FMNH介導(dǎo)偶氮苯還原機理的密度泛函理論研究

背景介紹實體瘤的低氧微環(huán)境是惡性腫瘤的重要特征之一，針對腫瘤低氧的靶向化療藥物為癌癥治療帶來了新策略。偶氮苯中的偶氮基團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被開發(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機制尚不清楚。文章亮點1.使用密度泛函（DFT）方法對在輔酶還原型黃素單核苷酸（FMNH）作用下的偶氮苯還原機理進行了研究；2.

揭示了FMNH介導(dǎo)偶氮苯的還原機理；3.為設(shè)計開發(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)計策略提供新思路。圖文介紹1模型和計算方法以FMNH和偶氮苯為模型，研究了偶氮苯經(jīng)過多步酶促單電子還原后偶氮基團斷裂生成兩分子苯胺的反應(yīng)機制。為了簡化計算模型，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FMNH繼續(xù)向中間體2進行一個氫質(zhì)子和一個電子的轉(zhuǎn)移。在該步質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程中，中間體2經(jīng)過1e-/1H+轉(zhuǎn)移的過程可能存在兩種途徑，一種是經(jīng)過TS2-3生成1,2-二苯肼（3）（途徑A），另一種是經(jīng)過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，該過程經(jīng)歷過渡態(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。整個反應(yīng)過程的勢能曲線如圖6所示，各駐點的相對能量列于表1。3結(jié)論本文使用DFT方法對FMNH介導(dǎo)的偶氮苯還原機理進行了研究，并比較了偶氮苯在氣相和不同溶劑模型中的反應(yīng)勢能變化情況，明確了反應(yīng)的優(yōu)勢路徑為偶氮苯在FMNH作用下首先經(jīng)過兩步1e-/1H+轉(zhuǎn)移形成1,2-二苯肼；然后再繼續(xù)從FMNH獲得一個氫質(zhì)子和一個電子生成活潑的自由基中間體5；接下來5進一步發(fā)生氮氮鍵裂解釋放一個苯胺分子并生成苯胺自由基（8）；最后，反應(yīng)經(jīng)過第4次1e-/1H+轉(zhuǎn)移生成另一個苯胺分子。反應(yīng)過程中前兩步的1e-/1H+轉(zhuǎn)移反應(yīng)能壘最高，均為約22

kcal/mol，為整個過程的控速步驟。本研究揭示了FMNH介導(dǎo)偶氮苯的還原機理，不僅為含有偶氮苯基團的低氧激活前藥的酶促還原反應(yīng)機制