蔣舉興，吳俊，王明鋒，段焰青，李源棟，吳少華

1 云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，云南昆明五華區(qū)紅錦路367號(hào) 650231；2 紅云紅河煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司技術(shù)中心，云南昆明五華區(qū)紅錦路367號(hào) 650231；3 云南大學(xué)省微生物研究所，云南昆明五華區(qū)一二一大街182號(hào) 650091

煙草和煙氣化學(xué)

S-(-)-尼古丁在氣相和水相存在形式的計(jì)算

蔣舉興1,2，吳俊1,2，王明鋒1,2，段焰青1,2，李源棟1,2，吳少華3

1 云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，云南昆明五華區(qū)紅錦路367號(hào) 650231；2 紅云紅河煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司技術(shù)中心，云南昆明五華區(qū)紅錦路367號(hào) 650231；3 云南大學(xué)省微生物研究所，云南昆明五華區(qū)一二一大街182號(hào) 650091

為研究在卷煙煙氣總粒相物和人體pH條件下，游離態(tài)、兩種單質(zhì)子化形式和二質(zhì)子化形式尼古丁的相對(duì)百分含量，在氣相和水相B3LYP/6-311++G (d,p)水平，分別對(duì)3種形式尼古丁的穩(wěn)定構(gòu)象進(jìn)行了優(yōu)化，計(jì)算了氣相和水相玻爾茲曼分布百分比、氣相質(zhì)子結(jié)合能、玻爾茲曼加權(quán)溶劑化能等物理化學(xué)參數(shù)，并根據(jù)尼古丁的pKa常數(shù)計(jì)算了中式卷煙煙氣總粒相物中游離態(tài)形式在總尼古丁中的含量。計(jì)算結(jié)果顯示：（1）在氣相中，兩種單質(zhì)子化形式尼古丁共存，兩者可以相互轉(zhuǎn)化，處于動(dòng)態(tài)平衡中；（2）在氣相中尼古丁的單質(zhì)子化主要發(fā)生在吡啶環(huán)N原子上，在水相中尼古丁的單質(zhì)子化主要發(fā)生在四氫吡咯環(huán)N原子上；（3）在中式卷煙煙氣總粒相物中游離態(tài)形式在總尼古丁中的含量約為0.3%～1.9%。

尼古?。粏钨|(zhì)子化尼古??；玻爾茲曼分布；密度泛函理論計(jì)算

S-(-)-尼古丁是各種煙草制品產(chǎn)生生理感受的重要化學(xué)物質(zhì)基礎(chǔ)，其結(jié)構(gòu)見圖1，在煙氣中其占總尼古丁含量的97%左右。在煙草及煙氣總粒相物中大部分尼古丁與有機(jī)酸結(jié)合成鹽以質(zhì)子化形式存在，非質(zhì)子化的游離態(tài)煙堿含量較少，隨著煙草及煙氣堿性的增強(qiáng)，游離態(tài)煙堿含量增加。尼古丁分子中有兩個(gè)N原子，因此單質(zhì)子化既可以發(fā)生在四氫吡咯環(huán)N原子上（以H+-Nsp3形式表示），也可以發(fā)生在吡啶環(huán)N原子上（以H+-Nsp2形式表示）。雖然現(xiàn)在一般認(rèn)為，在人體生理pH條件下，尼古丁的單質(zhì)子化發(fā)生在四氫吡咯環(huán)N原子上才能起到生理活性，但一直沒(méi)有在卷煙煙氣氣溶膠和人體pH條件下游離態(tài)、H+-Nsp3形式、H+-Nsp2形式和二質(zhì)子化形式尼古丁相對(duì)百分含量的報(bào)道。

Graton用HF/6-31G (d,p)方法[1]和Berthelot用AM1方法[2]，分別計(jì)算得到S-(-)-尼古丁的質(zhì)子親合能，校正后與實(shí)驗(yàn)值比較得到H+-Nsp3形式與H+-Nsp2形式的比例。Elmore等用HF/6-31G (d,p)方法對(duì)單質(zhì)子化尼古丁等進(jìn)行了優(yōu)化和頻率計(jì)算，在MP2/6-31G (d,p)和B3LYP/6-31G (d,p)水平計(jì)算了單點(diǎn)能，進(jìn)而計(jì)算得到各構(gòu)象的相對(duì)自由能，溶劑化模型為早前半經(jīng)驗(yàn)的SPT/OPLS和SM5.42R[3]。這些研究對(duì)深入理解尼古丁的質(zhì)子化過(guò)程起到了重要作用，但這些研究較早，使用計(jì)算基組水平較低，計(jì)算條件也較少。因此，系統(tǒng)研究S-(-)-尼古丁的幾何結(jié)構(gòu)深入理解尼古丁的存在形式，對(duì)闡明尼古丁與受體結(jié)合機(jī)理、進(jìn)行尼古丁的激動(dòng)劑和拮抗劑類藥物設(shè)計(jì)等都具有意義[1,3-4]。

圖1 S-(-)-尼古丁的結(jié)構(gòu)式Fig. 1 Structure of S-(-)-nicotine

1 材料與方法

S-(-)-尼古丁、H+-Nsp3形式、H+-Nsp2形式和二質(zhì)子化形式尼古丁的各構(gòu)象幾何結(jié)構(gòu)與能量都使用GAUSSIAN 09軟件包進(jìn)行計(jì)算[5]，所有構(gòu)象都在HF/sto-3G水平進(jìn)行了全掃描優(yōu)化，局部最低能量構(gòu)象都在B3LYP/6-31G* 水平進(jìn)行了重新優(yōu)化，并在B3LYP/6-311++G (d,p)水平進(jìn)行了氣相和水相優(yōu)化以得到更可靠的幾何結(jié)構(gòu)和能量，在水相的優(yōu)化分別采用CPCM和SMD溶劑模型。對(duì)所有駐點(diǎn)都進(jìn)行了振動(dòng)分析計(jì)算以確認(rèn)它們是穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，同時(shí)得到計(jì)算相對(duì)自由能(ΔG)和相對(duì)焓(ΔH)所需的頻率數(shù)據(jù)。根據(jù)吉布斯相對(duì)自由能，計(jì)算得到室溫平衡時(shí)每一個(gè)構(gòu)象的Boltzmann分布百分比[6]。

文獻(xiàn)結(jié)果指出，H+-Nsp3形式與H+-Nsp2形式的尼古丁可能共存[1]。因此，它們之間應(yīng)該是通過(guò)反應(yīng)1和2相互轉(zhuǎn)化，那么它們之間處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，也就可以計(jì)算兩種形式之間各構(gòu)象的Boltzmann分布百分比。

尼古丁與質(zhì)子結(jié)合生成H+-Nsp2形式或H+-Nsp3形式的質(zhì)子親合能(Proton affinity，PA)用式（1）計(jì)算，其中ΔH(H+) = 2.5 RT = 1.48 kcal/mol[7]。單質(zhì)子化形式尼古丁與質(zhì)子結(jié)合生成二質(zhì)子化形式尼古丁的質(zhì)子親合能(PA)用式（2）計(jì)算。

2 結(jié)果與討論

2.1 游離態(tài)、單質(zhì)子化和二質(zhì)子化形式尼古丁的氣相構(gòu)象

文獻(xiàn)中，對(duì)S-(-)-尼古丁及其質(zhì)子化形式各種構(gòu)象的命名方法較多[1,3,8]，經(jīng)過(guò)比較，本文參考Elmore的命名方法[3]，將H7-C7-C3-C2二面角接近0度的構(gòu)象命名為構(gòu)象A，H7-C7-C3-C2二面角接近180度的構(gòu)象命名為構(gòu)象B；根據(jù)尼古丁分子中N8位的甲基與吡啶環(huán)的相對(duì)朝向，將尼古丁命名為cis式或trans式；將單質(zhì)子化尼古丁用H+-Nsp2形式或H+-Nsp3形式表示，二質(zhì)子化尼古丁用H2++-nicotine形式表示。根據(jù)文獻(xiàn)和本文計(jì)算結(jié)果，這樣三個(gè)方面聯(lián)合命名就可以具體指代尼古丁及其質(zhì)子化形式的各穩(wěn)定構(gòu)象。

根據(jù)構(gòu)象搜索和優(yōu)化結(jié)果，尼古丁共有transA、transB、cisA、cisB四個(gè)穩(wěn)定構(gòu)象，見圖2。單質(zhì)子化發(fā)生在吡啶環(huán)N原子上的尼古丁共有H+-Nsp2transB、H+-Nsp2transA、H+-Nsp2cisB、H+-Nsp2cisA四個(gè)構(gòu)象，單質(zhì)子化發(fā)生在四氫吡咯環(huán)N原子上的尼古丁共有H+-Nsp3transA、H+-Nsp3transB、H+-Nsp3cisA、H+-Nsp3cisB四個(gè)穩(wěn)定構(gòu)象。二質(zhì)子化尼古丁共有-nicotinetransA、-nicotinetransB、nicotinecisB、-nicotinecisA四個(gè)穩(wěn)定構(gòu)象。

圖2 在氣相B3LYP/6-311++G (d,p)水平優(yōu)化得到S-(-)-尼古丁四個(gè)穩(wěn)定構(gòu)象的三維結(jié)構(gòu)Fig. 2 Three dimensional structure of four S-(-)-nicotine conformations optimized at B3LYP/6-311++G (d,p) level

表1列出了在氣相B3LYP/6-311++G (d,p)水平游離態(tài)、單質(zhì)子化形式和二質(zhì)子化形式尼古丁各穩(wěn)定構(gòu)象的相對(duì)電子能(ΔE)、相對(duì)吉布斯自由能(ΔG298K)、相對(duì)焓(ΔH298K)、玻爾茲曼分布百分比(P)和偶極矩(μ)。 從表1可以看出：（1）在氣相，游離態(tài)尼古丁主要以transA和transB兩種形式存在；（2）在氣相單質(zhì)子化尼古丁中，H+-Nsp2形式與H+-Nsp3形式尼古丁共存，單質(zhì)子化優(yōu)先在吡啶環(huán)N原子上進(jìn)行，但兩者的優(yōu)勢(shì)含量順序與Graton等[1]和Berthelot等校正后的最終結(jié)論相反[2]；（3）在氣相中，二質(zhì)子化形式尼古丁主要以transA和transB兩種形式存在；（4）在游離態(tài)、H+-Nsp3形式、H+-Nsp2形式和二質(zhì)子化形式尼古丁的穩(wěn)定構(gòu)象中，transA和transB構(gòu)象都是其對(duì)應(yīng)形式中最穩(wěn)定的兩個(gè)構(gòu)象，cisB和cisA構(gòu)象都是其對(duì)應(yīng)形式中相對(duì)能量較高的兩個(gè)穩(wěn)定構(gòu)象，cisB和cisA構(gòu)象在其對(duì)應(yīng)形式中的玻爾茲曼分布百分比都接近零，這與Elmore等的氣相計(jì)算結(jié)果一致[3]。

表1 在氣相B3LYP/6-311++G (d,p) 水平游離態(tài)、H+-Nsp2形式、H+-Nsp3形式和二質(zhì)子化形式尼古丁的相對(duì)電子能(ΔE)、相對(duì)吉布斯自由能(ΔG298K)、相對(duì)焓變(ΔH298K)、玻爾茲曼分布百分比(P) 和偶極矩 (μ)Tab. 1 Calculated relative electronic energies (ΔE), relative Gibbs free energy (ΔG298K), relative enthalpy (ΔH298K) and Boltzmann populations (P) for free, H+-Nsp2, H+-Nsp3, and dipronated nicotine at B3LYP/6-311++G (d,p) level in gas phase

2.2 兩種單質(zhì)子化形式和二質(zhì)子化形式尼古丁的氣相堿度

有機(jī)物的氣相堿度(Gas-phase basicity，GB)是指有機(jī)物分子在氣相條件下與質(zhì)子的親合能力，通常用化合物的氣相質(zhì)子親合能 (PA) 大小來(lái)表示。質(zhì)子親合能越大，越容易接受質(zhì)子，氣相堿度即堿性越強(qiáng)。有機(jī)物的氣相質(zhì)子親合能可以通過(guò)理論計(jì)算得到，但長(zhǎng)期以來(lái)人們都是在溶液中測(cè)定有機(jī)物的堿性，兩者有一定的差別。隨著高壓質(zhì)譜(High pressure mass spectrometry，HPMS)和離子回旋共振(Ion cyclotron resonance spectrometry，ICR)等技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，使得人們?cè)跉庀鄺l件下測(cè)定分子本身固有的堿度成為可能?？梢酝ㄟ^(guò)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)定分別得到有機(jī)物的堿度，以相互驗(yàn)證和指導(dǎo)對(duì)有機(jī)物分子特征的理解。

表2 在氣相B3LYP/6-311++G (d,p) 水平游離態(tài)、H+-Nsp2形式、H+-Nsp3形式和二質(zhì)子化形式尼古丁的玻爾茲曼加權(quán)吉布斯自由能(G298K)、焓(H298K) 和氣相質(zhì)子親合能(PA)Tab. 2 Boltzmann weighted Gibbs free energy (G298K), enthalpy (H298K) and proton affinity (PA) for free, H+-Nsp2, H+-Nsp3, and dipronated nicotine at B3LYP/6-311++G (d,p) level in gas phase

從表2可以看出：（1）在氣相中，尼古丁與質(zhì)子結(jié)合生成H+-Nsp2形式的質(zhì)子親合能為967.5 kJ/mol，生成H+-Nsp3形式的質(zhì)子親合能為957.9 kJ/mol，都高于水的質(zhì)子親合能691.0 kJ/mol[9]，說(shuō)明在氣相中尼古丁分子可以從H3O+中奪取H+，生成H+-Nsp2和 H+-Nsp3形式的尼古??；（2）生成H+-Nsp2形式的質(zhì)子親合能比生成H+-Nsp3形式高9.6 kJ/mol，而Graton理論計(jì)算未進(jìn)行相關(guān)校正時(shí)得到H+-Nsp2形式的氣相堿度（即質(zhì)子親合能）為936.6 kJ/mol，H+-Nsp3形式的氣相堿度為926.9 kJ/mol，H+-Nsp2形式的氣相堿度高于H+-Nsp3形式9.7 kJ/mol，因此本文該理論計(jì)算結(jié)果與Graton理論計(jì)算未進(jìn)行相關(guān)校正時(shí)的結(jié)果非常接近[1]，所以在氣相中尼古丁與質(zhì)子結(jié)合更容易生成H+-Nsp2形式的尼古丁，這也證實(shí)表1中兩種單質(zhì)子化尼古丁形式的玻爾茲曼百分比優(yōu)勢(shì)順序結(jié)果正確；（3）Graton等用FT-ICR方法測(cè)定得到尼古丁的氣相質(zhì)子親合能實(shí)驗(yàn)值為932.6±0.5 kJ/mol[1]，該實(shí)驗(yàn)條件下H+-Nsp2形式與H+-Nsp3形式共存，表2中計(jì)算得到只生成H+-Nsp2和 H+-Nsp3形式尼古丁的質(zhì)子結(jié)合能與該實(shí)驗(yàn)值都非常接近；（4）在氣相中，玻爾茲曼加權(quán)的單質(zhì)子化尼古丁與質(zhì)子結(jié)合生成二質(zhì)子化形式的質(zhì)子親合能為633.9 kJ/mol，低于水的質(zhì)子親合能691.0 kJ/mol[9]，說(shuō)明在氣相中單質(zhì)子化尼古丁從H3O+中奪取H+的能力較弱。

表3 在水相B3LYP/6-311++G (d,p) 水平游離態(tài)、H+-Nsp2形式、H+-Nsp3形式和二質(zhì)子化形式尼古丁的相對(duì)吉布斯自由能(ΔG298K)、玻爾茲曼分布(P)和玻爾茲曼加權(quán)溶劑化能（ΔG sol）Tab. 3 Calculated relative Gibbs free energy (ΔG298K), Boltzmann populations (P) and Boltzmann weighted solvation energy (ΔG sol) for free, H+-Nsp2, H+-Nsp3, and dipronated nicotine at B3LYP/6-311++G (d,p) level in water phase

2.3 游離態(tài)、單質(zhì)子化和二質(zhì)子化形式尼古丁的水相構(gòu)象

從表3可以看出，CPCM模型和SMD模型計(jì)算結(jié)果都說(shuō)明：（1）在水相中H+-Nsp3形式的玻爾茲曼分布百分比遠(yuǎn)大于H+-Nsp2形式，即在水相中H+-Nsp3形式的穩(wěn)定性遠(yuǎn)大于H+-Nsp2形式，這與氣相計(jì)算結(jié)果的優(yōu)勢(shì)順序完全相反，與文獻(xiàn)[1,8]結(jié)果一致；（2）在水相中H+-Nsp3形式尼古丁的transA和transB構(gòu)象最穩(wěn)定，這兩個(gè)構(gòu)象在單質(zhì)子化尼古丁中含量大于95%；（3）H+-Nsp3形式的ΔGsol小于H+-Nsp2形式，說(shuō)明H+-Nsp3形式在水相中的穩(wěn)定性更高；（4）在水相中二質(zhì)子化形式的transA和transB構(gòu)象最穩(wěn)定，同時(shí)二質(zhì)子化形式的ΔGsol顯著小于游離態(tài)和單質(zhì)子化形式，說(shuō)明在水相中二質(zhì)子化形式的穩(wěn)定性提高。

根據(jù)對(duì)卷煙煙氣氣溶膠檢測(cè)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，在氣相中，水的含量為1.3%左右，僅次于空氣成分和一氧化碳含量[10]；在粒相中，水的含量為10%左右[11]，為各種單質(zhì)化學(xué)成分中含量最高的成分[10]。再者，煙氣氣溶膠pH值約為5～6。因此卷煙煙氣氣溶膠中各種形式尼古丁的含量情況，可能與水相計(jì)算結(jié)果最接近。

表4列出了反應(yīng)3、4、5和6的玻爾茲曼加權(quán)反應(yīng)自由能，可以看出：（1）尼古丁從水合質(zhì)子中奪取質(zhì)子生成H+-Nsp3形式的反應(yīng)自由能為-160.84 kJ/mol（CPCM模型）或-129.99 kJ/mol（SMD模型），生成H+-Nsp2形式的反應(yīng)自由能為-152.64 kJ/mol（CPCM模型）或-108.39 kJ/mol（SMD模型），因此，在水相中尼古丁從水合質(zhì)子中奪取質(zhì)子優(yōu)先生成H+-Nsp3形式，這與2002年Graton等尼古丁在298 K水溶液中四氫吡咯環(huán)N原子的堿性略強(qiáng)于吡啶環(huán)N原子的結(jié)論一致[1]；（2）H+-Nsp2形式尼古丁從水合質(zhì)子中奪取質(zhì)子生成二質(zhì)子化形式的反應(yīng)自由能為-133.53 kJ/mol（CPCM模型）或-116.19 kJ/mol（SMD模型），H+-Nsp3形式尼古丁從水合質(zhì)子中奪取質(zhì)子生成二質(zhì)子化形式的反應(yīng)自由能為-125.34 kJ/mol（CPCM模型）或-94.60 kJ/mol（SMD模型），因此，在水相中H+-Nsp2形式尼古丁優(yōu)先從水合質(zhì)子中奪取質(zhì)子生成二質(zhì)子化形式。

表4 在水相B3LYP/6-311++G (d,p) 水平CPCM和SMD模型計(jì)算反應(yīng)3、4、5和6的反應(yīng)吉布斯自由能(ΔG)Tab. 4 Calculated reaction Gibbs free energy (ΔG) by CPCM and SMD model at B3LYP/6-311++G (d,p) level in water phase

2.4 主流煙氣總粒相物中游離態(tài)尼古丁的含量

由于在水溶液中，尼古丁的pKa常數(shù)已經(jīng)經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)測(cè)定和驗(yàn)證[1,12-13]，所以本文未計(jì)算該常數(shù)而直接采用了文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)值。文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，尼古丁分子有兩個(gè)pKa值，在298 K水溶液中分別為8.02和3.12[13]。該條件下，吡啶環(huán)N原子的pKa值為3.12，四氫吡咯環(huán)N原子的pKa值為8.02[1]。

卷煙煙氣氣溶膠體系中存在多種有機(jī)弱酸和弱堿，是一個(gè)復(fù)雜體系，表明煙氣氣溶膠體系具有一定的緩沖能力，是一個(gè)緩沖體系。這樣不同測(cè)定方法得到的中式卷煙煙氣總粒相物pH值[11,14]就可以代表煙氣氣溶膠的實(shí)際pH值，因此通過(guò)化學(xué)反應(yīng)平衡常數(shù)計(jì)算得到的各種形式尼古丁在總尼古丁中的含量[15]可以表征煙氣氣溶膠中的實(shí)際情況。所以可以通過(guò)式（3）、（4）和（5），結(jié)合尼古丁的pKa1= 8.02、pKa2=3.12[13]和卷煙煙氣總粒相物pH值，分別計(jì)算得到游離態(tài)、單質(zhì)子化和二質(zhì)子化尼古丁在總尼古丁中的含量，也可以計(jì)算其它樣品中各形式尼古丁的含量情況。本文對(duì)盧斌斌[11]報(bào)道的7種中式卷煙煙氣總粒相物、陳建潭[16]報(bào)道的1種卷煙煙氣總粒相物及人體血液中的游離態(tài)、單質(zhì)子化和二質(zhì)子化尼古丁在總尼古中的含量進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果見表5。

表5 卷煙煙氣中游離態(tài)、單質(zhì)子化和二質(zhì)子化尼古丁在總尼古丁中的含量Tab. 5 The ratio of free, mono-pronated, and dipronated nicotine to total nicotine in cigarette smoke

從表5可以看出，中式卷煙煙氣總粒相物的pH值約為5.51～ 6.32，此時(shí)總粒相物中游離態(tài)形式在總尼古丁中的含量約為0.3%～1.9%；另外，人體血液的pH值為7.35～7.45，此時(shí)游離態(tài)形式在總尼古丁中的含量為17.6%～21.2%。根據(jù)本文CPCM模型計(jì)算結(jié)果，可以計(jì)算得到人體血液中， H+-Nsp3形式在總尼古丁中的含量為76.0%～79.5%， H+-Nsp2形式在總尼古丁中的含量為2.8%～2.9%，H2++-nicotine形式在總尼古丁中的含量為0.0%。

目前，實(shí)驗(yàn)測(cè)定卷煙煙氣pH值和游離煙堿的方法比較多[14,17]，表6列出常見測(cè)定方法和測(cè)定結(jié)果。2000年，陳建潭等對(duì)9種卷煙煙氣的測(cè)定結(jié)果顯示，粒相物pH值越低，游離煙堿比率越低，但這只是相對(duì)普遍規(guī)律，實(shí)驗(yàn)中粒相物pH值最高為6.09的卷煙樣品，其游離煙堿比率為10.3%[16]。2003年，Pankow等通過(guò)1H-NMR法測(cè)定雷諾公司Eclips卷煙煙氣粒相物中游離煙堿含量為4.1%，計(jì)算得到粒相pH值為6.69[18]。2003年，Pankow等通過(guò)對(duì)多個(gè)日常生活和尼古丁性質(zhì)相關(guān)數(shù)據(jù)的推導(dǎo)，分析了12種卷煙煙氣粒相物中游離煙堿含量為1%～36%，計(jì)算得到粒相物pH值為6.0～7.8[19]。2004年，Waston等對(duì)美國(guó)市場(chǎng)最暢銷的26種卷煙的檢測(cè)結(jié)果表明，高焦油卷煙（14～17 mg/支）煙氣中游離煙堿含量平均值為4.5%，低焦油卷煙（9～13 mg/支）煙氣中游離煙堿含量平均值為6.8%，超低焦油卷煙（1～6 mg/支）煙氣中游離煙堿含量平均值為14.7%（含量范圍為9%～29%），超低焦油卷煙的檢測(cè)結(jié)果支持了Pankow關(guān)于部分煙堿可能以揮發(fā)性游離態(tài)形式存在的推測(cè)[20]。2010年，Bao等采用頂空固相微萃取（HS-SPME）與氣相色譜-質(zhì)譜（GC-MS）聯(lián)用，直接測(cè)定2R4F參比卷煙煙氣中的游離煙堿，測(cè)定結(jié)果顯示：ISO抽吸模式游離煙堿的含量為4.8%，而加拿大深度抽吸模式游離煙堿的含量為3.5%[21]。該研究還指出，溫度、水分等操作條件和樣品基質(zhì)都會(huì)影響測(cè)定結(jié)果。2011年，汪秋安等采用頂空固相微萃?。℉S-SPME）與氣相色譜-質(zhì)譜（GC-MS）聯(lián)用，直接測(cè)定3R4F參比卷煙煙氣中的游離煙堿，ISO抽吸模式的測(cè)定平均值為15.02 μg/支[17]，而該參比卷煙煙氣的總尼古丁為0.726 mg/支[22]，由此計(jì)算得到3R4F參比卷煙煙氣中的游離煙堿含量為2.1%。

表6 實(shí)驗(yàn)測(cè)定卷煙煙氣的游離態(tài)尼古丁在總尼古丁中的含量Tab. 6 The ratio of free state nicotine to total nicotine in the cigarette smoke determined by references

根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道的卷煙煙氣中游離煙堿含量測(cè)定結(jié)果[16-21]與本文計(jì)算結(jié)果比較，可見實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果和計(jì)算結(jié)果基本一致。但不同實(shí)驗(yàn)方法之間存在一定的偏差，這主要是由于測(cè)定方法、樣品、測(cè)定條件不同造成的。特別是Pankow和Waston等[19-20]對(duì)國(guó)外超低焦油卷煙煙氣粒相物中游離煙堿含量的測(cè)定值顯著高于高焦油卷煙，這一方面可能是由于超低焦油卷煙與高焦油卷煙粒相物基質(zhì)成分有一定差異，另一方面可能是由于方法的適用條件限制。

3 結(jié)論

（1）在氣相中，單質(zhì)子化尼古丁主要以H+-Nsp2形式存在，H+-Nsp3形式尼古丁的含量約為4.4%，H+-Nsp2形式尼古丁與H+-Nsp3形式共存，兩者可以相互轉(zhuǎn)化，處于動(dòng)態(tài)平衡中。

（2）在氣相中，尼古丁從水合質(zhì)子中奪取質(zhì)子優(yōu)先生成H+-Nsp2形式；在水相中，尼古丁從水合質(zhì)子中奪取質(zhì)子優(yōu)先生成H+-Nsp3形式。

（3）綜合水相尼古丁各種形式構(gòu)象的計(jì)算結(jié)果、卷煙總粒相物中游離態(tài)尼古丁的含量、人體生理理pH條件下計(jì)算與藥物代謝研究結(jié)果，在中式卷煙煙氣總粒相物中游離態(tài)尼古丁在總尼古丁中的含量約為0.3%～1.9%；在人體生理pH條件下，游離態(tài)形式在總尼古丁中的含量為17.6%～21.2%， H+-Nsp3形式在總尼古丁中的含量為76.0%～79.5%， H+-Nsp2形式在總尼古丁中的含量為2.8%～2.9%，H2++-nicotine形式在總尼古丁中的含量為0.0%。

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Calculation of nicotine in gas phase and water phase forms

JIANG Juxing1,2, WU Jun1,2, WANG Mingfeng1,2, DUAN Yanqing1,2, LI Yuandong1,2, WU Shaohua3
1 Research and Development Center, China Tobacco Yunnan Industrial Co., Ltd., Kunming 650231, China;2 Technology Center, Hongyun-Honghe Tobacco (Group) Co., Ltd., Kunming 650231, China;3 Yunnan Institute of Microbiology, Yunnan University, Kunming 650091, China

The conformational percentage of nicotine in free, mono-protonated and dipronated forms in cigarette smoke were investigated under pH value of human body. Stable conformations of nicotine were optimized separately at B3LYP/6-311++G (d,p) level in gas phase and water phase. Boltzmann populations in gas phase and water phase, proton affinity, Boltzmann weighted solvation energy and other chemical parameters were also calculated. Ratio of free-state nicotine to total nicotine in Chinese-style cigarette smoke was calculated according to pKa constant of nicotine and pH value. Results showed that: (1) in gas phase, two forms of mono-protonated nicotine coexisted in dynamic balance; (2) in gas phase, mono-protonation of nicotine mainly occurred on the pyridine nitrogen, while on pyrrolidine nitrogen in water phase; (3) ratio of free-state nicotine to total nicotine in Chinese-style cigarette smoke ranged from 0.3% to 1.9%.

nicotine; mono-pronated nicotine; boltzmann population; density functional theory calculation

蔣舉興，吳俊，王明鋒，等.S-(-)-尼古丁在氣相和水相存在形式的計(jì)算[J]. 中國(guó)煙草學(xué)報(bào)，2016,22（3）

云南省科技廳項(xiàng)目“引導(dǎo)類工業(yè)[2014]01號(hào)”；中國(guó)煙草總公司科技項(xiàng)目“110201402040”

蔣舉興（1976—），博士，高級(jí)工程師，主要從事煙草化學(xué)和香精香料化學(xué)研究，Email：906805362@qq.com

吳少華（1975—），博士，教授，主要從事天然產(chǎn)物化學(xué)研究， Email：shwu123@126.com

2015-10-09

:JIANG Juxing, WU Jun, WANG Mingfeng, et al. Calculation of nicotine in gas phase and water phase forms[J]. Acta Tabacaria Sinica,2016,22(3)