1H-苯并咪唑-2-基腙类化合物的自由基清除机制与生理相关自由基反应动力学：一项计算研究

本研究通过密度泛函理论计算，深入探讨了1H-苯并咪唑-2-基腙类化合物的自由基清除机制与动力学行为。研究人员针对具有高抗氧化活性的二羟基苯取代化合物和低活性的二甲氧基苯衍生物，在苯和水溶剂中模拟非极性与极性生物环境，系统评估了其与•OCH3、•OOH和•OOCH3自由基的反应路径、过渡态及速率常数。研究发现非极性介质中主要通过氢原子转移（HAT）机制淬灭自由基，而极性介质中则以去质子化后的单电子转移（SET）为主导。所有化合物均能有效淬灭•OOCH3自由基，阻断脂质过氧化链式反应，其中3,4-二羟基衍生物表现出最优的抗氧化活性。该研究为设计高效抗氧化剂提供了理论依据与动力学参数支持。

　　

在生物体内，自由基（特别是活性氧物种ROS）的过量产生与多种病理状态密切相关，包括神经退行性疾病、癌症、炎症、动脉粥样硬化及衰老等。其中，羟基自由基（•OH）、氢过氧自由基（•OOH）、烷氧自由基（•OR）和有机过氧自由基（•OOR）等氧中心自由基具有不同的反应活性和生物扩散能力，对脂质、蛋白质和DNA造成氧化损伤。尤其是•OOH自由基，虽反应性较低，但稳定性高，易引发脂质过氧化链式反应。生物体除自身的抗氧化防御系统外，外源性“链断裂型”抗氧化剂（如酚类、维生素E、维生素C等）可通过淬灭过氧自由基来终止脂质过氧化过程，具有重要的健康意义。

近年来，一类含有羟基或甲氧基芳基腙结构的1H-苯并咪唑-2-基腙类化合物被合成出来，并表现出优异的抗蠕虫活性、细胞毒性和自由基清除能力。前期研究通过热力学参数初步揭示了其可能通过氢原子转移（HAT）、单电子转移-质子转移（SET-PT）、顺序质子损失电子转移（SPLET）和自由基加合物形成（RAF）等多种机制发挥抗氧化作用，但尚未考虑pH值影响、反应路径分支比、多种互变异构体参与反应以及反应动力学等关键问题。

为此，Miglena К. Georgieva、Maria Argirova和Denitsa Yancheva选择了两类高活性的二羟基取代化合物（2,3-二羟基衍生物1和3,4-二羟基衍生物2）和一类低活性的3,5-二甲氧基苯衍生物3，采用（U）M06-2×/6–311++G** 理论水平，结合SMD溶剂模型，在苯和水两种溶剂中模拟非极性与极性生物环境，系统研究了它们与•OCH₃、•OOH和•OOCH₃自由基的反应机制与动力学行为。研究还考察了化合物的互变异构（氨基与亚氨基形式）及酸碱性对反应路径的影响。相关成果发表在《Computational and Theoretical Chemistry》上。

为开展本研究，作者主要采用了以下关键技术方法：

1. 1.

   采用高斯09软件包进行密度泛函理论（DFT）计算，使用M06-2×泛函和6–311++G**基组，并结合SMD溶剂模型优化几何构型及频率计算；

2. 2.

   运用传统过渡态理论（TST）计算速率常数，引入Wigner和Eckart隧道效应校正，并通过Collins–Kimball理论估计溶液中的扩散限制速率；

3. 3.

   使用EyringPy程序计算酸解离常数（pKa）和摩尔分数，评估pH对反应机制的影响；

4. 4.

   通过键扫描和过渡态优化确定反应路径和活化能垒，分析不同机制（HAT、RAF、SET）的热力学与动力学参数。

3.1. 分子结构

化合物1–3存在氨基和亚氨基两种互变异构形式。在水中，氨基形式占主导（70%–99%），而在苯中，化合物1的亚氨基形式更稳定（71%）。通过水辅助质子转移的能垒（64–104 kJ·mol?1）远低于直接转移（200–214 kJ·mol?1），表明溶剂环境对互变异构平衡有显著影响。此外，计算得到的pKa值显示，化合物2的4-羟基酸性最强（pKa=8.08），其在生理pH=7.40下阴离子摩尔分数达17.3%，远高于其他化合物，暗示其更易发生去质子化参与SET机制。

3.2. 极性与非极性介质中的自由基清除机制

在苯中，反应主要通过HAT机制进行，RAF贡献可忽略。ΔG_reaction和ΔG^?表明，化合物1–3均可通过HAT淬灭•OCH₃、•OOH和•OOCH₃，其中H24（酚羟基氢）是最佳反应位点。在水中，去质子化后的SET机制占主导，阴离子形式与自由基的电子转移反应ΔG_reaction为负值（-7.7至-46.8 kJ·mol?1），表明热力学自发。尤其是化合物2的阴离子与•OOH反应ΔG_reaction低至-21.5 kJ·mol?1，动力学上更具优势。

3.3. 与•OCH₃、•OOH和•OOCH₃的反应动力学

总体速率系数（k_overall）分析表明，在苯中，化合物2反应最快（k=1.13×10? M?1·s?1 for •OCH₃），化合物3最慢。所有化合物对•OOCH₃的k_overall均超过10? M?1·s?1，表明能有效终止脂质过氧化。在水中，SET机制占主导，化合物2对•OOH和•OOCH₃的k_overall高达10? M?1·s?1，显著超过抗氧化阈值（1.18×103 M?1·s?1）及Trolox（1.70×10? M?1·s?1）、辣椒素（6.50×103 M?1·s?1）等已知抗氧化剂，凸显其高效抗氧化潜力。

本研究通过计算化学方法全面揭示了1H-苯并咪唑-2-基腙类化合物的自由基清除机制与动力学特性。在非极性介质中，HAT是主要机制；而在极性介质中，去质子化后的SET机制占主导。所有化合物均能有效淬灭•OOCH₃，阻断脂质过氧化链式反应。其中，3,4-二羟基衍生物（化合物2）表现出最优的抗氧化活性和反应速率，其动力学参数显著高于经典抗氧化剂。该研究不仅深化了对该类化合物抗氧化机制的理解，还为设计高效、环境适应性抗氧化剂提供了重要的理论与动力学依据。未来可通过实验测定反应速率常数，进一步验证计算结果的可靠性，推动该类化合物在生物医学领域的应用。