酸性条件下零价铁催化降解甲硝唑的机理研究

冯玉洁，宋柯晟，顾凤龙

(华南师范大学化学与环境学院，环境理论化学省部共建教育部重点实验室，广东广州510006)

近年来，每当新型抗生素投入临床使用不久，细菌即可对它产生耐药性，往往存在交叉耐药和多重耐药现象．抗生素结构较复杂，属于难生物降解的化学物质，一旦造成污染，容易在环境中富集，给环境中各种生物造成严重的影响，而甲硝唑(Metronidazole，图1)作为一种重要的抗生素，有很好的抗菌性，应用于临床，其在抗滴虫和抗阿米巴原虫上有很好的效果，还具有强大的抗厌氧菌活性［1-2］，但由其造成的环境污染也不容忽视．

图1 甲硝唑化学结构示意图Figure 1 Molecular structure ofmetronidazole

处理甲硝唑的方法有多种，如用活性炭吸附［3-4］，零价的铁颗粒酸性条件下催化降解甲硝唑［5-6］，利用 UV 等过程来降解甲硝唑［7-8］，微生物降解［9-10］等．有些方法虽然降解得较为彻底，但耗时很长，有一些则只是将污染物与环境分离，污染物并没有降解，有些则对降解条件要求高，所以寻找更好的降解方法依旧很迫切．FANG［6］等发现零价纳米铁在催化降解甲硝唑的反应中极大地提高了反应速率．

纳米零价铁近年来被广泛应用于处理各类污染物，例如用于处理硝酸盐的污染物［11-12］，以及含氯的有机化合物［13］，最近有研究者发现，分解氯化烷烃方面，纳米零价铁参与反应，分解速率很快［14-15］．纳米零价铁有很高的比表面积和高的表面活性，所以具有很好的还原性．

1 降解机理的提出

硝基化合物结构稳定，不易分解转化，是难生物降解的化合物，AGRAWAL和 TRATNYEK［11］曾尝试用零价铁来还原硝基苯，并最终确定还原产物主要是苯胺，后来ZILBERBERG等［16］从电子转移角度分析零价铁还原硝基苯的过程，陈少瑾等［17］通过实验验证了在零价铁还原硝基苯的过程中，有微量的亚硝基甲苯等中间产物生成，并提出了相应的反应机理(图2)．

图2 对硝基甲苯的可能还原步骤Figure 2 The possiblemajor steps in the reduction of p-nitrotoluenes

FANG等发现用纳米级的零价铁在酸性条件下降解甲硝唑效果很好，甲硝唑可以有效地被降解，但是中间产物和生成物均不能确定［5］;并提出甲硝唑的可能降解机理［6］(图3)．

图3 甲硝唑可能的降解路径Figure 3 Possible pathways ofmetronidazole degradation

根据文献［18-19］提出的一些零价铁的还原性质，分析3种可能的降解路径，断键和去硝基的可能性较小(图3)．本文通过理论化学计算提出了零价铁还原降解甲硝唑的机理(图4)．

2 结果和讨论

2．1 计算方法

考虑到溶液中的氢离子及水分子，甲硝唑还原降解模型中的羟基用氢离子络合，增加其稳定性，而用于催化作用的铁原子用2个水分子络合，使其在与氢离子作用的时候能够满足八电子稳定结构，反应物的计算模型如图5所示．整个计算过程在高斯09［20］计算软件下完成，采用 DFT/B3LYP 方法，非金属原子C、H、O、N在6-31g*的基组下计算，金属原子Fe采用赝势基组(lanl2dz)．通过振动频率计算来确认优化结构为稳定结构(无虚频)或过渡态(有且仅有1个虚频)，并获得零点能修正．通过内禀反应坐标(IRC)计算来确认连接过渡态的2个稳定结构．溶剂化效应的计算采用极化连续介质模型(PCM)．

图4 零价铁还原降解甲硝唑的机理(电子由铁原子提供)Figure 4 Mechanism on degradation ofmetronidazole by zero-valent iron(electrons are provided by irons)

图5 反应物的计算模型Figure 5 The calculation model of the reactant

2．2 反应路径上过渡态的确认

甲硝唑降解过程反应路径势能面上各驻点(反应物、过渡态、中间体和产物)的几何构型通过计算优化得出．过渡态振动频率分析的结果表明，各步反应的过渡态 TS1、TS2、TS3、TS4、TS5、TS6 中各有多种振动模式，其中只有1种振动模式对应的频率为虚频，振动频率分别为 1 088．90 i·cm-1、830．46 i·cm-1、1 224．78 i·cm-1、1 003．36 i·cm-1、1 171．49 i·cm-1、121．25 i·cm-1．图6显示，虚振动位移分别指向反应物和产物，反方向指向中间体，而各步中间产物的振动频率均为正值，说明其确为反应势能面上的稳定点，内禀反应坐标(IRC)计算确认了各步反应的反应物、中间体、过渡态和产物的相关性，说明中间体和过渡态均位于正确的反应路径上．

图6 过渡态TS1和TS6的虚振动模式Figure 6 Imaginary vibrationalmode of transition states for TS1 and TS6

2．3 反应机理

图7 甲硝唑降解过程的分子模拟Figure 7 Molecular simulation on metronidazole degradation process

从计算结果看出，本文假设的甲硝唑在酸性条件下，被零价铁原子还原的机理可以通过模拟得到验证(图7)．在反应的第1步，甲硝唑中硝基上的N原子从零价铁得到电子，共轭体系被破坏，氮氧双键断开，带负电的氧原子与氢离子结合，生成羟基化合物Int1，该过程氢氧之间的距离逐渐减小，从反应物React中0．209 nm 到过渡态 TS1中0．138 nm，再到Int1中为0．099 nm，基本接近水分子中氢氧键键长．而氮氧键键长逐渐增大，由反应物React中的0．129 nm增长到过渡态TS1中的0．134 nm，再到中间产物Int1中的0．139 nm．反应第2步，Int1中硝基上的N原子得到电子，羟基与氢离子结合，生成水分子，氮氧之间的距离继续增大，直到该步反应结束，由0．139 nm到0．274 nm，氮氧键断裂，硝基上1个氧原子以水分子形式脱去，生成亚硝基．第3步，亚硝基上的N原子从零价铁原子得电子，氮氧双键断开，因氧原子电负性大，夺电子能力强，带负电，与带正电的氢离子结合，生成羟基化合物，即中间产物Int3．反应第4步，Int3中与羟基相连的N原子得到电子，使N原子上此时有2对孤对电子，强烈吸引氢离子与其结合，生成羟基胺化合物Int4．反应第5步，Int4中羟基胺上N原子继续得电子，分子中羟基与氢离子结合，生成水分子，脱去另一个氧原子，生成中间产物Int5．反应第6步，Int5中亚氨基上的N原子继续得电子，此时该N上有2对孤对电子，与氢离子结合，生成胺基，甲硝唑降解完成．

2．4 反应路径的能量变化

为了获得反应路径的能量变化曲线，内禀反应坐标(IRC)的计算分别从过渡态 TS1、TS2、TS3、TS4、TS5、TS6开始，并对计算结果进行优化．图8是各驻点沿反应路径的能量变化．图8A显示出甲硝唑中硝基还原为亚硝基过程能量的变化，反应物在铁的催化作用下，经过一个6．8 kcal/mol的能垒，生成中间产物Int1，该步反应能垒较小，容易发生．第二步反应需要足够的能量来活化—O N键，使其发生断裂，同时O1(图7第2步)带电量稍微增大，H2所带电量与H1相比，明显降低，O1与H2两者之间的电荷引力减小，使反应难度增加，需要克服27．0 kcal/mol的高能垒才能发生．图8B中TS4生成反应需要较大的能垒，因为此时N上有2对孤对电子，尽管N原子的电负性很大，与带正电的氢离子成键能力很强，但需要与O2(图7第4步)竞争，克服O2与H4之间的电荷引力，反应才能够发生，故使反应体系势能增加，致使该步反应具有较高的能垒．表1列出了各原子上Milliken电荷的分布．表2分别列出了溶剂效应和非溶剂效应下，反应物、过渡态、中间体和产物的相对能量．图8C、8D分别列举了硝基上剩下的1个氧原子O2脱去及氨基生成过程中能量的变化，TS5、TS6活化能都不高，羟基胺生成之后即可继续反应得到最终还原产物胺基，与上面各步反应过程类似．计算结果表明，第2步亚硝基生成过程和第4步羟基胺的生成过程都需要较高的能量，其中一步很有可能为反应的速控步．整个反应过程中，含亚硝基的中间体Int2相对能量最低，为 -104．3 kcal/mol，相对稳定，FANG 等［6］在降解甲硝唑的实验中观测到的中间产物很可能就是该步生成的含亚硝基的中间体Int2．由表2中数据可得，各步反应产物的能量均低于反应物的能量，故可得出该反应在还原过程不断释放能量．溶剂效应有利于降解反应的发生．

表1 Mulliken电荷分布Table 1 Mulliken charge distributions

表2 反应物、过渡态、中间体和产物的相对能量Table 2 Relative energies for the reactant，transition states，intermediates and product kcal/mol

图8 计算得到的铁催化降解的反应能垒(单位:kcal/mol)Figure 8 Calculated potential energy barriers catalyzed by Fe(kcal/mol)

3 结论

本文的理论化学计算为甲硝唑的降解提供了一个合理的降解路径，通过还原性零价铁的催化作用使硝基逐步还原，经过中间产物亚硝基、羟基胺、最后还原成胺基．

本文尝试研究了降解机理，对反应的过程给出详细且合理的解释，并且模拟了每一步的中间产物，使整个降解过程清晰明了．通过模拟计算发现铁不但作为催化剂存在，同时也提供电子给反应系统;亚硝基和羟基胺生成的2步有可能为该反应的速控步骤;亚硝基的相对能量较低，能够稳定存在;溶剂效应有利于降解反应．但是该机理仍需要进一步的理论和实验来验证，确保精确性和可靠性，并提出更加有效的降解方法．

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