水體氯胺消毒中煙草生物堿形成煙草特異性亞硝胺的機制研究

溫家樂 馬廣才

摘要：本文基于密度泛函理論（DFT）計算系統揭示了煙草生物堿尼古丁（NIC），降煙堿（NOR）和新煙堿（ANA）在水體氯胺消毒中分別形成4-（甲基亞硝胺）-1-（3-吡啶基）-1-丁醇（NNAL），N-亞硝基降煙堿（NNN）和N-亞硝基新煙堿（NAB）的化學機制。研究表明，NIC氯胺化形成NNAL是水體氯胺消毒中形成TSNAs最主要的反應路徑，而NNN和NAB的形成相對比較困難。本研究有助于深入闡明水體消毒中TSNAs的形成機制，為該類污染物的環境轉化及風險評估研究提供科學指導。

關鍵詞：煙草生物堿;煙草特異性亞硝胺;密度泛函理論計算;化學機制

Abstract：In this work， we performed density functional theory （DFT） calculations to explore the formation mechanisms of 4-（methylnitrosamino）-1-（3-pyridyl）-1-butanol （NNAL）， N-nitrosonornicotine （NNN）， and N-nitrosamine （NAB） from the tobacco alkaloids nicotine （NIC）， nornicotine （NOR） and anabasine （ANA） during the chloramine disinfection.Results show that NIC chloramination is the major route for TSNA formations， while NNN and NAB can be generated as the minor product.This study can provide theoretical basis for the further study of the formation mechanism of TSNAs and the relevant health risk assessment.

Key words：Tobacco alkaloids;Tobacco-specific nitrosamine;Density functional theory calculations;Reaction mechanism

煙草特異性亞硝胺（TSNAs）是一類主要存在于煙草制品和煙草煙霧中的特殊N-亞硝胺，是煙草制品引發肺癌、口腔癌和食道癌的主要因素之一[1]。煙草制品中檢測到的TSNAs主要包括4-（甲基亞硝胺）-1-（3-吡啶基）-1-丁酮（NNK）、N-亞硝基降鹽煙堿（NNN）、N-亞硝基新煙草堿（NAB）、N-亞硝基新煙堿（NAT） （如圖1）。此外，TSNAs也已在環境水體和大氣空氣顆粒物中頻繁檢出，表明該類致癌物具有不可避免的暴露風險[2]。

近年來，已有研究開始關注水體氯胺消毒過程中煙草生物堿形成TSNAs的化學機制，但TSNAs 形成的具體反應路徑不明確，不同煙草生物堿形成相應 TSNAs 的潛力也還需進一步驗證。因此，本論文擬用量子化學計算研究不同煙草生物堿氯胺消毒中形成 TSNAs 的分子機制，明確不同 TSNAs 的形成潛力和優勢路徑。本研究結果能與已有結果相互驗證和補充，為水體中TSNAs形成機制研究及健康風險評估提供科學指導。

1 計算方法

本文選擇NIC，NOR和ANA為前驅物，研究這3種煙草生物堿氯胺化形成TSNAs的化學機制。采用密度泛函理論（DFT）中的雜化B3LYP 泛函[3]進行構型優化和單點能計算。構型優化和頻率在B3LYP/6-31G（d，p）理論水平下計算。基于振動頻率分析確保所有優化的中間體和產物構型沒有虛頻，而過渡態結構有且只有一個虛頻。基于優化構型，在B3LYP/6-31++G（d，p）水平下進行高精度的單點能校正。使用SMD溶劑化模型模擬反應的水溶劑環境（介電常數為76.39）[4]。此外，由于B3LYP 泛函不能很好地描述長程色散相互作用，因此我們在單點能計算時引入半經驗的色散校正。文中報道的能量數據為色散和SMD溶劑化校正之后的單點能。以上計算工作均采用Gaussian 09程序包完成[5]。

2 結果與討論

2.1 NIC轉化成NNAL的反應路徑

基于DFT計算，我們詳細揭示了NIC氯胺化形成NNAL的反應路徑（圖1）。NIC首先氯胺化形成不穩定的銨鹽中間體B （AMPP），然后 B中的胺基可先后被HOCl氧化，形成雙羥基化的中間體D。隨后，D脫去一分子H2O形成N-亞硝胺中間體E。在HOCl作用下，E進一步經歷開環和羥基化反應形成NNAL。NNAL也可能進一步被HOCl或者NH2Cl氧化成NNK。氯胺化反應的能壘為12.35 kcal/mol，放熱約為10.67 kcal/mol。而雙羥基化中間體D的形成放出13.67 kcal/mol的熱量，有利于隨后的亞硝胺形成反應。亞硝胺形成步驟的能壘為18.79 kcal/mol，且吸熱約為4.48 kcal/mol。最終，相對于反應物，NNAL的形成放出8.78 kcal/mol的能量。而NNAL轉化為NNK的能壘高達61.85 kcal/mol，表明在該條件下NNK很難形成。

2.2 NOR轉化成NNN反應路徑

NNN的形成路徑與NNAL類似，NOR首先與NH2Cl作用形成胺基中間體，該步反應的能壘為30.14 kcal/mol，遠高于NIC胺基化能壘（12.35 kcal/mol）。隨后，胺基中間體經歷兩次HOCl氧化，形成雙羥基化中間體，再脫去一分子水形成NNN，整個反應放出的熱量約為27.60 kcal/mol。

2.3 ANA轉化成NAB反應路徑

ANA的形成路徑與NNAL和NOR類似，ANA首先與NH2Cl作用形成胺基中間體，該步反應的能壘為29.87 kcal/mol，略低于NOR胺基化能壘（30.14 kcal/mol），但遠高于NIC胺基化能壘（12.35 kcal/mol）。隨后，胺基中間體經歷同樣兩次HOCl氧化，形成雙羥基化中間體，再脫去一分子水形成產物NAB，整個反應放出的熱量約為12.32 kcal/mol。

3 結論

本文基于量子化學計算，從分子水平上闡明了煙草生物堿NIC，NOR 和ANA在水體氯胺消毒過程中分別轉化為NNAL，NNN和NAB的分子機制和能量學信息。研究表明NNAL的形成能壘要遠低于NNN和NAB，表明NIC氯胺化是TSNAs形成的主要路徑，而NNN和NAB則為非常次要的轉化產物。該研究結果有助于正確評價水體消毒過程中不同前驅體轉化形成TSNAs的潛力和化學機制，為該類消毒副產物的形成機制研究和健康風險評估提供理論基礎。

參考文獻

[1]張同梅，賴百塘.煙草特異性亞硝胺NNK與肺癌的關系[J].中華流行病學雜志，2005（26）：140-142.

[2] Farren， N. J.， Ramirez， N.， Lee， J. D.， et al. Estimated Exposure Risks from Carcinogenic Nitrosamines in Urban Airborne Particulate Matter [J]. Environ. Sci. Technol.， 2015（49）：9648-9656.

[3]Becke， A. D. Density-functional thermochemistry. III. The role of exact exchange [J]. J. Chem. Phys.， 1993（98）：5648-5652.

[4]Marenich， A. V.， Cramer， C. J.， Truhlar， D. G. Universal Solvation Model Based on Solute Electron Density and on a Continuum Model of the Solvent Defined by the Bulk Dielectric Constant and Atomic Surface Tensions [J]. J. Phys. Chem. B， 2009，113：6378-6396.

[5]Frisch， M. J.， Trucks， G. W.， Schlegel， H. B.， et al. Gaussian 09， revision D.01， Gaussian， Inc.， Wallingford， CT. 2013.

收稿日期：2020-06-15

作者簡介：溫家樂（1994-），女，漢族，在讀研究生，研究方向為環境計算化學。

通訊作者：馬廣才（1988-），男，漢族，博士研究生，副教授，研究方向為計算毒理學。