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(xué) 俄羅斯莫斯科 123110

2 俄羅斯科學(xué)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(zhì)被廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域。腐植酸（HA）是一種多功能大分子混合物；在實際應(yīng)用中，它們可以同時表現(xiàn)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(tài)可逆地轉(zhuǎn)移電子。一些研究人員認(rèn)為HA 是電子和自由基的供體或受體，而另一些人則認(rèn)為HA 的標(biāo)準(zhǔn)氧化電位由順磁中心的數(shù)量決定。有文獻(xiàn)報道了有關(guān)HA 顯著還原特性的數(shù)據(jù)：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?；苌锉憩F(xiàn)出抗氧化活性，與O2對異丙苯和乙苯的液相氧化有關(guān)。檢測到HA 對碳?xì)浠衔锏孜锏难趸种谱饔?，觀察到的效果隨著HA 濃度的增加而增強(qiáng)?？寡趸钚约捌鋵舛鹊囊蕾囆砸餐ㄟ^電流分析法和測壓法確認(rèn)。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(qiáng)度-電壓坐標(biāo)曲線（伏安圖）來獲得微電極上被還原或氧化的電活性物質(zhì)的定量信息。研究發(fā)現(xiàn)，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(chǎn)生的電流降低。我們假設(shè)這種抗氧化活性與O2和HA 中絡(luò)合的中心金屬原子的相互作用有關(guān)。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(lián)系起來。還有研究者假設(shè)絡(luò)合形式的金屬在引發(fā)或抑制氧化反應(yīng)的過程中起主導(dǎo)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(fā)用于生物醫(yī)學(xué)目的的新型藥物和新型納米材料提供基礎(chǔ)。它可用來治療與身體氧化還原穩(wěn)態(tài)破壞相關(guān)的病癥。

在對HA 抗氧化活性進(jìn)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(jī)制無疑具有重要意義。有研究者詳細(xì)研究了酶對分子O2的激活以及生物化學(xué)系統(tǒng)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(xiàn)代量子化學(xué)方法，從電子結(jié)構(gòu)的角度研究HA 的氧化還原特性。這些方法以前應(yīng)用于天然物質(zhì)。為此，我們研究了HA 有機(jī)部分在分子O2氧化反應(yīng)中的抗氧化性能的理論。由于O2分子負(fù)責(zé)生化過程中活性自由基的形成，因此有必要確定一種物質(zhì)是否能夠在其表面吸附（化學(xué)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(jīng)驗式C32H15O13N 的HA 結(jié)構(gòu)片段模型。為了簡化量子化學(xué)計算過程，測試片段（與先前提出的HA 的典型結(jié)構(gòu)模型相反）主要由含O 和含N 的稠環(huán)、雜環(huán)和芳香環(huán)組成，分子O2可與之積極作用。為了比較HA 與其他物質(zhì)的抗氧化性能，使用先前提出的方法，該方法通過量子化學(xué)反應(yīng)活性指數(shù)來評估分子的抗氧化性能。

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

絕對化學(xué)硬度按公式（1）計算。

絕對電負(fù)性按公式（2）計算。

親電性指數(shù)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(zhuǎn)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(shù)值都以原子單位（a.u.）計算，1 a.u.=627.5095 kcal/mol。

表1 總結(jié)了采用量子化學(xué)DFT ub3lyp/6-31g（d，p）方法測定的HA 的結(jié)構(gòu)片段、O 原子（O原子的基態(tài)術(shù)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(yīng)活性指數(shù)（圖1），以及一般公認(rèn)為是抗氧化劑的反應(yīng)活性指數(shù)。圖1 顯示了分子O2和超氧陰離子O2-穩(wěn)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(yīng)活性指數(shù)Tab.1 Antioxidant reactivity indices

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

有趣的是，根據(jù)表1 和圖2，O、O2和O2-的反應(yīng)活性指數(shù)是不同的，它們在相關(guān)線上占據(jù)的位置也不同。因此，他們以不同的方式參與反應(yīng)。表2 總結(jié)了氧的能量特性。

圖2 抗氧化劑反應(yīng)活性指數(shù)的比較分析：（1）電負(fù)性χ，（2）絕對化學(xué)硬度η 和（3）親電性指數(shù)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(fù)性χ對能量ELUMO的依賴性，由以下具有良好相關(guān)系數(shù)的線性方程（8）描述：

根據(jù)定義，化學(xué)物質(zhì)的電負(fù)性意味著吸引電子的能力，它隨著ELUMO的降低而增加。電負(fù)性函數(shù)通過坐標(biāo)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(shù)ω對ELUMO的依賴性由以下二次函數(shù)方程（9）描述，其相關(guān)系數(shù)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(shù)χ=f（ELUMO）描述的直線上。負(fù)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(zhì)上非常不同的化學(xué)物質(zhì)的電負(fù)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(chǎn)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(yīng)性，還是源于其有機(jī)部分？HA 吸附活性O(shè)2分子并可以降低它們在反應(yīng)介質(zhì)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(yīng)活性指數(shù)決定。分子O2在HA 上的吸附能通過量子化學(xué)方法pm6 計算。為此，研究了通過在HA的不同化學(xué)位點吸附O2而形成的絡(luò)合物[HA…O2]以確定最低的電子能。但未能在文獻(xiàn)中找到有關(guān)HA 吸附O2的實驗數(shù)據(jù)。

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

其中ΔE為HA 與O2分子的結(jié)合能，E（HA…O2）為絡(luò)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(yīng)于獨自的HA 和O2分子的能量之和，作為此后的參考點。在絡(luò)合物（2）中，O2分子吸附在苯環(huán)的碳-碳鍵上（ΔE=-25.8 kcal/mol）；在絡(luò)合物（3）中，1 個O 原子指向3 個H 原子（ΔE=-62.8 kcal/mol）；在絡(luò)合物（4）中，O 原子指向苯環(huán)和羥基（ΔE=-4.4 kcal/mol）；在絡(luò)合物（5）中，O原子指向羥基（ΔE= -70.5 kcal/mol）；在絡(luò)合物（6）中，O 原子指向吡啶環(huán)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(shù)據(jù)表明，O2在HA 分子不同位點上的吸附能有時是與化學(xué)鍵[絡(luò)合物（3）、（5）和（6）]的能量相當(dāng)。由此，可以得出結(jié)論，除了參與氧化還原反應(yīng)之外，HA 在與分子O2的氧化反應(yīng)中也表現(xiàn)出抑制劑的特性。這種可能性的出現(xiàn)是由于O2在天然聚合物的有機(jī)部分上的吸附（化學(xué)吸附），更具體的是在苯、吡啶環(huán)和羥基上的吸附。

參考文獻(xiàn)（略）