格列齊特光譜和藥理活性的密度泛函理論研究

魏麟驕,王林杰,杜金澤,紀(jì) 昕

(1.中國石油大學(xué)勝利學(xué)院 化學(xué)工程學(xué)院,山東 東營 257000; 2.湘潭大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院,湖南 湘潭 411100;3.山東省東營市廣饒街道社區(qū)衛(wèi)生服務(wù)中心,山東 東營 257300)

糖尿病是一種慢性代謝疾病,與胰腺β細(xì)胞和脫敏的胰島素體中胰島素分泌短缺有關(guān)[1]。格列齊特是第二代口服磺酰脲類降糖藥,由法國SERVEIR公司開發(fā),于1972年在法國上市[2],可促進(jìn)胰島素正常分泌,增加糖尿病人對胰島素的敏感性,能有效控制胰島素分泌受損并降低毒副作用,是我國一線口服降糖藥[3-6]。藥物的藥效和制劑研究是分子實(shí)體成藥的關(guān)鍵,在該階段,API的分子結(jié)構(gòu)、光譜分析和物化性質(zhì)信息對藥效、劑型的穩(wěn)定性和原輔料相容性研究有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。隨著量子力學(xué)和計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的發(fā)展,可以采用計(jì)算化學(xué)方法模擬計(jì)算藥物分子的性質(zhì)和光譜學(xué)特征。密度泛函理論(DFT)采用電子密度項(xiàng)處理多電子體系[7-8],已被廣泛應(yīng)用于制藥領(lǐng)域,可幫助提高藥物設(shè)計(jì)效率、縮短研發(fā)周期,為更好地認(rèn)識、開發(fā)和應(yīng)用提供科學(xué)的依據(jù)。本次研究使用Material Studio 8.0軟件DMol3模塊,在DFT/GGA/PBE水平上計(jì)算研究格列齊特分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、簡諧振動(dòng)頻率歸屬、前線軌道和原子電荷分布,對試驗(yàn)紅外光譜進(jìn)行全面、高精度指認(rèn)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

NICOLET 380型傅里葉變換紅外光譜儀(美國熱電公司),KBr壓片,測定范圍4 000～400 cm-1,光譜分辨率2 cm-1;無水乙醇(分析純)購自湖南匯虹試劑有限公司;RH2232服務(wù)器(華為技術(shù)有限公司),32G+800G。

1.2 計(jì)算方法

采用Parvez[9]測得的格列齊特單晶結(jié)構(gòu)文件數(shù)據(jù),在Material Studio軟件構(gòu)建基于XRD試驗(yàn)數(shù)據(jù)的格列齊特單分子模型,用DMol3模塊GGA/PBE方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,得到優(yōu)化的單分子模型(見圖1),并在相同水平下計(jì)算分子紅外振動(dòng)光譜,得到空間穩(wěn)定構(gòu)象和所有簡諧振動(dòng)模式。使用優(yōu)化后的分子結(jié)構(gòu)計(jì)算前線軌道和密利根原子電荷分布,探討分子中電荷轉(zhuǎn)移和原子活性差異。所有計(jì)算工作均在Material Studio 8.0軟件及華為RH2232服務(wù)器上進(jìn)行。

圖1 格列齊特結(jié)構(gòu)和原子編號

2 結(jié)果與討論

2.1 分子構(gòu)型

表1為格列齊特部分重要優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)與試驗(yàn)值的對比。由表中數(shù)據(jù)可知,模擬苯環(huán)(C2-C7)和飽和五元環(huán)(C9-C15)的碳碳鍵長范圍為1.534～1.575 ?,均在正常鍵長范圍內(nèi)[10],說明優(yōu)化后結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。在計(jì)算水平下,S1-02、O3-C1、N1-H1和N2-H2模擬鍵長均大于試驗(yàn)值,這是由于分子在晶體狀態(tài)下在該位點(diǎn)有分子間氫鍵,π-π共軛效應(yīng)使得鍵長減小。模擬計(jì)算的C-H鍵長均比基于XRD試驗(yàn)測定值大,這是由于模擬在真空狀態(tài)下進(jìn)行,忽略了晶格擠壓效應(yīng)[9]。

表1 格列齊特部分計(jì)算結(jié)構(gòu)參數(shù)與試驗(yàn)值對比

對格列齊特分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化后,絕大部分模擬鍵角數(shù)據(jù)與試驗(yàn)值[9]相似,但在N1-S1-C2、O3-C1-N1、N2-N3-C15、C1-N2-H2處差別較大。這是由于這些位點(diǎn)原子間的孤電子對產(chǎn)生較強(qiáng)的π-π共軛效應(yīng),且氫鍵在此集中。取單分子進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化后,電子間通過氫鍵的π-π共軛效應(yīng)消失,周圍分子對該處原子的束縛消失,導(dǎo)致原子位置發(fā)生細(xì)微偏移,鍵角變化。

扭轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)表明,格列齊特吡咯環(huán)戊環(huán)存在一定程度的扭曲且不共面,分子中的五元環(huán)和支鏈均有明顯的扭轉(zhuǎn)而沒有處于同一平面,結(jié)構(gòu)空間位阻效應(yīng)小,有利于藥物分子發(fā)揮官能團(tuán)的優(yōu)勢作用[10]。

2.2 振動(dòng)分析

紅外光譜在對物質(zhì)的表征和鑒別,以及分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵的研究方面起著重要作用[11-12]。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化基礎(chǔ)上,采用GGA/PBE方法對格列齊特進(jìn)行簡諧振動(dòng)頻率計(jì)算,并結(jié)合試驗(yàn)測量結(jié)果和相關(guān)資料,對格列齊特分子的振動(dòng)模式進(jìn)行精確指認(rèn)。計(jì)算和試驗(yàn)圖譜對比示于圖2。詳細(xì)的振動(dòng)歸屬見表2。

圖2 格列齊特試驗(yàn)與計(jì)算紅外光譜對比

2.2.1 N-H振動(dòng)

N-H伸縮振動(dòng)一般出現(xiàn)3 250～3 500 cm-1范圍內(nèi),有中等或弱吸收峰[13]。計(jì)算的N-H伸縮振動(dòng)為3 422 cm-1,與文獻(xiàn)的頻率范圍吻合。試驗(yàn)N-H伸縮振動(dòng)為3 371 cm-1與計(jì)算值有較大不同,主要因?yàn)楦窳旋R特分子間有N-H…O氫鍵,而單分子模擬未考慮分子間氫鍵效應(yīng)。試驗(yàn)紅外1 399 cm-1波長處的HNC面內(nèi)彎曲振動(dòng),在GGA方法下的計(jì)算值為1 397 cm-1,模擬數(shù)據(jù)吻合。計(jì)算歸屬的試驗(yàn)圖譜在1 000～1 250 cm-1內(nèi)有大量HNC伸縮、彎曲和扭轉(zhuǎn)振動(dòng),這與文獻(xiàn)的頻率范圍很吻合[13]。計(jì)算紅外圖譜729 cm-1處對應(yīng)試驗(yàn)紅外的734 cm-1,歸屬為ON-NC面外彎曲振動(dòng)。

2.2.2 C-H振動(dòng)

格列齊特的C-H基團(tuán)分布在苯環(huán)、甲基和吡咯環(huán)戊基,主要包含伸縮、面內(nèi)彎曲和面外扭轉(zhuǎn)振動(dòng)形式。在雜環(huán)和芳環(huán)中,C-H伸縮振動(dòng)出現(xiàn)在3 000～3 100 cm-1范圍內(nèi)[13]。由表2知,計(jì)算苯環(huán)C-H伸縮振動(dòng)波數(shù)范圍是3 042～3 132 cm-1,與理論范圍相吻合,2 836～2 987 cm-1歸屬為吡咯環(huán)戊基的C-H伸縮振動(dòng)。芳烴在680～860 cm-1有C-H面外彎曲振動(dòng)特征吸收[14],計(jì)算顯示在該波長范圍內(nèi)有C-H扭轉(zhuǎn)振動(dòng),歸屬為689、797、812 cm-1處的試驗(yàn)紅外峰。

2.2.3 SO2振動(dòng)

砜(SO2)的不對稱和對稱伸縮振動(dòng)主要分布在1 350～1 300 cm-1和1 160～1 120 cm-1區(qū)間內(nèi)[13]。計(jì)算的S-O伸縮振動(dòng)為1 036、1 127 cm-1,歸屬于試驗(yàn)紅外的1 038、1 087 cm-1。模擬值與經(jīng)驗(yàn)范圍的細(xì)微差別是由于格列齊特分子中砜基直接與苯環(huán)和羰基連接,形成強(qiáng)共軛效應(yīng),引起峰位紅移。S-C的伸縮振動(dòng)區(qū)域?yàn)?00～600 cm-1,峰較弱[13],計(jì)算的S-C伸縮振動(dòng)為646 cm-1,與理論值相符,歸屬為640 cm-1的試驗(yàn)峰。

2.2.4 N-C振動(dòng)

計(jì)算的C-N紅外吸收范圍為1 100～1 400 cm-1,對應(yīng)C-N伸縮、扭轉(zhuǎn)和彎曲振動(dòng),這與文獻(xiàn)中N-C振動(dòng)頻率范圍1 000～1 350 cm-1相符[13]。試驗(yàn)測得的1 399、1 192 cm-1處吸收峰,歸屬為C-N面內(nèi)彎曲和伸縮振動(dòng);位于1 346 cm-1處的峰,與計(jì)算值1 343 cm-1相對應(yīng),歸屬為N-C伸縮和扭轉(zhuǎn)振動(dòng);試驗(yàn)測得的1 298、1 290、1 277、1 242 cm-1峰,歸屬為C-N面內(nèi)彎曲和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。

2.2.5 C=O振動(dòng)

C=O紅外吸收峰強(qiáng)且干擾峰較少,已成為鑒定物質(zhì)結(jié)構(gòu)是否含有羰基基團(tuán)的可靠依據(jù)。格列齊特在1 709 cm-1有強(qiáng)特征峰,對應(yīng)分子結(jié)構(gòu)中C1=O3伸縮振動(dòng),計(jì)算羰基紅外振動(dòng)為1 736 cm-1,與試驗(yàn)峰位有較好的擬合。計(jì)算的729 cm-1峰歸屬為C=O面外彎曲振動(dòng),與試驗(yàn)振動(dòng)頻率734 cm-1基本一致。

2.2.6 C-C振動(dòng)

苯環(huán)的C-C骨架伸縮振動(dòng)頻率范圍是1 400～1 650 cm-1[15],計(jì)算紅外的C-C伸縮振動(dòng)波數(shù)范圍是1 252～1 585 cm-1,與文獻(xiàn)的頻率范圍基本吻合,因此將1 596、1 473、1 464、1 436、1 353 cm-1處試驗(yàn)峰歸屬為C-C伸縮振動(dòng)。計(jì)算紅外在1 009 cm-1有苯環(huán)呼吸振動(dòng),這與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)[13](1 000 cm-1附近)相符。試驗(yàn)測得的860～996 cm-1吸收峰與計(jì)算所得827～975 cm-1相對應(yīng),歸屬于吡咯環(huán)戊基的C-C振動(dòng)。

2.3 體系能量和前線軌道特征分析

格列齊特前線軌道能量最高的電子占有軌道(HOMO)集中于格列齊特分子吡咯基和酰胺基團(tuán)處,該軌道區(qū)域容易釋放電子,易受親電試劑進(jìn)攻。能量最低的電子未占軌道(LUMO)主要集中于苯環(huán)和磺脲基的S=O基團(tuán)處,是親核試劑主要進(jìn)攻位點(diǎn)。這說明格列齊特為兩性反應(yīng)體系,既可以為電子供體也做為受體,根據(jù)這一特性可以在設(shè)計(jì)目標(biāo)物結(jié)構(gòu)改造時(shí),有針對性地選擇反應(yīng)試劑達(dá)到預(yù)期目的。從HOMO到LUMO的轉(zhuǎn)變說明反應(yīng)時(shí)電子易從酰胺和吡咯基轉(zhuǎn)移到苯環(huán)和S=O基(圖3)。

圖3 格列齊特前線軌道分布

2.4 密利根電荷分布

藥理學(xué)研究表明,當(dāng)藥物分子與受體發(fā)生作用時(shí),發(fā)揮藥效的途徑是兩者之間電子的相互作用[16-18]。原子電荷是探究分子親核或親電特性強(qiáng)弱及確定化學(xué)活性位點(diǎn)的一種有效方法[19],對藥物分子內(nèi)原子電荷分布進(jìn)行分析可以確定其與受體的作用點(diǎn)。非那雄胺各原子所帶電荷值見表4。

表4 格列齊特原子電荷分布

分子中N原子電荷為負(fù)值,這是因?yàn)橹車鷼湓?H1、H2)和C原子(C9和C15)的電子易轉(zhuǎn)移到N原子;與O原子相連的S和C原子的電荷易轉(zhuǎn)移到O原子,使O原子也帶負(fù)電荷。因此在格列齊特分子中,3個(gè)O原子和3個(gè)N原子均帶有凈的負(fù)電荷;C原子中,C1、C5、C9、C15分別連接有供電子的羰基氧原子和甲基基團(tuán),因此帶有凈的正電荷。其他碳原子接受相連接的氫原子的電荷,帶有凈的負(fù)電荷(-0.029→-0.272 e)。

格列齊特荷負(fù)電荷原子的電荷數(shù)為N1=-0.397、O1=-0.344、N2=-0.265、O2=-0.396、N3=-0.325、O3=-0.464,荷正電荷的主要原子為S1=0.572和C1=0.616。從荷電數(shù)值可知,在中性分子中C1和S1易受親核試劑進(jìn)攻,難易順序?yàn)镃1>S1;N和O原子體現(xiàn)了較大的電負(fù)性,受親電試劑進(jìn)攻可能性較大,難易順序?yàn)镺3>N1>O2>O1>N3>N2,可以作為氫鍵的受體,是起到關(guān)鍵藥效作用基團(tuán)的活性部位。

3 結(jié) 論

(1)使用DFT/GGA/PBE方法計(jì)算了格列齊特優(yōu)化幾何構(gòu)型、簡諧振動(dòng)頻率、前線軌道貢獻(xiàn)和密利根原子電荷分布。該計(jì)算方法得到的優(yōu)化構(gòu)型幾何參數(shù)和簡諧振動(dòng)頻率與試驗(yàn)值接近,有較好的適應(yīng)性。

(2)使用計(jì)算簡諧振動(dòng)頻率對試驗(yàn)紅外振動(dòng)峰進(jìn)行高精度指認(rèn),計(jì)算和試驗(yàn)峰位的略微差別主要由于,在氣態(tài)模擬環(huán)境下沒有考慮固體形態(tài)下分子間氫鍵和大的非簡諧振動(dòng)效應(yīng)影響。

(3)前線軌道研究表明,格列齊特反應(yīng)活性較強(qiáng),反應(yīng)時(shí)電子易從酰胺和吡咯基轉(zhuǎn)移到苯環(huán)和S=O基。

(4)密利根原子電荷分析了分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移情況和化學(xué)反應(yīng)位點(diǎn),其中N、O原子受親電試劑進(jìn)攻可能性較大,難易順序?yàn)镺3>N1>O2>O1>N3>N2,是發(fā)揮藥效的主要活性位點(diǎn),為格列齊特藥效和藥劑學(xué)研究提供指導(dǎo)和理論依據(jù)。