腐植酸氧化還原特性的量子化學預測

T.A.Yarkova，A.M.Gyul’maliev 著 沈天瑞 周霞萍*譯

1 莫斯科國立科技與管理大學 俄羅斯莫斯科 123110

2 俄羅斯科學院托普切夫石化合成研究所 俄羅斯莫斯科 119999

3 上海臻衍生物科技有限公司 上海 201700

腐植酸制劑的獨特性質被廣泛應用于國民經濟的各個領域。腐植酸（HA）是一種多功能大分子混合物；在實際應用中，它們可以同時表現出氧化劑和還原劑的特性。HA 屬于一類所謂的氧化還原聚合物，它可以從與其接觸的離子或分子中動態可逆地轉移電子。一些研究人員認為HA 是電子和自由基的供體或受體，而另一些人則認為HA 的標準氧化電位由順磁中心的數量決定。有文獻報道了有關HA 顯著還原特性的數據：它能夠還原金屬離子，歸因于它的碳水化合物成分。通過氣體體積法研究，天然褐煤HA 及其酰化衍生物表現出抗氧化活性，與O2對異丙苯和乙苯的液相氧化有關。檢測到HA 對碳氫化合物底物的氧化抑制作用，觀察到的效果隨著HA 濃度的增加而增強。抗氧化活性及其對濃度的依賴性也通過電流分析法和測壓法確認。來源于各種類型泥炭的HA 對O2電還原的催化活性增加，這種實驗方法很有趣，因為它允許使用電流強度-電壓坐標曲線（伏安圖）來獲得微電極上被還原或氧化的電活性物質的定量信息。研究發現，隨著抗氧化劑的加入，電活性成分（O2分子及其活性自由基，超氧陰離子O2-）產生的電流降低。我們假設這種抗氧化活性與O2和HA 中絡合的中心金屬原子的相互作用有關。在HA 的儲存過程中，檢測到抗氧化活性增加。有研究者將這種抗氧化活性與活性中心的釋放聯系起來。還有研究者假設絡合形式的金屬在引發或抑制氧化反應的過程中起主導作用。

HA 的高抗氧化活性使人們可以將它作為有前途的天然來源的納米級抗氧化劑，并為開發用于生物醫學目的的新型藥物和新型納米材料提供基礎。它可用來治療與身體氧化還原穩態破壞相關的病癥。

在對HA 抗氧化活性進行廣泛實驗研究的背景下，闡明氧化還原過程中O2分子被HA 激活和抑制的機制無疑具有重要意義。有研究者詳細研究了酶對分子O2的激活以及生物化學系統中自由基過程的啟動和抑制。在一般情況下，氧化劑可以是親電分子，例如中性的分子、自由基陰離子、自由基陽離子和Lewis 酸。

這項工作的目的是使用現代量子化學方法，從電子結構的角度研究HA 的氧化還原特性。這些方法以前應用于天然物質。為此，我們研究了HA 有機部分在分子O2氧化反應中的抗氧化性能的理論。由于O2分子負責生化過程中活性自由基的形成，因此有必要確定一種物質是否能夠在其表面吸附（化學吸附）O2，并抑制自由基的形成。為了估算天然聚合物表面上O2分子的吸附能，實驗使用了具有經驗式C32H15O13N 的HA 結構片段模型。為了簡化量子化學計算過程，測試片段（與先前提出的HA 的典型結構模型相反）主要由含O 和含N 的稠環、雜環和芳香環組成，分子O2可與之積極作用。為了比較HA 與其他物質的抗氧化性能，使用先前提出的方法，該方法通過量子化學反應活性指數來評估分子的抗氧化性能。

基于量子化學DFT ub3lyp/6-31g（d，p）方法使用軟件包計算的最高占據分子軌道的能量EHOMO和最低未占據分子軌道的能量ELUMO，可確定以下反應活性指數：

絕對化學硬度按公式（1）計算。

絕對電負性按公式（2）計算。

親電性指數按公式（3）計算。

能量特性由以下眾所周知的方程公式（4）（5）（6）（7）確定：

其中，Eelec是分子的電子能，E0是零振動能，Evib是分子在T=298 K 時的振動能，Erot是轉動能，Etransl是平動能，H是焓，S是熵，G是吉布斯自由能。在軟件包中，以上所有數值都以原子單位（a.u.）計算，1 a.u.=627.5095 kcal/mol。

表1 總結了采用量子化學DFT ub3lyp/6-31g（d，p）方法測定的HA 的結構片段、O 原子（O原子的基態術語符號為3P2）、多重性M=3 的分子O2和多重性M=2 的超氧陰離子O2-的反應活性指數（圖1），以及一般公認為是抗氧化劑的反應活性指數。圖1 顯示了分子O2和超氧陰離子O2-穩定的能級以及電荷q和多重性M的變化。

表1 抗氧化劑的反應活性指數Tab.1 Antioxidant reactivity indices

圖1 分子O2（a）和超氧陰離子O2-（b）的電子構型Fig.1 Electronic conf igurations of (a) the molecule O2 and (b) the superoxide anion O2-

有趣的是，根據表1 和圖2，O、O2和O2-的反應活性指數是不同的，它們在相關線上占據的位置也不同。因此，他們以不同的方式參與反應。表2 總結了氧的能量特性。

圖2 抗氧化劑反應活性指數的比較分析：（1）電負性χ，（2）絕對化學硬度η 和（3）親電性指數ωFig.2 Comparative analysis of the reactivity indices of antioxidants: (1) electronegativity χ,(2)absolute chemical hardness η,and (3) electrophilicity index ω

表2 O2、O2-和O 的能量特性Tab.2 Energy characteristics of O2,O2-,and O

圖2 顯示了電負性χ對能量ELUMO的依賴性，由以下具有良好相關系數的線性方程（8）描述：

根據定義，化學物質的電負性意味著吸引電子的能力，它隨著ELUMO的降低而增加。電負性函數通過坐標系的原點，在那里ELUMO改變符號。添加超氧陰離子O2-后（表1），親電指數ω對ELUMO的依賴性由以下二次函數方程（9）描述，其相關系數高于先前的報道：

分析表明，電子受體分子（促氧化劑）和電子供體分子（抗氧化劑）都位于由函數χ=f（ELUMO）描述的直線上。負能量ELUMO的絕對值越大，物種的吸電子能力越明顯。方程（8）和（9）以類似的方式描述了在本質上非常不同的化學物質的電負性和親電性，具體為分子、超氧陰離子、O 原子、各種抗氧化劑和HA。在電子受體特性方面，HA 類似于分子O2。一個合理的問題產生了：由實驗確定的HA 分子抗氧化特性（其抑制分子O2參與的氧化過程）是僅源于其組成中的金屬離子的氧化還原反應性，還是源于其有機部分？HA 吸附活性O2分子并可以降低它們在反應介質中的濃度，起到氧化抑制劑的作用。該過程中HA 的活性由反應活性指數決定。分子O2在HA 上的吸附能通過量子化學方法pm6 計算。為此，研究了通過在HA的不同化學位點吸附O2而形成的絡合物[HA…O2]以確定最低的電子能。但未能在文獻中找到有關HA 吸附O2的實驗數據。

所有情況下的O2分子都以三線態的基態出現。HA 與O2分子的結合能ΔE由下式（10）估算。

其中ΔE為HA 與O2分子的結合能，E（HA…O2）為絡合物的總能量，E（HA）和E（O2）分別為HA 與O2的總能量。圖3 中，∑E對應于獨自的HA 和O2分子的能量之和，作為此后的參考點。在絡合物（2）中，O2分子吸附在苯環的碳-碳鍵上（ΔE=-25.8 kcal/mol）；在絡合物（3）中，1 個O 原子指向3 個H 原子（ΔE=-62.8 kcal/mol）；在絡合物（4）中，O 原子指向苯環和羥基（ΔE=-4.4 kcal/mol）；在絡合物（5）中，O原子指向羥基（ΔE= -70.5 kcal/mol）；在絡合物（6）中，O 原子指向吡啶環的N 和H 原子（ΔE=-62.4 kcal/mol）。

圖3 在不同HA 位點O2 分子的配位能計算Fig.3 Evaluation of the coordination energies of O2 molecules at diff erent HA sites

因此，上述數據表明，O2在HA 分子不同位點上的吸附能有時是與化學鍵[絡合物（3）、（5）和（6）]的能量相當。由此，可以得出結論，除了參與氧化還原反應之外，HA 在與分子O2的氧化反應中也表現出抑制劑的特性。這種可能性的出現是由于O2在天然聚合物的有機部分上的吸附（化學吸附），更具體的是在苯、吡啶環和羥基上的吸附。

參考文獻（略）