量子化学与电化学在环境酚类化合物的检测与毒性研究中的应用

摘要

环境中酚类化合物的测定、存在状态及其在生物体内的转运途径、化学活性以及对生物活性分子的损伤研究，对于人们更有效地控制酚类化合物对环境的危害具有重要意义。本文主要内容包括： (1)采用密度泛函理论(DFT)在6-31G(d)水平优化了对苯二酚、对苯二醌及其产生的自由基、过渡态分子的几何构型和振动光谱，并与IR光谱进行了比较，采用从头算讨论了自由基产生的机理，通过对分子的电荷、前线轨道能量等物理参数的比较，讨论了分子的结构与化学活性的关系。 (2)采用从头算(HF)方法在HF/6-31G(d)水平和密度泛函理论(DFT)在B3LYP/6-3 1G(d)及B3LYP/cc-PVDZ水平比较了对苯二醌及对苯二酚的振动光谱，并与其IR光谱进行了比较，采用分子的溶剂化能及自由能计算了对苯二醌/对苯二酚与氢标准电极构成的电池的自由能变，由此得到了对苯二醌/对苯二酚的理论标准电极电位：在B3LYP/6-3G(d)水平为0.639V，在B3LYP/cc-PVDZ水平为0.796V，在HF/6-3G(d)水平为0.587V。在金电极上采用循环伏安法于pH 7.00磷酸盐缓冲溶液中测定了对苯二醌/对苯二酚的标准电极电位为0.745V。在pH 7.30的磷酸盐缓冲溶液中采用循环伏安法于金电极上测定了邻苯二醌/邻苯二酚的标准电位为0.813V，以邻苯二醌/邻苯二酚与对苯二醌/对苯二酚构成电池，采用DFT方法在HF/6-31G(d)、HF/6-31G(d，p)、B3LYP/6-31G(d)及B3LYP/6-31G(d，p)水平优化了邻苯二醌、邻苯二酚、对苯二醌、对苯二酚分子的几何构型，并计算了分子的红外光谱及其热力学数据，获得了邻苯二醌/邻苯二酚的理论标准电极电位在HF/6-31G(d)、HF/6-31G(d，p)、B3LYP/6-31G(d)及B3LYP/6-31G(d，p)水平分别为0.727V， 0.787V， 0.745V及0.754V。在pH 7.30的磷酸盐缓冲溶液中采用循环伏安法于金电极上测定了对氨基亚醌/对氨基酚的标准电位为0.813V，以对氨基亚醌/对氨基酚与对苯二醌/对苯二酚构成电池，采用DFT方法在HF/6-31G(d，p)及B3LYP/6-31G(d，p)水平优化了对氨基亚醌/对氨基酚的分子的几何构型，并计算了分子的红外光谱及其热力学数据，获得了对氨基亚醌/对氨基酚的理论标准电极电位为0.743V(B3LYP/6-31G(d， p))及0.755v(HF/6-31G(d，p))。利用实验平衡常数分别计算了对苯二醌/对苯二酚、邻苯二醌/邻苯二酚、对氨基亚醌/对氨基酚与氧气构成的电池的平衡常数，并根据平衡常数得到了对苯二醌/对苯二酚、邻苯二醌/邻苯二酚、对氨基亚醌/对氨基酚在环境水体与人体血液中的理论分布。 (3)在金电极上研究了对苯二酚、邻苯二酚、对氨基酚的电化学行为，与蛋白质结合的酚类化合物的氧化峰电位正移，还原峰负移，峰电流减小，这种作用力归于蛋白质与含有氨基酸残基形成的氢键。酚类化合物与牛血清蛋白可分为专一性结合与非专一性结合，利用酚类化合物与血清白蛋白结合的饱和度，对氨基酚和对亚氨基醌与血清白蛋白专一性结合比分别为5：1和5：l，对苯二酚和对苯二醌和血清白蛋白的专一性结合比分别为26：l和26：1，邻苯二酚和邻苯二醌与牛血清白蛋白的专一性结合比分别为22：l和8：1，可见对苯二酚和对苯二醌及邻苯二酚与血清白蛋白结合能力强于对氨基酚和对亚氨基醌及邻苯二醌。采用量子化学参数对实验结果进行了讨论。 (4)采用荧光光谱法、紫外光谱法以及DNA开链技术研究了对苯二酚与DNA的相互作用，在DNA分子开链过程中(100)，对苯二酚与脱氧核糖核酸作用后的荧光光谱、紫外光谱的吸收峰和强度改变较大，吸收峰和荧光峰红移，表明生成了新的DNA加合物。采用电化学方法研究了p-HQ及其氧化产物与单核苷酸及DNA的相互作用，p-HQ及p-BQ与单核苷酸与脱氧核糖核酸的相互作用方式相似，在单核苷酸修饰金电极上采用循环伏安法可以检测苯二酚和对苯二醌对碱基腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)的损伤的氧化峰；在玻碳电极上采用循环伏安法及方波伏安法检测DNA与苯二酚和对苯二醌形成的DNA加合物。量子化学分析表明苯二酚和对苯二醌与单核苷酸及脱氧核糖核酸的相互作用方式主要是II-II键合。 (5)采用从头算(HF)方法和密度泛函理论(DFT)在6-31G(d)水平优化了对苯二酚、苯酚、邻苯二酚、间苯二酚、对硝基酚、苦味酸、邻氨基酚的分子结构，在气相条件下计算了分子的半径及分子的体积、并在水和甲醇介质中计算了分子的偶极矩、分子中原子的Mulliken电荷、分子的前线轨道(LUMO和HOMO)，在高效液相色谱中用水和甲醇(30：70)作流动相在反相C18柱上分离了这七种酚类化合物。用保留时间与分子的半径或分子的体积、分子的偶极矩、分子中总的Mulliken负电荷、分子的最低空轨道能量(LUMO)作多元回归分析。结果表明溶质在反相C18柱上的保留值由分子半径或体积、分子的偶极矩、分子的静电力及溶质与流动相分子相互作用力决定。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1环境中酚类化合物的检测方法及量子化学在色谱检测方法中的应用

1.1.1环境中酚类化合物的污染

1.1.2环境中酚类化合物的检测方法及量子化学在色谱检测方法中的应用

1.2对苯二酚、邻苯二酚、对氨基酚的毒性及在生物体中的转化

1.2.1对苯二酚、邻苯二酚、对氨基酚的毒性

1.2.2苯及对苯二酚在生物体中的转化

1.2.3对氨基酚的毒性

1.3电化学在检测外源性化合物分子对DNA及蛋白质毒性的应用

1.3.1 DNA及蛋白质分子结构的特点

1.3.2电化学对DNA及蛋白质损伤的检测方法

1.4有关量子化学计算的基本方法

1.4.1计算模型

1.4.2能量的计算方法

1.4.3梯度和几何优化

1.4.4频率和二阶导数

1.4.5分子性质

1.4.6溶解模型

1.5论文主要研究内容

第二章酚类化合物在反相高效液相色谱中的保留行为的理论分析

2.1理论假设

2.2实验部分

2.2.1仪器和试剂

2.2.2色谱条件

2.2.3实验方法

2.2.4溶质分子的物理参数的量子化学计算

2.3结果与讨论

2.3.1七种酚类化合物保留时间(T)

2.3.2分子的半径(R)与摩尔体积(V)

2.3.3分子在不同介质中的偶极矩(D)

2.3.4 Mülliken电荷(M)

2.3.5分子的前线轨道

2.3.6多元线性回归分析

2.4本章小结

第三章密度泛含理论与从头算研究苯醌与半醌自由基的结构参数与化学活性

3.1引言

3.2计算方法

3.3结果与讨论

3.3.1分子的结构

3.3.2分子的振动分析

3.3.3 Mülliken电荷分布

3.3.4分子的最低空轨道(LUMO)及最高占据轨道(HOMO)的本征值

3.3.5自由基产生的机制

3.4本章小节

第四章几种酚类化合物的的标准电极电位的实验与理论研究及其应用

4.1对苯二醌/对苯二酚的标准电极电位的实验与理论研究及其应用

4.1.1实验部分

4.1.2计算方法

4.1.3结果与讨论

4.2邻苯二醌/邻苯二酚的标准电极电位的实验与理论研究及应用

4.2.1实验部分

4.2.2计算方法

4.2.3结果与讨论

4.3对氨基酚的标准电位及其应用

4.3.1实验部分

4.3.2计算方法

4.3.3结果与讨论

4.4本章小结

第五章酚类化合物与血清蛋白的相互作用

5.1 P-AP与牛血清蛋白的相互作用

5.1.1实验部分

5.1.2结果与讨论

5.2 p-HQ与牛血清白蛋白的相互作用的研究

5.2.1实验部分

5.2.2结果与讨论

5.3 PC与牛血清白蛋白的相互作用的研究

5.3.1实验部分

5.3.2结果与讨论

5.4 p-HQ，PC，p-AP与牛血清蛋白相互作用的量子化学解释

5.4.1计算方法

5.4.2计算结果与讨论

5.5本章小结

第六章 p-HQ与DNA相互作用的研究

6.1 p-HQ与脱氧核糖核酸相互作用的研究

6.1.1实验部分

6.1.2结果与讨论

6.2 p-HQ与DNA加合物的电化学检测方法的研究

6.2.1材料与方法

6.2.2结果与讨论

6.3酚类化合物与DNA相互作用的量子化学解释

6.3.1计算方法

6.3.2结果与讨论

6.4本章小结

第七章结论与展望

参考文献

附录

致谢

攻读学位期间发表的学术论文