水体氯胺消毒中烟草生物碱形成烟草特异性亚硝胺的机制研究

温家乐 马广才

摘要：本文基于密度泛函理论（DFT）计算系统揭示了烟草生物碱尼古丁（NIC），降烟碱（NOR）和新烟碱（ANA）在水体氯胺消毒中分别形成4-（甲基亚硝胺）-1-（3-吡啶基）-1-丁醇（NNAL），N-亚硝基降烟碱（NNN）和N-亚硝基新烟碱（NAB）的化学机制。研究表明，NIC氯胺化形成NNAL是水体氯胺消毒中形成TSNAs最主要的反应路径，而NNN和NAB的形成相对比较困难。本研究有助于深入阐明水体消毒中TSNAs的形成机制，为该类污染物的环境转化及风险评估研究提供科学指导。

关键词：烟草生物碱;烟草特异性亚硝胺;密度泛函理论计算;化学机制

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

煙草特异性亚硝胺（TSNAs）是一类主要存在于烟草制品和烟草烟雾中的特殊N-亚硝胺，是烟草制品引发肺癌、口腔癌和食道癌的主要因素之一[1]。烟草制品中检测到的TSNAs主要包括4-（甲基亚硝胺）-1-（3-吡啶基）-1-丁酮（NNK）、N-亚硝基降盐烟碱（NNN）、N-亚硝基新烟草碱（NAB）、N-亚硝基新烟碱（NAT） （如图1）。此外，TSNAs也已在环境水体和大气空气颗粒物中频繁检出，表明该类致癌物具有不可避免的暴露风险[2]。

近年来，已有研究开始关注水体氯胺消毒过程中烟草生物碱形成TSNAs的化学机制，但TSNAs 形成的具体反应路径不明确，不同烟草生物碱形成相应 TSNAs 的潜力也还需进一步验证。因此，本论文拟用量子化学计算研究不同烟草生物碱氯胺消毒中形成 TSNAs 的分子机制，明确不同 TSNAs 的形成潜力和优势路径。本研究结果能与已有结果相互验证和补充，为水体中TSNAs形成机制研究及健康风险评估提供科学指导。

1 计算方法

本文选择NIC，NOR和ANA为前驱物，研究这3种烟草生物碱氯胺化形成TSNAs的化学机制。采用密度泛函理论（DFT）中的杂化B3LYP 泛函[3]进行构型优化和单点能计算。构型优化和频率在B3LYP/6-31G（d，p）理论水平下计算。基于振动频率分析确保所有优化的中间体和产物构型没有虚频，而过渡态结构有且只有一个虚频。基于优化构型，在B3LYP/6-31++G（d，p）水平下进行高精度的单点能校正。使用SMD溶剂化模型模拟反应的水溶剂环境（介电常数为76.39）[4]。此外，由于B3LYP 泛函不能很好地描述长程色散相互作用，因此我们在单点能计算时引入半经验的色散校正。文中报道的能量数据为色散和SMD溶剂化校正之后的单点能。以上计算工作均采用Gaussian 09程序包完成[5]。

2 结果与讨论

2.1 NIC转化成NNAL的反应路径

基于DFT计算，我们详细揭示了NIC氯胺化形成NNAL的反应路径（图1）。NIC首先氯胺化形成不稳定的铵盐中间体B （AMPP），然后 B中的胺基可先后被HOCl氧化，形成双羟基化的中间体D。随后，D脱去一分子H2O形成N-亚硝胺中间体E。在HOCl作用下，E进一步经历开环和羟基化反应形成NNAL。NNAL也可能进一步被HOCl或者NH2Cl氧化成NNK。氯胺化反应的能垒为12.35 kcal/mol，放热约为10.67 kcal/mol。而双羟基化中间体D的形成放出13.67 kcal/mol的热量，有利于随后的亚硝胺形成反应。亚硝胺形成步骤的能垒为18.79 kcal/mol，且吸热约为4.48 kcal/mol。最终，相对于反应物，NNAL的形成放出8.78 kcal/mol的能量。而NNAL转化为NNK的能垒高达61.85 kcal/mol，表明在该条件下NNK很难形成。

2.2 NOR转化成NNN反应路径

NNN的形成路径与NNAL类似，NOR首先与NH2Cl作用形成胺基中间体，该步反应的能垒为30.14 kcal/mol，远高于NIC胺基化能垒（12.35 kcal/mol）。随后，胺基中间体经历两次HOCl氧化，形成双羟基化中间体，再脱去一分子水形成NNN，整个反应放出的热量约为27.60 kcal/mol。

2.3 ANA转化成NAB反应路径

ANA的形成路径与NNAL和NOR类似，ANA首先与NH2Cl作用形成胺基中间体，该步反应的能垒为29.87 kcal/mol，略低于NOR胺基化能垒（30.14 kcal/mol），但远高于NIC胺基化能垒（12.35 kcal/mol）。随后，胺基中间体经历同样两次HOCl氧化，形成双羟基化中间体，再脱去一分子水形成产物NAB，整个反应放出的热量约为12.32 kcal/mol。

3 结论

本文基于量子化学计算，从分子水平上阐明了烟草生物碱NIC，NOR 和ANA在水体氯胺消毒过程中分别转化为NNAL，NNN和NAB的分子机制和能量学信息。研究表明NNAL的形成能垒要远低于NNN和NAB，表明NIC氯胺化是TSNAs形成的主要路径，而NNN和NAB则为非常次要的转化产物。该研究结果有助于正确评价水体消毒过程中不同前驱体转化形成TSNAs的潜力和化学机制，为该类消毒副产物的形成机制研究和健康风险评估提供理论基础。

参考文献

[1]张同梅，赖百塘.烟草特异性亚硝胺NNK与肺癌的关系[J].中华流行病学杂志，2005（26）：140-142.

[2] Farren， N. J.， Ramirez， N.， Lee， J. D.， et al. Estimated Exposure Risks from Carcinogenic Nitrosamines in Urban Airborne Particulate Matter [J]. Environ. Sci. Technol.， 2015（49）：9648-9656.

[3]Becke， A. D. Density-functional thermochemistry. III. The role of exact exchange [J]. J. Chem. Phys.， 1993（98）：5648-5652.

[4]Marenich， A. V.， Cramer， C. J.， 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]. J. Phys. Chem. B， 2009，113：6378-6396.

[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：温家乐（1994-），女，汉族，在读研究生，研究方向为环境计算化学。

通讯作者：马广才（1988-），男，汉族，博士研究生，副教授，研究方向为计算毒理学。