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5-羟色氨酸（5-HTP）的电化学氧化机制及其pH、温度、扫描速率和表面吸附的影响被系统研究。通过循环伏安法、库仑ometry和量子化学计算（B3LYP/6-311+G，PCM溶剂化），揭示了5-HTP在酸性介质中分步氧化为醌亚胺中间体并最终形成4,5-二酮色氨酸的机理。研究证实氧化过程涉及两电子、两质子转移，且阳极峰电位与pH呈负Nernstian斜率（?0.059 V/pH）。温度依赖性分析表明反应为自发且放热过程。表面吸附通过Chronocoulometry定量，结合DFT计算验证了5-HTP在电极表面的端基吸附取向。这些发现深化了对苯酚基吲哚类神经递质前体氧化行为及吸附机制的理解。
Fatemeh Zandyan|Hassan Shayani-Jam|Mohammad Reza Yaftian
伊朗赞詹大学理学院化学系，邮政编码45371–38791，赞詹，伊朗
摘要
5-羟色氨酸（5-HTP）是血清素的直接前体，在调节神经功能方面起着关键作用，并因其治疗潜力而在与血清素相关的疾病研究中受到广泛关注。本研究探讨了5-HTP在水溶液中的电化学氧化过程，重点研究了pH值、温度、扫描速率和表面吸附对其的影响。循环伏安法和库仑法分析表明，5-HTP经历了一个两电子、两质子的氧化过程，生成一种醌亚胺中间体，该中间体在酸性条件下进一步反应生成4,5-二酮色氨酸。阳极峰电位依赖于pH值，具有负的能斯特斜率（?0.059 V/pH），表明质子和电子参与的数量相等。在酸性介质中观察到了两个不同的阳极峰，这表明氧化机制受到质子浓度的影响。通过扫描速率研究进行的电化学分析揭示了该反应机制同时受到扩散和表面吸附过程的影响，且在高pH值时表面吸附的作用减弱。采用计时库仑法量化了表面吸附过程。结合高斯计算（B3LYP/6-311+G，PCM溶剂化模型）的结果表明，5-HTP在电极表面的吸附方式为末端朝向。通过对温度依赖性的分析，确定了反应的自发性和放热性质。这些发现加深了对5-HTP电化学行为的理解，为其氧化还原途径提供了见解，并为相关的吲哚衍生物提供了物理化学基础。
引言
5-羟色氨酸（5-HTP）是神经递质血清素的直接生化前体，也是一种常用的膳食补充剂[1],[2],[3],[4],[5]。它是一种含有酚羟基和氨基酸侧链的取代吲哚。其电化学氧化过程为研究生物相关酚类吲哚的氧化还原化学提供了有价值的模型，这类吲哚的氧化转化与神经递质代谢、氧化应激途径以及神经活性化合物的电化学传感器开发密切相关[6,7]。5-HTP的特定结构特征——富含电子的吲哚环、pH值变化的酚羟基以及两性氨基酸侧链——直接决定了其电化学行为。吲哚的π系统促进了初始电子转移和自由基-阳离子的形成，这一点在Dryhurst及其同事的开创性研究中已有报道[8],[9],[10]。酚羟基参与质子耦合的电子转移步骤，从而形成了两步氧化途径。此外，侧链功能基团的pH值依赖性质子化（与Mazák等人的报道一致[11]）调节了在电极界面上的吸附强度和表面取向。由于5-HTP是血清素的直接代谢前体，其质子耦合的氧化还原行为为研究酚类吲哚神经递质前体的氧化转化提供了化学上准确的模型。5-HTP的氧化或质子耦合转化可能影响其内在的化学稳定性和反应途径，从而为基于吲哚的生物分子的氧化还原过程提供了机制上的见解。因此，阐明5-HTP氧化的机制不仅有助于理解其电化学行为，还为解释结构相似的吲哚系统的氧化途径提供了仿生学框架，而无需涉及直接的生理调控[1,10]。
尽管经过数十年的研究，5-HTP电化学的一些重要分子层面问题仍未完全解决。Dryhurst及其同事的早期开创性研究确定了在酸性介质中生成醌亚胺中间体和随后的4,5-二酮产物[8],[9],[10]，但这些研究主要依赖于循环伏安法和产物分离，未能明确强酸性条件下质子耦合电子转移的化学计量关系和反应途径的分支情况、pH值依赖性的扩散与吸附控制机制之间的竞争起源、电极表面的定量覆盖度以及速率决定步骤的可靠热力学参数（ΔG°、ΔH°、ΔS°）。最近的研究集中在改进的电极用于分析检测[6,7]，但尚未系统地解决这些基本的机制和热力学问题。
本研究首次通过将计时库仑法与基于密度泛函理论（DFT）的表面面积匹配相结合，定量确定了吸附几何结构和覆盖度，并通过全面的pH值和温度依赖性伏安法及库仑法实验，解析了质子耦合的详细机制，并从范特霍夫（van’t Hoff）分析中得出了热力学上一致的能量参数，从而填补了这些空白。这种实验-理论相结合的方法为5-HTP的pH值可切换氧化途径和吸附行为提供了新的机制见解，显著超越了以往的定性伏安描述[8],[9],[10]，并为酚类吲哚神经前体的氧化还原过程建立了严格的基准。
试剂和材料
本研究中使用的所有化学物质的纯度均大于98%，除非另有说明，均按原样使用。5-羟色氨酸（5-HTP）购自Cosar制药公司（伊朗德黑兰），丙酮购自Neutron公司（伊朗德黑兰）。用于电极抛光的氧化铝粉末（0.3毫米粒径）购自Alumina公司（伊朗德黑兰）。试剂级盐酸（37 w/w%）、磷酸（85 w/w%）、醋酸（65 w/w%）和氨水溶液（25 w/w%）、碳酸氢钠也均来自相同来源。
5-羟色氨酸（5-HTP）的氧化
5-羟色氨酸在生物合成吲哚中具有独特的结构特征，它结合了酚羟基（色氨酸中不存在）和α-氨基酸侧链（血清素和5-羟基吲哚中不存在）。这些特征赋予了它独特的电化学性质。色氨酸在酸性介质中表现出单一的不可逆氧化波（约0.75–0.80 V vs. SCE），且几乎没有吸附现象，而血清素则会发生不可逆氧化。
结论
本研究全面研究了5-羟色氨酸（5-HTP）在水溶液中的电化学氧化过程，详细分析了其在不同条件下的行为。循环伏安法和库仑法实验表明，5-HTP经历了一个两步氧化过程，总共转移了四个电子，这一过程通过0.25毫米摩尔5-HTP消耗的102.3库仑电荷得到了证实。在高H?浓度的酸性介质中，首先发生两电子转移步骤
CRediT作者贡献声明
Fatemeh Zandyan：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法学设计、实验实施、数据整理、概念构建。Hassan Shayani-Jam：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、结果验证、项目监督、资源协调、方法学设计、资金获取、数据分析、概念构建。Mohammad Reza Yaftian：撰写 – 审稿与编辑、数据可视化、结果验证、项目监督、项目管理、形式化分析。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
特别感谢赞詹大学研究和技术副校长办公室对本研究的支持。
