水液相下Eda酮式異構(gòu)體與超氧化氫自由基反應(yīng)的DFT理論計算

摘要：在M06-2X/SMD/6-311+G（d，p）理論水平下，研究水液相1個大氣壓、310.15K溫度下依達(dá)拉奉（Eda）酮式異構(gòu)體與超氧化氫自由基（·HO2）的反應(yīng)機(jī)理.結(jié)果表明：Eda酮式異構(gòu)體與·HO2的反應(yīng)有抽H、加成和單電子轉(zhuǎn)移3個過程；抽H反應(yīng)主要通過·HO2抽取雜環(huán)H和甲基H實現(xiàn)，反應(yīng)的自由能壘為77.1～78.7kJ/mol；加成反應(yīng)可通過·HO2加成不飽和C的過程實現(xiàn)，加成自由能壘為48.2～95.0kJ/mol；加成到雜環(huán)上與甲基相連的C原子的放熱反應(yīng)最具優(yōu)勢，自由能壘為48.2kJ/mol；單電子轉(zhuǎn)移的自由能壘為141.1kJ/mol，該過程不能實現(xiàn).可見，水液相下Eda酮式異構(gòu)體可通過抽H和加成反應(yīng)消除·HO2.

關(guān)鍵詞：依達(dá)拉奉酮式異構(gòu)體；超氧化氫自由基；密度泛函理論；過渡態(tài)；Marcus理論；電子轉(zhuǎn)移；自由能壘

中圖分類號：O641.12文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1671-5489（2024）05-1254-13

DFT Theoretical Calculation of Reaction between Eda Keto Isomers and Superoxide Hydrogen Radical in Aqueous Liquid Phase

PAN Yu2，JIANGChunxu'，WANG Haolin3，YANG Ying'，DONGLeigang'，WANG Zuocheng.4，LI Bing

（1.Theoretical Com putingCenter，Baicheng Normal University，Baicheng 137000，Jilin Province，China;2.College of Physics and Electronic Information，Baicheng Normal University，Baicheng 137000，Jilin Province，China;3.College of Forest，BeihuaUniversity，Jilin 132013，Jilin Province，China;4.College of Medicine，Hainan Vocational University of Science and Technology，Haikou 571126，China）

Abstract：At the theoretical level of M06-2X/SMD/6-311+G（d，p），we studied the reaction mechanism between Edaravone Eda）keto isomers and superoxide hydrogen radical HO2 in aqueous liquid phase at 1 atmospheric pressure and 310.15 K temperature.The results show that there are three processes in the reaction of Eda keto isomers with HO2：H extraction，addition and single electron transfer.The H extraction reaction is mainly achieved through HO extraction ofheterocyclic H and methyl H，and the free energy barrier of the reaction is 77.1-78.7 kJ/mol.The addition reaction can be realized by the process of HO2 addition to unsaturated C，and the free energy barrier of addition is 48.2-95.0 kJ/mol.The most advantageous exothermic reaction is the addition of C atoms connected to methyl groups on heterocycles，with a free energy barrier of 48.2 kJ/mol.The free energy barrier of single electron transfer is 141.1 kJ/mol，which is impossible.Therefore，the Eda keto isomer in aqueous liquid phase can eliminate·HOz by H extraction and addition reactions.

Keywords：Eda keto isomer;superoxide hydrogen radical;density functional theory;transitionstate;Marcustheory;electrontransfer;free energy barrier

超氧化氫自由基（·HO2）活性氧由生命體的自氧化作用產(chǎn)生，它是生命體內(nèi)羥基自由基（·OH）的前體.·HO2、超氧陰離子自由基（O2-）和·OH等氧自由基的氧化能力強(qiáng)，它們在生命體內(nèi)可通過氧化反應(yīng)攻擊蛋白質(zhì)和DNA等有機(jī)分子，損傷生命體內(nèi)正常細(xì)胞，并阻礙正常的新陳代謝，最終導(dǎo)致冠心病、痛風(fēng)、腦卒中和癌癥等慢性病以及機(jī)體衰老.·HO2的H原子還會被體內(nèi)的其他有機(jī)基團(tuán)取代，形成更大的氫超氧自由基（·LO2），攻擊生命體內(nèi)的DNA或RNA等生物大分子，·LO2與胸腺嘧啶和堿基的加成反應(yīng)還會導(dǎo)致DNA遺傳信息改變[2.不健康的生活方式、惡劣的情緒以及電磁波輻射會使生命體產(chǎn)生大量的·HO2等自由基，強(qiáng)紫外線照射會導(dǎo)致皮膚產(chǎn)生·HO2等自由基，及時消除各種自由基對健康有重要作用，因此藥物分子通過與自由基發(fā)生反應(yīng)從而消除自由基的研究具有重要意義.

文獻(xiàn)[4-6]研究表明，依達(dá)拉奉（Eda，C10H10N2O）有較好的抗氧化和消炎作用，可清除大腦內(nèi)部羥基基團(tuán)；文獻(xiàn)[7]研究表明，Eda分子能有效降低·HO2，O2和·OH等在生命體內(nèi)的含量，從而抑制它們對生命體的副作用.為從理論上說明Eda分子的抗氧化活性，人們開展了Eda烯醇式異構(gòu)體與·HO2，·OH和O2等自由基的反應(yīng)機(jī)理研究.孫偉等]研究表明，·HO2抽烯醇式Eda的羥基H是無勢壘反應(yīng)，·HO2加成到烯醇式Eda中不飽和C的自由能壘多數(shù)在溫和反應(yīng)能壘83.6kJ/mol以下，說明烯醇式Eda具有清除·HO2的能力.王玲等[0]研究表明，Eda烯醇式異構(gòu)體與·OH反應(yīng)可通過抽H、加成和電子轉(zhuǎn)移3個過程實現(xiàn)，反應(yīng)能壘為2.8～77.9kJ/mol，低于溫和反應(yīng)能壘83.6kJ/mol[9]，說明烯醇式Eda具有較好的消除·OH的能力.張雪嬌等[研究表明，O：與Eda烯醇式異構(gòu)體抽H原子反應(yīng)的自由能壘為12.2～139.1kJ/mol，均低于極限反應(yīng)能壘160.6kJ/mol[9]，有些甚至低于反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的能壘40.2kJ/mol，說明烯醇式Eda具有清除O2的能力.

文獻(xiàn)[12]研究表明，水液相下Eda烯醇式向酮式異構(gòu)的自由能壘為73.4kJ/mol，低于酮式向烯醇式異構(gòu)的能壘82.1kJ/mol，二者能壘均低于溫和反應(yīng)能壘83.6kJ/mol，Eda酮式與烯醇式可互變，且Eda酮式比烯醇式的分布高.但Eda酮式異構(gòu)體消除·HO2反應(yīng)的理論研究目前尚未見文獻(xiàn)報道.為對Eda消除·HO2的機(jī)制有全面認(rèn)識，并為研究Eda酮式異構(gòu)體消除·OH和O2提供理論依據(jù)，本文在文獻(xiàn)[8，10-11，13-17]的基礎(chǔ)上，對水液相下Eda酮式異構(gòu)體與·HO2反應(yīng)進(jìn)行研究.

1計算方法

采用處理主族元素以及氫鍵、范德華力等作用有較好表現(xiàn)的M06-2X[1820]泛函，在分裂彌散基組6-311+G（d，p）[21-22]水平及310.15K和1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的水溶劑環(huán)境（即生命體內(nèi)的一般環(huán)境）下，優(yōu)化所有相關(guān)反應(yīng)駐點物種結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定駐點的紅外振動無虛頻，反應(yīng)過程的過渡狀態(tài)（鞍點）[2的紅外振動有且只有一個虛頻，過渡態(tài)與相關(guān)穩(wěn)定駐點的關(guān)聯(lián)性通過內(nèi)稟反應(yīng)坐標(biāo)（IRC）計算24]確認(rèn)，為獲得精確的反應(yīng)勢能面以及相關(guān)復(fù)合物的結(jié)合與解離能，采用MN15[25]泛函，在高角動量基組6-311++G（2df，pd）[26]下計算相關(guān)體系的單點能.在結(jié)構(gòu)優(yōu)化和單點能計算時的水溶劑效應(yīng)采用SMD模型[7]方法處理，物種的自由能是其自由能熱校正與單點能之和，以反應(yīng)物自由能為相對勢能零點，繪制反應(yīng)過程的勢能面；反應(yīng)的自由能壘（活化能）是鞍點（過渡態(tài)）能量與反應(yīng)物能量之差；反應(yīng)物復(fù)合物RC的結(jié)合能是相關(guān)反應(yīng)物與RC的焓變，產(chǎn)物復(fù)合物PC的解離能為其與解離產(chǎn)物的焓變.

電子轉(zhuǎn)移無過渡態(tài)，反應(yīng)能壘△Gr用Marcus理論[28-29]計算：

其中λ為重組能，可表示為

其中△GSET為產(chǎn)物與反應(yīng)物的自由能變，△EsET為產(chǎn)物與反應(yīng)物的非絕熱能變.

·HO2攻擊7H形成的反應(yīng)物復(fù)合物標(biāo)記為RC-·HO2·7H，·HO2抽取7H的過渡態(tài)標(biāo)記為TS_·HO2_7H，得到的產(chǎn)物復(fù)合物標(biāo)記為PC_7H·H2O2；·HO2攻擊1C形成的反應(yīng)物復(fù)合物標(biāo)記為RC-·HO2_1C，·HO2加成到1C的過渡態(tài)標(biāo)記為TS_·HO2_1C，·HO2加成到1C得到的產(chǎn)物加合物標(biāo)記為P_·HO2-1C；其他駐點標(biāo)記法與此相似.

采用Gaussian16[30]程序計算，采用AIM2000程序[31]計算駐點關(guān)鍵點的pBcP（成鍵臨界點BCP的電荷密度）與pRcP（成環(huán)臨界點RCP的電荷密度）及其Laplace值V2p.

2結(jié)果與討論

水溶劑環(huán)境下優(yōu)化的Eda酮式異構(gòu)體構(gòu)型如圖1所示.

計算表明，·HO2的H原子和2個O原子的電子自旋密度分別為-0.010，0.300，0.710，單電子在鄰羥基O上分布最多，鄰羥基O原子是·HO2與Eda酮式異構(gòu)體發(fā)生反應(yīng)的最佳位點（反應(yīng)位原子）.研究表明，相似于氨基酸分子與OH自由基的反應(yīng)以及Eda烯醇式異構(gòu)體與·HO2自由基的反應(yīng)，Eda酮式異構(gòu)體與·HO2自由基的反應(yīng)同樣有抽H、加成和電子轉(zhuǎn)移3種情形.

2.1抽H過程

計算表明，·HO2抽Eda酮式異構(gòu)體中甲基H和雜環(huán)H遠(yuǎn)低于抽苯環(huán)H的能壘，因此本文對抽甲基H和雜環(huán)H的過程進(jìn)行較詳細(xì)討論.對抽甲基18H過程，研究發(fā)現(xiàn)無法形成反應(yīng)物復(fù)合物，該反應(yīng)是直接抽H過程，能壘相對較高，因此不進(jìn)行討論.7H是序號最小的H，該抽H過程能壘較高且產(chǎn)物復(fù)合物不穩(wěn)定，對該抽H過程進(jìn)行較詳細(xì)討論，以便與優(yōu)勢抽H過程進(jìn)行比較.反應(yīng)過程分別如圖2和圖3所示，反應(yīng)過程的勢能面如圖4所示.

2.1.1·HO2抽7H

首先，·HO2從無窮遠(yuǎn)處（物理）攻擊苯環(huán)的7H，當(dāng)·HO2與7H的距離為0.25314nm時，·HO2與7H發(fā)生庫侖作用，得到反應(yīng)物復(fù)合物RC-·HO2·7H，放熱0.1kJ/mol（即RC-·HO2·7H的結(jié)合能是0.1kJ/mol）.該能量會被水溶劑迅速吸收，不能做后續(xù)反應(yīng)的可資用能，后文相似處不再贅述.RC-·HO2·7H較Eda+·HO2體系穩(wěn)定，·HO2抽取7H過程是先形成反應(yīng)物復(fù)合物，再經(jīng)過渡狀態(tài)抽H的間接抽H過程，下文相似處不再贅述.

其次，RC-·HO2·7H的2C-7H鍵長從0.10811nm拉伸至0.13963 nm，其pBcp從0.28397減小至0.11976，V2p從-0.99075變?yōu)?0.11579，共價鍵2C-7H強(qiáng)度顯著減弱，形成過渡態(tài)TS·HO27H，該過渡態(tài)產(chǎn)生的自由能壘為118.4kJ/mol.然后越過過渡態(tài)，7H繼續(xù)向26O遷移，與·HO2結(jié)合成H2O2分子，得到產(chǎn)物復(fù)合物PC_7H·H2O2，其能壘為118.4kJ/mol，接近反應(yīng)進(jìn)行十分緩慢的能壘120.0kJ/mol，說明·HO2抽取Eda酮式異構(gòu)體7H的過程十分緩慢，即Eda酮式異構(gòu)體利用提供7H消除H2O2自由基的速率十分緩慢.

最后，PC_7H·H2O2解離成PC_7H自由基和H2O2，解離能為20.5kJ/mol，該過程可通過分子碰撞實現(xiàn).NPA電荷計算表明，PC_7H·H2O2中H2O2的電荷量接近0，解離后得到H2O2的電荷量為0，說明該·HO2抽7H過程是H原子遷移.H2O2各原子電子自旋密度均為0，失去氧化能力，下文相似之處不再贅述.

2.1.2·HO2抽8H

首先，·HO2與8H發(fā)生庫侖作用（26O與8H的距離為0.26709nm），得到RC-·HO2·8H反應(yīng)物復(fù)合物，放熱2.4 kJ/mol.其次，RC-·HO2·8H的3C-8H鍵長從0.10842nm拉伸至0.13930nm，3C-8H共價鍵強(qiáng)度顯著減弱，形成過渡態(tài)TS·HO28H，該過渡態(tài)產(chǎn)生的能壘為115.5kJ/mol.然后越過過渡態(tài)，8H繼續(xù)向26O遷移，得到PC_8H·H2O2產(chǎn)物復(fù)合物.該反應(yīng)的能壘接近反應(yīng)進(jìn)行十分緩慢的能壘120.0kJ/mols，說明Eda酮式異構(gòu)體通過提供8H消除H2O2自由基的速率十分緩慢.最后，PC_8H·H2O2解離成PC_8H自由基和H2O2，解離能為5.4kJ/mol，該過程容易實現(xiàn).

2.1.3·HO2抽9H

首先，·HO2與9H發(fā)生庫侖作用（26O與9H的距離為0.27338nm），得到RC-·HO2·9H反應(yīng)物復(fù)合物，放熱0.2kJ/mol.其次，RC-·HO2·9H的4C-9H鍵長從0.10836nm拉伸至0.14099nm，4C-9H共價鍵強(qiáng)度顯著減弱，形成過渡態(tài)TS·HO2_9H，該過渡態(tài)產(chǎn)生的能壘為115.6kJ/mol.然后9H繼續(xù)向26O遷移，得到PC_9H·H2O2產(chǎn)物復(fù)合物.Eda酮式異構(gòu)體通過提供9H消除H2O2自由基的速率也十分緩慢.最后，PC_9H·H2O2解離成PC_9H自由基和H2O2，解離能為2.7kJ/mol.

2.1.4·HO2抽10H

首先，·HO2與10H發(fā)生庫侖作用（26O與10H的距離為0.26984nm），得到RC-·HO2·10H反應(yīng)物復(fù)合物，放熱2.2kJ/mol.其次，RC-·HO2·10H的5C-10H鍵長從0.10843nm拉伸至0.300370.13957nm，5C-10H共價鍵強(qiáng)度顯著減弱，形成過渡態(tài)TS·HO。10H，其產(chǎn)生的能壘為112.3kJ/mol.然后，10H繼續(xù)向26O遷移，得到PC_10H·H2O2產(chǎn)物復(fù)合物.Eda酮式異構(gòu)體通過提供10H消除H2O2自由基的速率也十分緩慢.最后，PC_10H·H2O2解離成PC_9H自由基和H2O2，解離能為5.7 kJ/mol.

2.1.5·HO2抽11H

首先，·HO2與11H發(fā)生庫侖作用，同時與13N發(fā)生氫鍵作用（26O與11H的距離為0.26921nm，24H與13N的距離為0.16619nm），得到RC-·HO2·11H反應(yīng)物復(fù)合物，放熱28.3kJ/mol.其次，RC-·HO2·11H的6C-11H鍵長從0.10837nm拉伸至0.14047nm，6C-11H共價鍵強(qiáng)度顯著減弱，形成過渡態(tài)TS·HO。11H，其產(chǎn)生的能壘為140.7kJ/mol.然后，11H繼續(xù)向26O遷移，得到PC_11H·H2O2產(chǎn)物復(fù)合物.最后，PC_11H·H2O2解離成PC_11H自由基和H2O2，解離能為18.6 kJ/mol.過渡態(tài)TS·HO211H產(chǎn)生的能壘140.7kJ/mol接近反應(yīng)很難進(jìn)行的能壘145.0 kJ/mol，說明Eda酮式異構(gòu)體不能通過提供11H消除·HO2.

2.1.6·HO2抽19H

首先，·HO2攻擊甲基的19H，當(dāng)26O與19H的距離為0.30037nm時，26O與19H發(fā)生庫侖作用，24H與雜環(huán)π-氫鍵作用，得到反應(yīng)物復(fù)合物RC-·HO2·19H（結(jié)合能為8.5kJ/mol）.其次，RC-·HO2·19H的17C-19H鍵長從0.10837 nm拉伸至0.12757 nm，其pBcP從0.27196減小為0.16283，V2p從-0.90359變?yōu)?0.28891，17C-19H共價鍵強(qiáng)度減弱，形成過渡態(tài)TS·HO219H，過渡態(tài)產(chǎn)生的能壘為77.1kJ/mol.然后，越過過渡態(tài)，19H繼續(xù)向26O遷移，得到PC_19H·H2O2產(chǎn)物復(fù)合物.過渡態(tài)TS·HO219H產(chǎn)生的能壘77.1kJ/mol低于溫和反應(yīng)能壘83.6 kJ/mol9，說明酮式Eda可通過提供19H消除·HO2.最后，PC_19H·H2O2解離成PC_19H自由基和H2O2，解離能為11.7 kJ/mol.

2.1.7·HO2抽20H

首先，·HO2從無窮遠(yuǎn)處攻擊20H，當(dāng)26O與20H的距離為0.32398nm時，26O與20H發(fā)生庫侖作用，24H與雜環(huán)π-氫鍵作用，得到反應(yīng)復(fù)合物RC-·HO2·20H（結(jié)合能為11.4kJ/mol）.其次，17C-20H鍵長從0.10931nm拉伸至0.12754nm，共價鍵強(qiáng)度減弱，形成過渡態(tài)TS·HO。20H，產(chǎn)生的能壘為75.9kJ/mol.然后，20H繼續(xù)向26O遷移，得到產(chǎn)物復(fù)合物PC_20H·H2O2.75.9kJ/mol低于溫和反應(yīng)能壘84.5kJ/mol，說明Eda酮式異構(gòu)體可通過提供甲基氫20H消除·HO2.最后，PC_20H·H2O2解離成PC_20H自由基和H2O2，解離能為16.4 kJ/mol.

2.1.8·HO2抽21H

首先，·HO2從無窮遠(yuǎn)處攻擊雜環(huán)的21H，當(dāng)26O與21H的距離為0.26337nm時，26O與21H發(fā)生庫侖作用，24H與雜環(huán)π-氫鍵作用，得到反應(yīng)物復(fù)合物RC-·HO2·21H（結(jié)合能為8.4kJ/mol）.其次，15C-21H鍵長從0.10925nm拉伸至0.13084nm，共價鍵強(qiáng)度減弱，形成過渡態(tài)TS·HO。21H，能壘為78.7kJ/mol.然后，21H繼續(xù)向26O遷移，得到產(chǎn)物復(fù)合物PC_21H·H2O2.78.7kJ/mol低于溫和反應(yīng)能壘84.5kJ/mol，說明Eda酮式異構(gòu)體可通過提供雜環(huán)氫21H消除·HO2.最后，PC_21H·H2O2解離成PC_21H自由基和H2O2，解離能為10.5 kJ/mol.

2.1.9·HO2抽22H

與上述情況相比，·HO2抽22H的抽H能壘最低，產(chǎn)物復(fù)合物最穩(wěn)定.首先，·HO2從無窮遠(yuǎn)處攻擊雜環(huán)氫22H，當(dāng)26O與22H的距離為0.29523nm時，26O與22H發(fā)生庫侖作用，24H與雜環(huán)及苯環(huán)π-氫鍵作用，得到反應(yīng)復(fù)合物RC-·HO2·22H，結(jié)合能為10.8kJ/mol.其次，15C-22H鍵長從0.10936nm拉伸至0.12920nm，其pBce從0.27010減小至0.15390，V2p從-0.89682變?yōu)?0.24513，共價鍵強(qiáng)度減弱，形成過渡態(tài)TS·HO。22H，能壘為75.5kJ/mol.然后，22H繼續(xù)向26O遷移，得到產(chǎn)物復(fù)合物PC_22H·H2O2.75.5kJ/mol低于溫和反應(yīng)能壘84.5kJ/mol[a]，酮式Eda可通過提供22H消除·HO2.最后，PC_22H·H2O2解離成PC_22H自由基和H2O2，解離能為12.0kJ/mol.

由圖4可見，·HO2抽H的自由能壘為0～140.7kJ/mol，均低于極限反應(yīng)能壘160.6kJ/mol[9]，Eda酮式異構(gòu)體可通過提供H原子消除·HO2.·HO2抽雜環(huán)及甲基H的能壘均低于溫和反應(yīng)能壘83.6kJ/mol，遠(yuǎn)低于抽苯環(huán)H的能壘.原因是雜環(huán)及甲基的C-H鍵比苯環(huán)的C-H鍵紅外振動頻率小，C-H鍵活化程度好，·HO2抽雜環(huán)及甲基H比抽苯環(huán)H的C-H鍵長改變小.抽苯環(huán)H的產(chǎn)物復(fù)合物相對不穩(wěn)定，表明·HO2抽H反應(yīng)活性位點是雜環(huán)及甲基H.

2.2加成過程

研究表明，·HO2可加成到除雜環(huán)碳15C和甲基碳17C外所有不飽和的碳和氮上.對·HO2加成到1C（序號最小）和14C（能壘最?。┑姆磻?yīng)進(jìn)行詳細(xì)討論，其他情況只做一般討論.反應(yīng)過程分別如圖5和圖6所示，反應(yīng)的勢能面如圖7所示.

2.2.1·HO2加成到1C

首先，·HO2從物理無窮遠(yuǎn)處攻擊1C，當(dāng)26O-1C距離為0.32473nm時，pBcP和V2p分別為0.00663，0.02045，26O與1C發(fā)生庫侖作用；同時，24H與苯環(huán)在π-氫鍵作用下形成RC-·HO21C反應(yīng)物復(fù)合物，結(jié)合能為12.1kJ/mol.其次，·HO2繼續(xù)向苯環(huán)運動，當(dāng)26O-1C距離為0.18216nm時，二面角1C-2C-3C-4C從0.7°變?yōu)?5.3°，1C-2C-3C-5C從0.8°變?yōu)?6.2°，1C-2C-3C-6C從0.5°變?yōu)?6.3°，苯環(huán)的RCP和V2p分別從0.02260，0.16519降為0.02182，0.15849，苯環(huán)形變其大π鍵作用減弱；二面角12N-1C-2C-6C從-179.2°變?yōu)?49.7°，形成過渡態(tài)TS_·HO2_1C，過渡態(tài)產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘為95.0kJ/mol.最后越過過渡態(tài)，·HO2繼續(xù)向苯環(huán)運動，當(dāng)26O-1C鍵長減小至0.14711nm時，其pCP和V2p分別為0.23579，-0.48364，26O-1C共價鍵作用，完成·HO2向1C的加成，得到加合產(chǎn)物P_·HO2-1C.

2.2.2·HO2加成到2C

首先，·HO2攻擊2C，當(dāng)26O-2C距離為0.32734nm時，26O與2C發(fā)生庫侖作用，24H與苯環(huán)在π-氫鍵作用下形成RC-·HO2_2C反應(yīng)物復(fù)合物，結(jié)合能為12.4kJ/mol.其次，·HO2繼續(xù)向苯環(huán)運動，當(dāng)26O-2C距離為0.18664nm時，苯環(huán)形變，共面性變差，其大π鍵作用減弱，過渡態(tài)TS_·HO22C形成，過渡態(tài)產(chǎn)生的能壘為73.6kJ/mol.最后，越過過渡態(tài)，·HO2繼續(xù)向苯環(huán)運動，當(dāng)26O-2C鍵長減小至0.14564nm時，形成26O-2C共價鍵，得到加合產(chǎn)物P_·HO2-2C.

2.2.3·HO2加成到3C

首先，·HO2攻擊3C，當(dāng)26O-3C距離為0.33441nm時，·HO2與Eda分子在π-氫鍵和范德華力作用下，形成RC-·HO2_3C反應(yīng)復(fù)合物，結(jié)合能為9.1kJ/mol.其次，·HO2繼續(xù)向苯環(huán)運動，當(dāng)26O-3C距離為0.18340nm時，苯環(huán)共面性變差，大π鍵作用減弱，形成過渡態(tài)TS_·HO2_3C，過渡態(tài)產(chǎn)生的能壘為85.2kJ/mol.最后，越過過渡態(tài)，·HO2繼續(xù)向苯環(huán)運動，當(dāng)26O-3C鍵長減小至0.14527nm時，形成26O-3C共價鍵，得到加合產(chǎn)物P_·HO2-3C.

2.2.4·HO2加成到4C

首先，·HO2攻擊4C，當(dāng)26O-4C距離為0.33207nm時，·HO2與Eda分子（苯環(huán)部分）在π-氫鍵和范德華力作用下形成RC-·HO24C反應(yīng)物復(fù)合物，結(jié)合能為9.6kJ/mol.其次，·HO2繼續(xù)向苯環(huán)運動，當(dāng)26O-4C距離為0.18726nm時，苯環(huán)共面性變差，大π鍵作用減弱，形成過渡態(tài)TS_·HO24C，過渡態(tài)產(chǎn)生的能壘為73.9kJ/mol.最后，越過過渡態(tài)，·HO2繼續(xù)向苯環(huán)運動，當(dāng)26O-4C鍵長減小至0.14588nm時，形成26O-4C共價鍵，得到加合產(chǎn)物P·HO2-4C.

2.2.5·HO2加成到5C

首先，·HO2攻擊5C，當(dāng)26O-5C距離為0.33046nm時，·HO2與Eda分子（苯環(huán)部分）在π-氫鍵和范德華力作用下，形成RC-·HO2_5C反應(yīng)物復(fù)合物，結(jié)合能為10.6kJ/mol.其次，·HO2繼續(xù)向苯環(huán)運動，當(dāng)26O-5C距離為0.18356nm時，苯環(huán)共面性變差，大π鍵作用減弱，形成過渡態(tài)TS·HO25C，過渡態(tài)產(chǎn)生的能壘為83.9kJ/mol.最后，越過過渡態(tài)，·HO2繼續(xù)向苯環(huán)運動，當(dāng)26O-5C鍵長減小至0.14571nm時，26O-5C共價鍵作用，得到加合產(chǎn)物P·HO2-5C.

2.2.6·HO2加成到6C

首先，·HO2攻擊6C，當(dāng)26O-5C距離為0.33222nm時，·HO2與Eda分子（苯環(huán)部分）在π-氫鍵和范德華力作用下，形成RC-·HO2_6C反應(yīng)物復(fù)合物，結(jié)合能為10.6kJ/mol.其次，·HO2繼續(xù)向苯環(huán)運動，當(dāng)26O-6C距離為0.18571nm時，苯環(huán)共面性變差，大π鍵作用減弱，形成過渡態(tài)TS_·HO26C，過渡態(tài)產(chǎn)生的能壘為69.7kJ/mol.最后，越過過渡態(tài)，·HO2繼續(xù)向苯環(huán)運動，當(dāng)26O-6C鍵長減小至0.14562nm時，26O-6C共價鍵作用，得到加合產(chǎn)物P_·HO2-6C.

2.2.7·HO2加成到14C

首先，·HO2攻擊14C，當(dāng)26O-14C距離為0.29838nm時，p和V2p分別為0.00891，0.03043，26O與14C發(fā)生庫侖作用；同時，24H與雜環(huán)π-氫鍵作用，形成RC-·HO214C反應(yīng)物復(fù)合物，結(jié)合能為9.6kJ/mol.其次，·HO2繼續(xù)向雜環(huán)運動，當(dāng)26O-14C距離為0.20020nm時，形成過渡態(tài)TS_·HO2_14C.從RC-·HO214C到TS_·HO2_14C過程，雜環(huán)的二面角12N-13N-14C-15C從-0.9°變?yōu)?14.2°，13N-14C-15C-16C從0.9°變?yōu)?2.5°，雜環(huán)C與甲基C的二面角14C-15C-16C-17C從0.7°變?yōu)?6.6°，pRCP從0.04910降至0.04873，雜環(huán)與甲基的大π鍵作用減弱，TS_·HO2_14C產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘為48.2kJ/mol.最后，越過過渡態(tài)，·HO2繼續(xù)向雜環(huán)運動，當(dāng)26O-14C鍵長減小至0.14312nm時，其pBP和V2p分別為0.28219，-0.97880，26O-14C共價鍵作用，完成·HO2向14C的加成，得到加合產(chǎn)物P_·HO2-14C.

2.2.8·HO2加成到16C

首先，·HO2攻擊16C，當(dāng)26O-14C距離為0.28413nm時，26O與14C發(fā)生庫侖作用，24H與雜環(huán)π-氫鍵作用，形成RC-·HO2_16C反應(yīng)物復(fù)合物，結(jié)合能為10.6kJ/mol.其次，·HO2繼續(xù)向雜環(huán)運動，當(dāng)26O-16C距離為0.18465nm時，形成過渡態(tài)TS_·HO2_16C.從RC-·HO2_16C到TS·HO2_16C過程，雜環(huán)形變，大π鍵作用減弱，TS_·HO2_16C產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘為81.5kJ/mol.最后，越過過渡態(tài)，·HO2繼續(xù)向雜環(huán)運動，當(dāng)26O-16C鍵長減小至0.13710nm，同時12N-16C共價鍵斷裂，·HO2加成到16C，形成加合產(chǎn)物P_·HO2-16C.

2.2.9·HO2加成到12N

該過程是直接加成.首先，·HO2從無窮遠(yuǎn)處攻擊12N，不形成反應(yīng)復(fù)合物.當(dāng)26O-12N距離為0.15515nm時，形成過渡態(tài)TS_·HO2_12N.從Eda到TS_·HO2_12N過程，雜環(huán)嚴(yán)重形變，大π鍵作用顯著減弱，TS·HO212N產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘為321.5kJ/mol.其次，越過過渡態(tài)，·HO2繼續(xù)向雜環(huán)運動，當(dāng)26O-12N鍵長減小至0.14214nm時，·HO2加成到12N，形成加合產(chǎn)物P_·HO-12N.

2.2.10·HO2加成到13N

該過程是間接加成.首先，·HO2攻擊13N，當(dāng)26O-13N距離為0.30876nm時，·HO2與Eda分子（雜環(huán)部分）在π-氫鍵和范德華力作用下，形成RC-·HO2_13N反應(yīng)物復(fù)合物，結(jié)合能為9.7kJ/mol.其次，·HO2繼續(xù)向雜環(huán)運動，當(dāng)26O-13N距離為0.15543nm時，形成過渡態(tài)TS·HO213N.從RC-·HO213N到TS·HO213N過程，雜環(huán)嚴(yán)重形變，大π鍵作用減弱，TS_·HO213N產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘為139.5kJ/mol.最后，越過過渡態(tài)，·HO2繼續(xù)向雜環(huán)運動，當(dāng)26O-13N鍵長減小至0.14463nm，·HO2加成到13N，形成加合產(chǎn)物P·HO2-13N.

由圖7可見，·HO2與Eda酮式異構(gòu)體的相關(guān)C原子加成反應(yīng)能壘為48.2～95.0kJ/mol，低于或接近溫和反應(yīng)能壘83.6kJ/mol[a]，Eda酮式異構(gòu)體可通過·HO2與其不飽和C的加成反應(yīng)消除·HO2.·HO2與Eda酮式異構(gòu)體的N原子加成反應(yīng)能壘為139.5～321.5kJ/mol，接近或高于極限反應(yīng)能壘160.6kJ/mola]，Eda酮式異構(gòu)體不能通過·HO2與其不飽和N的加成反應(yīng)消除·HO2.·HO2與14C的加成反應(yīng)最具優(yōu)勢，加成能壘為48.2kJ/mol，接近反應(yīng)極易進(jìn)行的能壘45.5kJ/mol，說明Eda酮式異構(gòu)體與·HO2加成反應(yīng)的活性位點是雜環(huán)的14C.·HO2與14C的加成反應(yīng)產(chǎn)物最穩(wěn)定，反應(yīng)是放熱過程.而其他加成過程的加成產(chǎn)物相對不穩(wěn)定，反應(yīng)是吸熱過程，其中·HO2與N的加成反應(yīng)產(chǎn)物不穩(wěn)定，反應(yīng)不能實現(xiàn).

2.3單電子轉(zhuǎn)移過程

單電子從Eda分子酮式異構(gòu)體向。HO2轉(zhuǎn)移，得到Edat和。HO2的反應(yīng)過程以及相關(guān)物種的電荷分布（NPA電荷）如圖8所示.

通過對基于反應(yīng)物的產(chǎn)物Edat和HO2的高水平單點能計算，以及優(yōu)化的反應(yīng)物Eda酮式異構(gòu)體和·HO2的高水平單點能計算，得到反應(yīng)過程的非絕熱能之差A(yù)Eser=213.0 kJ/mol.通過對產(chǎn)物Edat和.HO，（優(yōu)化的）與反應(yīng)物Eda分子酮式異構(gòu)體和.HO2（優(yōu)化的）的高水平單點能及自由能校正計算，得到反應(yīng)的自由能之差A(yù)GSET=132.6 kJ/mol.將數(shù)據(jù)代入式（2）得到反應(yīng)的重組能A=80.4 kJ/mol.將數(shù)據(jù)代入式（1）得到Eda分子酮式異構(gòu)體的單電子向.HO2轉(zhuǎn)移的自由能壘AGtr=143.7 kJ/mol.該能壘低于反應(yīng)不能進(jìn)行的能壘160.5kJ/mol[9]，但遠(yuǎn)高于溫和反應(yīng)能壘83.6 kJ/mol[9]，說明水溶劑環(huán)境下電子從Eda酮式異構(gòu)體向.HO2轉(zhuǎn)移反應(yīng)很慢，Eda酮式異構(gòu)體通過電子轉(zhuǎn)移消除·HO2的速率很小.

3結(jié)論

綜上所述，本文在MN15/SMD/6-311++G（2df，pd）//M06-2X/SMD/6-311+G（d，p）雙水平下研究了水溶劑環(huán)境1個大氣壓310.15 K溫度下Eda酮式異構(gòu)體與·HO2的反應(yīng)機(jī)理，得到如下結(jié)論：

1）Eda酮式異構(gòu)體與·HO2的反應(yīng)有抽H、加成和單電子轉(zhuǎn)移3種方式；

2）抽H反應(yīng)主要在抽取雜環(huán)H和甲基H的反應(yīng)通道實現(xiàn)，能壘為77.1～78.7kJ/mol；加成反應(yīng)主要在.HO2加成到與甲基相連的雜環(huán)C的反應(yīng)通道實現(xiàn)，能壘為48.2kJ/mol；單電子從Eda酮式異構(gòu)體向.HO2轉(zhuǎn)移的能壘為141.1 kJ/mol，該反應(yīng)不能實現(xiàn).

綜上可見，水溶劑環(huán)境下Eda酮式異構(gòu)體可以通過抽H和加成過程消除·HO2.

參考文獻(xiàn)

[1]PéREZ-GONZALEZ A，REBOLLAR-ZEPEDA Aм，LEóN-CARMONA JR，etal.Reactivity Indexes and O-H Bond Dissociation Energiles of Alarge Series of Polyphenols：Implications for Their Freeradical Scavenging Activity[J].Journal of the Mexican Chemical Society，2012，56（3）：241-249.

[2]王愛華.四種甘草黃酮化合物捕獲體內(nèi)自由基反應(yīng)機(jī)理的理論研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2018.（WANG A H.A Theoretical Study on the Reaction Mechanisms of Four Licorice Flavonoids Scavenging Free Radicals in Vivo[D].Harbin：Harbin University of Science and Technology，2018.）

[3]DE ZWART L L，MEERMANJн，COMMANDEUR J N，etal.Biomarkers of Free Radical Damage 202-22.

[4]金海峰，王月飛，郭林娜，等，依達(dá)拉奉通過抗炎、抗氧化對大鼠缺氧性肺動脈高壓病理發(fā)展的抑制作用[J].中國老年學(xué)雜志，2022，42（21）：5324-5328.（JIN HF，WANG Y F，GUO L N，etal.The Inhibitory Effect ofApplications in Experimental Animals and in Humans[J].Free Radical Biologyamp;.Medicine，1999，26（1/2）：Edaravone on the Pathological Development of Hypoxic Pulmonary Hypertension in Rats through Anti-inflammatory and Antioxidant Effects[J].Chinese Journal of Gerontology，2022，42（21）：5324-5328.）

[5]王娟，顧順忠，陸洋，等.依達(dá)拉奉改善大鼠心肌缺血損傷和炎癥反應(yīng)[J].中南醫(yī)學(xué)科學(xué)雜志，2022，50（4）：495-498.（W ANG J，GU S Z.LU Y.et al.Edaravone Improves Myocardial Ischemic Injury and Inflammatory Response in Rats[J].Medical Science Journal of Central South China，2022，50（4）：495-498.）

[6]KOBAYASHI T，KURODA S，TADA M，etal.Calcium-Induced Mitochondrial Swelling and Cytochrome c Release in the Brain：Its Biochemical Characteristics and Implication in Ischemic Neuronal Injury[J].Brain Research，2003，960（1/2）：62-70.

[7]王蔚.依達(dá)拉奉對大鼠海馬神經(jīng)元損傷的影響效應(yīng)及其作用機(jī)制的研究[D].南京：南京醫(yī)科大學(xué)，2007.（WANG W.Study on Neuron Protection of Edaravone in Cultured Hippocampal Cells after Hypoxia-Reoxygenation Injury and in Hippocampal Region in Rats after Subaraclhnoid Hemorrhage[D].Nanjing：Nanjing Medical University，2007.）

[8]孫偉，姜春旭，梁晴晴，等.水液相下依達(dá)拉奉與過氧化氫自由基反應(yīng)的DFT研究[J].南開大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2023，56（6）：94-104.（SUN W，JIANG C X，LIANG Q Q，etal.The DFT Study on the Reaction of Edaravone with Hydrogen Peroxide Radical in Aqueous Solution[J].Acta ScientiarumNaturalium Universitatis Nankaiensis，2023，56（6）：94-104.）

[9] GORB L，LESZCZYNSKI J.Intramolecular Proton Transfer in Mono-and DihydratedTautomers of Guanine：An ab Initio Post Hartree-Fock Study[J].Journal of the American Chemical Society，1998，120：5024-5032.

[10]王玲，楊文富，楊應(yīng)，等.水液相下依達(dá)拉奉消除羥自由基反應(yīng)的密度泛函理論研究[J].江西師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2023，47（6）：582-593.（WANG L，YANG W F，YANG Y，etal.The Density Functional Theory Study on the Reaction of Edaravone Scavenging Hydroxyl Radical in Aqueous Solution[J].Journal of Jiangxi Normal University（Natural Science），2023，47（6）：582-593.）

[11]張雪嬌，楊應(yīng)，楊文富，等.水液相下依達(dá)拉奉與超氧陰離子自由基反應(yīng)的密度泛函理論[J].吉林大學(xué)學(xué)報（理學(xué)版），2023，61（6）：1489-1500.（ZHANGX J，YANG Y，YANG W F，etal.Density Functional Theory of Reaction between Edaravone and Superoxide Anion Free Radical in Aqueous Liquid Phase[J].Journal of Jilin University（Science Edition），2023，61（6）：1489-1500.）

[12]劉立新，陳靜思，張雪嬌，等.水溶劑環(huán)境下Eda酮式異構(gòu)體消除超氧負(fù)離子自由基O：·的反應(yīng)機(jī)理[J].江西師范大學(xué)學(xué)報，2024，48（3）：221-232.（LIULX，CHENJS，ZHANG XJ，etal.Reaction Mechanism of Eda Ketone Isomer Eliminating Superoxide Anion Radical Oz·in Aqueous Solvent Environment[J].Journal of Jiangxi Normal University（Natural Science），2024，48（3）：221-232.）

[13]羅香怡，高浩溟，姜豐，等.水液相下羥基自由基（水分子簇）誘導(dǎo)脯氨酸分子損傷的機(jī)理[J].復(fù)旦學(xué)報（自然科學(xué)版），2022，61（1）：104-114.（LUOXY，GAO H M，JIANG F，etal.Mechanism of Proline Damage Induced by Hydroxyl Radicals（Water Molecules Clusters）in Water/Liquid Phase Environment[J].Journal of Fudan University（Natural Science），2022，61（1）：104-114.）

[14]喻小繼，潘宇，黃煜純，等.水液相下羥基自由基誘導(dǎo)半胱氨酸分子損傷的機(jī)理[J].武漢大學(xué)學(xué)報（理學(xué)版），2023，69（3）：373-383.（YU X J，PAN Y，HUANG Y C，etal.Mechanism of Cysteine Molecular Damage Induced by Hydroxyl Radical in Water-Liquid Phase Environment[J].Journal of Wuhan University（Natural Science Edition），2023，69（3）：373-383.）

[15]李斌，黃筱珂，李雙鶴，等.水液相下羥基自由基與兩性Lys分子反應(yīng)機(jī)理的量子化學(xué)研究[J].復(fù)旦學(xué)報（自然科學(xué)版），2023，62（2）：263-272.（LI B，HUANG X K，LIS H，etal.Quantum Chemistry Study on the Reaction Mechanism of Hydroxyl Free Radical with Amphoteric Lys Molecule in Water-Liquid Phase Environmen[J].Journal of Fudan University（Natural Science），2023，62（2）：263-272.）

[16]楊應(yīng)，姜春旭，張雪嬌，等.水液相下羥自由基誘導(dǎo)組氨酸分子損傷的密度泛函理論研究[J].南開大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2023，56（4）：92-100.（YANG Y，JIANG C X，ZHANG XJ，etal.Density Functional Theory Study of Hydroxyl Radical Induced Histidine Molecular Damage in Water-Liquid Phase[J].Acta ScientiarumNaturaliumUniversitatis Nankaiensis，2023，56（4）：92-100.）

[17]馬宏源，姜春旭，莊嚴(yán)，等.水環(huán)境下羥自由基致Asp分子損傷機(jī)理[J].，2019，57（5）：1246-1254.（MA H Y，JIANG CX，ZHUANG Y，etal.Mechanism of Asp Molecular Damage Inducedby Hydroxyl Radicals in Water Environmen[J].Journal of Jilin University（Science Edition），2019，57（5）：1246-1254.）

[18]牛鶴麗，楊應(yīng)，徐巖，等.水液相下羥自由基與谷氨酸分子反應(yīng)機(jī)理的量子化學(xué)研究[J].復(fù)旦學(xué)報（自然科學(xué)版），2024，63（1）：143-154.（NIU H L，YANG Y，XU Y，etal.Quantum Chemistry Study on the Reaction Mechanism of Hydroxyl Radical with Glutamate Molecule in Water-Liquid Phase Environment[J].Journal of Fudan University（Natural Science），2024，63（1）：143-154.）

[19]崔金玉，黃筱珂，張方堅，等，水液相下兩性Lys→Mg（）配合物對映異構(gòu)的理論研究]南開大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2023，56（5）：99-112.（CUIJY，HUANG XK，ZHANG F J，etal.Theoretical Study on the Enantiomerism of Amphoteric LysMg（II Complex in Aqueous-Liquid Environment[J].Acta ScientiarumNaturalium Universitatis Nankaiensis，2023，56（5）：99-112.）

[20]WANG Y，VERMA P，ZHANG L J，et al.M06-SX Screened-Exchange Density Functional for Chemistry and Solid-State Physics[J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，2020，117（5）：2294-2301.

[21]徐春雪，楊應(yīng)，張?；?，等.水溶劑環(huán)境下兩性苯丙氨酸分子對映異構(gòu)的密度泛函理論研究[J].復(fù)旦學(xué)報（自然科學(xué)版），2023，62（4）：486-495.（XU CX，YANGY，ZHANG X H，etal.Density Function Theoretical Study on the Enantiomerization of Amphoteric Phenylalanine Molecule in Water-Liquid Phase Environment[J].Journal of Fudan University（Natural Science），2023，62（4）：486-495.）

[22]趙麗紅，彭國強(qiáng)，郝成欣，等.水溶液環(huán)境下手性配合物Phe·Ca2+對映異構(gòu)機(jī)理的DFT研究[J].中山大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）（中英文），2023，62（6）：50-60.（ZHAO LI，PENG G.HAOC，etal.The DFT Study on the Isomerization Mechanism of Chiral Complexes Phe Ca2+in Aqueous Solution[J].Acta ScientiarumNaturalium Universitatis Sunyatseni，2023，62（6）：50-60.）

[23]GARRETT B C，TRUHLAR D G.Criterion of Minimum State Density in the Transition State Theory of Bimolecular Reactions[J].The Journal of Chemical Physics，1979，70（4）：1593-1598.

[24]HRATCHIAN H P.SCHLEGEL.H B.Using Hessian Updating to Increase the Efficiency of a Hessian Basec Predictor-Corrector Reaction Path Following Method[J].Journal of Chemical Theory and Computation，2005，1（1）：61-69.

[25]YU H S，HE X，LI S H，et al.MN15：A Kohn-Sham Global-Hybrid Exchange-Correlation Density Functional with Broad Accuracy for Multi-reference and Single-Reference Systems and Noncovalent Interactions[J].Chemical Science，2016，7（8）：5032-5051.

[26]喻小繼，孟雪飛，黃煜純，等.水液相下羥基負(fù)離子催化半胱氨酸旋光異構(gòu)的機(jī)理.武漢大學(xué)學(xué)報（理學(xué)版）2023，69（3）：384-392.（YU X J，MENG X F，HUANG Y C，etal.Optical Isomerism Mechanism of Cystenie Catalyzed by Hydroxyl Anion in Water-Liquid Phase Environment[J].Journal of Wuhan University（Natural Science Edition），2023，69（3）：384-392.）

[27]MARENICH A V，CRAMER CJ，TRUHLAR D G.Universal Solvation Model Based on Solute Electron Density and on a Continuum Model of the Solvent Defined by the Bulk Dielectric Constant and Atomic Surface Tensions[J].The Journal of Physical Chemistry B，2009，113（18）：6378-6396.

[28]MARCUS R A.Electron Transfer Reactions in Chemistry.Theory and Experiment[J].Pure and Applied Chemistry，1997，69（1）：13-29.

[29]MARCUS R A.Electron Transfer Reactions in Chemistry.Theory and Experiment[J].Reviews of Modern Physics，1993，65（3）：599-610.

[30]FRISCH M J，TRUCKS G W，SCHLEGEL H B，etal.Gaussian 16 Revision C.01[CP/CD].Pittsburgh：Gaussian Inc，2019.

[31]BIEGLER-K?NBOHM F，SCH?NOBOHM J，DERDAU R，etal.AIM 2000，Version 2.0[CP/CD].Ontario McMaster University，2002.

（責(zé)任編輯：單凝）