转移过程的能力，以及稳定活性自由基的能力，而这些特性又取决于它们自身的电子结构和取代基模式[5]、[6]、[7]。

黄酮醇的电子行为源自于其扩展的共轭π体系以及羟基功能团，这些结构特征有助于实现分子内的电荷转移，进而影响其光学性质和氧化还原性质[8]、[9]、[10]。紫外-可见光谱被广泛用于研究这类体系，通常可以观测到两个吸收峰，分别对应于苯甲酰基（第二吸收带）和肉桂酰基（第一吸收带）发色团[11]。然而，仅依靠光谱技术无法完全揭示这类体系中电子分布和氧化还原活性的复杂性。除了具备多样的生物和物理化学性质外，3-羟基黄酮由于其独特的光物理特性以及对结构变化的敏感性，还被视为极具潜力的荧光分子骨架[12]、[13]。因此，了解不同取代基对黄酮醇框架电子结构的影响，对于未来合理设计基于黄酮醇的荧光探针及其他功能材料具有重要意义[14]。

电化学技术，尤其是循环伏安法，已成为研究黄酮醇及其相关黄酮类化合物氧化还原性质的重要工具[15]。循环伏安法能够直接测定氧化电位、电子转移过程的可逆性以及自由基生成的机制[16]。Rice-Evans等人早期的研究就证明了黄酮类化合物的氧化电位与其抗氧化活性之间存在密切关联，从而确立了循环伏安法作为评估氧化还原行为的可靠方法[17]。后续的研究进一步表明，尤其是B环上的羟基数量和位置，会对氧化电位以及物质的给电子能力产生显著影响[18]。在过去的十年里，由于3-羟基-4-酮结构单元具备螯合金属离子并调控生物活性的独特能力，黄酮醇的配位化学也受到了广泛关注。Samsonowicz等人发现，黄酮酮和黄酮醇与Cu(II)、Fe(III)、Zn(II)以及其他具有生物学意义的金属形成的复合物，由于具有更高效的电子转移过程以及更能稳定自由基中间体，因此比相应的游离配体具有更强的抗氧化活性[19]。同样，?ivkovi?等人也证明，黄酮酮金属复合物相比游离配体具有更强的抗菌和抗癌活性，这进一步凸显了金属配位在决定药物活性方面的关键作用[20]。

更为深入的电化学研究显示，黄酮醇通常会经历不可逆或准可逆的氧化过程，这一过程往往伴随着酚氧基自由基的形成，随后还会发生二聚化或质子丢失等化学反应[21]。例如，针对槲皮素及其相关黄酮醇的研究就发现了多个氧化峰，这些峰对应于不同的羟基，从而体现了它们氧化还原机制的复杂性[22]。

近年来，电化学研究的发展趋势在于将循环伏安法与光谱学以及计算方法相结合。例如，同步进行的电化学与光谱学研究为了解氧化过程中产生的中间体提供了更有深度的见解[23]。此外，人们也越来越注重将实验测得的氧化电位与HOMO能级等理论参数之间的关系进行研究，从而进一步强化电化学行为与电子结构之间的联系[6]、[24]。

鉴于上述情况，显然有必要开展综合性研究，将实验方法和理论分析相结合，以便更好地理解黄酮醇的分子结构、电子性质以及氧化还原行为之间的相互作用。因此，本研究通过合成五种结构各异的、带有不同取代基的黄酮醇衍生物，并对其展开系统研究，从而为这些化合物提供不同的电子环境和空间环境。这些合成化合物通过紫外-可见光谱和循环伏安法进行了表征，同时还通过DFT计算分析了它们的电子结构，包括前线分子轨道以及相关的反应性参数。通过将实验观察结果与理论预测结果相互对比，本研究建立了结构与性质之间的关系，为了解取代基对黄酮醇骨架的光学、电化学以及电子特性所产生的影响提供了宝贵见解。这些研究成果为未来合理设计基于黄酮醇的功能系统奠定了基础，这类系统可应用于荧光传感、有机光电器件、氧化还原活性体系以及药物化学领域。

章节节选

材料与方法

所有试剂和溶剂均购自Sigma-Aldrich，无需进一步纯化即可使用。核磁共振波谱是在Bruker 600 MHz AVANCE II核磁共振仪上，在25°C的CDCl₃溶剂中检测得到的，参考标准为δ_H为7.26 ppm和δ_C为77.16 ppm处的氯仿残留峰。化学位移值以百万分之一（ppm）为单位，而耦合常数则以赫兹（Hz）为单位。质谱分析则采用电喷雾电离法（ESI）进行。

黄酮醇的一锅法合成

在本研究中，研究人员利用取代型的2′-羟基苯乙酮以及多种芳香醛类化合物，合成了系列取代黄酮醇（1–5），具体合成路线如图1所示，相关结果总结见表1。关键的中间体——取代型2′-羟基查尔酮，是通过克莱斯恩-施密特缩合反应制得的，该反应在甲醇溶剂中进行，以取代型2′-羟基苯乙酮和各类醛类为反应物，水合NaOH则作为催化碱使用。而黄酮醇（1–5）则是通过原位反应方式合成的。

结论

本研究成功合成了系列黄酮醇衍生物（1–5），并通过多种互补的光谱学、电化学以及计算方法对其进行了全面表征。基于基态的DFT计算、TDDFT激发态计算、紫外-可见光谱以及循环伏安法共同为这类黄酮醇系列的结构、电子性质以及氧化还原特性提供了统一的描述。DFT计算、紫外-可见光谱以及循环伏安法共同发挥了重要作用，有助于深入理解这类化合物的各类性质。

利益冲突声明

所有作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了南非国家研究基金会（NRF，资助编号为RA22113076362和CPRR240318209767）以及南非布隆方丹自由州大学（UFS）的中央研究基金（CRF）的支持。同时，我们也感谢UFS的高性能计算设施以及南非科学研究院的NICIS高性能计算中心（CHPC，资助编号为CHEM0947）在计算资源方面给予的帮助。

伦理审批

本研究无需进行伦理审批，因此相关声明为“不适用”。

资金支持

本研究得到了南非国家研究基金会（NRF，资助编号为RA22113076362和CPRR240318209767）以及南非布隆方丹自由州大学（UFS）的中央研究基金（CRF）的支持。

Nafeesa Naeem|Nandisiwe G.S. Mateyise|Charlene Marais|Magdi E.A. Zaki|Abeer A. Hassan|Ernst H.G. Langner|Marrigje Marianne Conradie|Marthinus Rudi Swart|Muhammad Naveed Zafar|Aqsa|Jeanet Conradie|Ehsan Ullah Mughal

巴基斯坦古吉拉特省古吉拉特大学化学系，邮编50700