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生物转化过程在生物体内源性物质的合成和外源化合物的生物转化方面都起着极为重要的作用，尤其是生物体内最广泛存在的细胞色素P450酶的代谢氧化过程。外源化合物经由P450酶的I相代谢转化后通常会生成环境学行为和毒理学特征与母体化合物都截然不同的代谢产物，如自然界普遍存在的典型的P450酶氧化耦合反应，3-氯双酚A、三氯生、苯胺等经P450酶氧化代谢后的产物亲脂性增加，内分泌干扰性增强，从而造成更高的生物毒性。且至今为止P450酶中起主要作用的氧化活性物种(Compound I & Compound 0, Cpd I & Cpd 0)仍存在较大争议，成为科学界一直以来的研究瓶颈，因此研究细胞色素P450酶代谢有机污染物耦合及其氧化活性物种的竞争反应性机制具有极其重要的环境意义及科学研究意义。而传统实验方法通常需要昂贵的设备，专业的知识，一定的运行时间，却难以捕捉一些反应进程中转瞬即逝的过渡态及中间产物，计算化学则可以提供一个有效的研究手段，通过计算反应过程中的电子结构性质来推导一些独特的反应机理，以开发基于机理的代谢产物的高通量筛选方法。因此，本研究采用密度泛函理论(Density Functional Theory, DFT)计算方法，以瑞枯灵(R-reticuline)、3-氯双酚A(3-Chloro-bisphenol A, 3-CIBPA)、狄氏剂(Dieldrin)、苯甲基硫醚(Thioanisole, MPS)和三甲胺(Trimethylamine, TMA)为例，探究细胞色素P450酶代谢有机污染物耦合及其氧化活性物种竞争反应性的机制研究：
(1)酚类双自由基的耦合机理最早可以追溯到1957年提出的瑞枯灵可能是通过C-C耦合反应合成植物体内重要的生物碱沙罗泰里啶(Salutaridine)。因此我们首先以瑞枯灵为例，研究其在P450酶氧化作用下通过C-C耦合反应生成吗啡(Morphine)的前体物质沙罗泰里啶的分子代谢机制。研究表明由于瑞枯灵的电离势(IP=6.58eV)与P450酶氧化单体CpdI的电子亲和势(EA=2.9eV)相差较多，因此P450酶很难通过电子转移路径氧化瑞枯灵。相较于低自旋二重态下通过氢提取/羟基反弹机制生成羟基化产物，P450酶氧化代谢瑞枯灵更倾向于在四重态下，由苯氧自由基(R-reticuline-O·)所存在的高反弹能垒为其提供足够的生命周期使其发生旋转并进行二次氢提取，最终瑞枯灵苯氧双自由基(R-reticuline-2O·)发生分子内的C-C耦合反应生成沙罗泰里啶。此外，无论在酶腔体内还是极性或非极性溶剂环境中，苯氧自由基的加成反应均难以发生(吸热：21~35kcal/mol)，而苯氧双自由基更易于在溶剂环境中发生耦合反应，且以空间位阻较小而自旋密度分布较大的邻位和对位的耦合最为优势(放热：-25~-19kcal/mol)。
(2)3-氯双酚A是一种新型的环境内分泌干扰物，我们以其作为目标物，考察其在P450酶氧化作用下发生分子间耦合反应的分子代谢机制并深入探究酚类物质均存在高反弹能垒的内在规律性。首先，低自旋二重态下CpdI氧化3-氯双酚A主要是通过氢提取/羟基反弹机制生成羟基化产物；而在高自旋四重态下，中间体复合物4IMH会进行离解并游离出3-氯双酚A苯氧自由基(3-Chloro-bisphenol A-O·)，之后质子化的CompoundII(Cpd II)再进行第二个3-氯双酚A的氢提取并游离出苯氧自由基，最终两个苯氧自由基通过分子间耦合并进行结构异构化生成终产物3-CIBPA-O-3-CIBPA，且[羟基化产物]/[耦合产物]为2:1。其次，酚类芳香族自由基的自旋离域化(Spin delocalization)会造成其本身低的供电子能力，这是导致酚类物质均存在高反弹能垒的本质原因，并通过建立?Greb-HS-IPS模型以作为诊断或预测其他类化合物是否存在高反弹能垒的探针。最后，以9H-吡啶[3,4-b]吲哚(Norharman)与苯胺耦合生成致突变性的羟胺为例，再次阐明了典型的耦合反应机制是自然界中具有高自旋离域比的化合物中普遍存在的一种反应现象。
(3)至今为止，有关P450酶中两种活性物种(Cpd I & Cpd 0)的氧化能力的竞争性仍存在较大争议，因此我们分别以狄氏剂、苯甲基硫醚和三甲胺作为研究对象，探究CpdI和Cpd0在氧化C-H羟基化、S-磺化氧化、N-脱烷基化三种不同反应类型时的氧化性能比较。研究表明两者氧化性能的区别并不在于反应类型的不同，无论是C-H羟基化反应、S-氧化反应或N-脱烷基化反应，活性单体CpdI的所表现出的氧化性能均高于Cpd0的氧化能力，推测这可能与底物本身的性质有关，在之后的研究里，我们也将重点关注化合物本身的性质及电子结构特征，进一步探索CpdI与Cpd0的氧化性能区别。
(1)酚类双自由基的耦合机理最早可以追溯到1957年提出的瑞枯灵可能是通过C-C耦合反应合成植物体内重要的生物碱沙罗泰里啶(Salutaridine)。因此我们首先以瑞枯灵为例，研究其在P450酶氧化作用下通过C-C耦合反应生成吗啡(Morphine)的前体物质沙罗泰里啶的分子代谢机制。研究表明由于瑞枯灵的电离势(IP=6.58eV)与P450酶氧化单体CpdI的电子亲和势(EA=2.9eV)相差较多，因此P450酶很难通过电子转移路径氧化瑞枯灵。相较于低自旋二重态下通过氢提取/羟基反弹机制生成羟基化产物，P450酶氧化代谢瑞枯灵更倾向于在四重态下，由苯氧自由基(R-reticuline-O·)所存在的高反弹能垒为其提供足够的生命周期使其发生旋转并进行二次氢提取，最终瑞枯灵苯氧双自由基(R-reticuline-2O·)发生分子内的C-C耦合反应生成沙罗泰里啶。此外，无论在酶腔体内还是极性或非极性溶剂环境中，苯氧自由基的加成反应均难以发生(吸热：21~35kcal/mol)，而苯氧双自由基更易于在溶剂环境中发生耦合反应，且以空间位阻较小而自旋密度分布较大的邻位和对位的耦合最为优势(放热：-25~-19kcal/mol)。
(2)3-氯双酚A是一种新型的环境内分泌干扰物，我们以其作为目标物，考察其在P450酶氧化作用下发生分子间耦合反应的分子代谢机制并深入探究酚类物质均存在高反弹能垒的内在规律性。首先，低自旋二重态下CpdI氧化3-氯双酚A主要是通过氢提取/羟基反弹机制生成羟基化产物；而在高自旋四重态下，中间体复合物4IMH会进行离解并游离出3-氯双酚A苯氧自由基(3-Chloro-bisphenol A-O·)，之后质子化的CompoundII(Cpd II)再进行第二个3-氯双酚A的氢提取并游离出苯氧自由基，最终两个苯氧自由基通过分子间耦合并进行结构异构化生成终产物3-CIBPA-O-3-CIBPA，且[羟基化产物]/[耦合产物]为2:1。其次，酚类芳香族自由基的自旋离域化(Spin delocalization)会造成其本身低的供电子能力，这是导致酚类物质均存在高反弹能垒的本质原因，并通过建立?Greb-HS-IPS模型以作为诊断或预测其他类化合物是否存在高反弹能垒的探针。最后，以9H-吡啶[3,4-b]吲哚(Norharman)与苯胺耦合生成致突变性的羟胺为例，再次阐明了典型的耦合反应机制是自然界中具有高自旋离域比的化合物中普遍存在的一种反应现象。
(3)至今为止，有关P450酶中两种活性物种(Cpd I & Cpd 0)的氧化能力的竞争性仍存在较大争议，因此我们分别以狄氏剂、苯甲基硫醚和三甲胺作为研究对象，探究CpdI和Cpd0在氧化C-H羟基化、S-磺化氧化、N-脱烷基化三种不同反应类型时的氧化性能比较。研究表明两者氧化性能的区别并不在于反应类型的不同，无论是C-H羟基化反应、S-氧化反应或N-脱烷基化反应，活性单体CpdI的所表现出的氧化性能均高于Cpd0的氧化能力，推测这可能与底物本身的性质有关，在之后的研究里，我们也将重点关注化合物本身的性质及电子结构特征，进一步探索CpdI与Cpd0的氧化性能区别。