卤代醌类物质是一类具有强烈肝、肾毒性以及致癌性的有毒化合物，常作为一类活性中间产物在卤代芳香持久性有机污染物的各种化学与酶促反应的氧化及降解过程中产生。最近在饮用水中检测到了四种具有潜在致肾癌效应的多卤代醌等消毒副产物。在先前研究中，本研究组已经发现卤代醌能在不依赖于金属离子的条件下促进氢过氧化物的分解产生羟基或烷氧自由基，并且还发现了一种新型的以碳为中心的醌酮自由基。此外，在研究异羟肟酸对卤代醌的保护机理过程中，发现它是一种非同寻常的二次Lossen重排反应。本博士论文将在以上研究的基础上继续深入系统地探讨卤代醌介导的自由基和重排反应机理。研究内容主要分以下四个部分:　　 第一部分:卤代醌介导的不依赖金属离子的有机氢过氧化物分解机制:一种新型的以碳为中心的醌酮自由基加合物的首次纯化与确证　　 虽然在卤代醌不依赖金属离子降解氢过氧化物的研究中，我们已经检测到了一种新型的自由基中间体，但是通过自旋捕获得到的这种碳中心醌酮自由基加合物却难以被分离，纯化以及进一步表征。使用一种新型的自由基捕获试剂BMPO，我们得到了更稳定的醌酮自由基加合物。有趣且意想不到的是，我们不仅能利用HPLC-ESI-Q-TOF-MS，以及高分辨质谱FTICR/MS直接检测和确认BMPO与醌酮自由基形成加合物的自由基形式，而且还能够利用半制备HPLC将这个自由基加合物直接分离纯化出来。这样，我们就可避免反应体系中同时产生的其他自由基的干扰，直接检测到纯净的具有6条谱线的以碳为中心的醌酮自由基加合物的特征ESR信号。该研究综合运用ESR自旋捕获方法，HPLC/MS方法和FTICR/MS方法，首次纯化及确证了一种新型的以碳为中心的醌酮自由基加合物的自由基形式。以上结果更直接地证明了在卤代醌介导的不依赖金属离子的氢过氧化物分解过程中，确实存在这样一种非同寻常的醌酮自由基中间体。　　 第二部分:N-甲基苯基异羟肟酸与卤代苯醌反应的自由基均裂机制　　 1.N-甲基苯基异羟肟酸与二氯苯醌反应的自由基均裂机制　　 我们之前发现苯基异羟肟酸(BHA)可以与二氯苯醌DCBQ发生亲核反应，生成相对稳定的O-一氯苯醌-BHA中间体CBQ-O-BHA，该中间体可发生Lossen重排，生成苯基异氰酸酯等产物。在本研究中，我们发现BHA的氮位上的氢被甲基取代后的N-MeBHA，也可以与DCBQ发生反应生成类似稳定的O-一氯苯醌-N-MeBHA中间产物CBQ-O-N-MeBHA。但令我们意外的是，这个中间体并不是通过Lossen重排，而是通过一种自由基均裂的途径发生降解。　　 通过核磁共振等多种分析手段，确认反应的主产物是C-N相连的CBQ(OH)-N(CH3)-CO-Ar，该产物是CBQ-O-N-MeBHA的同分异构体。利用BMPO作为捕获剂的ESR自旋捕获实验中，我们不但观察到了18条谱线的以氮为中心的自由基和以碳为中心的醌酮自由基，而且还发现了之前一直在寻找却没有检测到的以氧为中心的醌氧自由基。基于以上数据，我们推测DCBQ与N-MeBHA的反应机理如下:N-MeBHA亲核进攻DCBQ，形成相对稳定的CBQ-O-N-MeBHA中间产物，该产物进一步均裂分解形成以氮为中心的自由基·N(CH3)-COAr和以氧为中心的醌氧自由基CBQ-O·; CBQ-O·又会通过共振互变形成以碳为中心的醌酮自由基·CBQ=O，再与氮自由基·N(CH3)-COAr发生自由基偶联，继而发生酮-烯醇互变形成C-N相连的主产物CBQ(OH)-N(CH3)-CO-Ar。我们还发现，以氮为中心的自由基·N(CH3)-COAr可与脱氧鸟苷dG生成加合物，这说明它可能具有潜在的生物学意义。　　 2.异羟肟酸与卤代苯醌反应中产生氮氧自由基的新途径　　 去铁胺DFO是一种用来治疗铁过量的通用药物。DFO能保护由四氯氢醌TCHQ引起的DNA单链断裂。我们之前的研究表明DFO能显著降低TCHQ自动氧化产生的四氯半醌TCSQ·-的浓度和寿命，同时生成DFO氮氧自由基DFO·。然而， DFO·生成的确切分子机制仍不清楚。以N-MeBHA为模型分子，我们发现N-MeBHA也能显著降低TCHQ自动氧化产生的TCSQ·-的浓度和寿命，并同时产生N-MeBHA氮氧自由基N-MeBHA-O·。但不同的是，我们还通过自旋捕获检测到了一种以氮为中心的自由基·N(CH3)-COAr。并且，随着氮中心自由基的减少，N-MeBHA-O·不断增加。反应的主产物之一被鉴定为甲基苯甲酰胺(N-MeBA)。基于这些数据，我们提出了一种新颖的N-MeBHA氮氧自由基N-MeBHA-O·形成的分子机制:N-MeBHA亲核进攻TCHQ自动氧化的产物TCBQ，形成不稳定的TrCBQ-O-N-MeBHA中间体，该中间体能匀裂形成以氧为中心的三氯一羟基醌氧自由基和以氮为中心的自由基·N(CH3)-COAr。通过抽氢反应，该氮中心自由基·N(CH3)-COAr可与尚未反应的N-MeBHA形成氮氧自由基N-MeBHA-O·。本研究提出了一种氮氧自由基产生的新型途径，进一步支持了我们之前所提出的异羟肟酸保护卤代醌的解毒机理。　　 第三部分:N-苯基苯基异羟肟酸与卤代苯醌反应的分子机制:一类新型的Claisen重排反应　　 上部分研究已经表明N-MeBHA与DCBQ反应生成C-N相连产物的反应是通过自由基重排机理进行的。为进一步扩展以上研究，我们以N-苯基苯基异羟肟酸N-PhBHA取代N-MeBHA进行研究，结果大大出乎我们的意料。发现它与N-MeBHA与DCBQ的反应有三点主要的不同:1）我们没有检测到最初生成的醌异羟肟酸中间体CBQ-O-N-PhBHA;2）反应主产物不是C-N相连，而是C-C相连的异构产物CBQ(OH)-Ar-N-COAr，并且产率可高达96％;3）利用多种自旋捕获方法，我们都没有检测到自由基中间体。基于这些发现我们推测该反应可能是通过以下新型类Claisen重排反应机制进行:N-PhBHA亲核进攻DCBQ，形成极不稳定的CBQ-O-N-PhBHA醌中间体。该醌中间体会发生一次[3，3]-σ迁移重排，在N-O键断裂的同时，C-C键闭合形成C-C相连的终产物。因为这类新型的卤代醌介导的Claisen重排反应可生成新的C-C键且产率很高，所以这类重排反应可能有利于合成新型的C-C相连的化合物。　　 第四部分:四氯邻苯二酚与叠氮钠的协同毒性的分子机理:两种叠氮基-O-半醌自由基和一种独特的缩环产物的检测和鉴定　　 我们最近已经报道了在细菌模型中叠氮钠能以协同的形式显著提高四氯邻苯二酚所致的细胞毒性。但是，其潜在的化学机理并不清楚。在本研究中，我们确定了叠氮钠与四氯邻苯二酚的主产物是独特的缩环产物2-(氯氰亚乙基)-5-氨基-4-氯-3(2H)-呋喃酮(CACF)。利用ESR，HPLC，FTICR/MS和N15-末端取代的叠氮钠，我们检测到并表征了两个主要的自由基中间体，它们是叠氮基取代的多氯-O-半醌自由基。基于这些数据，我们提出了叠氮钠与四氯邻苯二酚反应的新型分子机制:N3-会首先进攻由四氯邻苯二酚自动氧化生成的四氯-O-半醌自由基，形成第一个不稳定的4-叠氮基-3，5，6-三氯-O-半醌自由基。该自由基进一步被另一分子的N3-进攻生成反应活性更高的第二种4，5-二叠氮基-3，6-二氯-O-半醌自由基中间体。该自由基中间体可能会发生非同寻常的两性离子重排形成缩环产物CACF。此研究首次检测并鉴定了一种独特的两性离子重排环缩合产物和两种非同寻常的叠氮基-O-半醌自由基。这两种活性叠氮基-O-半醌自由基的形成可能是四氯邻苯二酚和叠氮钠产生协同毒性的原因之一。