水體氯胺消毒中煙草生物堿形成煙草特異性亞硝胺的機(jī)制研究

溫家樂 馬廣才

摘要：本文基于密度泛函理論（DFT）計(jì)算系統(tǒng)揭示了煙草生物堿尼古丁（NIC），降煙堿（NOR）和新煙堿（ANA）在水體氯胺消毒中分別形成4-（甲基亞硝胺）-1-（3-吡啶基）-1-丁醇（NNAL），N-亞硝基降煙堿（NNN）和N-亞硝基新煙堿（NAB）的化學(xué)機(jī)制。研究表明，NIC氯胺化形成NNAL是水體氯胺消毒中形成TSNAs最主要的反應(yīng)路徑，而NNN和NAB的形成相對(duì)比較困難。本研究有助于深入闡明水體消毒中TSNAs的形成機(jī)制，為該類污染物的環(huán)境轉(zhuǎn)化及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究提供科學(xué)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：煙草生物堿;煙草特異性亞硝胺;密度泛函理論計(jì)算;化學(xué)機(jī)制

Abstract：In this work， we performed density functional theory （DFT） calculations to explore the formation mechanisms of 4-（methylnitrosamino）-1-（3-pyridyl）-1-butanol （NNAL）， N-nitrosonornicotine （NNN）， and N-nitrosamine （NAB） from the tobacco alkaloids nicotine （NIC）， nornicotine （NOR） and anabasine （ANA） during the chloramine disinfection.Results show that NIC chloramination is the major route for TSNA formations， while NNN and NAB can be generated as the minor product.This study can provide theoretical basis for the further study of the formation mechanism of TSNAs and the relevant health risk assessment.

Key words：Tobacco alkaloids;Tobacco-specific nitrosamine;Density functional theory calculations;Reaction mechanism

煙草特異性亞硝胺（TSNAs）是一類主要存在于煙草制品和煙草煙霧中的特殊N-亞硝胺，是煙草制品引發(fā)肺癌、口腔癌和食道癌的主要因素之一[1]。煙草制品中檢測到的TSNAs主要包括4-（甲基亞硝胺）-1-（3-吡啶基）-1-丁酮（NNK）、N-亞硝基降鹽煙堿（NNN）、N-亞硝基新煙草堿（NAB）、N-亞硝基新煙堿（NAT） （如圖1）。此外，TSNAs也已在環(huán)境水體和大氣空氣顆粒物中頻繁檢出，表明該類致癌物具有不可避免的暴露風(fēng)險(xiǎn)[2]。

近年來，已有研究開始關(guān)注水體氯胺消毒過程中煙草生物堿形成TSNAs的化學(xué)機(jī)制，但TSNAs 形成的具體反應(yīng)路徑不明確，不同煙草生物堿形成相應(yīng) TSNAs 的潛力也還需進(jìn)一步驗(yàn)證。因此，本論文擬用量子化學(xué)計(jì)算研究不同煙草生物堿氯胺消毒中形成 TSNAs 的分子機(jī)制，明確不同 TSNAs 的形成潛力和優(yōu)勢路徑。本研究結(jié)果能與已有結(jié)果相互驗(yàn)證和補(bǔ)充，為水體中TSNAs形成機(jī)制研究及健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 計(jì)算方法

本文選擇NIC，NOR和ANA為前驅(qū)物，研究這3種煙草生物堿氯胺化形成TSNAs的化學(xué)機(jī)制。采用密度泛函理論（DFT）中的雜化B3LYP 泛函[3]進(jìn)行構(gòu)型優(yōu)化和單點(diǎn)能計(jì)算。構(gòu)型優(yōu)化和頻率在B3LYP/6-31G（d，p）理論水平下計(jì)算?；谡駝?dòng)頻率分析確保所有優(yōu)化的中間體和產(chǎn)物構(gòu)型沒有虛頻，而過渡態(tài)結(jié)構(gòu)有且只有一個(gè)虛頻?；趦?yōu)化構(gòu)型，在B3LYP/6-31++G（d，p）水平下進(jìn)行高精度的單點(diǎn)能校正。使用SMD溶劑化模型模擬反應(yīng)的水溶劑環(huán)境（介電常數(shù)為76.39）[4]。此外，由于B3LYP 泛函不能很好地描述長程色散相互作用，因此我們在單點(diǎn)能計(jì)算時(shí)引入半經(jīng)驗(yàn)的色散校正。文中報(bào)道的能量數(shù)據(jù)為色散和SMD溶劑化校正之后的單點(diǎn)能。以上計(jì)算工作均采用Gaussian 09程序包完成[5]。

2 結(jié)果與討論

2.1 NIC轉(zhuǎn)化成NNAL的反應(yīng)路徑

基于DFT計(jì)算，我們詳細(xì)揭示了NIC氯胺化形成NNAL的反應(yīng)路徑（圖1）。NIC首先氯胺化形成不穩(wěn)定的銨鹽中間體B （AMPP），然后 B中的胺基可先后被HOCl氧化，形成雙羥基化的中間體D。隨后，D脫去一分子H2O形成N-亞硝胺中間體E。在HOCl作用下，E進(jìn)一步經(jīng)歷開環(huán)和羥基化反應(yīng)形成NNAL。NNAL也可能進(jìn)一步被HOCl或者NH2Cl氧化成NNK。氯胺化反應(yīng)的能壘為12.35 kcal/mol，放熱約為10.67 kcal/mol。而雙羥基化中間體D的形成放出13.67 kcal/mol的熱量，有利于隨后的亞硝胺形成反應(yīng)。亞硝胺形成步驟的能壘為18.79 kcal/mol，且吸熱約為4.48 kcal/mol。最終，相對(duì)于反應(yīng)物，NNAL的形成放出8.78 kcal/mol的能量。而NNAL轉(zhuǎn)化為NNK的能壘高達(dá)61.85 kcal/mol，表明在該條件下NNK很難形成。

2.2 NOR轉(zhuǎn)化成NNN反應(yīng)路徑

NNN的形成路徑與NNAL類似，NOR首先與NH2Cl作用形成胺基中間體，該步反應(yīng)的能壘為30.14 kcal/mol，遠(yuǎn)高于NIC胺基化能壘（12.35 kcal/mol）。隨后，胺基中間體經(jīng)歷兩次HOCl氧化，形成雙羥基化中間體，再脫去一分子水形成NNN，整個(gè)反應(yīng)放出的熱量約為27.60 kcal/mol。

2.3 ANA轉(zhuǎn)化成NAB反應(yīng)路徑

ANA的形成路徑與NNAL和NOR類似，ANA首先與NH2Cl作用形成胺基中間體，該步反應(yīng)的能壘為29.87 kcal/mol，略低于NOR胺基化能壘（30.14 kcal/mol），但遠(yuǎn)高于NIC胺基化能壘（12.35 kcal/mol）。隨后，胺基中間體經(jīng)歷同樣兩次HOCl氧化，形成雙羥基化中間體，再脫去一分子水形成產(chǎn)物NAB，整個(gè)反應(yīng)放出的熱量約為12.32 kcal/mol。

3 結(jié)論

本文基于量子化學(xué)計(jì)算，從分子水平上闡明了煙草生物堿NIC，NOR 和ANA在水體氯胺消毒過程中分別轉(zhuǎn)化為NNAL，NNN和NAB的分子機(jī)制和能量學(xué)信息。研究表明NNAL的形成能壘要遠(yuǎn)低于NNN和NAB，表明NIC氯胺化是TSNAs形成的主要路徑，而NNN和NAB則為非常次要的轉(zhuǎn)化產(chǎn)物。該研究結(jié)果有助于正確評(píng)價(jià)水體消毒過程中不同前驅(qū)體轉(zhuǎn)化形成TSNAs的潛力和化學(xué)機(jī)制，為該類消毒副產(chǎn)物的形成機(jī)制研究和健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供理論基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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[5]Frisch， M. J.， Trucks， G. W.， Schlegel， H. B.， et al. Gaussian 09， revision D.01， Gaussian， Inc.， Wallingford， CT. 2013.

收稿日期：2020-06-15

作者簡介：溫家樂（1994-），女，漢族，在讀研究生，研究方向?yàn)榄h(huán)境計(jì)算化學(xué)。

通訊作者：馬廣才（1988-），男，漢族，博士研究生，副教授，研究方向?yàn)橛?jì)算毒理學(xué)。