龍威, 王二賀，黃銀飛，邱貴福, 連結(jié)

(1.廣東石油化工學(xué)院 化學(xué)學(xué)院，廣東 茂名 525000；2.廣東石油化工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 茂名 525000)

抗生素藥物在醫(yī)學(xué)治療方面發(fā)揮著重要的作用，頭孢克肟作為第3代口服頭孢菌素，在抗病毒普及治療中發(fā)揮很好的療效[1]。頭孢克肟對(duì)G+、G-菌的抗菌活性均有較好的表現(xiàn)，在人體內(nèi)的半衰期為4 h，不會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的副作用，這與何潔英的早期研究結(jié)果[2]基本一致。不同的頭孢克肟制劑在人體內(nèi)的動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)化過程類似，具有停留時(shí)間短、藥力作用明顯等特點(diǎn)。王英姿等[3]通過觀察頭孢克肟用于治療小兒急性細(xì)菌性腸炎的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)小兒急性細(xì)菌性腸炎癥狀緩解迅速且無不良反應(yīng)?；瘜W(xué)分析方法對(duì)藥物的分析與檢測(cè)亦有深入研究報(bào)道。劉松青等[4]提出生物樣品中的頭孢克肟微量含量可通過HPLC方法對(duì)血漿進(jìn)行分析，其準(zhǔn)確率可提高至99.2%。蔡爽[5]通過HPLC測(cè)定人體血漿、尿液中頭孢克肟的濃度，結(jié)合藥物動(dòng)力學(xué)研究，探究了頭孢克肟藥物在人體內(nèi)的代謝過程，發(fā)現(xiàn)無論何種形式的頭孢克肟藥物，都具有生物效性等，說明人體對(duì)此類藥物吸收效果好、代謝運(yùn)轉(zhuǎn)順暢。鑒于頭孢克肟在醫(yī)藥上的應(yīng)用廣泛，而該分子的計(jì)算報(bào)道尚未出現(xiàn)，選擇先進(jìn)的量子化學(xué)密度泛函方法，對(duì)頭孢克肟分子展開計(jì)算研究，同時(shí)使用實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)它的紅外光譜進(jìn)行表征與佐證，力求在理論研究水平上深入對(duì)該分子的微觀認(rèn)識(shí)。

1 研究方法

1.1 理論計(jì)算方法模型

頭孢克肟分子的設(shè)計(jì)是通過Gaussian View程序[6]與ChemOffice軟件[7]共同搭建完成的，考慮溶劑效應(yīng)選用PCM模型(水為溶劑)。幾何構(gòu)型、頻率分析、Fukui函數(shù)掃描等工作則用Gaussian 03程序[8]完成。密度泛函方法則用B3LYP方法，基組水平選擇6-311+g,d(p)。基于頭孢克肟分子的最優(yōu)構(gòu)型，使用Freq振動(dòng)分析驗(yàn)證，所有頻率值均大于0，表明均為勢(shì)能面上穩(wěn)定點(diǎn)。振動(dòng)分析使用校正因子0.9617進(jìn)行校正，熱力學(xué)性質(zhì)計(jì)算中考慮了零點(diǎn)能的校正。定域反應(yīng)活性指數(shù)在當(dāng)今的量子化學(xué)中有廣泛的應(yīng)用[9]。電子密度ρ(r)對(duì)分子中電子總數(shù)N求一階微商，f(r) = (?ρ(r)/?N)ν。Fukui函數(shù)具備非連續(xù)性，運(yùn)用有限差分近似方法進(jìn)行簡(jiǎn)化，親電Fukui函數(shù)f-(r) 、親核Fukui函數(shù)f+(r)、總Fukui函數(shù)Δf(r) ，計(jì)算公式：

f+(r) =ρN+1(r)-ρN(r)，f-(r) =ρN(r)-ρN-1(r)，Δf(r)=ρN+1(r)-ρN-1(r)

(1)

其中，ρN(r)、ρN-1(r)、ρN+1(r)分別為中性分子、陽離子和陰離子的電子密度。本文涉及的所有計(jì)算均在廣東石油化工學(xué)院微型計(jì)算服務(wù)器上完成，部分計(jì)算使用了中科院超算遠(yuǎn)程計(jì)算格點(diǎn)Ggrid服務(wù)完成，其中部分圖像處理借助了Multiwfn 3.3程序[10]完成。

1.2 紅外表征方法

稱取適量頭孢克肟粉末進(jìn)行傅里葉紅外光譜的表征。本實(shí)驗(yàn)中頭孢克肟粉末購于國藥集團(tuán)致君(深圳)制藥有限公司生產(chǎn)的頭孢克肟顆粒，經(jīng)干燥、研磨得到樣品，F(xiàn)TIR分析采用Smart Omni-Transmission FTIR光譜分析儀，制樣采用溴化鉀壓片法，波長(zhǎng)選擇500～4000 cm-1進(jìn)行連續(xù)20次掃描。

2 結(jié)果與討論

2.1 分子構(gòu)型分析

頭孢克肟的化學(xué)名稱為(6R,7R)-7-[[(Z)-2-(2-氨基-4-噻唑基)-2-[(羧甲氧基)亞氨基]乙?；鵠氨基]-3-乙烯基-8-氧代-5-硫雜-1-氮雜雙環(huán)[4.2.0]辛-2-烯-2-羧酸，分子式為C16H15N5O7S2。其優(yōu)化后的分子平面構(gòu)型見圖1a，分子中有較強(qiáng)的不飽和結(jié)構(gòu)，含有三個(gè)環(huán)：C1─S2─C3─C4─N5五元環(huán)，C17─C18─N19─C20四元環(huán)，N19─C20─S22─C23─C24─C25六元環(huán)。四元環(huán)和六元環(huán)直接共用N─C單鍵導(dǎo)致空間排斥力很大，如圖1b所示，兩環(huán)并非出于同一個(gè)平面，六元環(huán)有了較大的扭曲。分子含有兩個(gè)羧基，分別位于分子的中下部和右上方，分子點(diǎn)群為C1。

2.2 紅外光譜與振動(dòng)分析

紅外光譜能預(yù)測(cè)有機(jī)分子中官能團(tuán)的振動(dòng)信號(hào)，我們對(duì)優(yōu)化后的頭孢克肟進(jìn)行了頻率分析，得到紅外光譜如圖2a所示；同時(shí)也選擇實(shí)驗(yàn)的方法，對(duì)它進(jìn)行紅外表征，得到紅外光譜如圖2b所示。

a 計(jì)算獲得 b 實(shí)驗(yàn)獲得

2.3 前沿分子軌道與靜電勢(shì)分析

頭孢克肟分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多元環(huán)的數(shù)量和種類不盡相同，而分子中N、S、O原子形成的官能團(tuán)也多，為了更好地探明分子的內(nèi)部構(gòu)成與分子性質(zhì)的關(guān)系，對(duì)它進(jìn)行前沿分子軌道的掃描，相關(guān)的結(jié)果如圖3所示。

圖3 前沿分子軌道與靜電勢(shì)

2.4 Fukui函數(shù)指數(shù)掃描分析

Fukui函數(shù)指數(shù)的計(jì)算(格點(diǎn)密度選擇0.04)能較好地探究分子的局域活性，當(dāng)分子得到一個(gè)電子呈現(xiàn)負(fù)電荷時(shí)，分子中電子云的分布狀態(tài)發(fā)生改變，而它與原來中性分子的電子云密度相減將得到f+(r)；當(dāng)分子失去一個(gè)電子呈現(xiàn)正電荷時(shí)，分子中電子云的分布狀態(tài)也會(huì)發(fā)生改變，而它與原來中性分子的電子云密度差值將得到f-(r)；分子得到一個(gè)電子后形成的陰離子與它失去一個(gè)電子后形成的陽離子的電子云密度差值即為Δf(r)。相關(guān)的圖像如圖4所示。

圖4 Fukui函數(shù)指數(shù)掃描分析

通過Fukui函數(shù)指數(shù)掃描，f+(r)上電子密度主要集中在C7、N8、O9等原子的成鍵部位，C3、O15等原子的反鍵軌道也有少許參與，表明親核試劑的進(jìn)攻區(qū)域并非環(huán)上，而在C7、N8、O9組成的區(qū)域，這可能是因?yàn)閮蓚?cè)的基團(tuán)具有強(qiáng)吸電子效應(yīng)，導(dǎo)致此處的電子密度下降；f-(r)上電子密度主要集中在N8、O9等原子的反鍵部位，表明親電試劑的進(jìn)攻區(qū)域也容易發(fā)生在此部位，因?yàn)镹、O原子上的孤對(duì)電子對(duì)的空間位阻較少，容易提供電子的緣故；Δf(r)上的電子密度圖也說明了頭孢克肟分子的活性區(qū)域主要集中在兩大區(qū)域：C7、N8、O9組成的部位和五元環(huán)上非S原子的部位。因此，整個(gè)分子的活性的發(fā)揮與分子右側(cè)的四元環(huán)、六元環(huán)、乙烯基等關(guān)聯(lián)不大，而f+(r)上的電子密度分布范圍和強(qiáng)度也大于f-(r)上所示的結(jié)果，表明它易接受親核試劑的進(jìn)攻，與前沿分子軌道和靜電勢(shì)分析結(jié)果一致。

2.5 熱力學(xué)性質(zhì)計(jì)算

使用密度泛函方法中的Freq分析對(duì)它的熱力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，基組水平與之前相一致。標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓使用原子化法進(jìn)行計(jì)算，將C16H15N5O7S2寫成如下的形式：C16H15N5O7S2→ 16C+15H+5N+7O+2S，相關(guān)計(jì)算式如下：

(2)

(3)

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表1 頭孢克肟在不同溫度的熱力學(xué)性質(zhì)

3 結(jié)論