生理环境下没食子酸甲酯消除羟基自由基的理论研究

Theoretical Study on the Scavenging of Hydroxyl Radical by Methyl Gallate under Physiological Conditions

摘要

采用DFT（密度泛函理论）的M06-2X和MN15方法，结合自洽反应场理论的SMD模型，在SMD/MN15/6-311++G（4df，3pd）//SMD/M06-2X/6-311+G（d，p）双水平研究了生理环境（310.15 K、1.013×10⁵ Pa的水液相）下没食子酸甲酯（MG）消除羟基自由基（·OH）的反应机制。MG与·OH反应有·OH提取H原子、·OH与不饱和C加成及单电子由MG向·OH转移3个通道。计算结果显示：在提取H原子通道，·OH提羟基H反应最具优势，均为无势垒的显著放热过程；·OH提甲基H是亚优势反应，为能垒在37.8~41.2 kJ/mol之间的放热过程。在加成通道，·OH与不饱和C的加成反应是自由能垒在0.3~47.3 kJ/mol间的放热过程；单电子从MG向·OH转移是自由能垒为42.1 kJ/mol的吸热过程。研究结果表明，MG可通过提取H原子、加成及电子转移3种途径消除·OH自由基，没食子酸甲酯可作为良好的羟基自由基清除剂。

Abstract

The reaction mechanism of the scavenging of hydroxyl radical(·OH) by methyl gallate(MG) in physiological environment (aqueous phase at 310.15 K and 1.013×10⁵ Pa) was investigated by using the density functional theory methods M06-2X and MN15 in combination with the SMD model of the self-consistent reaction field theory at the two levels of SMD/MN15/6-311++G(4df,3pd)//SMD/M06-2X/6-311+G(d,p). There are three reaction channels for MG scavenging ·OH: H extracting by ·OH, addition of ·OH to unsaturated C, and single electron transfer from MG to ·OH. The calculations show that in the extraction channel, the reaction of ·OH extracting hydroxyl H is the most advantageous, which is a barrier-free and significantly exothermic process; the reaction of ·OH extracting methyl H is a subdominant reaction, which is an exothermic process with a free energy barrier of 37.8 to 41.2 kJ/mol. In the addition reaction channel, the addition of ·OH with unsaturated C is an exothermic process with a free energy barrier of 0.3 to 47.3 kJ/mol; the single-electron transfer from MG to ·OH is a slightly endothermic process with a free energy barrier of 42.1 kJ/mol. The results indicate that MG can eliminate ·OH radicals through three pathways: extraction H, addition, and electron transfer, and MG can be a good scavenger for ·OH radicals.

Graphical abstract

关键词

没食子酸甲酯 / 羟基自由基 / 密度泛函理论 / 自洽反应场理论 / 过渡态 / 电子转移 / 自由能垒

Key words

methyl gallate / hydroxyl radical / density functional theory / self-consistent reaction field theory / transition state / electron transfer / free energy barrier

0　 引 言

羟基自由基（hydroxyl radical，·OH）攻击DNA和蛋白质造成代谢失调和细胞损伤，导致多种疾病^[1]。农药残留、辐射、粗暴的运动、吸烟、酗酒和不规律睡眠等诸多因素可致生命体产生·OH并快速转化为其他活性氧自由基^[2-3]。因此，开展实时、高效清除体内的自由基的研究对人类健康具有重要意义。研究表明，生理环境下，羟基脯氨酸^[4]、半胱氨酸^[5]、赖氨酸^[6]和组氨酸^[7]与·OH反应的能垒均在化学反应较易进行的能垒（40.9 kJ/mol）^[8]以下；药物依达拉奉（Edaravone）与·OH、O₂^-·、O₂H三种自由基优势反应的能垒在0.0~12.2 kJ/mol之间^[9-11]，低于化学反应可快速进行的能垒16.9 kJ/mol^[8]；维生素C与·OH的优势反应能垒仅1.5 kJ/mol^[12]；沙利度胺（Thalidomide）消除·OH的优势反应能垒为15.0 kJ/mol^[13]，低于反应快速进行能垒16.9 kJ/mol^[8]。因此，羟基脯氨酸等多种氨基酸、维生素C、依达拉奉和沙利度胺等均可作为清除羟基自由基的产品。

没食子酸甲酯（methyl gallate，MG，C₈H₈O₅），化学名为 3,4,5-三羟基苯甲酸甲酯，广泛存在于药用植物中，如无患子科栾树的叶、蔷薇科多花蔷薇的果实以及漆树科盐肤木的叶中^[14]。实验研究表明^[15-17]，MG具有抗菌、抗肿瘤、抗炎、抗氧化、抗过敏、抗癌、抗哮喘及抗病毒等生物学效应。为了从理论上研究没食子酸甲酯的抗氧化活性，为其在化妆品、食品的抗氧化以及蔬菜水果保鲜等方面广泛地运用提供理论依据，本文对没食子酸甲酯与自由基反应的动力学和热力学过程进行了深入的理论研究。

1　 计算方法

采用M06-2X泛函^[18]在6-311+G(d,p)基组水平，对生理环境（310.15 K、1.013×10⁵ Pa的水液相）下MG消除·OH反应的驻点结构全优化。稳定点（极小点）红外振动基频均为正，过渡状态（鞍点）^[19]有一个虚频。通过对反应过程的过渡态进行IRC（内禀反应坐标）计算^[20]，确认过渡态与预期稳定点衔接。为获得高水平电子能量，采用高精度泛函MN15^[21]结合较高水平的基组6-311++G(4df,3pd)计算电子能。采用SMD模型^[22]处理水溶剂效应。反应物复合物的结合能、产物复合物的解离能以及反应热通过计算相关过程的焓变获得；反应能垒（活化能）为自由能变，总焓和总自由能为焓校正和自由能校正与单点能的加和。

电子转移无过渡态，反应能垒（自由能垒）用马库斯理论^[23-24]计算：

∆G_{\mathrm{S}\mathrm{E}\mathrm{T}}^{\ne }=\frac{\lambda }{\mathrm{4}}{(\mathrm{1}+\frac{∆G_{\mathrm{S}\mathrm{E}\mathrm{T}}^{}}{\lambda })}^{\mathrm{2}}（1）

\lambda =∆E_{\mathrm{S}\mathrm{E}\mathrm{T}}^{}-∆G_{\mathrm{S}\mathrm{E}\mathrm{T}}^{}（2）

式中：λ为重组能；ΔE_SET和ΔG_SET分别为产物与反应物的非绝热能变和自由能变。ΔE_SET是基于反应物构型的产物（只是电荷量变化）的高水平电子能与反应物的高水平电子能之差。

自由基·OH在物理无穷远（·OH与底物MG无相互作用的距离）处攻击MG的H9记作MG+·OH_H9；得到反应物复合物记作RC_MG_·OH_H9，·OH提取MG的H9过渡状态记作TS_MG_·OH_H9；MG被·OH提取H9的产物（·OH提取H9的产物记作P_MG_H9）与H₂O分子（·OH提取H原子形成的）的复合物记作PC_MG_H9·H₂O；·OH在物理无穷远处攻击MG的C1记为MG+·OH_C1；·OH攻击MG的C6得到的反应物复合物记作RC_MG_·OH_C6；·OH攻击MG的C1、C2和C4的公用反应物复合物记作RC_MG_·OH_C1(2,4)；·OH加成至C6过渡状态记作TS_MG_·OH_C6；·OH加成至C6的产物加合物记作P_MG_·OH-C6。

文中计算使用Gaussian 程序；驻点键临界点电荷密度ρ_BCP、环临界点电荷密度ρ_RCP和拉普拉斯值{\nabla }^{\mathrm{2}}\rho用AIM 2000程序计算；驻点分子的几何数据数值用Gaussian View 6.0软件读取。

2　 结果与讨论

在生理环境下优化MG分子稳定几何构型，见图1。已有研究表明^[4，12-13]，·OH的单电子绝大多数在O原子上，·OH与MG的反应位原子是O。·OH与MG反应有·OH提取H原子、·OH与不饱和C加成以及单电子从MG向·OH转移3种情况。

2.1　提取H原子过程

对于·OH提取H原子过程，计算表明，提取MG分子C上的H的反应为有过渡态且存在势垒的反应，提取羟基H为无势垒无过渡态的反应。为方便理解，先讨论·OH提取苯环C和甲基C的H的反应。由于·OH提取甲基氢H20的过渡态不成环，其稳定性远低于·OH提取甲基氢H19和H21的过渡态，本文对·OH提取甲基氢H20的情况不讨论。最后讨论·OH提取羟基H的反应。反应物复合物RC的结合能和产物复合物PC的解离能等相关数据见表S1（见补充材料），相关反应焓变见表S2（补充材料）。

2.1.1　提取C原子上的H

·OH提取C原子上H的反应历程见图2，反应势能面见图3。本文对·OH提取H8和H19的反应进行详细讨论，对·OH提取其他H的反应仅作一般讨论。

2.1.1.1 ·OH提取H8

·OH提取H8的反应历程见图2(a)。首先，羟基自由基O22—H23从物理无穷远处攻击H8。当C3—H8键长从0.108 18 nm拉伸至0.122 45 nm，其ρ_BCP从0.283 05 a.u.减小至0.185 65 a.u.，{\nabla }^{\mathrm{2}}\rho始终为负值，C3—H8共价键强度减弱；同时H23和O14间氢键断裂，形成过渡态TS_MG_·OH_H8。计算表明，从MG+·OH_H8到TS_MG_·OH_H8需要越过的能垒为131.7 kJ/mol，见图3。然后，越过TS_MG_·OH_H8过渡态，H8继续向O22迁移，与·OH结合成水分子H₂O，得到PC_MG_H8·H₂O。其O14与H23及O13与H8间距分别为0.299 17、0.200 49 nm，ρ_BCP分别为0.004 28、0.019 23 a.u.，{\nabla }^{\mathrm{2}}\rho均为正值，O14与H23以及O13与H8分别为弱氢键和中等强度的氢键作用（下文相似处不再详细说明）。最后，PC_MG_H8·H₂O解离成P_MG_H8和H₂O，解离过程焾变ΔH=7.1 kJ/mol，此过程可通过分子间的碰撞实现。

NPA（Natural Population Analysis）电荷计算表明，PC_MG_H8·H₂O中H₂O的电荷量为-0.003 e（1 e=1.602×10^-19 C），接近0.0 e，说明·OH提取H8过程是H原子转移。下文·OH提取H均为H原子迁移，不再赘述。

从·OH在无穷远处攻击H8（MG+·OH_H8）到形成PC_MG_H8·H₂O过程焓变ΔH=-29.0 kJ/mol，即·OH提取H8的反应放热29.0 kJ/mol。

2.1.1.2 ·OH提取苯环氢H10

·OH提取H10反应历程见图2(b)。首先，·OH从无穷远处攻击H10。当O22与H10距离为0.124 91 nm，H10与C6距离从0.108 37 nm拉伸至0.123 25 nm时，形成过渡态TS_MG_·OH_H10，产生的能垒是133.9 kJ/mol。然后，越过TS_MG_·OH_H10，H10继续向O22迁移，当H10和H23距离O17和O15分别为0.345 17和0.191 27 nm时，H10与·OH结合成H₂O，得到PC_MG_H10·H₂O。最后，PC_MG_H10·H₂O解离成P_MG_H10和H₂O，解离能为9.9 kJ/mol。从MG+·OH_H10到PC_MG_H10·H₂O过程放热30.2 kJ/mol。

2.1.1.3 ·OH提取甲基氢H19

·OH提取H19反应历程见图2(c)。首先，·OH从无穷远处攻击H19。当O22和H23与H19和O15的距离分别为0.143 27 和0.225 21 nm，H19与C18距离从0.108 96 nm拉伸至0.116 61 nm时，形成过渡态TS_MG_·OH_H19，TS_MG_·OH_H19产生的能垒是37.8 kJ/mol。然后越过TS_MG_·OH_H19，H19继续向O22迁移，当H19和H23距离C18和O15分别为0.266 59和0.203 16 nm时，H19与·OH结合成H₂O，得到PC_MG_H19·H₂O。最后，PC_MG_H19·H₂O解离成P_MG_H19和H₂O，解离能为7.3 kJ/mol。从MG+·OH_H19到PC_MG_H19·H₂O过程显著放热94.3 kJ/mol。

2.1.1.4 ·OH提取甲基氢H21

·OH提取H21反应历程见图2(d)。首先，·OH从无穷远处攻击H21。当O22和H23、H21和O15的距离分别为0.143 28和0.225 72 nm，H21与C18距离从0.108 96 nm拉伸至0.116 63 nm时，形成过渡态TS_MG_·OH_H21，TS_MG_·OH_H21产生的能垒是41.2 kJ/mol。然后越过TS_MG_·OH_H21，H21继续向O22迁移，当H21和H23距离C18和O15分别为0.262 86和0.205 53 nm时，H21与·OH结合成H₂O，得到PC_MG_H21·H₂O。最后，PC_MG_H21·H₂O解离成P_MG_H21和H₂O，解离能为7.1 kJ/mol。从MG+·OH_H21到PC_MG_H21·H₂O过程显著放热94.9 kJ/mol。

综上所述，·OH提取苯环C上H的能垒明显高于·OH提取甲基C上的H的能垒，主要原因有两个：一是从MG到TS-MG_·OH_H8和TS-MG_·OH_H10过程，苯环C—H键比MG到TS-MG_·OH_H19和TS- MG_·OH_H21过程甲基C—H拉伸幅度大得多；二是MG苯环C—H键较甲基C—H键钝化（苯环C—H键的红外振动频率为3 225.00和3 247.36 cm^-1，甲基C—H键的红外振动频率分别是3 092.05、3 176.24和3 207.85 cm^-1）。

2.1.2　·OH提取羟基H

·OH提取3个不同酚羟基H的机理相似，本文详细讨论了·OH提羟基氢H9的过程，对·OH提取H11和H12的反应仅作简要讨论。·OH提羟基H反应柔性扫描过程的关键点见图4（扫描初始位置均为·OH的O22与羟基氧O14、O16和O17距离0.500 00 nm处，扫描步长均为-0.01 nm），·OH提取H9、H11和H12柔性扫描过程的相对电子能量见图5，反应焓变见表S2（补充材料）。

2.1.2.1 ·OH提取H9

·OH提取H9反应历程及相对电子能量分别见图4(a)和图5(a)。首先，自由基O22—H23从物理无穷远处开始攻击H9（本文假设物理无穷远为0.500 00 nm）。设O22…O14为0.500 00 nm（a处）为扫描起始点step1，体系在该处的相对电子能量为0.0 kJ/mol，此时O22…H9为0.442 38 nm，O14—H9为0.096 72 nm。扫描至step11（b处）时，O22…H9降至0.278 79 nm，O14—H9增至0.097 55 nm，体系的能量开始快速下降。扫描至step14（c处）时，O22…H9降至0.138 74 nm，O14—H9增至0.100 89 nm，体系的能量继续快速下降。扫描至step15（d处）时，O22与H9的距离降至0.122 29 nm，O14与H9的距离增至0.107 31 nm，O14与H9间的共价键将要断裂，体系的能量继续快速下降。扫描至step17（e处）时，O22与H9的距离降至0.111 85 nm，该共价键几乎断裂；O14与H9的距离增至0.126 95 nm，O14与H9间共价键断裂，体系的能量继续下降。扫描至step19（f处）时，O22—H9键长降至0.098 68 nm，O22—H9共价键形成，H9与O22—H23结合成H₂O；O14与H9的距离增至0.143 49 nm，H9与O14强氢键作用，·OH提取H9的过程基本完成。之后，随着扫描步数的继续增加，体系能量缓慢降低，扫描至step39（g处）时，体系的能量不再变化。此时O22—H9键长降至0.097 31 nm，O22—H9共价键作用增强；O14与H9的距离增至0.186 92 nm（O14与H₂O中等强度的氢键作用），·OH提取H9的过程完成。将体系在g处的结构作为·OH提取H9的产物复合物的初始猜，优化后得到PC_MG_H9·H₂O的稳定构型，其O22—H9键长是0.097 23 nm，O14与H9的距离是0.186 93 nm。PC_MG_H9·H₂O解离成P_MG_H9和H₂O过程吸热9.0 kJ/mol。从MG+·OH_H9到PC_MG_H9·H₂O过程放热149.8 kJ/mol（显著的放热过程）。

2.1.2.2 ·OH提取H11

·OH提取H11反应历程及相对电子能量分别见图4(b)和图5(b)。首先，O22—H23攻击H11。设O22…O16为0.500 00 nm（a处）为扫描起始点step1，体系相对电子能为0.0 kJ/mol，此时O22…H11为0.412 46 nm，O16—H11为0.096 76 nm。扫描至step13（b处）时，O22…H11降至0.218 11 nm，O16—H11增至0.098 30 nm，体系能量开始快速下降。扫描至step16（c处）时，O22…H11降至0.165 39 nm，O16—H11增至0.099 82 nm，体系的能量继续快速下降。扫描至step17（d处）时，O22与H11的距离降至0.113 35 nm，O16与H11的距离增至0.108 06 nm，O16与H11间的共价键将要断裂，体系能量继续快速下降。扫描至step22（e处）时，O22与H11的距离降至0.101 82 nm，O22与H11共价键将要形成；O16与H11的距离增至0.158 04 nm，O16与H11间共价键断裂，体系能量继续下降。扫描至step24（f处）时，O22—H11键长降至0.097 68 nm，O22—H11共价键形成，H11与O22—H23结合成H₂O；O16与H11的距离增至0.171 06 nm，·OH提取H11过程基本完成。扫描至step28（g处）时，体系能量基本不再变化，此时O22—H11键长降至0.097 09 nm，O16与H11的距离增至0.184 28 nm，·OH提取H11的过程完成。将g处的结构优化后得到PC_MG_H11·H₂O的稳定构型。PC_MG_H11·H₂O解离成P_MG_H11和H₂O的过程吸热11.1 kJ/mol。从MG+·OH_H11到PC_MG_H11·H₂O过程放热174.2 kJ/mol。

2.1.2.3 ·OH提取H12

·OH提取H12反应历程及相对电子能量分别见图4(c)和图5(c)。首先，O22—H23攻击H12。设O22…O17为0.500 00 nm（a处）为扫描起始点step1，该处相对电子能量为0.0 kJ/mol，此时O22…H12为0.403 42 nm，O17—H12为0.096 58 nm。扫描至step5（b处）时，O22…H12降至0.200 92 nm，O17—H12增至0.097 77 nm，体系的能量开始快速下降。扫描至step7（c处）时，O22…H12降至0.163 06 nm，O17—H12的距离增至0.101 95nm，体系的能量继续快速下降。扫描至step8（d处）时，O22与H12的距离降至0.154 15 nm，O17与H12增至0.102 71 nm，O17与H12间的共价键作用减弱，体系的能量继续快速下降。扫描至step10（e处）时，O22与H12的距离降至0.112 79 nm，O17与H12的距离增至0.113 39 nm，O17与H12间共价键断裂，体系的能量继续下降。扫描至step14（f处）时，O22—H12键长降至0.098 17 nm，O22—H12共价键形成，H12与O22—H23结合成H₂O；O17与H12的距离增至0.151 37 nm，·OH提取H12的过程基本完成。描到step37（g处）时，体系能量基本不再变化。此时O22—H12键长降至0.097 17 nm，O17与H12的距离增至0.187 70 nm，·OH提取H12的过程完成。将g处的结构优化后得到PC_MG_H12·H₂O的稳定构型。PC_MG_H12·H₂O解离成P_MG_H12和H₂O过程吸热7.8 kJ/mol。从MG+·OH_H12到PC_MG_H12·H₂O过程放热155.5 kJ/mol。

综上所述，羟基H为最佳活性位点，·OH提羟基H为无势垒且显著放热的动力学和热力学所允许的快速反应过程。甲基H为亚优势活性位点，·OH提取甲基H的反应能垒远低于温和反应能垒（83.6 kJ/mol^[8]），为动力学和热力学允许过程；而·OH提取苯环H的反应能垒接近反应难以进行的能垒135.0 kJ/mol^[8]，为动力学不允许过程。

2.2　加成过程

MG分子中的C原子除甲基C外均为不饱和C，·OH可加成至MG上除甲基C之外的所有C原子。本文对·OH与C1的加成反应进行详细讨论，对·OH与其他C原子的加成反应仅作一般讨论。·OH与C原子加成反应历程见图6，反应历程的势能面见图7，·OH攻击MG中C原子所得复合物的结合能相关数据见表S1，反应焓变相关数据见表S2（见补充材料）。

2.2.1　·OH加成至C1

首先，·OH从无穷远处在MG上方攻击C1，当O22与C1、C2和C4的距离分别为0.290 98、0.266 29和0.299 32 nm时，·OH与MG之间因范德华力和π氢键作用（O22与C1的ρ_RCP为0.016 55，{\nabla }^{\mathrm{2}}\rho为正值），形成·OH与C1、C2和C4加成反应共用的RC_MG_·OH_C1(2,4)。从MG+·OH_C1到RC_MG_·OH_C1(2,4)焓变为-14.9 kJ/mol，即形成RC_MG_·OH_C1(2,4)过程放热14.9 kJ/mol。此能量会被水溶液迅速吸收，不能作为后续反应的可资用能。然后，·OH继续攻击C1，当O22与C1的距离降至0.213 38 nm时，形成TS_MG_·OH_C1过渡态。从RC_MG_·OH_C1(2,4)到TS_MG_·OH_C1过程，体系苯环的ρ_RCP从0.021 51 a.u.降至0.021 10 a.u.，{\nabla }^{\mathrm{2}}\rho始终为正值，体系电子在环上的离域程度降低，体系稳定性降低，能量升高。原因是此过程C1和C2位的羧基O与苯环C的共面程度降低（数据从略）。TS_MG_·OH_C1产生的自由能垒是8.7 kJ/mol。接着，·OH继续攻击C1，当O22与C1距离为0.142 98 nm时，其ρ_BCP为0.255 55 a.u.，{\nabla }^{\mathrm{2}}\rho为负值，O22—C1共价键作用，得到P_MG_·OH—C1，C1的杂化态从sp²变为sp³。

从RC_MG_·OH_C1(2,4)到P_MG_·OH—C1过程，焓变为-72.4 kJ/mol，即反应放热72.4 kJ/mol。

2.2.2　·OH加成至C2

首先，·OH从无穷远攻击C1、C2和C4，形成RC_MG_·OH_C1(2,4)。然后，·OH继续攻击C2，当O22与C2距离从0.266 29 nm降至0.230 04 nm时，形成过渡态TS_MG_·OH_C2。从RC_MG_·OH_C1(2,4)到TS_MG_·OH_C2，体系苯环的ρ_RCP从0.021 51 a.u.降至0.021 32 a.u.，{\nabla }^{\mathrm{2}}\rho始终为负值，电子在环上的离域程度略有减弱，体系的稳定性略有降低，能量少许升高，TS_MG_·OH_C2产生的能垒仅为0.3 kJ/mol（可视为无势垒）。接着·OH继续攻击C2，当O22与C2距离为0.142 05 nm时，O22—C2共价键形成，得到P_MG_·OH—C2。从RC_MG_·OH_C1(2,4)到P_MG_·OH—C2过程，反应放热102.1 kJ/mol。

2.2.3　·OH加成至C3

首先，·OH从无穷远处攻击C3，当O22与C3距离为0.263 00 nm时，形成RC_MG_·OH_C3，此过程放热13.2 kJ/mol。然后，·OH继续攻击C3，当O22与C3距离降至0.222 95 nm时，形成TS_MG_·OH_C3，TS_MG_·OH_C3产生的能垒是1.4 kJ/mol。接着·OH继续攻击C3，当O22与C3距离为0.144 14 nm时，O22—C3共价键作用，得到P_MG_·OH—C3。该反应放热85.5 kJ/mol。

2.2.4　·OH加成至C4

首先，·OH从无穷远攻击C1、C2和C4，形成RC_MG_·OH_C1(2,4)。然后，·OH继续攻击C4，当O22与C4距离从0.299 32 nm降至0.212 24 nm时，形成过渡态TS_MG_·OH_C4，TS_MG_·OH_C4产生的能垒是7.7 kJ/mol。接着·OH继续攻击C4，当O22与C4距离为0.142 78 nm时，O22—C4共价键形成，得到P_MG_·OH—C4。从RC_MG_·OH_C1(2,4)到P_MG_·OH—C4过程，反应放热73.5 kJ/mol。

2.2.5　·OH加成至C5

首先，·OH从无穷远攻击C5和C7，当O22与C5和C7的距离分别为0.277 15和0.310 51 nm时，·OH与MG间因范德华力和π氢键作用，形成RC_MG_·OH_C5(7)，此过程放热11.8 kJ/mol。然后，·OH继续攻击C5，当O22与C5距离从0.277 15 nm降至0.205 49 nm时，形成过渡态TS_MG_·OH_C5，TS_MG_·OH_C5产生的能垒为14.9 kJ/mol。接着·OH继续攻击C5，当O22与C5距离为0.143 89 nm时，O22—C5共价键形成，得到P_MG_·OH—C5。从RC_MG_·OH_C5(7)到P_MG_·OH—C5过程，反应放热52.0 kJ/mol。

2.2.6　·OH加成至C6

首先，·OH从无穷远处攻击C6，当O22与C6距离为0.263 95 nm时，形成RC_MG_·OH_C6，此过程放热13.9 kJ/mol。然后，·OH继续攻击C6，当O22与C6距离降至0.223 95 nm时，形成过渡态TS_MG_·OH_C6，TS_MG_·OH_C6产生的能垒是3.2 kJ/mol。接着·OH继续攻击C6，当O22与C6距离为0.144 06 nm时，O22—C6共价键形成，得到P_MG_·OH—C6。该反应过程放热87.1 kJ/mol。

2.2.7　·OH加成至C7

首先，·OH从无穷远攻击C5和C7，形成RC_MG_·OH_C5(7)，放热11.8 kJ/mol。然后， ·OH继续攻击C7，当O22与C7距离从0.310 51 nm降至0.183 74 nm时，形成过渡态TS_MG_·OH_C7，TS_MG_·OH_C7产生的能垒为47.3 kJ/mol。接着·OH继续攻击C7，当O22与C7距离为0.143 78 nm时，O22—C7共价键形成，得到P_MG_·OH—C7。从RC_MG_·OH_C5(7)到P_MG_·OH—C7过程，反应放热51.9 kJ/mol。

综上所述，·OH加成至不饱和C的反应均为动力学允许过程（能垒84.6 kJ/mol^[8]以下）和热力学允许过程（反应焓为负，均为放热过程）。苯环上的C为优势活性位点，·OH加成至这些C的能垒均在反应快速进行的能垒（15.6 kJ/mol^[8]）以下。

2.3　单电子转移过程

图8为单电子从MG向·OH转移的过程。可知，MG向·OH转移的电子主要来自3个羟基O原子以及苯环上与羟基O和羧基C原子相连接的C原子，单电子大部分转移至·OH自由基的O原子上。

从MG向·OH转移过程的ΔE_SET=69.1 kJ/mol，ΔG_SET=40.8 kJ/mol，计算得到λ=28.3 kJ/mol，进而求得ΔG^≠_SET=42.1 kJ/mol。该能垒显著低于温和反应能垒（83.6 kJ/mol^[8]），表明MG向 ·OH单电子转移反应为动力学允许过程。反应焓计算表明，MG向·OH电子转移反应吸热42.3 kJ/mol。

3　 结 语

在SMD/MN15/6-311++G(4df,3pd)//SMD/M06-2X/ 6-311+G(d,p)双水平，对MG在生理环境下与·OH反应进行研究，MG与·OH的反应有提取H原子、加成和单电子转移3个通道。·OH提取H原子反应过程中，羟基H为最佳活性位点，·OH提羟基H为动力学和热力学所允许的快速反应；甲基H为亚优势活性位点，·OH提取甲基H反应（能垒37.8~41.2 kJ/mol）为动力学和热力学允许过程；·OH提取苯环H的反应难以实现。·OH加成反应均为动力学和热力学允许过程，其中苯环上的C为最具优势活性位点。单电子从MG向·OH转移反应为动力学允许的少许吸热过程。上述结果从理论上说明没食子酸甲酯可作为理想的羟基自由基清除剂，用作化妆品、食品的抗氧化剂以及蔬菜、水果的保鲜剂具有可靠性。

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基金资助

海南科技职业大学科研项目(HKKY2024-TD-19)

海南科技职业大学科研项目(HKKYHX2025-04-28)

吉林省自然科学基金(YDZJ202401628ZYTS)