1 含氧官能团与木脂素理化性质的结构变量

         木脂素分子中的氧可以存在于酚羟基、芳基甲醚、亚甲二氧基、脂肪醇、羰基、内酯和糖苷等不同官能团中。氧所处的官能团状态发生变化时，其孤对电子参与共轭和氢键的方式、相邻原子的电子分布以及局部空间结构均可能随之改变，并进一步影响分子的酸碱性质、氧化还原行为、溶剂化和固态分子间作用。

         这种差异首先体现在氢键供体（hydrogen-bond donor，HBD）和氢键受体（hydrogen-bond acceptor，HBA）性质上。酚羟基和脂肪醇羟基能够提供O—H氢参与氢键，其氧原子也具有氢键受体能力，其中酚羟基的受体能力相对较弱；芳基甲醚失去O—H后不再是氢键供体，但醚氧仍可作为氢键受体。羰基氧具有明显的氢键受体性质而不提供氢键氢；内酯同时含有羰基氧和酯单键氧，环化还会限制相应侧链的构象自由度。

         极性主要涉及分子内部的电荷分布和偶极性质；亲水性反映分子与水形成氢键、偶极作用及其他溶剂化相互作用的倾向；实际水溶性还受到电离状态、晶体堆积、晶格稳定性、温度和溶液组成等因素影响。含氧原子的数量相同时，不同的官能团状态仍可产生不同的理化性质。

2 酚羟基：氢键、弱酸性与酚氧电子离域

2.1 酚羟基参与氢键和酸碱平衡

         木脂素芳环上的酚羟基具有典型的Ar—OH结构。O—H可以向水、醇、羰基及其他含孤对电子的原子提供氢键；氧原子的孤对电子可以接受氢键，但其碱性和氢键受体能力受到芳环共轭的影响。

酚羟基具有弱酸性：

         Ar—OH ⇌ Ar—O⁻ + H⁺

         去质子化后形成的酚氧负离子中，负电荷主要分布于氧，同时可通过氧的p轨道与芳环π体系发生离域，邻位和对位碳原子参与相应的共振贡献。芳环上的供电子或吸电子取代基会进一步改变酚羟基的酸性和酚氧负离子的稳定性。

         当溶液pH接近或高于相应酚羟基的酸解离常数pKa时，电离比例增加。中性酚与酚氧负离子的水合、静电作用和两相分配行为明显不同，因此含酚羟基木脂素的表观溶解度和分布行为可能表现出pH依赖性。

2.2 酚氧自由基的稳定性影响自由基反应性

酚羟基能够向某些自由基提供氢原子并形成酚氧自由基，例如：

         Ar—OH + ROO• → Ar—O• + ROOH

         对于许多酚类化合物，这一总体反应可表现为氢原子转移（hydrogen atom transfer，HAT），其微观过程也可具有质子耦合电子转移（proton-coupled electron transfer，PCET）特征。形成酚氧自由基后，未成对电子可在氧和芳环π体系之间离域。酚羟基O—H键解离焓（bond dissociation enthalpy，BDE）、芳环取代模式以及自由基的共振稳定程度均会影响反应热力学和动力学。[1,2] 溶剂与酚羟基形成氢键还会改变酚类与自由基的反应速率。[2]

         木脂素的结构与自由基反应性之间已有实验比较。Eklund等测定15种木脂素对2,2-二苯基-1-苦基肼自由基（2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl，DPPH）的清除能力，含3,4-二羟基苯基，即儿茶酚结构的木脂素表现出较高的自由基清除能力，相应的3-甲氧基-4-羟基苯基，即愈创木基稍弱；苄位氧化程度升高则降低了该实验体系中的自由基清除能力。[3]

         这些结果反映特定化学体系中的自由基反应性。自由基清除能力还受反应介质、自由基种类和反应机制影响，与生物体系中的整体氧化还原效应并非同一指标。

3 O-甲基化：氢键供体消失与局部电子环境变化

3.1 Ar—OH转化为Ar—OCH₃改变氧的化学状态

酚羟基O-甲基化可表示为：

         Ar—OH → Ar—OCH₃

         O-甲基化后，原有O—H键被O—CH₃取代。相应位点不再作为氢键供体，也不再具有酚羟基的质子解离和O—H氢原子转移性质；芳醚氧仍保留孤对电子和氢键受体能力。

         这一转化还会增加局部非极性表面积，并改变芳氧附近的电子和空间环境。甲氧基氧与芳环之间仍存在共轭作用，因此O-甲基化同时涉及氢键性质、酸碱性质、局部电子分布和分子表面的变化。

         Kato-Noguchi等鉴定的（−）-罗汉松脂素分子式为C₂₀H₂₂O₆，（−）-牛蒡子苷元为C₂₁H₂₄O₆。[4] 两者具有相同的二苄基丁内酯主体骨架，主要结构差异位于芳环C-4位：罗汉松脂素C-4位连接酚羟基，牛蒡子苷元C-4位连接甲氧基。两者均含6个氧原子，但罗汉松脂素含2个酚羟基和2个甲氧基，牛蒡子苷元含1个酚羟基和3个甲氧基。C-4位O-甲基化使该位点失去O—H，减少一个氢键供体和一个酚羟基酸性解离位点；氧原子仍以芳醚形式存在，可作为氢键受体。

图1 罗汉松脂素与牛蒡子苷元的酚羟基O-甲基化结构差异。

         （−）-罗汉松脂素与（−）-牛蒡子苷元具有相同的二苄基丁内酯主体骨架，主要芳环取代差异位于C-4位：罗汉松脂素C-4位为酚羟基（—OH），牛蒡子苷元C-4位为甲氧基（—OCH₃）。来源：Kato-Noguchi等[4]，Figure 8，CC BY 4.0。

3.2 O-甲基化同时改变水合和固态分子间作用

         O-甲基化使一个O—H氢键供体消失，并引入甲基形成Ar—OCH₃。相应位点与水形成供体型氢键的能力减弱，同时局部非极性表面积增加；全分子的分配行为仍受到其他羟基、羰基、醚氧以及整体分子形状的共同影响。

         固态分子间作用也会随之改变。酚羟基去除可削弱分子与水之间的氢键作用，从而降低该位点的水合能力；酚羟基去除也可能削弱晶体中的分子间氢键，使晶格稳定性降低，从而减小分子从固态进入溶液所需克服的晶格作用。

         水合减弱和晶格稳定性降低对溶解过程产生方向不同的影响。O-甲基化后的实际水溶性取决于溶剂化、晶格稳定性、电离状态及分子其他结构因素共同产生的净效应。

4 亚甲二氧基：双芳氧桥联与局部几何约束

4.1 亚甲二氧基改变两个邻位氧的官能团状态

         亚甲二氧基通常由同一芳环上相邻两个氧经亚甲基桥联形成1,3-苯并二氧杂环结构，其核心连接单元为邻位芳环上的—O—CH₂—O—桥，两个氧均连接于同一芳环。

         松脂醇、piperitol和芝麻素的连续结构关系能够显示这一变化。Ono等证明，CYP81Q1可催化（+）-松脂醇经piperitol生成（+）-芝麻素，过程中依次形成两个亚甲二氧桥。[5]

         松脂醇的两个芳环均含有邻位甲氧基—酚羟基组合。形成一个亚甲二氧基后得到piperitol；另一芳环进一步形成亚甲二氧基后得到芝麻素。随着这一转化进行，游离酚羟基逐步消失，而芳氧被固定在亚甲二氧环中。

4.2 亚甲二氧桥限制局部几何关系

         游离酚羟基和甲氧基的取向可在共轭、空间位阻和分子间作用允许的范围内调整。相邻两个芳氧经CH₂桥联形成五元环以后，两个氧之间的距离和相对取向受到环结构限制。

这种几何约束会影响：

         ①两个氧孤对电子与芳环π体系的空间关系；

         ②溶剂接近芳氧区域的方式；

         ③芳环邻位区域的空间体积；

         ④分子局部构象自由度。

         亚甲二氧基形成后的性质变化同时来自游离酚羟基消失和五元环产生的局部几何约束。

5 醇、羰基与内酯：侧链氧化状态和共轭体系

5.1 醇氧化为羰基改变氢键和键偶极

侧链醇氧化时，相应碳原子的氧化状态升高。常见结构变化包括：

         一级醇 R—CH₂OH → 醛 R—CHO

         二级醇 R₂CHOH → 酮 R₂C=O

         醇转化为醛或酮后，O—H氢键供体消失，C—O单键转化为C=O双键。羰基具有较大的键偶极，羰基氧是氢键受体，羰基碳则表现出亲电性。因此，这一氧化过程同时改变局部电荷分布、氢键方式和化学反应性。

         C=O形成会增强局部偶极作用，而O—H消失会减少一个氢键供体。这两种变化可以同时影响极性和溶剂化，因此醇氧化后的整体分配和溶解行为还取决于分子中其余官能团及固态结构。

5.2 开环异落叶松树脂酚向罗汉松脂素转化伴随内酯形成

         开环异落叶松树脂酚（secoisolariciresinol）侧链含有两个末端醇基，而罗汉松脂素具有γ-内酯结构。Xia等在研究 Forsythia intermedia 的开环异落叶松树脂酚脱氢酶时证实，（−）-开环异落叶松树脂酚向（−）-罗汉松脂素的转化经过相应的内半缩醛（lactol）中间体，随后进一步氧化形成内酯。[6]

         内酯形成后，原侧链中的游离醇羟基不再以相同形式存在，分子中出现酯羰基和环内酯氧。氢键供体数量下降，而羰基偶极和羰基氧的氢键受体性质出现。

环化还将原本开放、较柔性的侧链转变为五元内酯环，限制相关单键的可旋转范围。侧链氧化状态与环化状态因而共同影响分子的水合、偶极作用和固态堆积。

5.3 α,β-不饱和羰基形成连续共轭体系

羰基与相邻C=C直接连接时形成α,β-不饱和羰基：

         O=C—C=C

         C=O和C=C的p轨道连续重叠，π电子可在整个共轭体系中离域。共振贡献可表示为：

         O=C—C=C ↔ ⁻O—C=C—C⁺

         这种电子离域使α,β-不饱和羰基不同于彼此隔离的羰基和烯键。共轭通常改变紫外吸收特征，并使β位具有相应的亲电反应性质。

         新木脂素futoenone含有共轭烯酮结构。Ogiso等在原始结构研究中通过futoenone及其衍生物的紫外光谱，提示α,β-不饱和羰基是其发色结构的重要组成部分。[7]

6 糖基化：水合表面积、氢键网络与实际溶解行为

6.1 糖基引入增加氢键位点和溶剂可及表面积

         木脂素O-糖基化通常发生于游离羟基。糖苷键形成后，苷元原有的O—H转变为糖苷氧连接，但糖基自身含有多个游离羟基和糖环内氧原子，因此整个分子的氢键供体、氢键受体、分子量和极性表面积均发生变化。

         松脂醇与松脂醇二葡萄糖苷（pinoresinol diglucoside，PDG）可用于比较这一结构变化。Pu等研究的PDG为松脂醇4,4′-二-O-β-D-葡萄糖苷，相对于松脂醇在两个酚羟基位置分别引入一个β-D-葡萄糖基。[8]

糖基化后：

         ①多个糖羟基增加可形成氢键的位点；

         ②分子量和分子体积增加；

         ③可与极性溶剂接触的分子表面扩大；

         ④整体构象自由度和固态氢键网络也随之变得更加复杂。

         Pu等采用溶剂可及表面积（solvent-accessible surface area，SASA）计算得到，松脂醇二葡萄糖苷（PDG）的总SASA为938 Ų，松脂醇（PINL）为565 Ų，糖基化后总SASA增加373 Ų。[8] PDG相对于松脂醇引入两个β-D-葡萄糖基，糖基中的多个羟基增加了可与水发生氢键作用的位点；分子表面模型同时显示，PDG表面分布有多个明显的亲水区域。糖基化由此同时改变分子的可及表面积和亲水/疏水表面分布。

图2 松脂醇二葡萄糖苷与松脂醇的亲水/疏水分子表面。

         A为松脂醇二葡萄糖苷（PDG），B为松脂醇（PINL）；红色区域表示亲水表面，蓝色区域表示疏水表面。来源：Pu等[8]，Figure 3，CC BY。

6.2 水合能力与实际水溶性受不同因素控制

         Pu等在磷酸盐缓冲液（phosphate-buffered saline，PBS，pH 7.4）中测得PDG和松脂醇的动力学溶解度如下：[8]

         原研究以质量浓度表示时，PDG比松脂醇高约13.62 μg/mL；按同一论文给出的摩尔浓度比较，PDG约为146 μM，而松脂醇约为240 μM。

两个表示方式出现不同排序，主要源于糖基化使PDG的分子量显著增加。质量浓度表示单位体积溶液中溶质的质量，摩尔浓度表示单位体积中的物质的量，两者不能互相替代用于比较分子数量意义上的溶解水平。

         该研究采用的是由DMSO储备液稀释进入PBS后测定的动力学溶解度。动力学溶解度受沉淀形成速度、孵育时间和样品制备方式影响，与过量固体达到固液平衡后测得的热力学平衡溶解度具有不同的实验含义。[9]

糖基化增加氢键位点和溶剂可及表面积，有利于水合；实际水溶性还受到糖的数量和类型、糖苷连接位置、分子量、构象以及晶体中分子间作用的共同影响。

7 含氧官能团共同影响极性、分配与水溶性

7.1 溶剂化和固态稳定性共同影响水溶性

         固态木脂素溶解于水时，需要克服晶体中的分子间作用，同时由水分子对进入液相的溶质进行溶剂化。增强与水的相互作用有利于溶剂化，而较稳定的晶格则提高分子从固体中脱离的能量代价。

含氧官能团可以同时作用于这两个过程。例如：

         ①增加羟基可增加与水形成氢键的机会，同时也可能增强晶体中的分子间氢键；

         ②O-甲基化减少氢键供体并降低相应位点的水合能力，同时也可能削弱原有晶格氢键；

         ③糖基化增加多个羟基和较大的极性表面，同时明显增加分子量，并可能形成复杂的固态氢键网络。

         一般溶解度方程（general solubility equation，GSE）对有机非电解质的研究也显示，水溶性同时与辛醇/水分配系数和熔点相关。Ran等应用并验证的修订GSE使用辛醇/水分配系数Kow和熔点两个参数，分别反映与水/非极性相分配有关的性质以及固态因素对溶解的贡献。[10]

7.2 电离状态改变分配和水合

         辛醇/水分配系数P主要描述中性分子在辛醇和水两相之间的平衡分配。对于可以发生电离的化合物，在特定pH条件下同时存在中性形式和离子形式时，通常使用分布系数D描述全部化学形态在两相中的总分配。

         含酚羟基的木脂素在pH接近或高于相应酚羟基pKa时，酚氧负离子比例增加。离子形式通常具有更强的水合和静电相互作用，其分配行为与中性形式不同。因此，同一含酚羟基木脂素的分布系数可以随pH变化。

         O-甲基化删除相应酚羟基的电离位点；糖基化引入的多数羟基属于脂肪醇羟基，其酸碱性质又不同于酚羟基。官能团类型及其电离状态因而比单纯统计氧原子或羟基总数更能反映分子的实际水相行为。

7.3 主要含氧结构变化及其理化影响

8 木脂素含氧官能团、侧链氧化状态与糖基化相关代表化学品

表1 酚羟基、甲氧基与侧链醇相关木脂素

表2 亚甲二氧基、内酯与多含氧官能团木脂素

表3 糖基化木脂素及苷元比较体系

         注：以上为阿拉丁代表性科研相关产品，具体用途应结合产品规格、批次COA及目标反应或评价体系确定。更多产品规格、级别和COA信息可用“品名/CAS/货号”在阿拉丁官网检索。

参考文献

[1] Wright JS, Johnson ER, DiLabio GA. Predicting the activity of phenolic antioxidants: theoretical method, analysis of substituent effects, and application to major families of antioxidants. J Am Chem Soc. 2001;123(6):1173–1183. DOI: 10.1021/ja002455u.

[2] Foti MC. Antioxidant properties of phenols. J Pharm Pharmacol. 2007;59(12):1673–1685. DOI: 10.1211/jpp.59.12.0010.

[3] Eklund PC, Långvik OK, Wärnå JP, Salmi TO, Willför SM, Sjöholm RE. Chemical studies on antioxidant mechanisms and free radical scavenging properties of lignans. Org Biomol Chem. 2005;3:3336–3347. DOI: 10.1039/B506739A.

[4] Kato-Noguchi H, Takahashi Y, Tojo S, Teruya T. Isolation and identification of allelopathic substances from Forsythia suspensa leaves, and their metabolism and activity. Plants. 2024;13(5):575. DOI: 10.3390/plants13050575.

[5] Ono E, Nakai M, Fukui Y, et al. Formation of two methylenedioxy bridges by a Sesamum CYP81Q protein yielding a furofuran lignan, (+)-sesamin. Proc Natl Acad Sci U S A. 2006;103(26):10116–10121. DOI: 10.1073/pnas.0603865103.

[6] Xia ZQ, Costa MA, Pelissier HC, Davin LB, Lewis NG. Secoisolariciresinol dehydrogenase purification, cloning, and functional expression: implications for human health protection. J Biol Chem. 2001;276(16):12614–12623. DOI: 10.1074/jbc.M008622200.

[7] Ogiso A, Kurabayashi M, Mishima H, Woods MC. Futoenone, a constituent of Piper futokadzura. Symposium on the Chemistry of Natural Products, symposium papers. 1967;11:221–228. DOI: 10.24496/tennenyuki.11.0_221.

[8] Pu Y, Cai Y, Zhang Q, et al. Comparison of pinoresinol and its diglucoside on their ADME properties and vasorelaxant effects on phenylephrine-induced model. Front Pharmacol. 2021;12:695530. DOI: 10.3389/fphar.2021.695530.

[9] Kerns EH, Di L, Carter GT. In vitro solubility assays in drug discovery. Curr Drug Metab. 2008;9(9):879–885. DOI: 10.2174/138920008786485100.

[10] Ran Y, Jain N, Yalkowsky SH. Prediction of aqueous solubility of organic compounds by the general solubility equation (GSE). J Chem Inf Comput Sci. 2001;41(5):1208–1217. DOI: 10.1021/ci010287z.

更多相关文章，详见下方：

天然产物调控代谢紊乱的分子靶点、作用机制与研究应用

香豆素（Coumarin）全景导读：结构分类、关键性质与实验选型（含表1–表3）

吡喃与“吡喃家族”科研选型指南：结构要点、分类路线图与实验选型导航

苯并吡喃家族概览：从母骨架到三类高频应用（光致变色 / 药物骨架 / 荧光）附产品选型与产品表（表1–表3）

苯并呋喃（Benzofuran）杂环构件指南：从“引入氧原子”到性质更可控的骨架替换与选型导航（表A–C）

糖基化会影响重组蛋白的生物活性么？

植物蛋白质组学和糖基化实验