幾種含釕化合物水解反應(yīng)的理論探究

李 慧，王章濤，包德才，張 強

（渤海大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，遼寧 錦州121013）

0 引言

目前，癌癥被世界衛(wèi)生組織列為世界五大疑難雜癥之一，是具有高致死率的疾病，研發(fā)可以治療癌癥的藥物一直是人們研究的重點.自順鉑類藥物被發(fā)現(xiàn)具有抗惡性腫瘤活性之后，含有過渡金屬的抗腫瘤藥物受到人們的青睞.經(jīng)歷了近三十年的研究發(fā)展，科學(xué)工作者已相繼成功開發(fā)了順鉑（cisplatin）［1，2］、卡鉑（carboplatin）［3-5］等藥物用于臨床治療惡性腫瘤.但目前，臨床應(yīng)用鉑類抗腫瘤藥物最大的問題是毒副作用和耐藥性.既含鉑類藥物之后，含過渡金屬釕的抗惡性腫瘤藥物因其具有的高抗腫瘤活性和低毒副作用而被廣泛研究.國際上報告的具有抗腫瘤活性的含釕配合物大致包含KP1019型配合物［6，7］、NAMI型配合物［8，9］、釕（II）芳烴配合物［10］和釕多吡啶配合物［11］四類.其中NAMI-A是第一個進入臨床試驗的含釕抗惡性腫瘤配合物.

從含釕配合物的抗腫瘤活性被發(fā)現(xiàn)至今，人們進行了大量的試驗來探究其抗腫瘤機理.關(guān)于NAMIA抗腫瘤機理的研究發(fā)現(xiàn)，在生理環(huán)境下，含釕配合物會發(fā)生一系列的水解反應(yīng)，水解過程與其抗癌活性有著密切關(guān)系.目前，關(guān)于NAMI-A進入生物體后，要先發(fā)生水解反應(yīng)后再發(fā)揮其抗癌作用的理論，已經(jīng)得到了廣泛認可. 實驗顯示，在37 ℃的磷酸緩沖溶液中，NAMI-A水解反應(yīng)的半衰期少于30 min，所以NAMI-A的水解穩(wěn)定性是注射應(yīng)用NAMI-A的一個限制因素［12］.實驗和理論上均有關(guān)于NAMI-A水解機理的報道［8，13-16］.Sava等人研究了NAMI-A的不同水解產(chǎn)物與DNA之間的相互作應(yīng)，并考察了水解反應(yīng)對NAMI-A抗癌活性的影響［13］.Bacac等人［15］利用NMR光譜的方法研究了NAMI-A分子在溶液中的穩(wěn)定性和水解反應(yīng).陳等人［16］首次利用理論方法研究了NAMI-A的第一步和第二步水解機理.Vargiu等人［17］在研究NAMI-A水解的同時也探究了氧化還原性質(zhì)對水解反應(yīng)的影響.NAMI-A是以Ru（III）離子為中心，擁有六個配體的八面體構(gòu)型的分子，其中四個氯離子配體位于八面體的橫軸平面上，咪唑環(huán)（Im）和二甲亞砜（DMSO）基團位于縱軸的兩端.我們在之前的研究中探究了在顯性溶劑模型下NAMI-A的多步水解機理，結(jié)果顯示NAMI-A中的咪唑環(huán)配體的水解反應(yīng)很難發(fā)生［18］.但是咪唑環(huán)配體是否會對水解反應(yīng)產(chǎn)生影響是值得探究的問題之一，本文中，我們分別選擇了吲唑配體、1，2，4-三唑配體、1-氨基-1，2，4-三唑配體和1-甲基-1，2，4-三唑配體來代替NAMI-A中的咪唑環(huán)配體，得到四種NAMI-A的類似物，利用理論方法探究了四種化合物的水解反應(yīng)路徑并計算了水解反應(yīng)所需的活化自由能.

1 模擬細節(jié)

我們利用DFT理論［19］中的B3LYP方法［20，21］，在沒有任何限制性條件下進行優(yōu)化得到反應(yīng)過程中的所有結(jié)構(gòu)，包括反應(yīng)加合物（RA）、過渡態(tài)（TS）和產(chǎn)物加和物（PA），所有計算均是采用LanL2DZ（用于金屬釕）和6-31G（d，p）（用于體系中的其他原子）混合基組. 在結(jié)構(gòu)優(yōu)化的同時進行了頻率的計算，所有的過渡態(tài)結(jié)構(gòu)中都具有一個虛頻，并進一步完成了內(nèi)稟反應(yīng)坐標（IRC）的驗證. 而得到的其他各駐點結(jié)構(gòu)均無虛頻. 為了考慮溶劑環(huán)境的影響，水解反應(yīng)路徑上的構(gòu)型均是經(jīng)過QM/MM（ABEEM）［18］迭代優(yōu)化得到，QM區(qū)域的計算均是在MM區(qū)域作為背景點電荷的形式下完成. 迭代優(yōu)化的收斂標準為兩次QM區(qū)域優(yōu)化后計算所得到的能量最大偏差在5×10-4a.u.范圍內(nèi)，MM區(qū)域優(yōu)化得到的均方根偏差（RMSD）在5×10-3kcal·mol-1·A-1范圍內(nèi).

根據(jù)迭代優(yōu)化得到的結(jié)構(gòu)，利用QM/MM（ABEEM）與自由能微擾理論相結(jié)合的方法計算反應(yīng)的活化自由能.利用ABEEMσπ浮動電荷極化力場完成自由能微擾計算中的動力學(xué)模擬過程.從反應(yīng)加合物到過渡態(tài)以鍵長為變量進行二十等分，得到反應(yīng)路徑上的每一個結(jié)構(gòu)，再分別放入邊長為18.62 ?的立方體水盒子中，加入抗衡離子.動力學(xué)模擬是在正則系綜（NVT）下加入周期性邊界條件和最近鏡像中完成，采用Verlet跳蛙積分運動方程，積分步長設(shè)為1.0 fs.控制溫度采用的是Berendsen法則，設(shè)定295 K為模擬過程中的初始溫度.截斷半徑為9.0 ?.每一個體系的前100 ps動力學(xué)模擬過程用來使體系達到平衡，后100 ps的數(shù)據(jù)則用來統(tǒng)計平均并進行計算.自由能差的計算是在采用雙向取樣方法的基礎(chǔ)上，計算平均值而得到.

2 結(jié)果與討論

2.1 四種化合物的結(jié)構(gòu)

我們選取含有不同含氮雜環(huán)配體的NAMI-A類似物作為研究對象，首先探究了其結(jié)構(gòu)信息.將含有吲唑配體的含釕復(fù)合物稱為化合物1，含有1，2，4-三唑配體的含釕復(fù)合物稱為化合物2，含有1-氨基-1，2，4-三唑配體的含釕復(fù)合物稱為化合物3，含有1-甲基-1，2，4-三唑配體的含釕復(fù)合物稱為化合物4.優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)如圖1所示.

表1中給出了化合物結(jié)構(gòu)中與中心金屬Ru成鍵的化學(xué)鍵的鍵長.我們看到四種化合物中的Ru-S鍵長幾乎相同，化合物1中的Ru-N鍵要長于其他三種化合物中的Ru-N鍵.化合物1中的Ru-Cl（1）鍵長大于其他三種化合物中的Ru-Cl（1）鍵，化合物2中的Ru-Cl（2）鍵和Ru-Cl（3）鍵均長于其他三種化合物中的Ru-Cl（2）鍵和Ru-Cl（3）鍵，化合物3中的Ru-Cl（4）鍵長要大于其他三種化合物中的Ru-Cl（4）鍵.

表1 四種化合物中與中心Ru成鍵的鍵長（單位：?）

2.2 反應(yīng)路徑及活化自由能

我們分別研究了四種NAMI-A類似物上氯離子配體的水解反應(yīng).模擬了其反應(yīng)路徑上各駐點的結(jié)構(gòu)并計算了反應(yīng)所需的活化自由能.圖2展示了化合物1中氯離子配體水解反應(yīng)路徑上反應(yīng)加合物（RA），過渡態(tài)（TS）和產(chǎn)物加合物（PA）的結(jié)構(gòu)及涉及化學(xué)反應(yīng)的相應(yīng)化學(xué)鍵的鍵長信息.從圖中可以看出，在反應(yīng)加合物中，進攻水分子上的氧原子與吲唑配體上的H原子間形成氫鍵，同時水分子上的兩個H原子也會和臨近的兩個氯離子配體有氫鍵作用.而在過渡態(tài)結(jié)構(gòu)中，原來的氫鍵網(wǎng)絡(luò)被破壞，水分子中的兩個H原子一個趨向于與離去氯離子形成氫鍵，另一個傾向于與DMSO基團上的O原子形成氫鍵，直至產(chǎn)物加合物中，水分子中的O原子與中心金屬Ru配位后，水分子配體上的H原子分別與離去的氯離子和DMSO中O原子形成氫鍵.從圖中標示的鍵長信息我們可以看出，從反應(yīng)加合物到過渡態(tài)，進攻的水分子中的O離中心金屬Ru的距離從4.08 ?縮短到2.48 ?，直到產(chǎn)物加合物中Ru-O鍵形成（鍵長為2.10 ?）.同時，氯離子配體到中心金屬Ru的距離從反應(yīng)加合物中的2.44 ?增大到過渡態(tài)中的2.90 ?，直至到產(chǎn)物加合物中Ru-Cl鍵完全斷裂，距離為4.27 ?.從鍵長變化中我們可以發(fā)現(xiàn)Cl離子配體被水分子取代.

圖3展示了化合物2中氯離子配體水解反應(yīng)路徑上反應(yīng)加合物（RA），過渡態(tài)（TS）和產(chǎn)物加合物（PA）的結(jié)構(gòu)及涉及化學(xué)反應(yīng)的相應(yīng)化學(xué)鍵的鍵長信息.從圖中可以看出，從反應(yīng)加合物到產(chǎn)物加合物，進攻水分子上的氧原子與1，2，4-三唑配體上的H原子間形成的氫鍵消失，同時水分子上的兩個H原子從與臨近的兩個氯離子配體形成氫鍵變成了分別與離去的氯離子和DMSO中O原子形成氫鍵.從鍵長變化中我們可以看出，從反應(yīng)加合物到過渡態(tài)再到產(chǎn)物加合物，進攻的水分子中的O離中心金屬Ru的距離從4.29 ?縮短到2.65 ?再到2.12 ?，Ru-O鍵形成.同時，氯離子配體到中心金屬Ru的距離從2.46 ?增大到3.00 ?，直到Ru-Cl鍵完全斷裂（距離為4.27 ?），Cl離子配體被水分子完全取代.

圖4展示了化合物3中氯離子配體水解反應(yīng)路徑上反應(yīng)加合物（RA），過渡態(tài)（TS）和產(chǎn)物加合物（PA）的結(jié)構(gòu)及涉及化學(xué)反應(yīng)的相應(yīng)化學(xué)鍵的鍵長信息.從圖中給出的鍵長信息我們可以看出隨著進攻水分子不斷靠近中心金屬Ru，氯離子配體離中心Ru離子越來越遠.從反應(yīng)加合物到產(chǎn)物加合物，進攻的水分子中的O離中心金屬Ru的距離從4.26 ?縮短到2.07 ?，氯離子配體到中心金屬Ru的距離從2.44 ?增大到4.07 ?，取代反應(yīng)發(fā)生.在產(chǎn)物加合物中，與中心金屬Ru配位的水分子配體上的兩個氫原子分別與離去氯離子和DMSO基團中的O原子形成氫鍵.

圖5展示了化合物4中氯離子配體水解反應(yīng)路徑上反應(yīng)加合物（RA），過渡態(tài)（TS）和產(chǎn)物加合物（PA）的結(jié)構(gòu)及涉及化學(xué)反應(yīng)的相應(yīng)化學(xué)鍵的鍵長信息.從圖中可以看出，隨著Ru與進攻水分子中的氧原子之間距離的不斷減小，進攻水分子中的兩個氫原子在反應(yīng)加合物中分別與臨近的兩個氯離子配體形成氫鍵，在產(chǎn)物加合物中分別與離去的氯離子和DMSO基團中的O原子形成氫鍵.反應(yīng)加合物中，進攻的水分子中的O離中心金屬Ru的距離為4.27 ?，Ru-Cl鍵長為2.39 ?，反應(yīng)后，在產(chǎn)物加合物中，氯離子離中心金屬Ru的距離增大到4.08 ?，Ru-O（H2O）形成，鍵長為2.39 ?.氯離子配體被水分子完全取代.

表2 四種化合物發(fā)生氯離子配體水解反應(yīng)所需的活化自由能（單位：kcal/mol）

我們分別計算了四種化合物氯離子配體水解反應(yīng)所需的活化自由能，結(jié)果如表2所示.對比四種含釕化合物的水解反應(yīng)活化自由能可以發(fā)現(xiàn)，化合物1發(fā)生第一個氯離子配體水解反應(yīng)所需的活化自由能最小，水解反應(yīng)最易發(fā)生.而化合物4中氯離子配體被水分子取代所需的活化自由能為34.45 kcal/mol，是四種化合物中最難發(fā)生水解反應(yīng)的.

3 結(jié)論

本文用吲唑配體、1，2，4-三唑配體、1-氨基-1，2，4-三唑配體和1-甲基-1，2，4-三唑配體來代替NAMIA中的咪唑環(huán)配體，優(yōu)化得到了四種NAMI-A類似物的結(jié)構(gòu).對比鍵長信息可知，以吲唑為配體的化合物1中的Ru-N鍵要長于其他三種化合物.我們模擬了四種化合物的水解反應(yīng)路徑，得到了反應(yīng)路徑上反應(yīng)加合物、過渡態(tài)和產(chǎn)物加合物的結(jié)構(gòu)，并計算了反應(yīng)所需的活化自由能.通過反應(yīng)路徑上的各駐點結(jié)構(gòu)信息可知，四種化合物中氯離子配體的水解反應(yīng)均可發(fā)生，得到的產(chǎn)物中Ru-O鍵長均小于原化合物中的Ru-Cl鍵長.對比計算得到的反應(yīng)活化自由能，四種化合物氯離子配體水解反應(yīng)所需的活化自由能順序為化合物1＜化合物2＜化合物3＜化合物4，說明化合物1中Cl離子配體的水解反應(yīng)最易發(fā)生.