维生素B12催化典型卤代有机污染物还原脱卤反应机理的理论研究

Exploring the highly efficient and economical technology on the treatment of halogenated organic pollutants is one of the hot issues in environmental research. Using purified vitamin B12 rather than live cells in in vitro experiments has shown that vitamin B12 is a strong reductant which can reduce diverse classes of halogenated organic pollutants into nontoxic products. Therefore, reductive dehalogenation of organic pollutants by vitamin B12 represents a meaningful abiotic remediation strategy. However, in order to assess the detoxification effect during the dehalogenation processes, it is necessary to know the molecular-level reaction mechanism between reductant and substrate. In this proposal, except for using kinetic and analytical experiments for providing the optimal reaction conditions and quantum chemistry calculation for studying all possible reaction pathways, we will study the stable isotope fractionation effect experimentally and computationally as well. All of these efforts aim at providing a comprehensive understanding of the reductive dehalogenation mechanisms of five classes of chlorinated alkane, brominated alkane, chlorinated alkene, chlorinated benzene and polybrominated diphenyl ether by vitamin B12. Then, in order to provide theoretical basis for abiotic field remediation, it is useful to build linear free energy relationships (LFERs) between the molecular descriptors representing mechanism and dehalogenation reactivity for each classes of the halogenated organic pollutants to predict the transformation rate of unknown halogenated organic pollutants.

探索卤代有机污染物高效、低耗的处理技术，是环境领域的热点问题之一。使用从生物体内提取的维生素B12分子取代活细胞直接用于体外催化，可参与非特异性的体外还原脱卤反应，对多种类型的底物均起催化作用并将之转化为无毒分子，在污染场地修复中有着重要的应用价值。而评估维生素B12催化污染物脱卤过程中产生的脱毒效应，需要从分子水平深入解析脱卤过程的微观反应机理。除将采用动力学和分析实验确定最优反应条件以及量子化学计算研究可能的反应路径外，本研究拟采用实验和量子化学计算结合研究稳定同位素分馏作为反应的“机理探针”，以全面解析维生素B12对氯代烷烃、溴代烷烃、氯代烯烃、氯代苯及多溴联苯醚等五类代表性卤代有机污染物的还原脱卤机理。并将基于反应机理建立表征分子结构和脱卤反应性构效关系的线性自由能关系模型，以更好地预测未知卤代有机污染物的迁移转化趋势和速率，从而为维生素B12应用于污染场地修复过程提供理论基础。

多数厌氧微生物体内的还原脱卤酶，通过研究发现是以金属辅酶-维生素B12（Vitamin B12）的形式存在。由于维生素B12分子中起还原脱卤作用的处于还原态的一价钴原子同时具有很强的还原性和亲核性，导致其催化还原脱卤反应路径的多样性。尤其是部分卤代有机化合物在还原脱卤过程中生成的中间体分子相比较于母体化合物可能会表现出更强的毒性。而评估维生素B12分子催化污染物脱卤过程产生的脱毒效应，需要通过对脱卤反应微观反应机理研究，以了解反应的热力学可行性、转化速率以及产物形成路径等要素用于评估过程。在维生素B12催化还原脱卤反应机制的研究中，地下水中常见有机污染物氯代乙烯类化合物是研究最多的底物种类。根据大量实验文献报道，维生素B12催化还原氯代乙烯类化合物的反应机理存在较大争议，可能存在的反应机理有：电子转移、亲核取代及亲核加成。该项目首次系统地解析了维生素B12催化还原氯代乙烯类化合物的“乒乓”反应机理：四氯乙烯和三氯乙烯主要经亲核取代的反应路径脱卤，而维生素B12催化还原二氯乙烯和氯乙烯主要通过亲核加成的反应路径，而尤其有趣的是脱卤反应进程中维生素B12的碱基像“乒乓球”一样在钴原子和钴啉环边缘弹跳。“乒乓”反应机理的揭示对于维生素B12催化其它类别的卤代有机污染物的还原脱卤反应机制的研究有重要的启示意义。稳定同位素分馏已逐渐用于解析化合物的酶促反应机理，而寻找适合研究痕量且干扰因素多的环境污染物体系降解机理的方法是近年来的研究重点。应用实验测得的二维单体同位素同时分析与反应位点相关的两种元素的同位素组成变化的相关性可有效区分同一污染物所经历的不同类型的降解路径，但每种类型的降解路径却只能通过与已报道降解路径对应的相关元素稳定同位素数值的范围进行比较确定具体反应机理，因此该方法有一定的局限性。申请人在维生素B12催化卤代乙烯类化合物还原脱卤反应机理的研究中提出了双元素稳定同位素分馏用于研究反应机理的计算新方法：即采用量子化学计算得到反应路径的过渡态的频率信息后，可进一步计算得到碳元素和氯元素的理论动力学同位素效应值(Kinetic Isotope Effect, KIE)；通过比较理论计算的双元素KIE值的比值与实验测得的双元素表观KIE值的比值，以确定最可行的反应机理，如图1.8所示。该方法同时可有效消除催化胁迫过程对同位素分馏的影响，进一步提高结果的可靠性与准确性。