（生物化学与分子生物学专业论文）不同胺为前体的n亚硝胺形成机理的研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期：三! ! 谚笪趋丝目 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：麴：丝导师签名：监二日期：乏竺! 咝兰璺胗i l l 摘要 摘要 n 亚硝胺是环境中广泛存在的一类污染物。许多n 亚硝胺已经被证明具有致 癌性、致突变性和致畸性。目前，在空气、土壤、水、食物、化妆品、橡胶产品 及其他许多物质中都发现了n 亚硝胺的存在。因此，对n 亚硝胺的形成机理以及 其结构与活性相互关系的研究具有重要的理论和实际意义。 本论文利用量子化学计算方法从理论上对不同种类的胺生成n 亚硝胺的形 成机理以及其结构与活性的相互关系进行了研究。 1 二甲基胺( d m a ) 为前体n 2 0 3 诱导的n d m a 形成机理 利用密度泛函理论方法( d f t ) 在b 3 l y p 6 3 1 1 + g ( d ，p ) 水平上首先寻找了可能 存在的n 2 0 3 异构体，并对这些异构体之间的异构化反应进行了研究。在此基础 之上，选取三种最稳定的n 2 0 3 异构体，对其亚硝化二甲基胺( d m a ) 的反应机 理进行了研究，并探讨了这些异构体结构与其亚硝化能力之间的关系。对反应过 程中的反应物，过渡态，产物进行几何结构的全优化，同时使用更高水平的耦合 簇( c c ) 方法，在c c s d ( t ) 6 3 1 l + g ( d ，p ) 水平上对各驻点的优化结构进行了气相和 溶液下单点能的计算，得出了各驻点的相对能量和反应的活化能。计算结果表明， 所寻找到的八种n 2 0 3 的异构体之间可以通过一步或多步的异构化反应实现相互 转化。其中，三种最稳定的异构体够朋- n 2 0 3 、册- n 2 0 3 和加珊c 括n 2 0 3 均能 够诱导d m a 的亚硝化反应并生成n d m a 。结果表明，由这三种n 2 0 3 异构体参 与的d m a 亚硝化反应很容易发生。而且，册n 2 0 3 和加口珂s c 西n 2 0 3 具有比 魍朋- n 2 0 3 更强的亚硝化活性。 2 三甲基胺( t m a ) 为前体的n d m a 形成机理 在c b s q b 3 水平上对以三级胺为前体的n 亚硝胺形成机理进行了研究。选 取t m a 为三级胺的模型化合物，研究了t m a 形成n d m a 的反应机理。对反应 过程中的反应物，过渡态，中间体和产物进行几何结构的全优化，并计算了各驻 点的振动频率和能量。研究发现，n 嗄a 的亚硝化首先生成正离子中间体 m e 2 灯- _ c h 2 ，这一中间体可以通过三条反应途径生成n d m a 。它们分别是：第 一条途径认为m e 2 n + = c h 2 与n 0 2 一先反应生成中性的中间体，再生成n d m a ； 第二条途径认为m e 2 n + = c h 2 先水解为d m a 再被亚硝化为n d m a ；第三条途径 认为m e 丑r = c h 2 直接与n 2 0 3 反应生成n d m a 。计算结果表明，反应第一步由 t m a 生成m e 2 盯= c h 2 为反应的控速步骤。 3 氨基酸为前体的亚硝胺形成机理 使用密度泛函方法，研究了够) ，聊- n 2 0 3 ，5 ：) ，m n 2 0 3 和舭7 瑚c 括n 2 0 3 诱导的 脯氨酸和色氨酸亚硝化反应。么渺- n 2 0 3 ，点) ，m n 2 0 3 和护口瑚一c 捃n 2 0 3 诱导脯氨酸 亚硝化的反应势垒分别为7 9 7 ，4 0 2 和3 1 7k c a l m o l ，而相应的色氨酸亚硝化势 垒提高为1 3 2 9 ，1 2 6 2 和9 3 7k c a l m o l 。由脯氨酸亚硝化释放出的能量分别为 北京下业人学理学硕十学位论文 1 2 7 8 ，1 9 8 3 和1 7 8 8k c a j m o l 。这些能量足以满足反应发生克服势垒所需的能量 要求。而色氨酸亚硝化放出的热量则较低，反应放出的热量分别为7 9 0 ，8 0 1 和 1 1 2 4k c a l m o l 。这些结果表明脯氨酸亚硝化比色氨酸更容易。这一差异可能是由 于反应位点n 原子不同的杂化状态造成的。色氨酸分子中反应位点的n 原子为 妒? 杂化，而脯氨酸为印了杂化。结果表明三种n 2 0 3 异构体均可以很有效的亚硝 化脯氨酸和色氨酸。并且，册- n 2 0 3 和舭踟c 西n 2 0 3 的亚硝化能力比卿删n 2 0 3 更强。 4 胺的结构与其亚硝化反应活性关系的研究 在c b s - q b 3 水平上对由n 2 0 3 诱导的1 9 种胺( 8 种链式胺、5 种杂环胺和6 种带有不饱和基团的胺) 的n 亚硝化反应进行了研究。对反应过程中的反应物， 过渡态和产物进行几何结构的全优化，并计算了各驻点的振动频率和能量。研究 发现，三种类型的胺中，杂环胺的反应活性相对较高，而带有吸电子基团的链式 胺和不饱和基团的胺的反应活性相对较低。基于前线分子轨道理论( f m o ) ， 发现胺的最高占有轨道( h o m o ) 和n 2 0 3 的最低未占轨道( l u m o ) 之间的能 量差与胺的反应活性有很高的相关性。多元线性回归模型表明，胺的亚硝化反应 活性与以下5 种描述符有很高的相关性( r 2 硎= 0 9 31 ) ：胺中n h 键的异裂能、 胺的h o m o 轨道能量、胺n 原子自然键轨道中孤对电子轨道的电子密度、胺n 原子所带n b o 电荷以及胺的锥化角。 本论文对n d m a 的形成机理以及胺在亚硝化反应中的定量构效关系 ( q s a r ) 模型的研究，可为环境保护、癌症的化学预防提供理论指导。 关键词n 一亚硝胺：n 2 0 3 ，形成机理；活性氮氧化物；定量构效关系；量子化学 计算 i i a b s t r a c t a b s t r a c t ni sw e uk n o w nt h a t 二i l i t r o s 锄i n e sa r eac l a s so fu n d e s i r e di n d u s t r i a la n d e n v i r o 胁e n t a lp 0 1 1 u t a n t s ，m a n yo fw h i c ha r ec a r c i n o g e i l i c ，m u t a g e n i c ，a 1 1 dt e r a t o g e n i c f l i r h 七h e m o r e ，i ti s 、e nk n o 、v nt h a t 二1 1 i t r o s 锄i n e sa r eu b i q u i t o u si nt h ee n v i r o m e n t ， a i l du m i ln o w ，t h e yh a v eb e e nf 0 u i l di na i r ，s o i l ，w a t e r ，f o o d ，c o s m e t i c s ，m b b e r p r o d u c t sa s 、e ua sm a i 】眵o m e rm a t e r i a l s t h e r e f o r e ，u n d e r s t a l l d i n ga n dg a i n i n gm o r e k n o w l e d g eo ft h ef o m a t i o nm e c h a n i s mo f 二n i t r o s a m i n e sa n ds t 】r u c t l l r e r e a c t i v i t y r e l a t i o n s h i po ft h er e a c t a n t si nt h e - n i t r o s a t i o nr e a c t i o n si so fm u c hi m p o r t a n c e i nt h i sp a p e r ，t l l em e c h a n i s ma 1 1 dq s a ro ft h e 二n i t r o s a m i n e sf o 肌a t i o n6 o m d i 虢r e n t 锄i n e sh a v eb e e nt h e o r e t i c a l l yi n v e s t i g a t e de n l p l o y i n gq u a j l t u mc h e m i s t 巧 c a l c u l a t i o nm e t h o d 1 n d m af o m a t i o n 厅o mt h e1 1 i t r o s a t i o no fd m ab yn 2 0 3 p o s s i b l ei s o m e r so fn 2 0 3a r l dt h e i ri s o m e r i z a t i o nr e a c t i o n sw e r ei n v e s t i g a t e da t t h eb 3 l y p 6 - 31l + g ( d ，p ) l e v e lb a s e do nt h ed e n s i t yf u n c t i o n a lt h e o r y ( d f t ) t h e n ， t l l em e c h a n i s mo f - n i t r o s a t i o no fd i m e t h y l 锄i n e ( d m a ) b yt h r e em o s ts t a b l en 2 0 3 i s o m e r sa i l dt h er e l e v 觚ts t n l c t u r e r e a c t i v i 坶r e l a t i o n s h i pw e r es t l l d i e di nt h i sw o r k a us t r u c t u r e so fr e a c t a n t s ，t r a i n s i t i o ns t a t e s ，a n dp r o d u c t sw e r e 向u yo p t i m i z e d s i n g l ep o i n te n e 唱i e so fa 1 1s t a t i o n a 巧p o i n t si nt h eg a sp h a s ea n da q u e o u ss o l u t i o n 、e r ec a l c u l a t e da tt h ec c s d ( t ) 6 - 31 l + g ( d ，p ) l e v e l i no r d e rt oo b t a i nt h er e l a t i v e e n e 唱i e sa n da c t i v a t i o ne n e r g i e s t h ec o m p u t a t i o n a lr e s u l t ss h o w e dt h a ta ue i g h t i s o m e r sa r ea b l et 0c o n v e r t 锄o n ge a c ho m e rt h r o u 曲o n e - s t 印o rm u l t i s t e pr e a c t i o n s a d d i t i o n a l l y ，n d m ac a i lb ef o m e df 而mt h e - i l i t r o s a t i o no fd m ab yt h et h r e em o s t s t a b l en 2 0 3i s o m e r s ，王e ，朗晦朋2 一n 2 0 3 ，砂仞j n 2 0 3 ，a n d 护口瑚一c 括n 2 0 3 r e s u l t s i n d i c a t e dt h a 土t h e 二i l i t r o s a t i o no fd m a b yt h et h r e en 2 0 3i s o m e r ss h o “de a s i l yo c c u r m o r e o v e r ，砂能j n 2 0 3a n d 棚瑚- c 括n 2 0 3i s o m e r sa r es t r o n g e rm t r o s a t i n ga g e n t st h a n 以) ，所- n 2 0 3i s o m e r 2 n d m af o r m a t i o n 丹o mt h e1 1 i t r o s a t i o no ft r i m e t h y l 锄i n e ( t m a ) t h ef - o m a t i o nm e c h a n i s mo f - n i t r o s 锄i n ef b mt l l en i t r o s a t i o no ft e r t i a l v 锄i n e w a si r l v e s t i g a t e da tt h ec b s q b 3l e v e l t h ef o m l a t i o nm e c h a l l i s mo fn d m a 矗o m t h en i t m s a t i o no fm o d e lc o m p o u l l dt m aw a si n v e s t i g a t e d a us t r u c t u r c so f r e a c t a n t s ，t r a n s i t i o ns t a t e s ， a n dp r o d u c t s 、e r em l l yo p t i m i z e d b r a t i o n a l 丘e q u e n c i e s 龇l ds i n g l ep o i n te n e 玛i e sw e r ea l s oc a l c u l a t e df o ra l ls t a t i o n a r yp o i n t s n l er e a c t i o nw a sp r o p o s e dt 0b ei n i t i a t e db ym ef o 肌a t i o no fa i li m i n i u mi o n m e 2 n 十= c h 2 ，a n dt h e nf 0 1 1 0 w e d b y 衄e ed i 艉r e mp a 伯w a y sl e a d i n gt on d m a t h e t 1 1 r e ep a t h w a y sa r ea sf o l l o w i n g ：p a t h w a y1p r o p o s e st h a tt h ei m i n i u mi o nr e a c t sw i t l l n 0 2 一a j l df o r m san e u t r a li n t e m e d i a t e ，w 1 1 i c ht h e nc o l l 印s e st on d m a ；p a t h w a y2 p r o p o s e st h a tt h ei m i n i u mi o nu n d e r g o e sh y d l y s i st o 西v ed i m e t h y l 锄i n e ( d m a ) ， w h i c ht l l e nc a nb ef u n h e rn i t r o s a t e dt on d m a ；p a t h 、v a y3p r o p o s e st h a tt h ei m i n i 啪 北京丁业大学理学硕十学何论文 i o nr e a c t s d i r e c t l y w i t hn 2 0 3t 0g i v en d m a r e s u l t sd e m o n s t m t et h a tt h e r a t e - d e t e 珊i n i n gs t e pi st h ef o 咖a t i o no fm e 2 n 名c h 2f 硒mt m a 3 - n i t r o s 锄i n ef 0 加a t i o n 舶mt h ei l i t r o s a t i o no f 锄i n oa c i d sb yn 2 0 3 n i t r o s a t i o no fp r o l i n ea n dt r ) r p t o p h a nb ya 妙惭一n 2 0 3 ，母聊- n 2 0 3 ，a i l d 护口瑚一c 括 n 2 0 3h a sb e e ns t u d i e d b yd f tm e t h o d t h ee n e r g yb a r r i e r sf o rm en i 仃0 s a t i o no f p r o l i n eb y 删堋n 2 0 3 ，砂聊_ n 2 0 3 ，a i l d 抛凇瞌n 2 0 3w e r ec a l c u l a t e dt ob e7 9 7 ，4 0 2 ， a n d3 17k c a l m 0 1 ，r e s p e c t i v e l y ，w h i l et h ec o r r e s p o n d i n gb 撕e r sf o rt h et r y p t o p h a n a r e13 2 9 ，12 6 2 ，a n d9 3 7k c a l m 0 1 ，r e s p e c t i v e l y e n e r g i e sr e l e a s e d 川mt h e n i t r o s a t i o no fp m l i n eb yt h et h r e en 2 0 3i s o m e r sa r e12 7 8 ，19 8 3 ，a n d17 8 8k c a l m 0 1 ， r e s p e c t i v e l y t h e s ee n e 略i e s c a i l m l l yc o m p e n s a t et h ee n e r g yr e q u i r e m e n t t o o v e r c o m et h er e a c t i o nb a 喇e r h o 、v e v e r ，t l l ee n e r g yr e l e a s e df o r mt h en i t r o s a t i o no f t r y p t o p h a nb yt h et h r e en 2 0 3i s o m e r si sr e l a t i v e l yl o wa s7 9 0 ，8 01 ，a n d 1 1 2 4 k c a l m o l ，r e s p e c t i v e l y t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h et h ei l i t r o s a t i o no fp r o l i n ei s e a s i e rt h a nt h a to ft r ) 节t o p h a j l t h i sd i s c r e p a n c ym a yb ea t t r i b u t e dt ot h ed i f f e r e n t h y b r i d i z a t i o no fm en a t o mi nt l l ep r 0 1 i n ea n dt r y p t o p h a i l ，f o rt h ena t o mb e i n g 印。 a n d 印h y b r i d i z e di n 仃y p t o p h a na n dp r o l i n e ，r e s p e c t i v e l y r e s u l t sd e m o n s t r a t e d t h a tp r o l i n ea n dt 叮p t o p h a nc a nb ee a s i l yn i t r o s a t e db ya nt h r e en 2 0 3i s o m e r s ，a n d 点y 历- n 2 0 3a n d 抛珊一c 括n 2 0 3a r em o r ep o t e n tn i t r o s a t i n ga g e n t st h a n 删n 2 0 3 4 t h es t m c t u r e r e a c t i v 时r e l “o n s h i po f 锄i n e si nm e 一n i t r o s a t i o nr e a c t i o n - n i t r o s a t i o no fn i n e t e e na n l i n e s ( e i 幽ta c y c l i ca i n i n e s ，f i v eh e t e r o c y c l i ca “1 i n e s ， a n ds i xa m i n e sw i t hu n s a t u r a t e dg r o u p s ) b yn 2 0 3w a si n v e s t i g a t e da tt h ec b s - q b 3 l e v e lo ft h e o r y t h er e s u l t si n d i c a t et h a tg e n e r a l l yt h eh e t e r o c y c l i ca m i n e sh a v et h e h i g h e s tr e a c t i v i t i e s 锄o n gt h et h r e el ( i n d so fa m i n e s ，w h e r e a st h er e a c t i v i t i e so ft h e a m i n e sw i n lu n s a t u r a t e da u l d e l e c t r o n - w i t h d r a “n g掣o u p s a r er e l a t i v e l yl o w f r o n t i e rm 0 1 e c u l a ro r b i t a la n a l y s i si n d i c a t e st h a tt h ee n e r g yg a pb e t 、v e e nt h eh o m o o fa i l 锄i n ea n dt h el u m 0o fn 2 0 3h a sac l o s ec o i l l l e c t i o nw i t ht h er e a c t i v 时o fa i l a m i n e a s t m c t u r e - r e a c t i v i t yr e l a t i o n s l l i po f 锄i n e si nm e 二n i t r o s a t i o nr e a c t i o n sb y n 2 0 3w a se s t a b l i s h e du s i n gm em u l t i v a r i a t e1 i n e a rr e g r e s s i o n t h er e s u l t si n d i c a t e t h a tt h er e a c t i v 蚵o fa n 锄i n eh a sad e f i n i t er e l a t i o n s h i p ( 积j = 0 9 4 7 ) 埘t ht h e h e t e r o l y t i cb o n dd i s s o c i a t i o ne n e r g yo fr lr j n hb o r l d ，e n e r g yo fh o m o ，n b o o c c u p a j l c yo ft h en a t u r a l l o n ep a i ro r b i t a lo fna t o m ，t h en b oc h a r g eo fm ena t o m ， a n dt h ep y r 锄i d a l i z a t i o na n g l eo fa n 锄i n e i nt h i sp a p e r t h ef o m a t i o nm e c h a n i s mo fj 1 1 i t r o s a m i n ea n do s a ro ft h e 二n i t r o s 锄i n e sf o n l l a t i o nw i l lp r o v i d et h e o r e t i c a lg u i d a n c ef o r t h ee n v i r o m n e n t a l p r o t e c t i o na n dt h ec h e m i c a lp r e c a u t i o no fc a n c e r k e y w o r d s ：l 怛n i t r o s 锄i n e ；d i n i t r o g e nt r i o x i d e ( n 2 0 3 ) ；f o r m a t i o nm e c h a i l i s m ；r e a c t i v e 砷：r o g e no x i d es p e c i e s ( r n o s ) ；q u 雒t i 协t i v es 协】c t u r e - a c “v 时r e l a t i o n s h i p ( q s a r ) ； q u a n t u mc h e m i 蛐叮c a l c u l a t i o n 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第l 章绪论1 1 1n 亚硝胺的结构和物化性质。l 1 2n 亚硝胺形成机理的研究进展2 1 2 1 酸性条件下n 亚硝胺的形成机理2 1 2 2 中性及碱性条件下n 亚硝胺的形成机理3 1 2 3 活性氮氧化物参与的内源性n 亚硝胺的形成机理6 1 3 本论文的研究内容7 第2 章d m a 为前体n 2 0 3 诱导的n d m a 形成机理9 2 1 引言8 2 2 计算方法9 2 3 结果与讨论1 1 2 3 1n 2 0 3 异构体的结构与能量“ 2 3 2n 2 0 3 的异构化反应1 2 2 3 3n 2 0 3 诱导的d m a 亚硝化反应1 4 2 4 本章小结1 6 第3 章t m a 为前体的n d m a 形成机理1 8 3 1 引言1 9 3 2 计算方法19 3 3 结果与讨论1 9 3 3 1 亚胺离子m e = c h 2 的形成1 9 3 3 2 由亚胺离子生成n d m a 2 2 3 3 3 水的溶剂化效应2 9 3 4 本章小结3 0 第4 章氨基酸为前体的亚硝胺形成机理3 1 4 1 引言31 4 2 计算方法31 4 3 结果与讨论3l 4 3 1 彳册n 2 0 3 诱导的脯氨酸与色氨酸的n 亚硝化反应3 2 4 3 2 跏m n 2 0 3 诱导的脯氨酸与色氨酸的n - 亚硝化反应3 3 4 3 3m 埘一c 括n 2 0 3 诱导的脯氨酸与色氨酸的n 亚硝化反应3 5 4 4 本章小结3 5 第5 章胺的结构与其亚硝化反应活性关系的研究3 6 5 1 引言3 6 5 2 计算方法3 7 5 3 结果与讨论3 8 5 3 1 链状胺的n 亚硝化3 8 5 3 2 杂环胺的n 亚硝化4 2 5 3 3 带有不饱和基团的胺的n 亚硝化4 4 v 北京t 业人学理学硕十学位论文 5 3 4 构效关系模型4 8 5 4 本章小结4 9 结论51 参考文献5 2 攻读硕士期间所发表的学术论文5 8 致谢5 9 v i 第l 章绪论 第1 章绪论 随着人口趋向老龄化以及环境污染的加重，癌症的发病率和死亡率明显增 高，其已经成为威胁人类健康的主要疾病之一。据世界卫生组织( w h 0 ) 统计【1 1 ， 2 0 0 7 年全世界共有7 6 0 万人死于癌症，占全年总死亡人数的1 3 ，其中肺癌、胃 癌、肝癌、结肠癌和乳腺癌导致的死亡率最高。并且，中低收入水平国家的癌症 死亡人数高达总死亡人数的7 2 。据估计，随着全世界癌症死亡率的持续升高， 到2 0 3 0 年，每年死于癌症的人数将达到约1 2 0 0 万。第十届全国临床肿瘤学大会暨 2 0 0 7 年c s c o 学术年会公布了2 0 0 6 年我国各项肿瘤的发病情况及死亡率等权威调 查数据1 2 j ，显示2 0 0 6 年中国癌症死亡人数3 0 0 万，专家预计，2 0 2 0 年，死亡人数将 超过4 0 0 万。 诱发癌症的病因主要包括几个方面：基因因素、物理致癌、化学致癌以及生 物致癌。一般认为环境中的化学物质和其它外源性物理因素起着最为主导的作 用。w h o 指出人类癌症8 0 9 0 由环境因素导致，其中8 0 以上与化学致癌剂 有关。化学致癌物主要包括植物毒素、多环芳烃、霉菌毒素、热解素和n 亚硝基 类化合物等。在已被研究报导的3 0 0 多种n 亚硝基化合物中，约8 0 具有致癌活 性，其中，n 亚硝胺类化合物是重要的一类【3 ，4 1 。因此，对于n 亚硝胺在不同条 件下的形成机理的研究、致癌机理的探讨及其形成抑制方法的研发具有重要的意 义。 在化学领域和生命科学领域众多学者的不懈努力下，近几年有关n 亚硝胺形 成机理的研究已经取得了较大进展，但是由于环境因素以及生物系统的复杂性， 使得在不同条件下，对应于不同的前体物质、亚硝化试剂以及反应催化剂，n 亚硝胺类化合物的形成机理以及形成效率不尽相同，并呈现出复杂的变化。因此， 仍有很多重要问题需要进一步地深入探讨。 1 1n 亚硝胺的结构和物化性质 n 亚硝胺是含有n - n o 官能团的胺类衍生物，如图1 1 ，其中r l 与i 也可以 烷基和环烷基，也可以是芳香环和杂环取代基。由于n n o 官能团能够吸收一定 波长的光，所以多数n 亚硝胺为黄色。低分子量的n 亚硝基胺，如二甲基亚硝 胺( n d m a ) ，在常温下为油状液体，而高分子量的n 亚硝胺多为固体。n d m a 可溶于水和有机溶剂，而其它的n 亚硝胺则不溶于水，只能溶于有机溶剂。通 常情况下，n 亚硝胺不易水解。 北京t 业大学理学硕十学何论文 氐纩 r 2 图1 1n 亚硝胺类化合物的结构 f i g 1 - 1t h es t r u c t u r e so f - n i t r o s 锄i n e n 亚硝胺在中性和碱性环境中比较稳定。但是，由于胺基氮上的孤对电子与 亚硝基的双键存在共扼效应( 如图1 2 ) ，使得氮氮之间具有部分双键性质，从 而导致0 【碳上的氢容易被氧化；并且0 【碳上如果与吸电子基团相连时，将使0 【碳和 n n o 上的电子云密度降低，导致a 碳上的氢更为活泼，更易于被氧化。 等乏一乏一父) l ；一l ii l i r ，n r ：r ，n r 2 r ，n r ： 图1 2n 亚硝胺的共振结构 f i g 。l 一2t h er e s o n a n ts t m c t u r c so f n i t r o s 锄i n e n 一亚硝胺类化合物在紫外线的照射下能发生自由基裂解，生成一氧化氮和氨 基自由基。此外，在特定条件下也发生水解、还原、氧化等反应。 1 2n 亚硝胺形成机理的研究进展 了解n - 亚硝胺类物质的形成机理是寻找到有效抑制此类强致癌性物质的基 础。因此，对n 亚硝胺类化合物的形成机理的研究倍受关注。通常，n 亚硝胺类 化合物是由其前体物质胺类在亚硝化试剂作用下生成的【5 6 】。研究发现，伯、仲、 叔胺都可能参与n - 亚硝胺类物质的形成，其中仲胺的亚硝化较容易也较快。除了 最常见的亚硝化试剂矾0 2 以外，n o 、n 0 2 、n 2 0 3 、n 2 0 4 、n o x ( x = c l 和b r ) 、 h 2 n 0 2 十、i 埘o 以及r o n o 等都被发现具有亚硝化能力。另外，研究表明酸性条 件下n 一亚硝胺较易生成，而中性及碱性条件下则需要催化剂的参与。由于仲胺在 亚硝酸作用下形成n 亚硝胺类化合物的反应最为普遍，所以一直以来主要集中在 对此形成机理的探讨。然而，在其他条件下，对应于不同的前体物质、不同的亚 硝化试剂以及反应催化剂，n 亚硝胺的形成机理仍不完全清楚。 2 第1 章绪论 1 2 1 酸性条件下n 亚硝胺的形成机理 酸性条件下，已有大量的研究对胺类与亚硝酸作用生成n 亚硝胺的反应机理 进行了探讨。然而，对于反应机理的阐明却不尽相同。 有研究认为【7 】，亚硝酸( h n 0 2 ) 先与氢质子反应生成h 2 0 n o + ，然后分解出n o + 和h 2 0 ，再由n o + 进攻胺生成n 亚硝胺( 如图1 3 ) 。 h 2 0 h n 0 2 旦+h 2 n 0 2 + 2 一，n o + r 1 、n h丛q ：- r ，n h ! 二r 1 n n 。 磁 n o r ； 图1 3n o + 参与的n 亚硝胺形成机理 f i g 1 3 - n i t r o s 砌i n ef 0 咖a t i o nm e c h a n i s mp a n i c i p a t e db yn o + 然而更多的研究认为【8 一，h n 0 2 可以通过一步和分步反应直接进攻胺类，或 者两分子的h n 0 2 先反应生成n 2 0 3 和h 2 0 ，再由n 2 0 3 通过一步反应直接生成 n - 亚硝胺和亚硝酸( 如图2 2 ) 。我们最近对酸性条件下亚硝化机理的研究发现， 以n 2 0 3 为亚硝化剂中间体的机理是合理的，它可以通过反应过程中生成较稳定 的具有五圆环的过渡态来降低反应势垒，使反应更易发生【1 0 1 。 h o n o n 2 0 3 甲s t e 州s eh o y o h r ，n r i 一r 1 n r 2 k r 。 n o i r 1 n r 2 图1 4 胺类化合物与砸硝酸直接反应与间接反应生成n 亚硝胺的机理 f i g 1 - 4 n i t r o s 锄i n ef o r m a t i o nf 幻mt h ed i r e c ta 1 1 di n d i r e c tn i t r o s a t i o no f 锄i n eb yn i t r o u sa c i d 此外，在酸性条件下，对于不同胺形成n 亚硝胺类化合物的反应机理缺乏系 统研究，理论上也还未得到胺的结构与其形成n 亚硝胺类化合物难易程度的关 系。 1 2 2 中性及碱性条件下n 亚硝胺的形成机理 非酸性条件下胺的亚硝化反应较难进行，因此通常需要催化剂的参与。就目 前的研究而言，这类催化剂通常分为两类。 3 北京t 业大学理学硕十学何论文 第一类催化剂是通过活化n 0 2 负离子，从而达到催化反应的目的。如h o c l ， 可以首先与n 0 2 负离子结合生成n 0 2 c l ，然后再与n 0 2 作用生成亚硝化能力更强 的反应中间体n 2 0 4 ，最终由n 2 0 4 完成胺的亚硝化【l l ，12 1 。具体的反应过程见图2 3 。 n 0 2 。，- n 0 2 c i 二二- - -n 2 0 4 ( o n n 0 3 i 一，- 0 2 n n 0 2 ) n 夕 r 2 n h + n 。-r 2 n n o + n 0 3 。 _ 0 3 图1 5h o c l 催化的胺与n 0 2 反应生成n 亚硝胺的反应机理 f i g 1 5 - n i t r o s 锄i n ef o m a t i o n 劬mt h er e a c t i o no f 枷i n ea i l dn 0 2 c a t a l y z e d b yh o c i 而另一类重要的催化剂由k e e f e r 和r o l l e r 于1 9 7 3 年首次报道【1 3 】，他们发现在中 性和碱性条件下( p h = 6 11 ) ，甲醛和三氯乙醛能够催化二甲基胺( d m a ) 与n 0 2 。 的反应生成n d m a 。最近的研究1 5 】还发现包括c 0 2 在内的其它羰基化合物，如 乙醛、丙酮和三氟乙醛等也能够催化此亚硝化反应。具体的反应途径如图2 4 所 示。羰基化合物首先进攻胺分子生成两者的加和物，伴随着o h 一的脱去，形成一 个活泼的正离子中间体，这一关键的中间体非常容易与o n o 一结合并进一步生成 n d m a 和参与催化的羰基化合物。 置竺，h o 芦r 2 ：! j 2 二凡r r ，广r 2 n 爿 r 1 c r 2 ：l 爿 。爻2 上l r 2 n r 1 图1 6羰基化合物催化的d m a 与n 0 2 。反应生成n d m a 的反应机理 f i g 1 - 6n d m af o 彻a t i o nf r o mt h er e a c t i o no fd m a 鲫dn 0 2 。c a t a l y z e db yc a r b o n y lc o m p o u n d s 近年来，在污水处理过程以及饮用水消毒过程中发现了相当剂量的n d m a 。 这j 惊人的发现引起了广泛的关注，主要的研究集中在氯化、氯胺化以及臭氧处 理等水消毒过程中n d m a 的形成【1 6 ，1 7 】。然而，对于不同的体系，其推测的n d m a 形成机理不尽相同。 2 0 0 2 年，m i t c h 等人例提出了由一氯胺( n h 2 c 1 ) 参与的n d m a 形成机理。如图 2 5 所示，n h 2 c l 可以直接与d m a 反应，一步生成中间体非对称二甲肼( u d m m ， 或者，n h 2 c l 首先与水中存在的n d m a 前体d m a 作用生成一氯代胺( c h 3 ) 2 n