脈沖輻解研究吩噻嗪與CCl3OO?、?OH的反應

唐睿智 張 鵬 李海霞 劉艷成 王文鋒

脈沖輻解研究吩噻嗪與CCl3OO?、?OH的反應

唐睿智1,2張 鵬1,2李海霞1,2劉艷成1,2王文鋒1,*

采用納秒級脈沖輻解技術研究了吩噻嗪與CCl3OO?、?OH的反應,提出了相應的反應機理,得到了相關的反應速率常數(shù).研究結果表明:吩噻嗪與CCl3OO?、?OH反應得到的瞬態(tài)產(chǎn)物的最大吸收峰都位于380 nm左右,該吸收峰歸屬于CCl3OO?、?OH奪取吩噻嗪氮原子上的氫而產(chǎn)生的吩噻嗪氮自由基.吩噻嗪與CCl3OO?、?OH反應的速率常數(shù)分別為1.1×109和4.0×109L·mol-1·s-1.這些結果將為進一步研究吩噻嗪的抗氧化活性提供理論基礎.

抗氧化劑;吩噻嗪;三氯甲基過氧自由基;羥基自由基;脈沖輻解

1 引言

活性氧自由基(ROS)是生物體細胞在新陳代謝的過程中或者受到電離輻射等外因產(chǎn)生的.Harman1提出的自由基衰老理論指出生物體的衰老是由于ROS對細胞成分的有害進攻引起的.在生物體中四氯化碳(CCl4)是肝臟的選擇性毒劑,它可以通過細胞色素P450的脫鹵還原作用生成三氯甲基自由基(CCl3?),在有氧條件下,CCl3?可以與氧氣迅速結合生成三氯甲基過氧自由基(CCl3OO?).CCl3OO?可以與DNA、蛋白質和脂類等生物分子發(fā)生反應而對細胞造成損傷.2此外,由于CCl3OO?和脂質過氧自由基的性質是相似的,而且可以方便地在水/醇體系中產(chǎn)生,所以CCl3OO?經(jīng)常用作過氧自由基的研究模型.3羥基自由基(?OH)是生物體細胞受電離輻射和化學損傷過程產(chǎn)生的一種有害的強氧化性物種,4它也可以與DNA、蛋白質等生物分子反應而產(chǎn)生堿基自由基導致DNA的斷裂和蛋白質的交聯(lián)聚合.5-7因此,尋找有效的外源性抗氧化劑,對于保護細胞免受ROS損傷具有十分重要的意義.

目前研究的大多數(shù)抗氧化劑為含有O－H鍵的酚類化合物,酚羥基清除自由基的機理已通過化學動力學方法研究得較多,8-10而有關含N－H鍵三環(huán)胺類芳香化合物抗氧化劑的研究起步較晚.自從發(fā)現(xiàn)偶氮二異丁腈(AIBN)產(chǎn)生的自由基直接與二苯胺的作用機理及反應動力學過程以來,11含N－H鍵的三環(huán)胺類芳香化合物作為抗氧化劑捕獲自由基的性質逐漸引起了科研工作者的關注.吩噻嗪(圖1)及其衍生物通常具有抗精神病和抗朊病毒的性質而在醫(yī)學上具有廣泛的應用.12除了其藥物性質,吩噻嗪的抗氧化活性也引起研究者廣泛的關注.吩噻嗪及其衍生物廣泛應用于阻聚劑、潤滑劑、橡膠和生物材料等的抗氧化保護.13-16在老鼠腦內(nèi)吩噻嗪可以阻止亞油酸甲酯的自動氧化以及延緩脂質過氧化反應的發(fā)生.17Pedulli等18從化學熱力學和化學動力學的角度對吩噻嗪等含有N－H鍵三環(huán)胺類芳香化合物捕獲自由基的機理進行了詳細的研究,發(fā)現(xiàn)吩噻嗪等含有N－H鍵三環(huán)胺類芳香化合物對烷基、烷氧自由基以及超氧自由基具有很高的反應活性.Liu等19-21研究發(fā)現(xiàn)吩噻嗪等三環(huán)胺類芳香化合物可以通過程序電子轉移機理(SPLET)捕獲二苯代苦味肼基自由基(DPPH)和氫原子遷移(HAT)機理捕獲2,2-連氮-雙-(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)二銨鹽自由基(ABTS+?),在化學模擬生物體系中,三環(huán)胺類芳香化合物對2,2-偶氮(2-甲基丙基脒)·二鹽酸鹽(AAPH)引發(fā)的DNA氧化損傷具有保護作用,并且能夠與6-羥基-2,5,7,8-四甲基苯并二氫吡喃-2-羧酸(Trolox)、維生素E(VE)、抗壞血酸(VC)、抗壞血酸-6-十二酸酯(VC-12)協(xié)同保護紅細胞.

圖1 吩噻嗪化學結構Fig.1 Structure of phenothiazine

為了進一步研究吩噻嗪清除生物體內(nèi)有害自由基的機理,本文采用脈沖輻解技術研究了吩噻嗪與CCl3OO?和?OH兩種自由基反應的微觀動力學過程,為深入研究吩噻嗪抗氧化活性提供理論參考.

2 材料與方法

吩噻嗪、四氯化碳、異丙醇購于中國醫(yī)藥上海化學試劑公司,均為分析純試劑,吩噻嗪用甲醇重結晶后使用.本實驗所用的水溶液均用Millipore純水配制,O2和N2O均為99.99%的高純氣體.

脈沖輻解所用加速器為10 MeV的電子直線加速器(中國科學院上海應用物理研究所研制),電子脈沖寬度為8 ns.時間分辨吸收光譜終端使用300 W氙燈作為分析光源,分析光與電子束成垂直方向透過石英樣品池(10 mm×10 mm)并經(jīng)單色儀分光后使用R955光電倍增管檢測,電信號經(jīng)反饋補償后由LeCroy WM8600A數(shù)字示波器轉換成數(shù)字信號,并記錄儲存于計算機中,以自編軟件進行動力學數(shù)據(jù)處理,實驗裝置及實驗方法詳見文獻.22實驗用N2O飽和的0.01 mol·L-1硫氰酸鉀(KSCN)水溶液作為脈沖電子劑量劑,取(SCN)-?2在480 nm處取摩爾消光系數(shù)ε480nm=7600 L·mol-1·cm-1,測得單脈沖電子劑量為10 Gy.

3 結果與討論

3.1 吩噻嗪與CCl3OO?的反應

氧氣飽和的1×10-2mol·L-1的四氯化碳的異丙醇/水(體積比1:1)混合溶液經(jīng)脈沖輻解后可以可得到CCl3OO?,其反應機理如下:23

圖2 氧氣飽和的2×10-4mol·L-1吩噻嗪與1×10-2mol·L-1的四氯化碳的異丙醇/水(體積比1:1)混合溶液脈沖輻解后分別在0.5 μs(▲)和5 μs(●)觀察到的瞬態(tài)吸收譜Fig.2 Transient absorption spectra recorded at 0.5 μs (▲)and 5 μs(●)after pulse radiolysis of O2-saturated 2×10-4mol·L-1phenothiazine and 1×10-2mol·L-1CCl4of isopropanol/H2O(V/V,1:1)solution

圖2為氧氣飽和的2×10-4mol·L-1吩噻嗪與1× 10-2mol·L-1的四氯化碳的異丙醇/水(體積比1:1)混合溶液脈沖輻解后得到瞬態(tài)吸收譜圖,在380 nm處產(chǎn)生一個強的吸收峰,約在5 μs達到峰值.由于此反應體系中異丙醇的濃度遠大于吩噻嗪,脈沖輻解產(chǎn)生的?OH和?H通過反應(2)和(3)與異丙醇反應生成(CH3)2C?OH.通過反應(4)、(5)和(6),體系中得到的活性物種主要為CCl3OO?.CCl3OO?自由基的吸收在290 nm左右,24,25并且在反應開始1 μs內(nèi)很快生成,所以產(chǎn)物不可能是CCl3OO?自由基,此過程可能是吩噻嗪與CCl3OO?反應生成的瞬態(tài)產(chǎn)物的形成過程.

吩噻嗪的N－H離解能(331.5 kJ·mol-1)與傳統(tǒng)的酚類抗氧化劑維生素E的O－H的離解能(327.3 kJ·mol-1)18相近,容易失去氫原子.此外,吩噻嗪屬于二級胺,N原子采用sp3的雜化軌道和C原子的sp2雜化軌道、H原子的s軌道重疊,形成棱錐體的結構,導致了兩個苯環(huán)并不在同一平面,一旦失去H原子形式自由基,整個分子共平面,N原子上單電子的p軌道與兩個苯環(huán)形成共軛大π鍵,共軛體系有利于穩(wěn)定N原子上的單電子自由基.因此CCl3OO?自由基可以奪取吩噻嗪氮原子上的氫原子形成比較穩(wěn)定吩噻嗪氮自由基.Smith和McGimpsey26利用激光光解得到的吩噻嗪氮自由基的吸收峰的位置位于380 nm左右.本文的結果與其得到的吸收峰的位置是相一致的,因此可以推斷在380 nm處的吸收峰歸屬于吩噻嗪氮自由基.

圖3是380 nm處的瞬態(tài)吸收隨時間的變化曲線,分析380 nm動力學生成曲線表明:吩噻嗪氮自由基的生成為準一級動力學過程.改變?nèi)芤褐蟹脏玎旱臐舛?測得一系列380 nm處的表觀速率常數(shù)(kobs),以表觀速率常數(shù)對相應吩噻嗪的濃度作圖得到一條直線,直線斜率即為吩噻嗪與CCl3OO?反應的絕對速率常數(shù).如圖3(插圖)所示,所得反應速率常數(shù)為1.1×109L·mol-1·s-1.

圖3 脈沖輻解氧氣飽和的2×10-4mol·L-1吩噻嗪與1×10-2 mol·L-1的四氯化碳的異丙醇/水(體積比1:1)混合溶液在380 nm處得到的動力學曲線Fig.3 Kinetic profile at 380 nm after pulse radiolysis of O2-saturated 2×10-4mol·L-1phenothiazine and 1×10-2mol·L-1CCl4of isopropanol/H2O(V/V,1:1)solutionInset:dependence of kobsat 380 nm on the concentration of phenothiazine(PTH)

3.2 吩噻嗪與?OH的反應

圖4是N2O飽和的5×10-5mol·L-1吩噻嗪水溶液在脈沖輻解后5 μs得到的瞬態(tài)吸收譜圖.N2O可以將體系產(chǎn)生的轉換為?OH,體系中主要活性物種為?OH,其反應機理如下:

圖4 N2O飽和的5×10-5mol·L-1吩噻嗪溶液在脈沖輻解5 μs觀察到的瞬態(tài)吸收譜Fig.4 Transient absorption spectra recorded at 5 μs after pulse radiolysis of N2O-saturated 5×10-5mol·L-1 phenothiazine aqueous solution

圖5 脈沖輻解5×10-5mol·L-1吩噻嗪溶液在380 nm處得到的動力學曲線Fig.5 Kinetic profile observed at 380 nm after pulse radiolysis of N2O-saturated 5×10-5mol·L-1phenothiazineaqueous solutionInset:dependence of kobsat 380 nm on the concentration of phenothiazine

與吩噻嗪和CCl3OO?反應生成的吩噻嗪氮自由基的特征吸收相似,在350-430 nm之間出現(xiàn)一個寬的吸收帶,最大吸收峰位于380 nm.因此可以推斷380 nm處的吸收峰為?OH與吩噻嗪反應得到的瞬態(tài)產(chǎn)物.與吩噻嗪和CCl3OO?反應的歷程相似,?OH奪取吩噻嗪氮原子上的氫形成吩噻嗪氮自由基.通過分析380 nm處瞬態(tài)吸收的動力學增長曲線(圖5)可知其生成同樣遵循準一級動力學過程,改變吩噻嗪的濃度可以測得吩噻嗪與?OH反應的速率常數(shù)為4.0×109L·mol-1·s-1.

4 結論

實驗結果表明,通過脈沖輻解產(chǎn)生的CCl3OO?和?OH能夠奪取吩噻嗪氮上的氫原子產(chǎn)生吩噻嗪氮自由基.反應機理分別如下:

三環(huán)胺類芳香化合物的抗氧化活性與它們分子中N－H鍵的解離能及其結構相關,其他幾種常見的三環(huán)胺類芳香化合物比如吩惡嗪、吩硒嗪和咔唑的N－H鍵的離解能分別310.2、336.1和344.4 kJ·mol-1.由于這些三環(huán)胺類芳香化合物的N－H鍵離解能以及化學結構與吩噻嗪相似,因此結合本文研究的吩噻嗪與CCl3OO?、?OH的實驗結論,可以推測與其它含有O－H鍵的酚類化合物一樣,含N－H鍵三環(huán)胺類芳香化合物同樣具有作為抗氧化劑的潛能.

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April 26,2011;Revised:June 8,2011;Published on Web:June 22,2011.

Pulse Radiolysis Study of the Reactions between Phenothiazine and CCl3OO?,?OH

TANG Rui-Zhi1,2ZHANG Peng1,2LI Hai-Xia1,2LIU Yan-Cheng1,2WANG Wen-Feng1,*
(1Shanghai Institute of Applied Physics,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 201800;2Graduate University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049)

The kinetics and mechanisms of the reactions between phenothiazine and CCl3OO●,●OH were evaluated and the related rate constants were determined using nanosecond pulse radiolysis technique. The experimental results indicate that the maximum absorption of the transient product from the reaction between phenothiazine and CCl3OO●,●OH was located at 380 nm,which is attributed to CCl3OO●and●OH abstracting hydrogen from phenothiazine to generate a phenothiazine radical.The rate constants of the reactions between phenothiazine and CCl3OO●,●OH were determined to be 1.1×109,4.0×109L·mol-1·s-1, respectively.These results provide a theoretical foundation for the further study of the antioxidant activity of phenothiazine.

Antioxidant;Phenothiazine;Trichloromethylperoxyl radical;Hydroxide radical; Pulse radiolysis

（1中國科學院上海應用物理研究所,上海201800;2中國科學院研究生院,北京100049）

O644

*Corresponding author.Email:wangwenfeng@sinap.ac.cn;Tel:+86-21-39194602.

The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(10675158).

國家自然科學基金(10675158)資助項目