肾上腺素盐酸盐和水的相互作用研究

孙　芳,马慧婷,张　萍,武聪聪,柴　云，翟翠萍

(河南大学 化学化工学院，河南省废弃物资源能源化工程技术研究中心，河南 开封 475004)



肾上腺素盐酸盐和水的相互作用研究

孙芳,马慧婷,张萍,武聪聪,柴云*，翟翠萍*

(河南大学 化学化工学院，河南省废弃物资源能源化工程技术研究中心，河南 开封 475004)

使用核磁共振和电化学循环伏安法，对肾上腺素盐酸盐(AH)和水的相互作用进行了探讨. 研究结果表明：AH不仅能和水分子形成分子间氢键，当浓度较大时，AH的苯环还可发生π-π堆积作用. 此外，溶液pH对二者相互作用基本无影响.

肾上腺素盐酸盐； 水； 相互作用； 核磁共振； 循环伏安

肾上腺素是哺乳动物和人体的一种儿茶酚胺类神经递质，参与多种生理和行为过程，在神经系统中起着至关重要的作用. 肾上腺素具有很好的电化学活性，因此，可以利用电化学方法对其进行检测或研究. 自从HAWLEY等[1]对肾上腺素在碳糊电极上的电化学反应机理进行研究以来，使用电化学方法研究肾上腺素与某些溶剂及化合物的相互作用一直是人们关注的热点[2-5]. 如刘涛等[6]使用循环伏安法研究了肾上腺素与甲酸、乙酸的相互作用. 发现随甲酸、乙酸浓度的增加，肾上腺素的电子转移能力下降，并且氢键比溶液pH对肾上腺素电化学行为的影响要大；电化学和理论计算结果表明[7-10]：肾上腺素或质子化肾上腺素可与甲酰胺、DMSO或甲酸阴离子等通过氢键作用形成复合物，并且甲酰胺和DMSO的存在对肾上腺素的电化学行为也有不同程度的影响. 此外，肾上腺素还可与一些生物活性物质发生相互作用，如氨基酸[11]、DNA模型分子[12]、腺嘌呤[13]、尿嘧啶[14]等. 研究发现：在不同介质中，上述物质对肾上腺素都具有一定的稳定作用，能在一定程度上抑制肾上腺素的氧化，从而改变了肾上腺素的循环伏安特性，且肾上腺素的电子转移性质与溶液的pH有关.

迄今为止，肾上腺素的相关研究基本都是在水溶液中进行的，因此，肾上腺素和水的相互作用是其研究的基础. 但是，目前有关其研究相对较少，已有的报道也仅限于理论计算方面. 研究表明肾上腺素的酚羟基、氨基、醇羟基等能与水分子形成分子间氢键；同时，分子间氢键的形成破坏了氨基与醇羟基之间的分子内氢键[15]. 而有关实验方面的研究尚未见文献报道.

肾上腺素不溶于水和有机溶剂，但其盐酸盐溶解性较好，实验研究中经常使用肾上腺素盐酸盐(AH，图1). 本文采用循环伏安和核磁共振两种实验手段研究肾上腺素与水的相互作用，探讨其具体的作用位点和类型，以及溶液pH对二者相互作用的影响.

图1　AH的分子结构Fig.1　Molecular structure of AH

1　实验部分

肾上腺素盐酸盐(AH)，Sigma公司；二次蒸馏水(实验室重蒸馏)；氘代丙酮(丙酮-d6，d-99.9%，0.03% TMS)，Cambridge Isotope Laboratories，Inc.；柠檬酸、磷酸氢二钠，分析纯，阿拉丁公司.

CHI660E电化学工作站(上海辰华仪器有限公司)；AV-400核磁共振波谱仪(NMR，Bruker公司)；pHS-3E酸度计(上海雷磁仪器厂). 电化学测试使用三电极系统，玻碳电极(GCE，工作电极)、铂丝电极(辅助电极)和饱和甘汞电极(SCE，参比电极). 玻碳电极使用前进行严格的打磨和预处理[16].

电化学测试样品采用逐步稀释法制备. 由于肾上腺素盐酸盐易被O2氧化，在配制溶液前先通高纯N215 min，以去除二次蒸馏水底液中的溶解氧. 核磁测试样品直接在核磁管中配制，把二次蒸馏水加入装有不同AH的核磁管(5 mm)中. 使用TopSpin2.0程序，通过水封压制的方法测定核磁共振氢谱(1H NMR). 为了防止氢-氘交换，把装有丙酮-d6的核磁套管(2 mm)放进5 mm核磁管. 以丙酮-d6信号锁场. 所有实验均在室温下进行.

2　结果与讨论

循环伏安法是一种常用的电化学研究方法，具有简单、快速的优点，在溶液中分子间的相互作用研究方面应用十分广泛[6-8].

图2为不同浓度的AH在水溶液中的循环伏安曲线. 从图2可以明显看出，随着AH浓度的增加，还原峰和氧化峰的电流也逐渐增加. 其中，峰1(氧化峰)对应于肾上腺素氧化为肾上腺素醌的过程，峰2为其逆过程. 从图2还可以看出：随着AH浓度的增加，其氧化峰电位正移，而还原峰电位负移. 说明随浓度增加，AH在水中变得更难氧化. 参考我们前期多巴胺在水中的研究结果以及文献[15]中肾上腺素与水的量化计算结果，我们认为：在水中，AH苯环上两个酚羟基的氢原子与水中的氧原子形成了分子间氢键，氢键的形成保护了酚羟基上的氢原子，使其难以离去，即酚羟基难以发生氧化，而容易发生还原. 因此随AH浓度增大，在CV图上氧化电位变大，还原电位变小.

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.图2　AH/H2O混合体系的循环伏安曲线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.图3　AH在水溶液中的1H NMR图谱Fig.3　1H NMR spectra of AH in water

NMR方法是研究分子间相互作用的一种强有力的工具. 为了深入研究AH与水的相互作用，我们进一步测试了不同浓度AH在水溶液中的1H NMR谱图. 从图3可以看出：随AH浓度的增加，所有氢原子的化学位移都稍向高场移动，只是化学位移的变化(Δδ：为实验所测最大浓度与最小浓度的化学位移之差)有所不同：与氨基相连的亚甲基上氢原子(H2)和苯环上一个氢原子(H4)的变化最大(Δδ= 0.018)；苯环上另外两个氢原子(H5，H6，Δδ= 0.016)次之；侧链上与羟基相连碳上的氢原子(H3，Δδ=0.012)以及甲基上的氢原子(H1，Δδ= 0.011)变化最小. 众所周知，芳环电流增加会使芳环质子的化学位移向高场移动. 结合实验现象与我们前期的研究结果，我们认为：在水溶液中，当AH浓度较高时，其苯环之间可能发生了π-π堆积作用，使苯环的电子云密度增大，导致其氢原子的化学位移向高场移动. 对于苯环上侧链，根据理论计算结果[15]，氨基能与醇羟基形成分子内氢键，但在水溶液中，醇羟基与氨基分别可与水分子形成分子间氢键，从而破坏了上述分子内氢键. 与分子间氢键相比，分子内氢键使化学位移向低场移动的程度更大. 随着AH浓度的增大，分子间氢键逐渐取代了分子内氢键，导致侧链上的各类氢原子也向高场移动. 因此，当AH浓度较高时，AH不仅能与水形成分子间氢键，其苯环之间还可发生π-π堆积作用.

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

为了考察溶液pH对二者相互作用的影响，我们进一步测试了AH在不同pH的Mcllvaine缓冲溶液中的电化学行为，如图4所示. 在pH = 2.2～8之间，随着pH的增大，AH的氧化峰和还原峰电位都减小；同时，氧化电流逐渐增大，还原电流逐渐减小，最后几乎消失. 这与文献[17]报道一致. 由肾上腺素的电氧化机理可知，pH增大有利于肾上腺素氧化为肾上腺素醌，说明实验和理论结果相吻合. 因此，我们推测溶液pH主要影响AH的电氧化还原过程，对AH与水的相互作用影响不大.

3　结论

在AH/H2O混合体系中,存在AH和水分子间的氢键作用以及苯环的π-π堆积作用，相互作用的存在使AH的氧化还原电位发生改变，各氢原子的化学位移向高场移动. 同时，溶液pH对AH与水的相互作用基本无影响. 这将为研究肾上腺素与其他物质的相互作用提供参考依据，也可为肾上腺素在水溶液中的各类研究提供基础.

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[责任编辑：张普玉]

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.

河南省教育厅基金项目(15A150042),河南大学大学生创新创业训练计划项目(15NA003).

孙芳(1991-)，女，硕士生，研究方向为分子间相互作用.*

，E-mail: chaiyun@henu.edu.cn.

O645.1

A

1008-1011(2016)05-0544-04