水環境下羥自由基致布洛芬分子損傷的機理

姜春旭，王佐成，高峰，佟華，楊曉翠，叢建民

(1. 白城師范學院理論計算中心，吉林 白城137000;2. 白城師范學院傳媒學院，吉林 白城 137000；3. 白城師范學院物理學院，吉林 白城 137000；4. 白城師范學院生命科學學院，吉林 白城 137000)

布洛芬(IBU)具有抗炎、止痛和解熱等作用，可治療強直性脊椎炎、風濕性關節炎等疾病[1-2]。由于IBU的重要應用，人們對其進行了廣泛的研究。代衛國等[3]的研究表明，布洛芬對映體在人工光電催化劑表面可以手性識別。郭慧卿等[4]的研究表明，布洛芬的熱分解可通過脫水、C—C鍵斷裂和分子鍵斷裂三個過程實現。文獻[5-7]的研究表明，氣相IBU分子具有穩定性，水分子簇的催化可使IBU緩慢地消旋。文獻[8]研究表明，水與MOR分子篩的共催化也可使布洛芬緩慢地旋光異構。

生命體內有羥自由基存在，羥自由基具有較強的氧化能力，它可通過抽氫和加成反應等多種方式與多種分子作用，造成氨基酸、蛋白質和DNA等物質氧化性損傷[9]。文獻[10-11]的研究表明，羥自由基抽取α-H可致丙氨酸和纈氨酸損傷，文獻[12-13]的研究表明，羥自由基的進攻可使腺嘌呤和鳥嘌呤損傷。紫外線照射可導致空氣中的水電離產生自由基，這是否會導致暴露在外的布洛芬損傷失效?；颊咝膽B和情緒不佳、不健康飲食和手機輻射等多種因素都會導致體內產生自由基，自由基是否會導致布洛芬損傷，相關研究目前未見報道?；诖瞬⒖紤]到生命體內的水溶劑環境，本工作對水汽相及水液相環境下羥自由基抽取IBU分子的α-H和羥自由基與IBU分子苯環上的C加成反應機理進行了研究，說明了水汽相和水液相環境下羥自由基如何誘導布洛芬損傷，為安全儲存和較好地發揮IBU的療效給予理論指導。

1 研究與計算方法

用密度泛函的B3LYP[14]方法，采用6-31+G(d, p)基組對水汽環境下標題反應的駐點進行優化，通過對過渡態[15]進行IRC[16]計算來確認過渡態的可靠性。為獲得高水平的勢能面，用從頭算的MP2[17]方法，采用6-311++G(2df, pd)基組計算駐點的單點能。計算水溶劑化效應時，吉布斯自由能熱校正采用水汽環境下的數據，高水平的單點能采用自洽反應場理論的SMD模型[18]計算，用Gtotal=Gtc+ESP計算各駐點的總能(Gtc和ESP分別為吉布斯自由能熱校正和高水平的單點能)。IBU分子的構象1與羥自由基水分子簇通過氫鍵作用形成氫鍵絡合物，記作IBU_1·[(·OH)·H2O]，羥自由基攻擊S-IBU_1的苯環C3位點的過渡態記作S-TS_1·(·OH)_C3，其余體系用相似的方法表示。文中計算均由Gaussian09[19]軟件包完成。

2 結果與討論

研究表明，羥自由基致S-IBU和R-IBU的損傷機理相同，本工作只對羥自由基致S-IBU的損傷進行討論。圖1是S-IBU分子的兩種穩定構象，以S-IBU_1的能量為勢能零點計算的S-IBU_2的相對能量是-0.71 kJ/mol ，S-IBU_1比S-IBU_2的穩定性微差。下面對羥自由基通過抽氫和加成方式致S-IBU_1和S-IBU_2的損傷分別進行討論。

圖1 兩種S型布洛芬分子的幾何構象Fig.1 Geometric conformation of two S-type ibuprofen molecules

2.1 羥自由基(水分子簇)抽氫致S-IBU的損傷

由于無論是水汽相還是水液相，羥自由基都可以獨自存或與水分子形成羥自由基水分子簇，因此羥自由基抽氫致S-IBU_1和S-IBU_2損傷都有羥自由基抽α-H和水分子輔助羥自由基抽α-H兩種機理，分別進行討論。

2.1.1 羥自由基(水分子簇)抽氫致S-IBU_1損傷S-IBU_1在羥自由基(水分子簇)作用下的損傷歷程，見圖2，反應勢能剖面見圖3(@water線為水溶劑化的勢能剖面)。

1)對于羥自由基抽α-H致S-IBU_1損傷。

首先，羥自由基34O—35H與S-IBU_1的α-氫32H和羰基氧30O通過氫鍵作用，形成絡合物S-IBU_1·(·OH)。然后，S-IBU_1·(·OH)經·OH抽α-氫的過渡態TS1_1·(·OH)，形成IBU_1*·H2O。水分子是由32H與羥自由基形成，IBU_1*的C12失去了手性，是損傷的S-IBU_1。此基元反應是·OH抽取了α-碳上的氫原子32H與之形成水分子，IBU_1*電荷仍然為零。從S-IBU_1·(·OH)到TS1_1·(·OH)過程，鍵長12C-32H從0.109 3 nm拉伸到0.114 8 nm斷裂，拉伸幅度是0.005 5 nm；骨架二面角16C—12C—4C—17C從126.74°增加到130.20°。一個化學鍵很小的伸長和骨架很小的形變需要的能量不多，TS1_1·(·OH)產生的能壘只有40.30 kJ/mol 。TS1_1·(·OH)產生的能壘遠遠小于2個水分子簇催化的此基元反應的能壘152.5 kJ·mol-1[6]，原因是·OH的氧化性比(H2O)2分子強。二面角3C—4C—5C—12C、16C—12C—4C—17C和12C—17C—30O—31O分別是178.59°、-177.72°和-179.00°，IBU_1*·H2O的苯環骨架碳原子、α-碳12C及羧基的骨架原子形成了共軛離域大π鍵，35H與羰基氧30O的距離是0.198 4 nm，IBU_1*分子與H2O分子形成了較強的分子間氫鍵，因此IBU_1*·H2O極其穩定，處在勢能面較低的位置。

從圖3可以看出，羥自由基抽α-H致S-IBU_1損傷的逆反應能壘是168.71 kJ/mol，此能壘太高，難以越過，此損傷過程不可逆，說明損傷產物IBU_1*難以修復。

從圖3還看出，S-IBU_1·(·OH)→TS1_1·(·OH)→IBU_1*·H2O反應在水溶劑環境下的能壘是39.00 kJ/mol ，說明水溶劑效應對·OH抽α-H致S-IBU_1損傷的反應基本沒有影響。IBU_1*·H2O相對于S-IBU_1·(·OH)的溶劑化能量有所降低，是因為IBU_1*·H2O的偶極矩是5.129 D，大于前者的偶極矩4.097 D，導致在極性溶劑水中IBU_1*·H2O構象相對更穩定。

計算表明，IBU_1*與紙面里的1個水分子形成的氫鍵絡合物，經α-碳12C抽取水分子的氫原子的過渡態，可以形成R-IBU_1。此基元反應相似于S-IBU_1·(·OH)→TS1_1·(·OH)→IBU_1*·H2O的逆過程，需要越過的能壘在160.00 kJ/mol 以上，因此，IBU_1*→R-IBU_1只是在理論上存在。

2)對于H2O輔助·OH抽α-H致S-IBU_1損傷。

首先，·OH和H2O與S-IBU_1的32H和30O通過氫鍵作用，形成絡合物S-IBU_1·[(·OH)·H2O]。然后，S-IBU_1·[(·OH)·H2O]經·OH抽α-H的過渡態TS1_1·[(·OH)·H2O]，形成IBU_1*·2H2O(計算表明，這時的損傷布洛芬分子構象同于前面的IBU_1*，所以都用IBU_1*表示)。此基元反應是·OH抽取了α-C上的氫原子32H形成H2O，IBU_1*電荷數仍然為零。IBU_1*已經失去了手性，是損傷的S-IBU_1。從S-IBU_1·[(·OH)·H2O]到TS1_1·[(·OH)·H2O]過程，鍵長12C—32H從0.109 3 nm拉伸到0.116 4 nm斷裂，拉伸幅度是0.007 1 nm；反應活性中心骨架二面角16C—12C—4C—17C從126.26°增加到133.38°，一個化學鍵很小的伸長和骨架很小的形變需要的能量不多，TS1_1·[(·OH)·H2O]產生的能壘是34.68 kJ/mol 。TS1_1·[(·OH)·H2O]產生的能壘小于TS1_1·(·OH)產生的能壘，原因是它們的氫鍵角12C—32H—34O分別是176.92°和163.41°，因此，前者比后者氫鍵強，結構穩定。結構分析表明，相似于IBU_1*·1H2O，IBU_1*·2H2O的苯環上的碳原子、α-碳以及羧基的骨架原子也形成了共軛離域的大π鍵，38H與羰基氧30O的距離是0.188 3 nm、35H與36O的距離是0.189 1 nm、24H與34O的距離是0.294 2 nm，IBU_1*·2H2O形成了2個較強的和1個較弱的分子間氫鍵，因此IBU_1*·2H2O極其穩定。

從圖3可以看出，相似于羥自由基抽α-H致S-IBU_1損傷，水分子輔助羥自由基抽α-H致S-IBU_1損傷的逆反應能壘是163.88 kJ/mol ，難以逾越，此過程的損傷產物IBU_1*也難以修復。

從圖3還可以看出，S-IBU_1·[(·OH)·H2O]→TS1_1·[(·OH)·H2O]→IBU_1*·2H2O反應在水溶劑環境下的能壘是34.02 kJ/mol ，說明水溶劑效應對羥自由基水分子簇抽α-H致S-IBU_1損傷反應也基本沒有影響。IBU_1*·2H2O相對于S-IBU_1·[(·OH)·H2O]的溶劑化能量有所降低，是因為IBU_1*·2H2O的偶極矩是4.249 D，略大于前者的偶極矩3.938 D，導致在極性溶劑水中IBU_1*·2H2O構象相對更穩定。

計算表明，IBU_1*與紙面里的2個水分子形成的氫鍵絡合物，經α-碳12C抽取水分子的氫原子的過渡態，可以形成R-IBU_1。但需要越過的能壘在163.00 kJ/mol 以上，因此，S-IBU_1的消旋也只是在理論上存在。

圖2 羥自由基(水分子簇)抽α-氫致S-IBU_1損傷的反應歷程Fig.2 S-IBU_1 damage mechanism induced by α-H abstraction of hydroxyl radicals(water clusters)

圖3 羥自由基(水分子簇)抽α-氫致S-IBU_1損傷的反應勢能面Fig.3 Potential energy surfaces of S-IBU_1 damage induced by byα-H abstraction of hydroxyl radicals(water clusters)

從圖3可以看出，無論是在水汽相還是在水溶劑相，羥自由基水分子簇抽氫比只是羥自由基抽氫致S-IBU_1損傷都具有優勢。

2.1.2 羥自由基(水分子簇)抽氫致S-IBU_2損傷S-IBU_2在羥自由基(水分子簇)作用下的損傷歷程，見圖4，反應勢能剖面見圖5(@water線為水溶劑化的勢能剖面)。反應機理基本同于2.1節的S-IBU_2在羥自由基和水分子作用下的損傷，為節省篇幅，這里只做一般討論。

圖4 羥自由基(水分子簇)抽α-氫致S-IBU_2損傷的反應歷程Fig.4 S-IBU_2 damage mechanism induced by α-H abstraction of hydroxyl radicals(water clusters)

圖5 羥自由基(水分子簇)抽α-氫致S-IBU_2損傷的反應的勢能面Fig.5 Potential energy surfaces of S-IBU_2 damage induced by α-H abstraction of hydroxyl radicals(water clusters)

1)對于羥自由基抽α-H致S-IBU_2損傷。

S-IBU_2·(·OH)經·OH抽α-H的過渡態TS1_2·(·OH)，形成IBU_2*·H2O。IBU_2*是損傷的S-IBU_2。從S-IBU_2·(·OH)到TS1_2·(·OH)，鍵長12C—32H從0.109 4 nm拉伸到0.116 1 nm斷裂，拉伸0.006 7 nm；反應活性中心骨架二面角16C—12C—4C—17C從123.28°增加到127.73°，TS1_2·(·OH)產生的能壘是34.81 kJ/mol 。此能壘小于TS1_1·(·OH)產生的能壘，原因是TS1_2·(·OH)的鍵角12C—32H—34O為171.65°，比TS1_2·(·OH)的163.41°大，前者的氫鍵強；S-IBU_2·(·OH)的34O—32H小于S-IBU_2·(·OH)的34O—32H，前者的·OH對α-H的庫侖引力強。結構分析表明，相似于IBU_1*·H2O，IBU_2*·H2O也存在離域的共軛大π鍵和1個中等強度的分子間氫鍵，構象極穩定，處在勢能面較低的位置。

從圖5可以看出，羥自由基抽α-H致S-IBU_2損傷的逆反應能壘是155.69 kJ/mol ，此能壘難以逾越，說明IBU_2*難以修復。從圖5還可以看出，S-IBU_2·(·OH)→TS1_2·(·OH)→IBU_2*·H2O反應在水溶劑環境下的能壘是33.94 kJ/mol ，水溶劑效應對此反應基本無影響。

2)對于水分子輔助羥自由基抽α-H致S-IBU_2損傷。

S-IBU_2·[(·OH)·H2O]經羥自由基抽α-氫的過渡態TS1_1·[(·OH)·H2O]，形成IBU_2*·2H2O。IBU_2*失去了手性，是損傷的S-IBU_2，鍵長12C—32H從0.109 3 nm拉伸到0.115 8 nm斷裂，拉伸幅度是0.006 5 nm；反應活性中心骨架二面角16C—12C—4C—17C和16C—12C—17C—31O分別從125.66°和-14.25°增加到130.28°和54.99°，TS1_2·[(·OH)·H2O]產生的能壘是38.27 kJ/mol 。TS1_2·[(·OH)·H2O]產生的能壘大于TS1_2·(·OH)產生的能壘，原因是S-IBU_2·[(·OH)·H2O]的羥自由基與α-氫距離比S-IBU_2·(·OH)的羥自由基與α-氫距離遠，并且從S-IBU_2·[(·OH)·H2O]到TS1_2·[(·OH)·H2O]過程，羧基旋轉了較大的幅度。結構分析表明，相似于IBU_1*·2H2O，IBU_2*·2H2O也存在離域的共軛大π鍵以及2個較強的和1個中等強度的分子間氫鍵，構象極其穩定。

從圖5可以看出，水分子輔助羥自由基抽α-H致S-IBU_2損傷的逆反應能壘是159.94 kJ/mol ，難以逾越，損傷產物IBU_2*難以修復。從圖5還可以看出，水溶劑效應使水分子輔助羥自由基抽α-H致S-IBU_2損傷的能壘微降到37.09 kJ/mol ，水溶劑效應的影響可以不予考慮。

從圖5可以看出，無論是在水汽相還是在水溶劑相，羥自由基抽氫比羥自由基水分子簇抽氫致S-IBU_2損傷具有優勢。

2.2 羥自由基的加成致S-IBU損傷

羥自由基與S-IBU加成，羥自由基可攻擊苯環上的每個碳，為節省篇幅，攻擊S-IBU_1選取了一個代表性的位點C3，攻擊S-IBU_2，選取了兩個代表性的位點C3和C4，下面分別進行討論。

2.2.1 羥自由基的加成致S-IBU_1損傷 羥自由基攻擊S-IBU_1的苯環C3位點的反應歷程見圖6，反應勢能剖面見圖7的S-IBU_1線(@water線為水溶劑化的勢能剖面)。

圖6 羥自由基攻擊S-IBU_1的苯環C3位點的反應歷程Fig.6 Reaction mechanism of hydroxyl radicals attacking C3 site of benzene ring in S-IBU_1

圖7 羥自由基攻擊S-IBU_1和S-IBU_2的苯環C位點的反應勢能面Fig.7 Potential energy surfaces of hydroxyl radicals attacking C site of benzene ring in S-IBU_1 and S-IBU_2

首先，羥自由基在S-IBU_1的苯環C3位點的上方與S-IBU_1通過范德華作用形成前驅配合物S-IBU_1·(·OH)_C3，而后S-IBU_1·(·OH)_C3經·OH攻擊C3的過渡態TS1_1 (·OH)_C3，得到加成產物P_1*_C3，P_1*_C3比S-IBU_1多一個手性中心C3，已經不具有S-IBU_1的性質，是損傷的S-IBU_1。

從S-IBU_1·(·OH)_C3到TS1_1 (·OH)_C3過程，二面角6C—5C—4C—3C、5C—4C—3C—2C和2C—3C—4C—12C分別從0.11°、0.09°和-179.50°增加到-1.92°、4.43°和-177.14°，沒有鍵的斷裂，只是骨架苯環C和α-C發生了不大的形變，所以TS1_1 (·OH)_C3產生的能壘較低，只有26.42 kJ/mol 。S-IBU_1·(·OH)_C3與P_1*_C3相比較，C3從sp2雜化變成了sp3雜化，34O—35H與C3的距離從0.240 3 nm減小到0.147 2 nm，34O—35H與C3(或說與S-IBU_1)的作用從弱相互作用變為化學鍵作用，因此，P_1*_C3體系十分穩定。從圖7的S-IBU_1線可以看出，S-IBU_1損傷的逆反應能壘是113.86 kJ/mol ，說明羥自由基攻擊S-IBU_1的苯環C3位點的損傷產物很難修復。

NBO電荷計算表明，羥自由基34O—35H從孤立狀態到其與S-IBU_1絡合物成S-IBU_1·(·OH)_C3，再到過渡態TS1_1 (·OH)_C3，最后到P_1*_C3，凈電荷從0.000到 -0.159，再到-0.247，最后到 -0.270；34O的電荷從 -0.431到 -0.603，再到 -0.702，最后到 -0.756?！H在攻擊C3的過程中不斷地奪取S-IBU_1的負電荷，說明其具有較強的氧化性，誘導了S-IBU_1損傷。

從圖7中S-IBU_1的水溶劑效應的勢能剖面可以看出，水溶劑環境下羥自由基攻擊S-IBU_1的苯環C3位點的能壘是25.43 kJ/mol ，說明水溶劑的助催化作用微弱，可以說基本沒有作用；逆反應能壘是113.24 kJ/mol ，說明水溶劑環境下P_1*_C3也難以修復。

2.2.2 羥自由基的加成致S-IBU_2損傷 羥自由基攻擊S-IBU_2的苯環C3和C4位點的反應歷程，見圖8，反應勢能剖面見圖7的S-IBU_2線(@water線為水溶劑化的勢能剖面)。羥自由基攻擊S-IBU_2的C3位點的機理相似于2.2.1的羥自由基攻擊S-IBU_1的C3位點，這里只做一般討論。

圖8 羥自由基攻擊S-IBU_2的苯環C3和C4位點的反應歷程Fig.8 Reaction mechanism of hydroxyl radicals attacking C3 and C4 sites of benzene ring in S-IBU_2

羥自由基在S-IBU_2的C3位點的上方與C3通過范德華作用形成前驅配合物S-IBU_2·(·OH)_C3，經·OH攻擊C3的過渡態TS1_2 (·OH)_C3，得到損傷產物P_2*_C3。結構分析表明，從S-IBU_2·(·OH)_C3到TS1_2 (·OH)_C3過程，也是骨架苯環C和α-C發生了不大的形變，因此TS1_2 (·OH)_C3產生的能壘較低，只有25.83 kJ/mol 。從圖7的S-IBU_2線可以看出，此基元逆反應能壘是113.55 kJ/mol ，說明羥自由基攻擊S-IBU_1的苯環C3位點的損傷產物很難修復。從圖7中S-IBU_2的水溶劑效應的勢能剖面可以看出，水溶劑環境下羥自由基攻擊S-IBU_2的苯環C3位點的能壘是24.91 kJ/mol ，說明水溶劑的助催化作用極微弱，可以認為沒起作用；逆反應能壘是109.94 kJ/mol ，說明水溶劑環境下P_2*_C3也難以修復。

羥自由基攻擊S-IBU_2的C4位點時，IRC計算表明，反應的前驅配合物仍然是S-IBU_2·(·OH)_C3，而過渡態則是圖8的TS1_2 (·OH)_C4，產物是P_2*_C4。勢能面圖7的S-IBU_2線說明P_2*_C4也難以修復。

結構分析表明，從S-IBU_2·(·OH)_C3到TS1_2 (·OH)_C4過程，骨架苯環C和α-C的形變略大于從S-IBU_2·(·OH)_C3到TS1_2(·OH)_C3過程，因此TS1_2 (·OH)_C4產生的能壘是27.81 kJ/mol ，略高于TS1_2 (·OH)_C3產生的能壘。圖7 中S-IBU_2的溶劑效應勢能面表明，溶劑環境下此基元反應的能壘是28.73 kJ/mol ，升高的幅度微小，可以認為沒變；溶劑環境下的損傷產物P_2*_C4也難以修復。

3 結 論

1)羥自由基致布洛芬損傷有羥自由基(水分子簇)抽氫和羥自由基加成到苯環兩種機理。

2)羥自由基(水分子簇)抽氫反應：對于S-IBU_1，水分子輔助羥自由基抽α-H的反應通道具有優勢，抽氫反應能壘是34.68 kJ/mol ；對于S-IBU_2，羥自由基抽α-H的反應通道具有優勢，抽氫反應能壘是34.81 kJ/mol 。羥自由基加成到苯環的反應：對于S-IBU_1，加成到C3位點的能壘是26.42 kJ/mol ；對于S-IBU_2，加成到C3位點的能壘是25.83 kJ/mol ，加成到C4位點的能壘是27.81 kJ/mol ，后者略具優勢。在抽氫和加成兩種反應的競爭中，后者具有優勢。

3)水溶劑化效應對羥自由基(水分子簇)抽氫和加成到苯環致布洛芬損傷反應基本沒有影響。

4)羥自由基(水分子簇)抽氫和羥自由基加成導致的布洛芬損傷難以修復。