二甲双胍与金属离子（Cu2+、Zn2+、Mg2+、Ca2+）复合物的物种形成及其环境行为：温度和离子强度的热力学影响

《The Journal of Chemical Thermodynamics》：Speciation and environmental fate of metformin–metal complexes (Cu2+, Zn2+, Mg2+, Ca2+): Thermodynamic dependence on temperature and ionic strength

　　摘要：本文研究了3-(二氨基亚甲基)-1,1-二甲基胍（二甲双胍）在水溶液中的热力学性质。二甲双胍是一种广泛用于治疗2型糖尿病的双胍类药物。目前，针对不同温度和离子强度范围的系统热力学数据仍较为缺乏。通过电位滴定法研究了其酸碱性质以及与金属离子的相互作用。在288.15?≤?T/K?≤?310.15的温度范围以及0.1?≤?I/(mol?kg?1 H2O)?≤?1（以NaCl为参照）的离子强度范围内，测定了二甲双胍的质子化常数。利用范特霍夫方程、特定离子相互作用理论以及修正后的德拜-休克尔方程，对平衡常数随温度和离子强度的变化规律进行了建模。最优的物种分布模型包括MgL、CuL、CuL22+、ZnLH3+和ZnLOH+这些物种。尽管两个质子化步骤的焓变相当，但第一步的熵变更大。这些结果为模拟二甲双胍在生物环境和海洋环境中的行为提供了统一的热力学框架。

引言：二甲双胍（3-(二氨基亚甲基)-1,1-二甲基胍）是治疗2型糖尿病的一线口服药物，被列入世界卫生组织的基本药物清单中[1]、[2]、[3]、[4]。除了降糖作用外，人们也越来越关注其在肿瘤学、神经生物学以及炎症性疾病领域的潜在应用[5]。其作用机制中一个常被忽视的方面是它作为螯合剂的能力，能够与具有生物活性的金属离子形成复合物。这种金属结合能力被认为在其生物活性中起着关键作用，已有研究表明二甲双胍可与主族元素、过渡金属以及镧系金属形成多种复合物[6]、[7]、[8]。尤其是某些金属-二甲双胍复合物（如与Cu2+、Ni2+和Zn2+形成的复合物），其降糖效果甚至优于游离的二甲双胍本身[9]。尽管二甲双胍非常重要，但其与金属离子相互作用的溶液热力学特性却研究得不够充分。关于其质子化常数和稳定常数的文献资料十分有限。据我们所知，仅有少数研究报道了水中Cu2+和Zn2+的质子化常数和稳定常数，而关于与Ca2+和Mg2+形成的复合物的稳定常数则尚未有相关报道[10]、[11]、[12]。此外，以往的研究大多在有限的实验条件下进行，通常只在单一温度和离子强度下测试，且多在混合溶剂或非水溶剂中进行。这些限制大大降低了现有热力学数据在真实环境和生物系统中的应用价值。鉴于二甲双胍在环境中的重要性日益凸显，获取可靠的热力学数据显得尤为重要。由于人体内对其代谢不完全，该化合物在污水处理厂排放物、地表水以及地下水中普遍存在，其浓度范围从纳克/升到微克/升不等[13]、[14]、[15]。因此，二甲双胍及其持久性转化产物胍基脲目前被列为需要重点关注的新兴污染物。要了解它们的环境归趋、迁移性以及潜在毒性，就需要详细了解它们的化学形态，而这又依赖于不同温度和离子强度条件下的精确热力学常数。基于此，本研究旨在对水溶液中的二甲双胍进行全面的热力学表征。在代表自然水和生物液体的NaCl水溶液中，于较宽的温度范围（288.15?≤?T/K?≤?310.15）和离子强度范围（0.11?≤?I/(mol?kg?1)?≤?0.98）内测定了二甲双胍的质子化常数。同时，在T?=?298.15?K时也测定了其与Cu2+、Zn2+、Mg2+和Ca2+形成复合物的稳定常数。利用特定离子相互作用理论[16]、[17]以及修正后的德拜-休克尔方程，对平衡常数随温度和离子强度的变化规律进行了建模，从而可以计算出无限稀释条件下的热力学参数。此外，还通过范特霍夫分析得到了质子化平衡的标准热力学函数（ΔG0、ΔH0、ΔS0）。利用pL0.5参数量化了二甲双胍对Cu2+和Zn2+的螯合能力。最后，在海水环境中进行了物种分布模拟，以评估所研究平衡反应在环境中的实际意义。据我们所知，这是首个涵盖在宽离子强度范围内的纯水NaCl介质中二甲双胍与Cu2+、Zn2+、Mg2+和Ca2+形成复合物的全面数据集。

试剂部分：所有溶液均使用分析级玻璃器皿以及电阻率为ρ?=?1.82?×?105?Ω?m、在298.15?K时无二氧化碳的双蒸馏水制备。邻苯二甲酸氢钾、盐酸Titrisol?（浓度为1.02?mol?kg?1）、氯化钠、乙二胺四乙酸二钠二水合物以及无水碳酸钠均由德国达姆施塔特的默克公司提供。氯化锌、氯化铜二水合物、六水合氯化镁以及氯化钙二水合物也由该公司提供。

软件部分：质子化常数和复合物形成常数是通过BSTAC程序对电位滴定数据进行处理后确定的。在拟合过程中，会同时优化试剂的分析浓度、标准电极电势（E0）、水的离子积（pKw）以及电极接点电位参数。平衡常数随温度和离子强度的变化规律则是通过LIANA程序[19]进行建模的，该程序也被用来计算热力学参数。

热力学参数建模：二甲双胍的质子化平衡与其氨基的质子化过程相关。质子化和复合物形成的整体平衡反应可表示为：jMn++iH++kL0=MjHiLknj+iβjikH，其中M、H和L分别代表金属阳离子（Zn2+、Cu2+、Mg2+或Ca2+）、质子以及配体，相应的整体稳定常数为βjikH。当k?=?0且i??1时，方程（1）则表示配体的质子化反应。

质子化常数随离子强度和温度变化的建模：二甲双胍的两个质子化常数分别对应于单质子化/中性形式与双质子化/单质子化形式的转换[28]。在极高的pH值下，二甲双胍主要以中性形式存在[15]。随着pH值下降，二甲双胍的两个氨基开始质子化，而在pH?
结论：本文对水溶液中的二甲双胍进行了全面的热力学研究，涵盖了其在不同温度和离子强度条件下的质子化平衡以及与Cu2+、Zn2+、Mg2+和Ca2+的相互作用。所得到的平衡常数和热力学参数构成了一套完整的数据集，可用于模拟真实的水溶液体系。二甲双胍的质子化过程分为两个明确的步骤，这两个步骤的焓变相当，但驱动力有所不同。

作者贡献说明：Kavosh Majlesi负责文章的写作——审阅与编辑、写作——初稿撰写、方法论设计以及研究工作。Concetta De Stefano负责写作——审阅与编辑、研究指导、资金筹集以及概念构思工作。Francesco Crea负责写作——审阅与编辑、写作——初稿撰写、方法论设计、研究工作以及概念构思工作。Clemente Bretti负责写作——审阅与编辑、写作——初稿撰写、方法论设计、研究工作以及概念构思工作。

利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

Kavosh Majlesi|Concetta De Stefano|Francesco Crea|Clemente Bretti
伊朗德黑兰伊斯兰阿扎德大学科学与研究部化学系