FMNH介導(dǎo)偶氮苯還原機(jī)理的密度泛函理論研究

背景介紹實(shí)體瘤的低氧微環(huán)境是惡性腫瘤的重要特征之一，針對(duì)腫瘤低氧的靶向化療藥物為癌癥治療帶來(lái)了新策略。偶氮苯中的偶氮基團(tuán)具有低氧激活的特異性，能夠在常氧條件下穩(wěn)定存在而在低氧條件下發(fā)生還原裂解，因此一些偶氮苯衍生物前藥也因其具有腫瘤低氧靶向潛力近年來(lái)被開(kāi)發(fā)并應(yīng)用于臨床研究。然而，有關(guān)偶氮鍵還原為氨基的詳細(xì)機(jī)制尚不清楚。文章亮點(diǎn)1.使用密度泛函（DFT）方法對(duì)在輔酶還原型黃素單核苷酸（FMNH）作用下的偶氮苯還原機(jī)理進(jìn)行了研究；2.

揭示了FMNH介導(dǎo)偶氮苯的還原機(jī)理；3.為設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)新型的腫瘤靶向性低氧激活前藥提供重要理論依據(jù)，也為高效低毒的腫瘤低氧靶向性藥物的設(shè)計(jì)策略提供新思路。圖文介紹1模型和計(jì)算方法以FMNH和偶氮苯為模型，研究了偶氮苯經(jīng)過(guò)多步酶促單電子還原后偶氮基團(tuán)斷裂生成兩分子苯胺的反應(yīng)機(jī)制。為了簡(jiǎn)化計(jì)算模型，將FMNH分子中異咯嗪環(huán)上的磷酸尾鏈用甲基替代[19-26]。FMNH介導(dǎo)的偶氮苯還原假設(shè)機(jī)理如圖1所示。2結(jié)果與討論在(U)B3LYP/6-31+G(d,p)水平上優(yōu)化得到偶氮苯（1），經(jīng)一步1e-/1H+轉(zhuǎn)移反應(yīng)生成中間體2，分子結(jié)構(gòu)如圖2所示。接下來(lái)FMNH繼續(xù)向中間體2進(jìn)行一個(gè)氫質(zhì)子和一個(gè)電子的轉(zhuǎn)移。在該步質(zhì)子轉(zhuǎn)移過(guò)程中，中間體2經(jīng)過(guò)1e-/1H+轉(zhuǎn)移的過(guò)程可能存在兩種途徑，一種是經(jīng)過(guò)TS2-3生成1,2-二苯肼（3）（途徑A），另一種是經(jīng)過(guò)TS2-4生成中間體4（途徑B）。優(yōu)化得到分子結(jié)構(gòu)如圖3所示。在經(jīng)歷了前兩步1e-/1H+轉(zhuǎn)移之后，中間體3和4繼續(xù)發(fā)生第3步1e-/1H+轉(zhuǎn)移，二者均可生成中間體5，優(yōu)化得到分子結(jié)構(gòu)如圖4所示。經(jīng)途徑A和B生成的中間體5不穩(wěn)定，可能發(fā)生氮氮鍵斷裂而形成中間體8和苯胺。如圖5所示，該過(guò)程經(jīng)歷過(guò)渡態(tài)TS5-8且在-594.55i

cm-1處有唯一的虛頻，二面角C1-N1-N2-C2為159.5°，N1-N2鍵從中間體5中的1.44

?增加到TS5-8中的1.91

?，表明偶氮鍵逐漸斷裂。整個(gè)反應(yīng)過(guò)程的勢(shì)能曲線如圖6所示，各駐點(diǎn)的相對(duì)能量列于表1。3結(jié)論本文使用DFT方法對(duì)FMNH介導(dǎo)的偶氮苯還原機(jī)理進(jìn)行了研究，并比較了偶氮苯在氣相和不同溶劑模型中的反應(yīng)勢(shì)能變化情況，明確了反應(yīng)的優(yōu)勢(shì)路徑為偶氮苯在FMNH作用下首先經(jīng)過(guò)兩步1e-/1H+轉(zhuǎn)移形成1,2-二苯肼；然后再繼續(xù)從FMNH獲得一個(gè)氫質(zhì)子和一個(gè)電子生成活潑的自由基中間體5；接下來(lái)5進(jìn)一步發(fā)生氮氮鍵裂解釋放一個(gè)苯胺分子并生成苯胺自由基（8）；最后，反應(yīng)經(jīng)過(guò)第4次1e-/1H+轉(zhuǎn)移生成另一個(gè)苯胺分子。反應(yīng)過(guò)程中前兩步的1e-/1H+轉(zhuǎn)移反應(yīng)能壘最高，均為約22

kcal/mol，為整個(gè)過(guò)程的控速步驟。本研究揭示了FMNH介導(dǎo)偶氮苯的還原機(jī)理，不僅為含有偶氮苯基團(tuán)的低氧激活前藥的酶促還原反應(yīng)機(jī)制