论文部分内容阅读
N-亚硝胺是环境中广泛存在的一类污染物。许多N-亚硝胺已经被证明具有致癌性、致突变性和致畸性。目前,在空气、土壤、水、食物、化妆品、橡胶产品及其他许多物质中都发现了N-亚硝胺的存在。因此,对N-亚硝胺的形成机理以及其结构与活性相互关系的研究具有重要的理论和实际意义。
本论文利用量子化学计算方法从理论上对不同种类的胺生成N-亚硝胺的形成机理以及其结构与活性的相互关系进行了研究。
1.二甲基胺(DMA)为前体N2O3诱导的NDMA形成机理利用密度泛函理论方法(DFT)在B3LYP/6-311+G(d,p)水平上首先寻找了可能存在的N2O3异构体,并对这些异构体之间的异构化反应进行了研究。在此基础之上,选取三种最稳定的N2O3异构体,对其亚硝化二甲基胺(DMA)的反应机理进行了研究,并探讨了这些异构体结构与其亚硝化能力之间的关系。对反应过程中的反应物,过渡态,产物进行几何结构的全优化,同时使用更高水平的耦合簇(CC)方法,在CCSD(T)/6-311+G(d,p)水平上对各驻点的优化结构进行了气相和溶液下单点能的计算,得出了各驻点的相对能量和反应的活化能。计算结果表明,所寻找到的八种N2O3的异构体之间可以通过一步或多步的异构化反应实现相互转化。其中,三种最稳定的异构体asym-N2O3、sym-N2O3和trans-cisN2O3均能够诱导DMA的亚硝化反应并生成NDMA。结果表明,由这三种N2O3异构体参与的DMA亚硝化反应很容易发生。而且,sym-N2O3和trans-cisN2O3具有比asym-N2O3更强的亚硝化活性。
2.三甲基胺(TMA)为前体的NDMA形成机理在CBS-QB3水平上对以三级胺为前体的N-亚硝胺形成机理进行了研究。选取TMA为三级胺的模型化合物,研究了TMA形成NDMA的反应机理。对反应过程中的反应物,过渡态,中间体和产物进行几何结构的全优化,并计算了各驻点的振动频率和能量。研究发现,TMA的亚硝化首先生成正离子中间体Me2N+=CH2,这一中间体可以通过三条反应途径生成NDMA。它们分别是:第一条途径认为Me2N+=CH2与NO2-先反应生成中性的中间体,再生成NDMA;第二条途径认为Me2N+=CH2先水解为DMA再被亚硝化为NDMA;第三条途径认为Me2N+=CH2直接与N2O3反应生成NDMA。计算结果表明,反应第一步由TMA生成Me2N+=CH2为反应的控速步骤。
3.氨基酸为前体的亚硝胺形成机理使用密度泛函方法,研究了asym-N2O3,sym-N2O3和trans-cisN2O3诱导的脯氨酸和色氨酸亚硝化反应。Asym-N2O3,sym-N2O3和trans-cisN2O3诱导脯氨酸亚硝化的反应势垒分别为7.97,4.02和3.17kcal/mol,而相应的色氨酸亚硝化势垒提高为13.29,12.62和9.37kcal/mol。由脯氨酸亚硝化释放出的能量分别为12.78,19.83和17.88kcal/mol。这些能量足以满足反应发生克服势垒所需的能量要求。而色氨酸亚硝化放出的热量则较低,反应放出的热量分别为7.90,8.01和11.24kcal/mol。这些结果表明脯氨酸亚硝化比色氨酸更容易。这一差异可能是由于反应位点N原子不同的杂化状态造成的。色氨酸分子中反应位点的N原子为sp2杂化,而脯氨酸为sp3杂化。结果表明三种N2O3异构体均可以很有效的亚硝化脯氨酸和色氨酸。并且,sym-N2O3和trans-cisN2O3的亚硝化能力比asym-N2O3更强。
4.胺的结构与其亚硝化反应活性关系的研究在CBS-QB3水平上对由N2O3诱导的19种胺(8种链式胺、5种杂环胺和6种带有不饱和基团的胺)的N-亚硝化反应进行了研究。对反应过程中的反应物,过渡态和产物进行几何结构的全优化,并计算了各驻点的振动频率和能量。研究发现,三种类型的胺中,杂环胺的反应活性相对较高,而带有吸电子基团的链式胺和不饱和基团的胺的反应活性相对较低。基于前线分子轨道理论(FMO),发现胺的最高占有轨道(HOMO)和N2O3的最低未占轨道(LUMO)之间的能量差与胺的反应活性有很高的相关性。多元线性回归模型表明,胺的亚硝化反应活性与以下5种描述符有很高的相关性(R2adj=0.931):胺中N-H键的异裂能、胺的HOMO轨道能量、胺N原子自然键轨道中孤对电子轨道的电子密度、胺N原子所带NBO电荷以及胺的锥化角。
本论文对NDMA的形成机理以及胺在亚硝化反应中的定量构效关系(QSAR)模型的研究,可为环境保护、癌症的化学预防提供理论指导。