大黄酚、大黄素甲醚、芦荟大黄素及大黄酸的光敏性研究应用化学大学论文

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
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1
O 2，要产生超氧负离子自由基2
O ∙-却只能在溶剂中，而无氧条件下，在乙醚和水中，
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 calculations
Cao ji peng
(college of Chemistry and Chemical Engineering, Baoji University of Arts and 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 investigated using time-dependent density functional theory (TD-DFT). The results show that the rhubarb anthraquinone compounds can generate singlet oxygen 1O 2 in aqueous and ether solutions and only can generate superoxide anion 2O ∙-
in aqueous solution under aerobic conditions. Under anaerobic conditions, 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
*
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 (1)
1 计算方法 (2)
2 计算结果与分析 (2)
2.1 四种分子的光化学反应 (2)
2.1.1 激发态的波长变化 (2)
2.1.2 垂直电离能和垂直电子亲和势 (5)
2.2 光敏反应机制 (5)
2.2.1 有氧条件下的光敏反应 (6)
2.2.2 无氧条件下的光敏反应 (7)
3 结论 (8)
参考文献 (9)
谢辞 (10)
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。

O 以及自由羟自由基·OH等高活
通过光敏反应产生的单重态氧O2和超氧负离子
2
性的物质可以对生物分子和细胞产生破坏从而实现治疗疾病的目的。

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，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B3LYP∕6-31G+(d,p)∥B3L YP∕6-31G(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
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
λ（nm），谐振强度f
单重激发态
Singlet excited state
S1S2S3S4S5S6
大黄酚气相
E 2.8820 2.9126 3.1663 3.4553 3.6363 4.3163
λ430.21 425.69 391.58 358.82 340.96 287.25
f 0.2362 0.0000 0.0063 0.0019 0.0000 0.1256 水
E 2.8122 3.0081 3.1415 3.3479 3.6545 4.2030
λ440.89 412.17 394.66 370.34 339.26 294.99
f 0.2901 0.0000 0.0078 0.0060 0.0000 0.1810 乙醚
E 2.8176 2.9743 3.1408 3.3803 3.6479 4.2275
λ440.04 416.85 394.75 366.78 339.88 293.28
f 0.2958 0.0000 0.0081 0.0045 0.0000 0.1825
大黄素甲醚气相
E 2.8317 2.9852 3.2216 3.3833 3.7075 4.0264
λ437.85 415.32 384.85 366.46 334.41 307.93
f 0.2358 0.0000 0.0032 0.0121 0.0000 0.1081 水
E 2.7287 3.0814 3.1662 3.2883 3.7211 3.8822
λ454.37 402.36 391.58 377.05 333.19 319.37
f 0.2684 0.0000 0.0172 0.0216 0.0000 0.1460 乙醚
E 2.7482 3.0478 3.1784 3.3128 3.7171 3.9183
λ451.14 406.80 390.09 374.26 333.55 316.42
f 0.2823 0.0000 0.0104 0.0210 0.0000 0.1488
芦气相 E 2.8716 2.9286 3.1624 3.4536 3.6303 4.2303
荟大黄素
λ431.76 423.36 392.06 359.00 341.52 293.09
f 0.2423 0.0000 0.0067 0.0021 0.0000 0.0973 水
E 2.8059 3.0155 3.1400 3.3649 3.6544 4.0566
λ441.87 411.16 394.86 368.46 339.27 305.64
f 0.3010 0.0000 0.0064 0.0057 0.0000 0.1059 乙醚
E 2.8089 2.9863 3.1381 3.3881 3.6450 4.1001
λ441.40 415.18 395.09 365.94 340.15 302.39
f 0.3047 0.0000 0.0073 0.0046 0.0000 0.1155
大黄酸气相
E 2.8317 2.8332 3.0811 3.5226 3.5557 3.9653
λ437.84 437.61 402.40 351.97 348.69 312.68
f 0.0000 0.2445 0.0165 0.0057 0.0000 0.0000 水
E 2.7657 2.9505 3.0625 3.4366 3.5617 4.0879
λ448.30 420.21 404.85 360.78 348.11 303.29
f 0.2966 0.0000 0.0223 0.0018 0.0000 0.0000 乙醚
E 2.7700 2.9069 3.0597 3.4632 3.5596 4.0421
λ447.59 426.52 405.21 358.01 348.31 306.74
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-π*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
大黄酸
E(T1) 气相 2.2263 2.2095 2.2061 2.1610 水 2.1953 2.1466 2.1950 2.1275 乙醚 2.2051 2.1673 2.1968 2.1370
2.1.2 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）
大黄酚大黄素甲芦荟大黄大黄酸
垂直电子亲和
势气相-1.88 -1.73 -1.86 -2.25 乙醚-3.15 -3.04 -3.15 -3.43 水-3.55 -3.46 -3.56 -3.79
垂直电离势气相8.27 8.01 8.22 8.54 乙醚7.00 6.82 6.99 7.22 水 6.62 6.46 6.62 6.80
第一三重激发态垂直电子亲气相-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
第一三重激发态垂直电离势气相 6.04 5.80 6.01 6.38 乙醚 4.79 4.65 4.79 5.08 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：DNA，
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1O 2, 超氧自由基
2
O ∙-
等，这些高活性物质会破坏一系列生物分子或人体的细胞，从而帮助实现疾
病治疗。

而通常想要获得单重态氧1O 2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3O 2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3
O 2的垂直激发能（
1
g
∆：1.05 eV ，
1
g
+∑：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态的氧发生反应而产生有活性的单重态氧。

31122Anth()Anth T O O +→+ （1）
而且，四种分子的第一三重激发态和基态的氧3O 2还有可能发生直接的电子转移，从而得到一种超氧阴离子自由基
2
O ∙-
，具体反应如式（2）所示。

3122
Anth()Anth T O O ∙-∙-
+→+ （2）
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虑的，而所谓的第三种反应路径，就是自电离路径。

1Anth()Anth Anth Anth T ∙-∙++→+ （3） 11Anth()Anth()Anth Anth T T ∙-∙++→+ （4）
322Anth Anth O O ∙-∙-
+→+ （5）
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2O ∙-（式（5））。

那么是不是这样呢？这个从计算结
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(T 1)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
2
O ∙-。

2.2.2 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。

1Anth()Anth T D D ∙-∙++→+ （6）
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））。

Anth Anth D D ∙+∙+
+→+ （7）
通过前面的分析我们已经知道了在水或者乙醚溶剂中，通过式（4）描述的反应可以
得到这四种分子的阳离子。

而要想发生（7）式的反应那么就要求这四种分子阳离子的垂直电子亲和势与DNA或RNA碱基之间的垂直电离势之和小于零。

所以接下来我们对这四种化合物在水和乙醚溶液中的垂直电子亲和势分别进行了计算，通过计算我们得到了大黄酚、大黄素甲醚、芦荟大黄素和大黄酸阳离子在水中的垂直电子亲和势分别为：-6.35eV，-6.23eV，-6.37eV，-6.49eV；在乙醚溶液中分别为-6.78 eV，-6.59eV，-6.76eV，-6.93eV。

通过与DNA和RNA碱基垂直电离势比较，我们发现在乙醚溶液中，大黄酚与大黄酸的阳离子可以与腺嘌呤和鸟嘌呤之间发生电子转移，而大黄素甲醚与芦荟大黄素阳离子也可以与鸟嘌呤发生电子转移。

表4 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）
DNA和RNA碱基
A C G T U
垂直电子亲和
势
水-1.2
2
-1.4
1
-0.9
2
-1.5
5
-1.6
5 乙醚-0.7 -0.9 -0.
6 -1.1 -1.2
垂直电离势
水 6.36 6.70 6.07 6.80 7.10 乙醚 6.77 7.14 6.49 7.32 7.66
A：腺嘌呤 C：胞嘧啶 G：鸟嘌呤 T：胸腺嘧啶 U：尿嘧啶
3 结论
通过研究大黄酚、大黄素甲醚、芦荟大黄素和大黄酸四种分子的光敏反应机制，我们发现大黄蒽醌类化合物不论是在真空中还是在溶剂中都可以通过直接能量转移反应路径产生单重态氧O2；在水溶液中，大黄酚、大黄素甲醚和芦荟大黄素才可以
通过自电离路径产生超氧负离子自由基2O ∙-
，而大黄酸却无法通过此途径产生超氧负
离子自由基2O ∙-
；另外我们还发现无氧条件下，在水和乙醚溶剂中，大黄蒽醌类的四
种分子阳离子会通过和腺嘌呤和鸟嘌呤之间发生电子转移，从而达到破坏DNA和RNA的目的。

参考文献
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谢辞
时间过得真快呀，一转眼就到了和母校说再见的时候了，从三月份开始着手到现在论文的基本完成，在此期间，闫海燕教授给了我耐心的指导和帮助，从刚开始的一窍不通到最后的深刻体会，毕业论文的设计使我深刻地感受到学习知识的艰辛和重要性。

在毕业论文的设计中我的朋友和同学给予了我很大的帮助和鼓励，在此，我对所有在毕业论文的设计过程中帮助过我的人们表示衷心的感谢和诚挚的敬意。

时间仓促，再加上个人水平有限，论文当中的错误和不妥之处在所难免，希望可以得到以后足够的重视。