青霉素和阿莫西林的電子結(jié)構(gòu)及化學(xué)穩(wěn)定性

張宏森， 楊學(xué)舜， 張 鋼， 解麗萍

(1.黑龍江科技學(xué)院 現(xiàn)代分析測(cè)試研究中心，哈爾濱150027;2.哈爾濱工程大學(xué) 材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱150001;3.吉林大學(xué)理論化學(xué)研究所 理論化學(xué)計(jì)算國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春130023)

青霉素和阿莫西林的電子結(jié)構(gòu)及化學(xué)穩(wěn)定性

張宏森1，2， 楊學(xué)舜1， 張 鋼3， 解麗萍1

(1.黑龍江科技學(xué)院 現(xiàn)代分析測(cè)試研究中心，哈爾濱150027;2.哈爾濱工程大學(xué) 材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱150001;3.吉林大學(xué)理論化學(xué)研究所 理論化學(xué)計(jì)算國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春130023)

青霉素類抗生素化學(xué)穩(wěn)定性問(wèn)題一直是理論研究和醫(yī)藥生產(chǎn)的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。選取青霉素、阿莫西林兩種代表性藥物，采用精確的雜化密度泛函理論(B3LYP)方法，從分子幾何構(gòu)型、鍵能、價(jià)鍵軌道、靜電勢(shì)和化學(xué)硬度等方面分析了化學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)于化學(xué)穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明:稠環(huán)張力是導(dǎo)致該類化合物不穩(wěn)定的主要原因，取代基影響分子的電子排布和分子間的相互作用。該理論研究為青霉素類抗生素新藥設(shè)計(jì)、構(gòu)效關(guān)系和化學(xué)反應(yīng)規(guī)律的研究，以及醫(yī)藥生產(chǎn)中產(chǎn)品質(zhì)量的控制提供了理論參考。

阿莫西林;青霉素;密度泛函理論;化學(xué)穩(wěn)定性

0 引言

青霉素自從1941年問(wèn)世以來(lái)，青霉素類抗生素以其高效低毒、選擇性強(qiáng)、抗菌譜廣、體內(nèi)分布好等特點(diǎn)，挽救了數(shù)以千百萬(wàn)計(jì)的生命，至今依舊是舉世公認(rèn)的重要的臨床抗感染藥物。然而研究表明:青霉素類化合物化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，易發(fā)生分解、聚合等副反應(yīng)。這不但對(duì)生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)提出了更高的要求，而且副反應(yīng)產(chǎn)物嚴(yán)重地影響產(chǎn)品質(zhì)量，甚至威脅到用藥安全。例如，各種青霉素副產(chǎn)物的衍生物是導(dǎo)致“青霉素過(guò)敏”反應(yīng)的重要原因［1］。盡管科研人員進(jìn)行了大量的卓有成效的研究工作，但依舊難以從本質(zhì)上解決青霉素類抗生素穩(wěn)定性問(wèn)題。

眾所周知，“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”，開(kāi)展該類化合物電子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)研究有利于從本質(zhì)上認(rèn)識(shí)穩(wěn)定性等相關(guān)性質(zhì)。自從1949年霍奇金女士第一次成功測(cè)定了青霉素的結(jié)構(gòu)起，人類就從未間斷過(guò)對(duì)青霉素類抗生素構(gòu)效關(guān)系的探索。近年來(lái)，隨著理論化學(xué)取得的長(zhǎng)足進(jìn)步，特別是密度泛函理論在化學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對(duì)于以青霉素為代表的β-內(nèi)酰胺類化合物研究進(jìn)入了嶄新的時(shí)代。大量研究表明:密度泛函理論是研究β-內(nèi)酰胺類化合物結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的重要理論工具［2-4］。

在眾多的β-內(nèi)酰胺類化合物中，青霉素和阿莫西林是該類藥物中最為常見(jiàn)的兩種藥物，二者結(jié)構(gòu)相近，但是它們?cè)诨瘜W(xué)性質(zhì)方面卻表現(xiàn)出一定的差異。例如:在酸性條件下，阿莫西林的穩(wěn)定性明顯優(yōu)于青霉素，因此更適合制成口服制劑。應(yīng)用密度泛函理論對(duì)這兩種代表性藥物進(jìn)行研究，有利于分析該類化合物所具有的共同性質(zhì)，以及相應(yīng)取代基對(duì)于分子整體化學(xué)性質(zhì)的影響，為進(jìn)一步的相關(guān)研究奠定理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)與方法

采用包括電子交換相關(guān)效應(yīng)的雜化密度泛函理論(B3LYP)方法，結(jié)合6-31G(d)基組，優(yōu)化分子。振動(dòng)分析表明，所有的優(yōu)化結(jié)構(gòu)均沒(méi)有虛頻，都是勢(shì)能面上的局部極小點(diǎn)。以優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)分析了分子的前線軌道能級(jí)、靜電勢(shì)圖和化學(xué)硬度。采用了NBO(nature bond orbital)的方法分析了其電荷分布以及軌道之間和孤對(duì)電子與軌道之間的相互作用。應(yīng)用極化連續(xù)介質(zhì)模型(Polarized Continuum Model)模擬溶劑化效應(yīng)。文中所有計(jì)算均使用Gaussian 03 程序完成［5］。

2 結(jié)果與討論

2.1 幾何結(jié)構(gòu)

筆者對(duì)阿莫西林和青霉素的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了幾何優(yōu)化。圖1為阿莫西林和青霉素的分子結(jié)構(gòu)，表1給出了優(yōu)化后的幾何參數(shù)以及阿莫西林和青霉素對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)值。

表1 在6－31G(d)水平下青霉素、阿莫西林分子的主要幾何參數(shù)以及相應(yīng)實(shí)驗(yàn)值Table 1 Domain geometry parameters of penicillin and amoxicillin molecule optimized at 6－31G(d)and experimental level

由圖1可知，阿莫西林和青霉素的母核都是由β-內(nèi)酰胺環(huán)和氫化噻唑環(huán)駢合而成，由二面角C4—N1—C2—S7和 C5—N1—C2—C3可知，兩個(gè)稠環(huán)并不共面。β-內(nèi)酰胺環(huán)是該類化合所必須的生物活性基團(tuán)。其中，由于氮原子與碳原子在半徑和電負(fù)性方面的差異，導(dǎo)致四元環(huán)對(duì)邊C—C和C—N鍵的鍵長(zhǎng)不對(duì)稱，二面角 C4—N1—C2—C3為-13.529 5°，說(shuō)明四元環(huán)結(jié)構(gòu)發(fā)生扭曲，張力增大。這是造成四元環(huán)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定容易開(kāi)環(huán)的主要原因。同理，C—S與C—C鍵長(zhǎng)的差異導(dǎo)致了氫化噻唑環(huán)張力的增大，使其易于開(kāi)環(huán)斷裂，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。

從表1的數(shù)據(jù)可以看出，阿莫西林和青霉素四元環(huán)中 N1—C4鍵鍵長(zhǎng)分別處于典型的 N==C(0.128 7 nm)雙鍵和N—C(0.147 2 nm)單鍵之間，說(shuō)明N1與C4==O13之間發(fā)生共軛形成π鍵。但其對(duì)電子和C4==O13如果存在共軛作用，會(huì)降低N原子受到親電試劑的進(jìn)攻能力，增加結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2.2 鍵能

鍵能作為表征化學(xué)鍵的重要參數(shù)，被廣泛用于研究化合物的化學(xué)反應(yīng)活性及其熱力學(xué)性質(zhì)，尤其在化學(xué)穩(wěn)定性研究方面具有重要價(jià)值。然而，目前實(shí)驗(yàn)難以獲得的化學(xué)鍵逐級(jí)解離能。研究表明:采用密度泛函理論計(jì)算方法可以給出合理的理論預(yù)測(cè)值［8］，對(duì)于化學(xué)鍵A—B，其鍵解離能(Bond Dissociation Energy，BDE)定義為化學(xué)鍵對(duì)應(yīng)解離通道的焓變:鍵長(zhǎng)更加接近于N—C單鍵，說(shuō)明共軛作用并不明顯。通常認(rèn)為β-內(nèi)酰胺環(huán)上N原子中的孤對(duì)電子，易受到親電試劑的進(jìn)攻，導(dǎo)致開(kāi)環(huán)，而N1上的孤

表2顯示，青霉素和阿莫西林稠環(huán)內(nèi)的化學(xué)鍵的鍵能基本一致。這說(shuō)明相應(yīng)取代基的差異并沒(méi)有影響到環(huán)中化學(xué)鍵的鍵能。環(huán)內(nèi)C2—C3、C3—C4鍵能明顯小于環(huán)外C5—C8鍵能，這再次表明該類化合物的主要不穩(wěn)定部位應(yīng)為β-內(nèi)酰胺環(huán)。C6—S7鍵能小于C2—S7鍵能，而且能量較低，因此C6—S7應(yīng)優(yōu)先斷裂。這與前期研究中的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果相吻合［9］。

表2 6－31G(d)水平下計(jì)算青霉素、阿莫西林分子部分鍵解離能Table 2 Predicted domain bond dissociation energy of penicillin and amoxicillin at B3LYP/6－31G(d)level kJ/mol

2.3 自然鍵軌道

自然鍵軌道分析可以詳細(xì)地分析成鍵情況和鍵—鍵相互作用。表3列出了阿莫西林和青霉素電子供體(Donor)軌道i、電子受體(Acceptor)軌道j以及由二級(jí)微擾理論得到的它們之間的相互作用穩(wěn)定化能E。穩(wěn)定化能E越大，表示i和j的相互作用越強(qiáng)，即i提供電子給j的傾向越大，成鍵作用越強(qiáng)。這是通過(guò)研究占據(jù)的成鍵軌道和非占據(jù)的反鍵軌道間所有可能的相互作用，來(lái)評(píng)估它們的穩(wěn)定性。計(jì)算公式為［10-11］

式中:qi——給體軌道的電子占有數(shù);

εj、εi——對(duì)角線要素(給體和受體的軌道能量);

F(i，j)——非對(duì)角線 Fock 矩陣要素。

表3 NBO計(jì)算阿莫西林和青霉素二級(jí)微擾穩(wěn)定化能Table 3 Calculated results of penicillin and amoxicillin molecule at B3LYP/6－31G(d)level by NBO analysis

表3列出了主要的稠環(huán)中的電子供體軌道i和電子受體軌道j相互作用的穩(wěn)定化能。阿莫西林和青霉素相應(yīng)軌道間的穩(wěn)定化能基本一致，說(shuō)明取代基并沒(méi)有影響到環(huán)中相應(yīng)軌道間的相互作用。穩(wěn)定化能總體偏低，說(shuō)明環(huán)上原子之間相互作用較差，環(huán)相對(duì)不夠穩(wěn)定。N1上的孤對(duì)電子是具有一定傾向的向C4==O13的反鍵軌道轉(zhuǎn)移，但趨勢(shì)并不明顯。這進(jìn)一步說(shuō)明了N1與C4==O13存在較弱的共軛作用。

采用NBO的方法計(jì)算了阿莫西林和青霉素的Wiberg的鍵級(jí)值，見(jiàn)表4。通常，化學(xué)鍵的鍵級(jí)越高，相應(yīng)化學(xué)鍵的穩(wěn)定性越好。從NBO分析看，四元環(huán)和六元環(huán)中的化學(xué)鍵鍵級(jí)基本都小于標(biāo)準(zhǔn)的單鍵(1.0)。這說(shuō)明β-內(nèi)酰胺環(huán)內(nèi)相應(yīng)化學(xué)鍵不夠穩(wěn)定。其中，只有N(1)-C(4)的Wiberg鍵級(jí)值分別為1.017 4和1.017 9，處于單鍵(1.0)和雙鍵(2.0)之間，但非常接近標(biāo)準(zhǔn)的單鍵(1.0)，故可以推測(cè)N1與C4==O13的共軛極弱［11］。這說(shuō)明N(1)-C(4)并沒(méi)有很好的分散N上的孤對(duì)電子，N依舊容易受到親核試劑的進(jìn)攻。

表4 6－31G(d)水平下NBO計(jì)算阿莫西林和青霉素Wiberg鍵級(jí)值Table 4 Wiberg bond index of of penicillin and amoxicillin at B3LYP/6－31G(d)level

2.4 前線分子軌道

阿莫西林和青霉素的HOMO和LUMO能級(jí)躍遷圖如圖2所示。從圖2中可以看出，阿莫西林與青霉素的EHOMO均為負(fù)值，說(shuō)明電子狀態(tài)比較穩(wěn)定。ΔE為最低未占據(jù)軌道(ELUMO)和最高占據(jù)軌道能量(EHOMO)之差，分子整體的穩(wěn)定性與這些前線分子軌道能量密切相關(guān)。能極差越大，電子就越不容易躍遷，分子就越穩(wěn)定。阿莫西林的前沿軌道能隙ΔE低于青霉素，可以表明青霉素比阿莫西林具有更好的熱力學(xué)穩(wěn)定性。兩個(gè)分子的HOMO主要都位于苯環(huán)和上，是該分子中主要的電子供體部分。LUMO主要位于β-內(nèi)酰胺環(huán)上，是該分子中主要的電子受體部分。

通過(guò)前期研究［12］，發(fā)現(xiàn)極化連續(xù)介質(zhì)模型B3LYP/6-31++G＊＊的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)具有很好的吻合性，故采用該方法計(jì)算了溶劑化效應(yīng)對(duì)分子前線軌道能量的影響，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)。通過(guò)表5發(fā)現(xiàn)，甲醇和氯仿對(duì) EHOMO和ELUMO的影響較小，而水對(duì)ELUMO的影響十分明顯。這主要是因?yàn)閮蓚€(gè)化合物都容易與水相互作用，形成分子間氫鍵。

圖2 6－31G(d)水平下阿莫西林和青霉素前線分子軌道Fig.2 Atomic orbital composition of frontier molecular orbital for Amoxicillin and penicillin at B3LYP/6－31G(d)level

表5 6－31++G＊＊水平下不同溶劑中青霉素、阿莫西林能帶隙Table 5 Frontier orbital energies and difference for amoxicillin and penicillin in different solvents at 6－31++G＊＊ level

2.5 分子靜電勢(shì)

分子靜電勢(shì)為分子外部的單位正電荷從無(wú)窮遠(yuǎn)處移向分子與分子體系中所有粒子的相互作用勢(shì)。分子所在空間的靜電勢(shì)為［13］

式中，V(r)是分子體系所帶的電荷在r處產(chǎn)生的靜電勢(shì)，ZA是RA處原子核所帶的電荷數(shù)，ρ(r')是總電子密度。分子所在右邊第一項(xiàng)表示分子中所有原子核在r處產(chǎn)生的靜電勢(shì)，第二項(xiàng)是位于r'的負(fù)電荷在r處產(chǎn)生的靜電勢(shì)。

靜電勢(shì)圖與分子的偶極矩、電負(fù)性、電荷以及化

學(xué)反應(yīng)都有一定的聯(lián)系，為了解分子的相對(duì)極性、形狀、電荷及反應(yīng)部位提供了一個(gè)非常直觀的方法。阿莫西林和青霉素分子表面靜電勢(shì)的電子密度等值面如圖3所示。其中，負(fù)電勢(shì)處電子能級(jí)高、密度小(紅色的區(qū)域)，正電勢(shì)處電子密度低(藍(lán)色的區(qū)域)。

圖3 阿莫西林和青霉素的靜電勢(shì)Fig.3 Electrostatic potential mapped on molecular surface

觀察靜電勢(shì)圖可以發(fā)現(xiàn):兩個(gè)分子中電子密度較低的區(qū)域存在著差異。阿莫西林的電子密度低的區(qū)域的空間位阻明顯小于青霉素的空間位阻，阿莫西林更容易以分子間氫鍵的形式相互作用。取代基的引入改變了整個(gè)分子的電子排布，導(dǎo)致了相應(yīng)化學(xué)性質(zhì)的改變。

2.6 化學(xué)硬度

化學(xué)硬度是衡量系統(tǒng)抵抗電子分布變化能力的重要參數(shù)。其計(jì)算公式為

式中:E——體系電子能;

N——電子數(shù);

Z——受體或供體原子數(shù)(分別用A、B表示);

μ——電子化學(xué)勢(shì);

EIP、EEA——垂直電離勢(shì)和電子親合能。

根據(jù)公式得阿莫西林和青霉素的化學(xué)硬度分別為4.283 8、4.493 6 eV。青霉素電荷變化需要更高的能量，也具有更強(qiáng)的抵抗電子變化的能力。硬度與軌道能量密切相關(guān)，含親核性電子的軌道能量越低，或可接受電子的空軌道的能量越高，則硬度越大。因此，青霉素的硬度大于阿莫西林，同樣青霉素的能帶隙大于阿莫西林(表6)。

表6 青霉素和阿莫西林垂直電離勢(shì)EIP、垂直電子親合能EEA、化學(xué)硬度η、化學(xué)軟度S、化學(xué)勢(shì)μ、親電性ω和電負(fù)性χTable 6 Predicted vertical ionization potentials，vertical electron affinities， chemical hardness， chemical potential，electronegativity，chemical softness and electronphilicity of penicillin and amoxicillin

3 結(jié)論

采用精確的雜化密度泛函理論方法，對(duì)青霉素和阿莫西林分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了幾何全優(yōu)化計(jì)算，得到了穩(wěn)定的幾何構(gòu)型。在此基礎(chǔ)上，研究其相應(yīng)化學(xué)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)對(duì)化合物穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，阿莫西林和青霉素稠環(huán)張力是導(dǎo)致該類化合物不穩(wěn)定的主要原因。N1與C4==O13之間存在的較弱共軛作用，但N1仍然容易受到親電試劑的進(jìn)攻，容易導(dǎo)致β-內(nèi)酰胺環(huán)開(kāi)環(huán)分解。該類化合物R1和R2取代基的差異并沒(méi)有影響稠環(huán)中相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，但取代基可以改變分子整體的電荷分布、化學(xué)硬度、能帶隙。

稠環(huán)張力是導(dǎo)致該類化合物不穩(wěn)定的主要原因，如何降低稠環(huán)的張力，提高化學(xué)穩(wěn)定性，需要綜合考慮藥理、毒理、化學(xué)穩(wěn)定性等因素，有待進(jìn)一步研究。靜電勢(shì)圖直觀的表明羥基的引入明顯地改變了正電荷中心部位，這對(duì)于稠環(huán)的保護(hù)以及聚合反應(yīng)的控制都具有重要意義。

［1］盧昕博.青霉素G鈉中致敏性雜質(zhì)的分離［D］.杭州:浙江大學(xué)，2009:10-13.

［2］ PARK H，BROTHERS E N，MERZ K M.Hybrid QM/MM and DFT investigations of the catalytic mechanism and inhibition of the dinuclear zinc metallo-β-lactamase ccrA from bacteroides fragilis［J］.J AM Chem Soc，2005，127(12):4232-4241.

［3］WOZ'NICA M，BUTKIEWICZ A，GRZYWACZ A，et al.Ring-expanded bicyclic β-lactams:a structure-chiroptical properties relationship investigation by experiment and calculations［J］.J Org Chem，2011，76(9):3306-3319.

［4］BEBU A，SZABó L，LEOPOLD N，et al.IR，raman，SERS and DFT study of amoxicillin［J］.J Mol Struct，2011，993(1/2/3):52-56.

［5］FRISCH M J，TRUCKS G W，SCHLEGEL H B，et al.Gaussian03，Revision A.9［CP］.Pittsburgh PA:Gaussian Ine，2003.

［6］BOLES M O，CIRVEN R J，GANE P A C.The structure of amoxycillin trihydrate and a comparison with the structures of ampicillin［J］.Acta Cryst，1978，B34:461-466.

［7］DEXTER D D，VAN DER VEEN J M.Conformations of penicillin G:crystal structure of procaine penicillin G monohydrate and a refinement of the structure of potassium penicillin G［J］.J Chem Soc，Perkin Trans，1，1978(3)，185-190.

［8］裘云鋒，曹澤星.分子內(nèi)結(jié)構(gòu)環(huán)境對(duì)解離能的影響［J］.高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報(bào)，2008，29(12):2489-249l.

［9］張宏森，周 揚(yáng).電噴霧串聯(lián)質(zhì)譜法研究阿莫西林的裂解方式［J］.中國(guó)藥房，2010，21(29):2762-2764.

［10］周丹紅，王玉清，賀 寧，等.Cu(I)，Ag(I)/分子篩化學(xué)吸附脫硫的π-絡(luò)合機(jī)理［J］.物理化學(xué)學(xué)報(bào)，2006，22(5):542-547.

［11］牛曉慶，張建國(guó)，王 穎，等.疊氮唑類高氮含能化合物的理論研究［J］.化學(xué)學(xué)報(bào)，2011，69(6):610-616.

［12］張宏森，周 揚(yáng)，張 鋼.精氨酸的電子結(jié)構(gòu)和光譜性質(zhì)［J］.黑龍江科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，20(3):206-210.

［13］ZHUROVA E A，MATTA C F，WU N，et al.Experimental and theoretical electron density study of estrone［J］.J AM Chem Soc，2006，128(27):8849-8861.

Electronic structures and chemical stability of penicillin and amoxicillin

ZHANG Hongsen1，2， YANG Xueshun1， ZHANG Gang3， XIE Liping1
(1.Modern Analysis＆ Research Center，Heilongjiang Institute of Science＆ Technology，Harbin 150027，China;2.College of Materials Science＆ Chemical Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China;3.State Key Laboratory of Theoretical and Computational Chemistry，Institute of Theoretical Chemistry，Jilin University，Changchun 130023，China)

Chemical stability of penicillin antibiotics has been challenge to theoretical studies and pharmaceutical production.This paper introduces the selection two kinds of representative drugs，namely penicillin，amoxicillin and the application of the hybrid density functional theory methods to an analysis of the effect on chemical stability by chemical structure in everything from molecular geometry，bond dissociation energy，natural bond orbital，and electrostatic potential to the hydrogen bonds between molecules，and chemical hardness.The results show that the ring tension occurs as the main cause of the instability，and substituents have great influence on the electron distribution and intermolecular interactions.The study provides theoretical references for design of the penicillin antibiotics，investigation into the structure-activity relationships and the laws of chemical reactions，and control of product quality in pharmaceutical production.

penicillin;amoxicillin;density functional theory;chemical stability

O641

A

1671-0118(2012)01-0017-06

2012-01-07

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(12511472)

張宏森(1974-)，男，黑龍江省齊齊哈爾人，高級(jí)工程師，博士研究生，研究方向:儀器分析檢測(cè)和有機(jī)物理化學(xué)，E-mail:zhanghongsen666@sina.com。

(編輯 晁曉筠)