腎上腺素鹽酸鹽和水的相互作用研究

孫　芳,馬慧婷,張　萍,武聰聰,柴　云，翟翠萍

(河南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，河南省廢棄物資源能源化工程技術(shù)研究中心，河南 開封 475004)

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腎上腺素鹽酸鹽和水的相互作用研究

孫芳,馬慧婷,張萍,武聰聰,柴云*，翟翠萍*

(河南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，河南省廢棄物資源能源化工程技術(shù)研究中心，河南 開封 475004)

使用核磁共振和電化學(xué)循環(huán)伏安法，對腎上腺素鹽酸鹽(AH)和水的相互作用進(jìn)行了探討. 研究結(jié)果表明：AH不僅能和水分子形成分子間氫鍵，當(dāng)濃度較大時，AH的苯環(huán)還可發(fā)生π-π堆積作用. 此外，溶液pH對二者相互作用基本無影響.

腎上腺素鹽酸鹽； 水； 相互作用； 核磁共振； 循環(huán)伏安

腎上腺素是哺乳動物和人體的一種兒茶酚胺類神經(jīng)遞質(zhì)，參與多種生理和行為過程，在神經(jīng)系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用. 腎上腺素具有很好的電化學(xué)活性，因此，可以利用電化學(xué)方法對其進(jìn)行檢測或研究. 自從HAWLEY等[1]對腎上腺素在碳糊電極上的電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行研究以來，使用電化學(xué)方法研究腎上腺素與某些溶劑及化合物的相互作用一直是人們關(guān)注的熱點(diǎn)[2-5]. 如劉濤等[6]使用循環(huán)伏安法研究了腎上腺素與甲酸、乙酸的相互作用. 發(fā)現(xiàn)隨甲酸、乙酸濃度的增加，腎上腺素的電子轉(zhuǎn)移能力下降，并且氫鍵比溶液pH對腎上腺素電化學(xué)行為的影響要大；電化學(xué)和理論計算結(jié)果表明[7-10]：腎上腺素或質(zhì)子化腎上腺素可與甲酰胺、DMSO或甲酸陰離子等通過氫鍵作用形成復(fù)合物，并且甲酰胺和DMSO的存在對腎上腺素的電化學(xué)行為也有不同程度的影響. 此外，腎上腺素還可與一些生物活性物質(zhì)發(fā)生相互作用，如氨基酸[11]、DNA模型分子[12]、腺嘌呤[13]、尿嘧啶[14]等. 研究發(fā)現(xiàn)：在不同介質(zhì)中，上述物質(zhì)對腎上腺素都具有一定的穩(wěn)定作用，能在一定程度上抑制腎上腺素的氧化，從而改變了腎上腺素的循環(huán)伏安特性，且腎上腺素的電子轉(zhuǎn)移性質(zhì)與溶液的pH有關(guān).

迄今為止，腎上腺素的相關(guān)研究基本都是在水溶液中進(jìn)行的，因此，腎上腺素和水的相互作用是其研究的基礎(chǔ). 但是，目前有關(guān)其研究相對較少，已有的報道也僅限于理論計算方面. 研究表明腎上腺素的酚羥基、氨基、醇羥基等能與水分子形成分子間氫鍵；同時，分子間氫鍵的形成破壞了氨基與醇羥基之間的分子內(nèi)氫鍵[15]. 而有關(guān)實(shí)驗(yàn)方面的研究尚未見文獻(xiàn)報道.

腎上腺素不溶于水和有機(jī)溶劑，但其鹽酸鹽溶解性較好，實(shí)驗(yàn)研究中經(jīng)常使用腎上腺素鹽酸鹽(AH，圖1). 本文采用循環(huán)伏安和核磁共振兩種實(shí)驗(yàn)手段研究腎上腺素與水的相互作用，探討其具體的作用位點(diǎn)和類型，以及溶液pH對二者相互作用的影響.

圖1　AH的分子結(jié)構(gòu)Fig.1　Molecular structure of AH

1　實(shí)驗(yàn)部分

腎上腺素鹽酸鹽(AH)，Sigma公司；二次蒸餾水(實(shí)驗(yàn)室重蒸餾)；氘代丙酮(丙酮-d6，d-99.9%，0.03% TMS)，Cambridge Isotope Laboratories，Inc.；檸檬酸、磷酸氫二鈉，分析純，阿拉丁公司.

CHI660E電化學(xué)工作站(上海辰華儀器有限公司)；AV-400核磁共振波譜儀(NMR，Bruker公司)；pHS-3E酸度計(上海雷磁儀器廠). 電化學(xué)測試使用三電極系統(tǒng)，玻碳電極(GCE，工作電極)、鉑絲電極(輔助電極)和飽和甘汞電極(SCE，參比電極). 玻碳電極使用前進(jìn)行嚴(yán)格的打磨和預(yù)處理[16].

電化學(xué)測試樣品采用逐步稀釋法制備. 由于腎上腺素鹽酸鹽易被O2氧化，在配制溶液前先通高純N215 min，以去除二次蒸餾水底液中的溶解氧. 核磁測試樣品直接在核磁管中配制，把二次蒸餾水加入裝有不同AH的核磁管(5 mm)中. 使用TopSpin2.0程序，通過水封壓制的方法測定核磁共振氫譜(1H NMR). 為了防止氫-氘交換，把裝有丙酮-d6的核磁套管(2 mm)放進(jìn)5 mm核磁管. 以丙酮-d6信號鎖場. 所有實(shí)驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行.

2　結(jié)果與討論

循環(huán)伏安法是一種常用的電化學(xué)研究方法，具有簡單、快速的優(yōu)點(diǎn)，在溶液中分子間的相互作用研究方面應(yīng)用十分廣泛[6-8].

圖2為不同濃度的AH在水溶液中的循環(huán)伏安曲線. 從圖2可以明顯看出，隨著AH濃度的增加，還原峰和氧化峰的電流也逐漸增加. 其中，峰1(氧化峰)對應(yīng)于腎上腺素氧化為腎上腺素醌的過程，峰2為其逆過程. 從圖2還可以看出：隨著AH濃度的增加，其氧化峰電位正移，而還原峰電位負(fù)移. 說明隨濃度增加，AH在水中變得更難氧化. 參考我們前期多巴胺在水中的研究結(jié)果以及文獻(xiàn)[15]中腎上腺素與水的量化計算結(jié)果，我們認(rèn)為：在水中，AH苯環(huán)上兩個酚羥基的氫原子與水中的氧原子形成了分子間氫鍵，氫鍵的形成保護(hù)了酚羥基上的氫原子，使其難以離去，即酚羥基難以發(fā)生氧化，而容易發(fā)生還原. 因此隨AH濃度增大，在CV圖上氧化電位變大，還原電位變小.

The concentration of AH (from top to bottom, 10-4 mol·L-1) is: 2.53, 5.05, 10.10, 20.20, 40.30, 80.50 and 161.00.圖2　AH/H2O混合體系的循環(huán)伏安曲線Fig.2　Cyclic voltammograms of AH in H2O

The concentration of AH (from top to bottom, 10-2mol·L-1) is 1.0, 2.0, 3.9, 6.2 and 7.0.圖3　AH在水溶液中的1H NMR圖譜Fig.3　1H NMR spectra of AH in water

NMR方法是研究分子間相互作用的一種強(qiáng)有力的工具. 為了深入研究AH與水的相互作用，我們進(jìn)一步測試了不同濃度AH在水溶液中的1H NMR譜圖. 從圖3可以看出：隨AH濃度的增加，所有氫原子的化學(xué)位移都稍向高場移動，只是化學(xué)位移的變化(Δδ：為實(shí)驗(yàn)所測最大濃度與最小濃度的化學(xué)位移之差)有所不同：與氨基相連的亞甲基上氫原子(H2)和苯環(huán)上一個氫原子(H4)的變化最大(Δδ= 0.018)；苯環(huán)上另外兩個氫原子(H5，H6，Δδ= 0.016)次之；側(cè)鏈上與羥基相連碳上的氫原子(H3，Δδ=0.012)以及甲基上的氫原子(H1，Δδ= 0.011)變化最小. 眾所周知，芳環(huán)電流增加會使芳環(huán)質(zhì)子的化學(xué)位移向高場移動. 結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與我們前期的研究結(jié)果，我們認(rèn)為：在水溶液中，當(dāng)AH濃度較高時，其苯環(huán)之間可能發(fā)生了π-π堆積作用，使苯環(huán)的電子云密度增大，導(dǎo)致其氫原子的化學(xué)位移向高場移動. 對于苯環(huán)上側(cè)鏈，根據(jù)理論計算結(jié)果[15]，氨基能與醇羥基形成分子內(nèi)氫鍵，但在水溶液中，醇羥基與氨基分別可與水分子形成分子間氫鍵，從而破壞了上述分子內(nèi)氫鍵. 與分子間氫鍵相比，分子內(nèi)氫鍵使化學(xué)位移向低場移動的程度更大. 隨著AH濃度的增大，分子間氫鍵逐漸取代了分子內(nèi)氫鍵，導(dǎo)致側(cè)鏈上的各類氫原子也向高場移動. 因此，當(dāng)AH濃度較高時，AH不僅能與水形成分子間氫鍵，其苯環(huán)之間還可發(fā)生π-π堆積作用.

From right to left, the pH is 2.2, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0, 7.0 and 8.0.圖4　AH在不同pH溶液中的循環(huán)伏安曲線Fig.4　Cyclic voltammograms of AH (8.0×10-4mol·L-1)in solution with different pH

為了考察溶液pH對二者相互作用的影響，我們進(jìn)一步測試了AH在不同pH的Mcllvaine緩沖溶液中的電化學(xué)行為，如圖4所示. 在pH = 2.2～8之間，隨著pH的增大，AH的氧化峰和還原峰電位都減小；同時，氧化電流逐漸增大，還原電流逐漸減小，最后幾乎消失. 這與文獻(xiàn)[17]報道一致. 由腎上腺素的電氧化機(jī)理可知，pH增大有利于腎上腺素氧化為腎上腺素醌，說明實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)果相吻合. 因此，我們推測溶液pH主要影響AH的電氧化還原過程，對AH與水的相互作用影響不大.

3　結(jié)論

在AH/H2O混合體系中,存在AH和水分子間的氫鍵作用以及苯環(huán)的π-π堆積作用，相互作用的存在使AH的氧化還原電位發(fā)生改變，各氫原子的化學(xué)位移向高場移動. 同時，溶液pH對AH與水的相互作用基本無影響. 這將為研究腎上腺素與其他物質(zhì)的相互作用提供參考依據(jù)，也可為腎上腺素在水溶液中的各類研究提供基礎(chǔ).

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[責(zé)任編輯：張普玉]

Interactions of adrenaline hydrochloride with water

SUN Fang, MA Huiting, ZHANG Ping, WU Congcong, CHAI Yun*, ZHAI Cuiping*

(HenanEngineeringResearchCenterofResource&EnergyRecoveryfromWaste,CollegeofChemistryandChemicalEngineering,HenanUniversity,Kaifeng475004,Henan,China)

Interactions of adrenaline hydrochloride with water were investigated by nuclear magnetic resonance and electrochemical cyclic voltammetry methods. The results indicate that there is not only the formation of intermolecular hydrogen bond between AH and H2O but also the formation of π-π stacking of benzene ring of AH in high concentration. In addition, the pH value of the buffer solution has no effect for the interactions of them.

adrenaline hydrochloride; water; interaction; NMR; cyclic voltammetry

2016-07-17.

河南省教育廳基金項(xiàng)目(15A150042),河南大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項(xiàng)目(15NA003).

孫芳(1991-)，女，碩士生，研究方向?yàn)榉肿娱g相互作用.*

，E-mail: chaiyun@henu.edu.cn.

O645.1

A

1008-1011(2016)05-0544-04