电子附着甲萘醌：形成长寿命母体阴离子及其生物学意义

《The Journal of Physical Chemistry A》：Formation of the Long-Lived Parent Anion upon Electron Attachment to Menadione

本综述通过交叉电子-分子束实验与理论计算，深入探讨了甲萘醌（维生素K3）捕获低能电子形成稳定阴离子的机制。研究发现，甲萘醌可高效形成长寿命的母体阴离子（MNQ–），其信号在0-2.5 eV能量区间内出现，峰位分别在~0 eV和0.7 eV，对应不同前体阴离子态的形成。该研究阐明了甲萘醌独特的电子俘获与稳定化能力，为其在生物环境（如血液凝固、氧化还原调节、细胞代谢）中的作用以及在癌症治疗中作为潜在的辐射增敏剂（radiosensitizer）的机制提供了分子层面的深刻见解。

　　

引言

甲萘醌（2-甲基-1,4-萘醌，C₁₀H₅O₂CH₃，MNQ），又称维生素K₃，是天然维生素K的合成类似物，属于生物相关性广泛的醌类家族。这类化合物的特征在于其芳香环系统中存在共轭的吸电子羰基，使得电子能在整个π系统中广泛离域，构成了其不寻常氧化还原行为的基础。醌类能够进行可逆的氧化还原反应，既可作为电子受体，也可作为电子供体，从而在氧化还原介导的生化过程中扮演多面角色。甲萘醌最初因其在血液凝固中的作用而被发现，后续研究揭示了其在氧化还原循环、细胞能量代谢以及潜在治疗应用（如抗癌）中更广泛的生化意义。其抗癌特性主要源于在癌细胞中诱导氧化应激的能力。然而，其治疗窗口较窄，过量会产生毒性。此外，甲萘醌在放射治疗中作为一种潜在的辐射增敏剂也受到关注。一个有效的增敏剂应能优先靶向癌细胞，同时最小化对健康细胞的影响。理解其电子转移特性、质子化及化学反应性，特别是与低能电子相互作用时形成离子中间体的过程，对于阐明其生物学功能至关重要。

实验方法

本研究采用的电子附着谱仪由分子束源、高分辨率半球形电子单色仪（HEM）和四极杆质谱仪（QMS）组成，并配备用于分析离子产物的脉冲计数系统。所研究的甲萘醌样品在室温下为固体，蒸气压较低。实验中，样品在电阻加热炉中逐渐加热至329 K，以确保不产生热分解且获得较高的离子信号。蒸汽通过铜毛细管直接引入HEM相互作用区。在整个测量过程中，主真空室压力保持在约2 × 10^–5Pa，确保单次碰撞条件。低能电子附着产生的阴离子被弱静电场（~0.6 V/cm）提取并导入QMS进行质量分析。使用CCl₄形成Cl^–的著名解离电子附着（DEA）过程来校准电子能量标尺并确定HEM的能量展宽。实验中的电子束能量分辨率（半高宽）为120 meV，电流为30 nA。

理论方法

为更深入理解电子附着过程，我们使用施温格多通道（SMC）方法进行了电子散射计算。散射计算在甲萘醌中性基态的优化几何结构下进行，该结构通过Gaussian 16软件中的CAM-B3LYP泛函和Dunning的aug-cc-pVDZ基组优化获得。仅考虑了模型中的弹性散射通道。靶标的电子结构在限制性哈特里-福克理论水平上进行描述。虽然固定核的SMC计算给出了电子附着能，但未考虑振动弛豫。为了探索可能的解离途径，我们使用G4MP2方法计算了热化学阈值和电子亲和能（EA）。这些热化学值的估计不确定度约为±0.1 eV。

结果与讨论

在本研究中，观察到甲萘醌与电子附着后仅产生三种不同的阴离子碎片，其质荷比（m/z）分别为172（MNQ^–）、26（C₂H₂^–）和15（CH₃^–）。图1展示了在0-10 eV电子能量范围内，所有观测到的带负电物种的阴离子效率曲线。在较低能量范围（低于1 eV），仅形成母体阴离子，而另外两个阴离子仅在更高能量下被观测到。令人意外的是，并未观察到常见的（M – H）^?阴离子。表1总结了本实验中获得的峰值位置及相应的出现能（AE），同时列出了计算的热化学阈值以及计算和先前实验测得的中性碎片电子亲和能。

图2同时展示了实验测得的总电子附着截面（CS）和理论预测的A″对称性分量的弹性截面。在0至1 eV之间，可以清楚地看到两个主要实验特征与计算中得到的两个峰之间存在对应关系。计算出的弹性截面峰值约为220 × 10^–20m²，而实验测得的电子附着截面峰值约为1.9 × 10^–20m²，大约低两个数量级。考虑到计算采用的固定核近似以及实验估计值存在较大不确定性，截面值的巨大差异表明，电子自脱离是主要的衰变通道。

表2总结了理论和实验测定的共振能，以及阴离子态的相应指认。为了进行比较，还基于先前发表的理论和实验研究，提供了不含甲基的萘醌的类似数据。与甲萘醌共振相关的分子轨道如图3所示，与萘醌的轨道相似。尽管特征非常相似，但甲萘醌的共振能系统地更高，对于更高位的共振，差异更大。

计算弹性截面中最低能量的峰出现在0.22 eV，对应于电子捕获到π₂分子轨道形成的形状共振。随后的两个弹性截面峰，分别位于0.90 eV和3.07 eV，归因于π₃和π₄形状共振。此外，在3.55和3.75 eV处还有额外的峰，其后在4.0 eV有一个弱肩峰，在4.14 eV有另一个峰。这些特征在很大程度上来源于π₅和π₆单粒子组态以及涉及π₁和π₃轨道的核激发组态。甲萘醌也支持一个价键束缚阴离子，在SMC计算中位于-1.54 eV，其中π₁轨道（主要定域在对苯醌部分）被占据。相反，它没有足够强的偶极矩来支持偶极束缚阴离子。

C₁₁H₈O₂^–（母体阴离子，MNQ^–）

在本研究中，检测到了甲萘醌的亚稳态母体阴离子。该阴离子是甲萘醌电子附着过程中形成效率最高的物种，其离子产额大约是通过解离电子附着形成的其他阴离子的5000倍。值得注意的是，作为甲萘醌结构前体的苯和萘，都无法形成寿命足以用质谱仪检测的母体阴离子。我们的G4MP2计算得出甲萘醌的电子亲和能为1.95 eV，与早期计算值（1.67 eV）以及最新的实验值1.63(6) eV合理吻合。

对MNQ^–阴离子产额随电子能量变化的分析（图1）揭示，在低能量区域（0至2.5 eV）存在一个结构化的特征。乍看之下，有三个显著的峰，分别位于~0 eV、0.22 eV和0.69 eV。然而，它们表现出不对称的轮廓，并伴有明显的高能拖尾，这表明存在额外的重叠特征。通过用高斯函数拟合实验数据，识别出了另外三个较弱特征，分别位于0.06 eV、0.64 eV和1.04 eV。~0.69 eV处的显著特征可能是由于形成了π₃形状共振，该共振在我们的散射计算中位于0.90 eV。~0 eV处峰的起源则更令人困惑。萘醌及其一系列衍生物中类似的~0 eV峰被提出源于π₁束缚阴离子的振动费什巴赫共振。虽然这对于甲萘醌也是一种可能的机制，但我们提出另一种机制，即直接形成π₂形状共振（在散射计算中位于0.22 eV）。我们注意到，萘醌中相应的π₂共振也发现接近于0 eV。有趣的是，对苯醌和甲基对苯醌的母体阴离子并未在0 eV附近被观测到，尽管它们的π₁束缚阴离子在特征上与甲萘醌和萘醌的非常相似。这一观察似乎支持我们提出的通过π₂共振的稳定化机制。0.22 eV处存在一个可区分的峰，表明两种机制可能都起作用，尽管它也可能是由于振动激发能级引起的。无论如何，占主导地位的通道使得即使在热电子能量下也能高效形成母体阴离子，这凸显了醌基体系独特的电子结构和稳定化机制。

m/z= 26 和 15 (C₂H₂^–和 CH₃^–)

本研究中检测到的另外两种阴离子物种的形成效率远低于母体阴离子（见图1）。其中，C₂H₂^–碎片的形成需要显著的分子重排，因为它涉及甲萘醌结构的芳香环内至少两个键的断裂。有趣的是，相应的正离子先前已在甲萘醌的电子轰击（EI）质谱中被识别，表明存在共同的裂解途径。C₂H₂^–的形成也在结构相关的体系中被观察到：苯、2,3-二甲氧基-5-甲基氢醌（CoQ₀H₂）和甲基对苯醌（MpBQ）。在本研究中，发现C₂H₂^–阴离子的形成通过两个不同的共振峰发生，分别位于2.43 eV和7.22 eV。相应的出现能被确定为0.89 eV和3.24 eV。目前的热化学计算表明，当中性对应物是香豆素或异香豆素时，能量阈值为3.38 eV；当产生1,3-茚满二酮时，为3.40 eV；在色酮的情况下，为3.80 eV。考虑到理论计算和实验出现能值各自的估计不确定度（均约为±0.1 eV），位于7.22 eV并从3.24 eV开始的高能结构与形成1,3-茚满二酮或（异）香豆素作为C₂H₂^–的中性对应物是一致的。相比之下，2.43 eV处的低能特征很可能归因于甲萘醌样品中的杂质，可能是残留的苯。

本研究中信号最弱的阴离子对应于CH₃^–阴离子的形成，其强度与C₂H₂^–相当。它在6.89 eV处显示出一个非常微弱的信号，在8.88 eV处有一个更宽的特征。这个过程可能涉及单个C–C键的断裂，导致带负电的甲基消除。值得注意的是，在更小分子的甲基对苯醌中并未观察到这个解离电子附着通道。CH₃^–的测量阴离子产额覆盖了从约4 eV到超过10 eV的广泛电子能量范围。经详细分析，在6.89 eV和8.88 eV处识别出两个共振峰，相应的出现能分别为5.75 eV和5.14 eV。导致CH₃^–及其中性对应物的解离电子附着通道的最低计算热化学阈值为4.35 eV，比实验确定的最低出现能低约0.8 eV，因而是一致的。（M – CH₃）^?的缺失有些令人费解，考虑到其产生的反应阈值（2.31 eV）比我们观察到的CH₃^–的阈值（4.35 eV）要小。然而，由于阈值较低，（M – CH₃）^?物种将具有更多的过剩能量，有利于其进一步衰变，可能衰变为C₂H₂^–和一个中性对应物。观察到的C₂H₂^–和CH₃^–产额具有相似的轮廓，也表明它们可能源自相同的临时负离子态。

结论

甲萘醌在生物系统中扮演着多功能角色，尤其在血液凝固、氧化还原稳态和线粒体代谢中。由于其氧化还原活性的醌结构，甲萘醌也被提议作为潜在的辐射增敏剂和化疗辅助剂。本研究采用实验与理论相结合的方法，研究了低能电子附着于甲萘醌的机制，旨在阐明其作为电子受体的能力。尽管目前的结果仅限于气相测量，但它们为甲萘醌阴离子的形成和稳定性建立了一个清晰的基线，这对于解释其在更复杂的化学或物理环境中的行为是必要的。

我们的研究揭示，甲萘醌在低电子能量下能高效形成长寿命的母体阴离子。阴离子产额在低能量下呈现出结构化的轮廓，在0 eV和约0.7 eV处有显著信号。较低位的特征可能同时来源于（振动激发的）π₁束缚态和π₂形状共振，而较高位的特征则归因于π₃形状共振的形成。一旦前体阴离子态形成，有效的振动弛豫应能将阴离子稳定在π₁基态。相反，导致观察到的两个碎片阴离子（CH₃^–和C₂H₂^–）的解离电子附着途径需要高于4 eV的电子能量，且发生效率显著较低。与引言中讨论的电子轰击电离相比，电子捕获伴随着显著减少的碎片化。

确认甲萘醌能有效捕获低能电子，在辐射诱导的细胞损伤背景下尤为重要。观察到的MNQ^–稳定性表明，甲萘醌及其类似物可能有效地捕获由电离辐射产生的（例如，次级）电子，促进氧化还原循环和活性氧的形成。这种行为指明了其在癌症治疗中的增敏功能，即通过氧化应激和潜在的DNA损伤放大，增强辐射和化疗药物的细胞毒性。这些结果为理解支配甲萘醌生物活性的基本电子驱动过程提供了新的见解。甲萘醌在低能量下稳定多余电子的能力，结合其固有的氧化还原反应性，支持了其作为氧化还原活性增敏剂的潜在作用。在分子水平上理解这些机制，对于在放射治疗和氧化还原调节疗法中合理设计基于醌的制剂至关重要。