·綜述·

毛細(xì)管電泳手性拆分機(jī)理研究進(jìn)展

杜迎翔1， 2， 3*，嚴(yán)智1

(1. 中國(guó)藥科大學(xué)分析化學(xué)教研室，南京210009；2. 中國(guó)藥科大學(xué)藥物質(zhì)量與安全預(yù)警教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210009；3. 中國(guó)藥科大學(xué)天然藥物活性組分與藥效國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210009)

摘要：目的闡述近年來(lái)毛細(xì)管電泳手性拆分的機(jī)理研究進(jìn)展。方法歸納國(guó)內(nèi)外最新的文獻(xiàn)報(bào)道，對(duì)目前主流的三類(lèi)毛細(xì)管電泳手性識(shí)別機(jī)理研究方法進(jìn)行綜述。結(jié)果采用計(jì)算機(jī)分子模擬，結(jié)合毛細(xì)管電泳分析法和光譜分析法，可以從分子水平上研究毛細(xì)管電泳拆分體系的手性識(shí)別機(jī)理。結(jié)論計(jì)算機(jī)分子模擬技術(shù)已成為毛細(xì)管電泳手性拆分機(jī)理研究領(lǐng)域中的一種十分有力的工具。

關(guān)鍵詞：毛細(xì)管電泳；手性拆分；計(jì)算機(jī)分子模擬

doi:10.3969/j.issn.1004-2407.2015.06.035

中圖分類(lèi)號(hào)：R917文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號(hào).:81373378)

作者簡(jiǎn)介：嚴(yán)智，女，碩士研究生

收稿日期：(2015-05-12)

Research advance of chiral separation mechanism in capillary electrophoresis

DU Yingxiang1， 2， 3*， YAN Zhi1(1. Department of Analytical Chemistry， China Pharmaceutical University， Nanjing 210009，China； 2. Key Laboratory of Drug Quality Control and Pharmacovigilance (Ministry of Education)， China Pharmaceutical University， Nanjing 210009，China； 3. State Key Laboratory of Natural Medicines， China Pharmaceutical University， Nanjing 210009，China)

Abstract:ObjectiveTo summarize the chiral separation mechanism in capillary electrophoresis(CE). MethodThe latest domestic and foreign literatures of the mechanism research in CE enantioseparation were reviewed. Result Chiral resolution mechanism in CE has been illustrated by computer molecular modeling study at the molecular level， combined with CE analysis and spectral analysis. Conclusion Computer molecular modeling has been proven to be a very powerful tool in chiral separation mechanism research.

Key words: capillary electrophoresis (CE)； chiral separation； computer molecular modeling

*通信作者：杜迎翔，男，教授，博士生導(dǎo)師

隨著毛細(xì)管電泳(CE)手性拆分技術(shù)的發(fā)展，關(guān)于手性識(shí)別的機(jī)理研究也在逐漸深入。由于常規(guī)CE實(shí)驗(yàn)技術(shù)的限制，手性拆分的微觀機(jī)理難以通過(guò)電泳實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來(lái)直接進(jìn)行解釋?zhuān)疚膶⒅亟榻B目前主流的三類(lèi)毛細(xì)管電泳手性識(shí)別機(jī)理的研究方法。

1毛細(xì)管電泳分析法

利用毛細(xì)管電泳來(lái)研究分子間相互作用的方法被稱(chēng)為毛細(xì)管電泳相互作用分析。通過(guò)拆分實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)分離過(guò)程的手性識(shí)別機(jī)理進(jìn)行初步推測(cè)，主要研究方法有淌度移動(dòng)法、配體分離法、前沿分析法、空峰法以及Hummel-Dreyer法等[1]。

其中最常用的是淌度移動(dòng)法，即通過(guò)控制受體(或配體)濃度不變，不斷改變配體(或受體)的濃度，由受體(或配體)的電泳淌度和配體(或受體)濃度間的關(guān)系，用Scatchard方程求解主客體間的結(jié)合常數(shù)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合熱力學(xué)分析，通過(guò)計(jì)算主客體間的熱力學(xué)參數(shù)來(lái)研究分子之間的相互作用[2]。其中焓變(ΔH)反映了主客體分子之間的相互作用的大小，而熵變(ΔS)則反映了主客體分子之間構(gòu)象變化的程度[3]。理論上，焓變的絕對(duì)值越大，說(shuō)明主客體分子間的相互作用越強(qiáng)，越有利于主客體分子間產(chǎn)生相互作用；而熵變?cè)酱?，說(shuō)明主客體分子間發(fā)生相互作用的前后其構(gòu)象變化的程度越高。

Michalcova等[4]利用毛細(xì)管電泳前沿分析法、Hummel-Dreyer分析法以及親和毛細(xì)管電泳3種分析方法對(duì)牛血清白蛋白和水楊酸之間的親和力進(jìn)行了研究，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的比較以及熱力學(xué)參數(shù)的計(jì)算，簡(jiǎn)單闡述了牛血清白蛋白和水楊酸的結(jié)合機(jī)制，并發(fā)現(xiàn)氫鍵作用及范德華作用是復(fù)合物形成的兩大主要因素。

2光譜學(xué)分析法

光譜學(xué)分析法是通過(guò)物質(zhì)產(chǎn)生的特征光譜來(lái)研究物質(zhì)之間的相互作用，從而得到原子或分子的能級(jí)結(jié)構(gòu)、電子分布、分子幾何形狀、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等化學(xué)成分或物質(zhì)結(jié)構(gòu)多方面的信息[5-6]。

手性識(shí)別機(jī)理研究中主要采用熒光光譜法和核磁共振波譜法。兩者均可用于測(cè)定主客體分子之間的結(jié)合常數(shù)。熒光光譜法適用于有熒光現(xiàn)象的手性藥物，利用手性藥物熒光增強(qiáng)或減弱的程度與配體濃度間的關(guān)系建立Stern-Volmer方程，并進(jìn)一步計(jì)算配體和受體間結(jié)合常數(shù)，通過(guò)Van’t Hoff方程擬合判斷手性識(shí)別的作用力類(lèi)型。核磁共振波譜法則通過(guò)主客體結(jié)合前后化學(xué)位移的變化，判斷手性識(shí)別的結(jié)合位點(diǎn)。

Sohajda等[7]運(yùn)用CE和1H NMR滴定分析研究阿斯巴甜與多種環(huán)糊精的包合物形成，測(cè)定主客體相互作用的穩(wěn)定常數(shù)，比較配體與不同環(huán)糊精形成的復(fù)合物差別，并通過(guò)2D ROESY NMR和分子模擬技術(shù)確定復(fù)合物的包結(jié)幾何構(gòu)象。

3計(jì)算機(jī)分子模擬研究

近年來(lái)有不少文獻(xiàn)報(bào)道了應(yīng)用計(jì)算機(jī)分子模擬技術(shù)研究毛細(xì)管電泳手性拆分機(jī)理。利用分子模擬技術(shù)，建立分子模型，并通過(guò)相關(guān)計(jì)算機(jī)分子模擬軟件的使用，模擬分子間的結(jié)合過(guò)程，以圖形的方式更直觀地闡述分子之間的相互作用，從而在分子水平上對(duì)藥物對(duì)映體的手性識(shí)別機(jī)理進(jìn)行探討。

計(jì)算機(jī)分子模擬包括量子力學(xué)方法、分子力學(xué)方法、分子動(dòng)力學(xué)方法和分子對(duì)接技術(shù)等。

3.1量子力學(xué)方法利用計(jì)算機(jī)來(lái)計(jì)算量子力學(xué)各種相關(guān)分子參數(shù)，例如原子的靜電荷、分子結(jié)構(gòu)及靜電勢(shì)、各分子軌道的形狀及能量、系統(tǒng)總能量、超離域度和離域能等諸多直接或間接的分子相關(guān)信息。目前運(yùn)用較廣的量子化學(xué)計(jì)算方法主要是從頭計(jì)算法，它將量子化學(xué)分子軌道理論作為基礎(chǔ)，不需要借助經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，計(jì)算結(jié)果的精度高，可靠性強(qiáng)，但由于其消耗時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，處理一些較大的分子體系時(shí)常遇到困難[8]。在實(shí)際使用過(guò)程中常常利用半經(jīng)驗(yàn)算法來(lái)對(duì)從頭計(jì)算法進(jìn)行簡(jiǎn)化，從而使其可用于處理較復(fù)雜的分子體系，減少計(jì)算時(shí)間，而相應(yīng)代價(jià)則是計(jì)算結(jié)果的精度稍差。

Nascimento等[9]采用半經(jīng)驗(yàn)量子化學(xué)方法PM3和密度泛函理論(DFT)，結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬，在分子水平上研究羧甲基-β-環(huán)糊精與4-羥基普萘洛爾對(duì)映體的識(shí)別機(jī)理。結(jié)果表明，羧甲基-β-環(huán)糊精與藥物對(duì)映體之間形成的包結(jié)復(fù)合物的結(jié)合能差異可用于評(píng)價(jià)手性識(shí)別作用，并最終導(dǎo)致對(duì)映體拆分。Huang等[10]運(yùn)用PM3和半經(jīng)驗(yàn)分子軌道計(jì)算，探索了CE拆分中手性選擇劑β-環(huán)糊精和豬毛菜酚等藥物對(duì)映體的包結(jié)作用，并發(fā)現(xiàn)CE實(shí)驗(yàn)中對(duì)映體遷移時(shí)間與計(jì)算結(jié)果相一致。

3.2分子力學(xué)方法分子力學(xué)將分子看成一組靠諧振力或是彈性力而維系在一起的原子集合，其中每個(gè)化學(xué)鍵都有其相應(yīng)的鍵長(zhǎng)與鍵角標(biāo)準(zhǔn)。分子必須將其非鍵作用能處于最低狀態(tài)，同時(shí)使鍵長(zhǎng)值與鍵角值盡可能地接近標(biāo)準(zhǔn)值，才能對(duì)其幾何空間構(gòu)象進(jìn)行調(diào)整[11-12]。通過(guò)分子力學(xué)計(jì)算和能量?jī)?yōu)化，可以對(duì)化合物的空間結(jié)構(gòu)加以確定。

Issaraseriruk等[13]采用分子力學(xué)計(jì)算和半經(jīng)驗(yàn)算法PM3，并通過(guò)分子對(duì)接研究，預(yù)測(cè)了八聯(lián)(2，3-二乙酰基-6-叔丁基二甲基甲硅烷基)-γ-環(huán)糊精對(duì)手性苯乙烯氧化物的對(duì)映體差異性。結(jié)果表明，該γ-環(huán)糊精對(duì)苯乙烯氧化物對(duì)映體有較高的識(shí)別能力，從而也說(shuō)明該γ-環(huán)糊精具有作為色譜分離中手性選擇劑的可能性。

3.3分子動(dòng)力學(xué)方法通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)得到分子軌跡，在模擬時(shí)間足夠長(zhǎng)的情況下，可以得到體系在空間中的全部構(gòu)象。在分子動(dòng)力學(xué)方法中，模擬退火法被認(rèn)為是最有效的構(gòu)象搜索方法之一。它可以跨越較大的能壘，搜索出能量更低的構(gòu)象，從而有效地找出分子的優(yōu)勢(shì)構(gòu)象。模擬退火法在取舍構(gòu)象時(shí)，不僅考慮能量降低的變化，同時(shí)也考慮部分能量上升的構(gòu)象，因而有可能跳出局部勢(shì)阱，達(dá)到全局優(yōu)化，提高構(gòu)象搜索的效率和準(zhǔn)確性[8，12]。

Suliman等[14]在以β-環(huán)糊精為手性選擇劑，對(duì)巴氯芬對(duì)映體的CE拆分中，通過(guò)PM6半經(jīng)驗(yàn)算法和分子動(dòng)力學(xué)模擬，并結(jié)合對(duì)接計(jì)算來(lái)闡述對(duì)映體的手性識(shí)別機(jī)理。分子模擬結(jié)果表明，對(duì)映體與β-環(huán)糊精形成的復(fù)合物結(jié)合穩(wěn)定性之間的差異導(dǎo)致了手性拆分，而分子間的氫鍵作用是影響復(fù)合物穩(wěn)定性的主要因素之一。

3.4分子對(duì)接技術(shù)分子對(duì)接是2個(gè)或多個(gè)分子之間通過(guò)幾何匹配及能量匹配從而相互識(shí)別的過(guò)程，已成功應(yīng)用于藥物設(shè)計(jì)領(lǐng)域[15]。分子對(duì)接計(jì)算即是找到底物分子和受體分子的最佳結(jié)合位置，通過(guò)將配體分子放在受體分子的活性位點(diǎn)處，利用幾何互補(bǔ)、能量互補(bǔ)以及化學(xué)環(huán)境互補(bǔ)來(lái)實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)配體與受體相互作用的好壞，從而找到2個(gè)分子之間的最佳結(jié)合模式。通過(guò)分子對(duì)接計(jì)算，可以預(yù)測(cè)分子間的結(jié)合模式和作用力，從而探究手性識(shí)別機(jī)理[16]。分子對(duì)接方法和軟件有很多，如AutoDock、Gold、DOCK、FlexX等。

Li等[17]采用分子對(duì)接方法，確定羥丙基-γ-環(huán)糊精與艾迪康唑及其結(jié)構(gòu)類(lèi)似抗真菌活性化合物的主客體包結(jié)過(guò)程，研究可能的手性識(shí)別機(jī)理，并采用分子力學(xué)計(jì)算結(jié)合能，建立數(shù)學(xué)模型，結(jié)合CE實(shí)驗(yàn)的實(shí)際情況探索其預(yù)測(cè)拆分的可能性。該課題組[18]后采用分子對(duì)接軟件Gold，研究七-(2，3，6-三-O-甲基)-β-環(huán)糊精與三唑醇類(lèi)抗真菌活性化合物的主客體包結(jié)過(guò)程，并計(jì)算結(jié)合自由能，以期用對(duì)映體之間結(jié)合能的差異，對(duì)對(duì)映體拆分進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3.5量子力學(xué)法和分子力學(xué)法相結(jié)合分子力學(xué)法和分子動(dòng)力學(xué)法可以較為準(zhǔn)確地描述分子間的范德華作用力、靜電作用或是氫鍵作用力等，但由于沒(méi)有考慮到電子的運(yùn)動(dòng)，忽視了電子在化學(xué)鍵的形成和斷裂以及電荷轉(zhuǎn)移中的作用，從而影響計(jì)算結(jié)果的精度。量子化學(xué)法雖然能對(duì)各種小分子和中型分子的性質(zhì)進(jìn)行精確預(yù)測(cè)，但其耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)，在實(shí)際使用中仍有一定的局限性。

量子力學(xué)與分子力學(xué)相結(jié)合的方法是近年來(lái)興起的一種同時(shí)兼具高精度和高效率的新型分子模擬技術(shù)，現(xiàn)已被廣泛地應(yīng)用于生物體系和較大的化學(xué)體系研究中[19]。Elbashir等[20]比較了CE中β-環(huán)糊精單體系和β-環(huán)糊精與18-冠-6二元混合體系對(duì)3種伯胺化合物(1-氨基茚滿(mǎn)、1-(1-萘基)乙胺、1，2，3，4-四氫-1-萘胺)的拆分能力，并結(jié)合運(yùn)用分子力學(xué)和半經(jīng)驗(yàn)算法PM6來(lái)闡述手性識(shí)別機(jī)理及預(yù)測(cè)拆分過(guò)程。理論計(jì)算表明，在二元混合體系中，18-冠-6、伯胺化合物以及β-環(huán)糊精三者形成了一個(gè)穩(wěn)定的夾層化合物，且結(jié)合能較單體系有顯著提高。

4小結(jié)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，以計(jì)算機(jī)作為工具，通過(guò)分子模擬技術(shù)對(duì)受體與配體間的相互作用進(jìn)行研究，已經(jīng)成為十分重要和活躍的前沿領(lǐng)域。采用計(jì)算機(jī)分子模擬和毛細(xì)管電泳分析法，結(jié)合光譜分析方法，可以從分子水平上對(duì)毛細(xì)管電泳拆分體系的手性識(shí)別機(jī)理進(jìn)行研究和探討，從而進(jìn)一步指導(dǎo)手性分離工作。目前大部分CE手性拆分機(jī)理研究都集中在環(huán)糊精及其衍生物與客體分子的包結(jié)作用機(jī)制上，對(duì)于其他手性選擇劑的拆分機(jī)理研究仍十分缺乏。

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