制藥專(zhuān)業(yè)拓展實(shí)驗(yàn)甘氨酸衍生物pKa和分子光譜

陳茹箐 王祖琪 馮繼濤 施琪浩 張英杰 余彬彬 金燕仙 秦利明 葉余原 蔣華江 章少陽(yáng) 鐘愛(ài)國(guó)

摘? ? ? 要： 用密度泛函理論（DFT）和信息理論（IT）的方法，優(yōu)化了11種甘氨酸結(jié)構(gòu)并預(yù)測(cè)甘氨酸衍生物的 pKa 值。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，甘氨酸及其10種衍生物的 H 原子的二級(jí)費(fèi)歇爾熵與其酸度系數(shù)pKa值線性方程相關(guān)系數(shù)r值（Y =-34.960 + 9.751X ，r =0.868）最大。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)研究甘氨酸衍生物結(jié)構(gòu)和相關(guān)性質(zhì)有著極其重要的意義。此外，還采用密度泛函理論模擬預(yù)測(cè)了甘氨酸在不同位置的一元取代紅外吸收、拉曼光譜、核磁共振和紫外吸收光譜，所得結(jié)果對(duì)制藥工程專(zhuān)業(yè)本科生開(kāi)展拓展訓(xùn)練提供了好的材料。

關(guān)? 鍵? 詞：甘氨酸;酸度電離常數(shù);信息理論;分子光譜

中圖分類(lèi)號(hào)：O621.25? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ?文章編號(hào)： 1671-0460（2020）09-1900-05

Abstract： Eleven glycine structures were optimized and pKa values of glycine derivatives were predicted by density functional theory and information theory. The results showed that the second-order Fisher entropy of H atom of glycine and its 10 derivatives had the maximum linear correlation coefficient（y=-34.960+9.751x， r=0.868） with the pKa. This discovery is very important for the study of the structure and related properties of glycine derivatives. In addition， the density functional theory was used to simulate and predict the infrared， Raman， nuclear magnetic and UV-Vis spectra of glycine at different positions. The results can provide good reference for the development training of pharmaceutical engineering undergraduates.

Key words： Glycine; Acidity coefficient; Information theory; Molecular spectrum

甘氨酸（Glycine，C2H5NO2），又名氨基乙酸，是結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的α-氨基酸[1]，固態(tài)甘氨酸是白色結(jié)晶粉末或白色單斜晶系。在水中易溶，有特殊甜味，無(wú)毒無(wú)臭[2]，幾乎不溶于乙醇或乙醚。甘氨酸也是有機(jī)合成中一種重要的原料，廣泛應(yīng)用于農(nóng)藥、醫(yī)藥、化工、食品等領(lǐng)域。它不僅參與蛋白質(zhì)、卟啉、膽鹽等的代謝，具有保護(hù)細(xì)胞、調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)、光譜抗炎等作用，還在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中作為神經(jīng)遞? 質(zhì)[3]。經(jīng)研究表明，甘氨酸具有復(fù)雜的生理功能并在許多疾病中發(fā)揮有效的治療作用。而甘氨酸可在人和哺乳動(dòng)物的體內(nèi)降解，其主要是通過(guò)甘氨酸裂解系統(tǒng)的脫羧和脫氫[4]。甘氨酸的主要化學(xué)合成工藝有氯乙酸氨解法、海因法、施特雷克法三種方? ?法[5-6]。目前，國(guó)外已采用改進(jìn)的海因法和施特雷克法，但國(guó)內(nèi)仍舊采用已被國(guó)外淘汰的氯乙酸氨解法來(lái)生產(chǎn)甘氨酸[7]。甘氨酸在醫(yī)藥行業(yè)中作為抗胃酸沖劑、氨基酸制劑，也可用作治療重癥肌無(wú)力和進(jìn)行性肌肉萎縮，可治療兒童高脯氨酸血癥，可治療胃酯過(guò)多癥和慢性腸炎等。農(nóng)業(yè)上氨基酸主要作為家禽家畜等食用的飼料增加氨基酸的引誘劑與添加劑，可用作為水解蛋白添加劑和增效劑，合成除草劑固體草甘膦和殺菌劑異菌脲。本文采用信息理論方法，優(yōu)化甘氨酸及其衍生物的結(jié)構(gòu)，判斷化學(xué)結(jié)構(gòu)鍵對(duì)其酸度常數(shù)pKa是否影響[8-9]，通過(guò)計(jì)算得到相關(guān)性最高的關(guān)于預(yù)測(cè)酸度pKa的線性方程，從而起到預(yù)測(cè)甘氨酸其他衍生物的酸度pKa的作用。此外還用DFT理論模擬預(yù)測(cè)了甘氨酸一元取代紅外光譜、拉曼光譜、核磁和紫外吸收分子光譜[10-11]。

1? 實(shí)驗(yàn)部分

1.1? 實(shí)驗(yàn)與模型

裝有Chem3D、ChemDraw8.0、 GaussView5.0.9、 Gaussian09W、ACD-Labs 6.0、Origin 8.6、 Multiwfn 3.5 等軟件的 PC 電腦一臺(tái)。甘氨酸的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

通過(guò)改變C和N上的取代基獲得其衍生物，來(lái)研究其4種熵（申農(nóng)熵、費(fèi)歇爾熵、二級(jí)費(fèi)歇爾熵和Parr熵）的變化與采用ACDLab6.0軟件測(cè)得的pKa的線性關(guān)系。本文用-Cl、-F、-Br、-CH3、-NO2作為取代基在不同位置上進(jìn)行一元取代，總共得到11種甘氨酸及其衍生物。使用Chem3D軟件，構(gòu)建11個(gè)甘氨酸及其衍生物的模型，并使用ChemDraw 8.0進(jìn)行其能量最低化;在GaussView5.0.9軟件中，對(duì)甘氨酸進(jìn)行構(gòu)型優(yōu)化，并保存mol格式和gif格式，在菜單欄中選Calculate-Gaussian Calculate Setup，分別計(jì)算11個(gè)甘氨酸及其衍生物的量化參數(shù)。記錄甘氨酸的紅外光譜、核磁光譜、紫外光譜和拉曼光譜的頻率值并用Origin 8.6 作出光譜圖;運(yùn)用 ACD Labs 6.0 軟件，得到11個(gè)甘氨酸及其衍生物相對(duì)應(yīng)的酸度常數(shù)pKa預(yù)測(cè)值;再用Multiwfn 3.5分別計(jì)算11個(gè)甘氨酸及其衍生物的信息分子熵，記錄其所需O、H原子的熵值。最后分別將11個(gè)甘氨酸及其衍生物O、H原子的4種的熵值與得到的pKa用 Origin 8.6作圖，得到線性回歸方程，比較相關(guān)系數(shù)r值大小，確定r值最大的為預(yù)測(cè)方程。

1.2? 結(jié)果與討論

由軟件GaussView 5.0.9計(jì)算所得的甘氨酸及其10種衍生物O、H原子的申農(nóng)熵、費(fèi)歇爾熵、二級(jí)費(fèi)歇爾熵和Parr熵以及由軟件ACD-Labs6.0預(yù)測(cè)得到的相應(yīng)衍生物酸度pKa如表 1 和表2所示。

為了更明顯地表達(dá)出熵值變化與酸度pKa的線性關(guān)系，分別用甘氨酸及其10種衍生物的申農(nóng)熵、費(fèi)歇爾熵、二級(jí)費(fèi)歇爾熵和Parr熵的熵值與pKa值進(jìn)行Origin作圖分析，得出以下結(jié)果。甘氨酸及其10種衍生物O原子的申農(nóng)熵與pKa值關(guān)系相關(guān)系數(shù)r=0.565，線性方程為Y=-31.038+11.431X。甘氨酸及其10種衍生物H原子的申農(nóng)熵與pKa值關(guān)系，相關(guān)系數(shù)r為0.752，r2為0.518，線性方程為Y=-62.632+37.017X 。甘氨酸及其10種衍生物O原子的費(fèi)歇爾熵與pKa 值關(guān)系相關(guān)系數(shù)r為0.614，r2為0.3079，線性方程為Y=-3550.172+7.964X。甘氨酸及其10種衍生物 H 原子的費(fèi)歇爾熵與pKa值關(guān)系相關(guān)系數(shù)r為0.785，r2=0.574， 線性方程為Y=-62.959+18.648X。甘氨酸及其10種衍生物O原子的二級(jí)費(fèi)歇爾熵與pKa值關(guān)系相關(guān)系數(shù)r為0.553， r2=0.229， 線性方程為Y=-997.994+2.250X。甘氨酸及其10種衍生物H原子的二級(jí)費(fèi)歇爾熵與pKa值關(guān)系相關(guān)系數(shù)r為0.868，r2為0.727，線性方程為Y=-34.960+ 9.751X。甘氨酸及其10種衍生物H原子的Parr熵與pKa 值關(guān)系相關(guān)系數(shù)r為0.558，r2為 0.235，線性方程為Y=-288.967+5.109 28X。甘氨酸及其10種衍生物H原子的Parr熵與pKa值關(guān)系相關(guān)系數(shù)r為0.717， r2為0.460 6，線性方程為Y=-77.610+ 17.707X 。由以上Origin圖可知甘氨酸及其10種衍生物的H原子的二級(jí)費(fèi)歇爾熵與酸度系數(shù)pKa值線性方程的r 值最大（r=0.868），即相關(guān)性最好。由此可知，可以運(yùn)用H原子的二級(jí)費(fèi)歇爾熵對(duì)酸度pKa值此條線性方程來(lái)預(yù)測(cè)其他甘氨酸衍生物的酸度系數(shù)，這一方法對(duì)研究甘氨酸衍生物結(jié)構(gòu)和相關(guān)性質(zhì)以及開(kāi)發(fā)甘氨酸衍生物的化學(xué)性質(zhì)有著重要意義。

2? 分子光譜

2.1? 甘氨酸及其衍生物紅外光譜

紅外光譜法上是一種根據(jù)分子內(nèi)部原子間的分子轉(zhuǎn)動(dòng)和相對(duì)振動(dòng)等信息來(lái)確定分子結(jié)構(gòu)和鑒別物質(zhì)的分析方法。通過(guò)紅外光譜圖的分析可以得到分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵的特點(diǎn)，可以用通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)化合物的紅外光譜圖對(duì)比來(lái)鑒別未知物的結(jié)構(gòu)組成或確定其化學(xué)基團(tuán);而吸收譜帶的吸收強(qiáng)度與化學(xué)基團(tuán)的含量有關(guān)，可用于進(jìn)行定量分析和純度鑒定。本文使用 GaussView 5.0.9 軟件進(jìn)行建模、計(jì)算，采用 Frequency方法分別計(jì)算得到11種甘氨酸及其衍生物的譜圖頻率，使用 Origin 8.6 進(jìn)行譜圖處理。使用軟件GaussView 5.0.9 水平優(yōu)化結(jié)構(gòu)，采用 Frequency方法計(jì)算得到甘氨酸紅外光譜圖并使用Origin作圖分析如圖2（a）所示。甘氨酸在紅外光譜圖的吸收峰如下：在600 cm-1處的吸收峰為—COOH 的伸縮振動(dòng)區(qū);在928 cm-1為O—H 的面外搖擺振動(dòng);在1 152 cm-1為C—C的伸縮振動(dòng);在1 568 cm-1為C=O 的伸縮振動(dòng)。一元取代 R1=—F的甘氨酸衍生物在紅外光譜圖的吸收峰如下：在912 cm-1處的吸收峰為C—H的面外搖擺振動(dòng);在2 040 cm-1為—F的不對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng);在1 360 cm-1為 C—C 的伸縮振動(dòng)。一元取代 R2=-F的甘氨酸衍生物在紅外光譜圖的吸收峰如下：在720 cm-1處的吸收峰為C—H 的面內(nèi)搖擺振動(dòng);在950 cm-1為C—H 的面外搖擺振動(dòng);在1 260 cm-1為C—O的面內(nèi)伸縮振動(dòng);在? ? ? 1 360 cm-1為C—C的伸縮振動(dòng);在2 040 cm-1為—F的不對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng);在3 740 cm-1為C—H的伸縮振動(dòng)區(qū)。一元取代 R1=-Cl的甘氨酸衍生物在紅外光譜圖的吸收峰如下：570 cm-1處的吸收峰為O—H 的面內(nèi)搖擺振動(dòng);在950 cm-1為C—H 的面外搖擺振動(dòng);在1 230 cm-1為C—H 的面內(nèi)伸縮振動(dòng);在? ? ?1 360 cm-1為C—C的伸縮振動(dòng);在2 040 cm-1為-Cl的不對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng);在3 740 cm-1為C—H 的伸縮振動(dòng)區(qū)。R1=-Cl的甘氨酸衍生物紅外光譜圖并使用 Origin作圖分析。一元取代 R1=-Cl的甘氨酸衍生物在紅外光譜圖的吸收峰如下：570 cm-1處的吸收峰為O—H的面內(nèi)搖擺振動(dòng);在 950 cm-1 C—H 的面外搖擺振動(dòng);在 1 230 cm-1 C—H的面內(nèi)伸縮振動(dòng);在 1 60 cm-1為C—C的伸縮振動(dòng);在2 040 cm-1為-Cl的不對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng);在3 740 cm-1峰為C—H 的伸縮振動(dòng)區(qū)（未顯示）。

2.2? 甘氨酸及其衍生物拉曼光譜

拉曼光譜是印度物理學(xué)家Raman于1928年發(fā)現(xiàn)的，其檢測(cè)的原理是利用各種分子的振動(dòng)能級(jí)不同，分子在接收到一束頻率為v的光后，分子與光相互作用，散射出頻率為v±v0 的光，而v0 則就稱(chēng)為拉曼位移;對(duì)于同一種分子來(lái)說(shuō)，入射光v 一定時(shí)，拉曼位移v0就一定，因此，可使用拉曼光譜來(lái)探究分子的結(jié)構(gòu)特征和主要官能團(tuán)。本文使用 GaussView5.0.9 軟件進(jìn)行建模、計(jì)算，采用 Frequency 方法分別計(jì)算得到11種甘氨酸及其衍生物的頻率，使用Origin 8.6 進(jìn)行譜圖處理。一元取代R2=-F的甘氨酸衍生物拉曼光譜圖并使用Origin作圖分析如圖2（b）所示。

一元取代 R2=-F的甘氨酸衍生物在拉曼光譜圖的吸收峰如下：在4 470 m-1處的吸收峰為OH 的對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng);在3 740 m-1為C—H對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng);在 2 700 m-1為-CN 伸縮振動(dòng);在1 800 cm-1為C—H的對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng);在1 740 cm-1為C-H的反對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng);在1 370 cm-1為C—C的伸縮振動(dòng);在10 300 cm-1為—OH 面外搖擺振動(dòng)。拉曼光譜中所顯示的波峰與實(shí)驗(yàn)數(shù)值有所浮動(dòng)，這是由于 GaussView5.0.9 在建立模型時(shí)存在相應(yīng)的誤差，并不影響基本官能團(tuán)的判斷。一元取代 R1=-Cl的甘氨酸衍生物在拉曼光譜圖的吸收峰如下：在4 500 cm-1處的吸收峰為—OH的對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng);在3 740 cm-1為 C—H對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng);在1 740 cm-1為C—H 的反對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng);在1 360 cm-1處的吸收峰為C—C的伸縮振動(dòng);在1 230 cm-1處的吸收峰C—Cl的伸縮振動(dòng);在810 cm-1為碳骨架面內(nèi)搖擺振動(dòng)。一元取代 R2=-Cl 的甘氨酸衍生物拉曼光譜圖并使用Origin 作圖分析如圖（未顯示）。一元取代 R2=-Cl的甘氨酸衍生物在拉曼光譜圖的吸收峰如下：4 500 cm-1處的吸收峰為—OH的對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng);在3 740 m-1 為C—H 對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng);在1 740 cm-1為C—H的反對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng);在1 360 cm-1為C—C的伸縮振動(dòng);在1 230 cm-1為C—Cl的伸縮振動(dòng);在810 cm-1為碳骨架面內(nèi)搖擺振動(dòng)。拉曼光譜中所顯示的波峰與實(shí)驗(yàn)數(shù)值有所浮動(dòng)，這是由于GaussView 5.0.9在建立模型時(shí)存在相應(yīng)的誤差，并不影響基本官能團(tuán)的判斷。

2.3? 甘氨酸及其衍生物核磁共振吸收光譜

核磁共振是磁矩不為零的原子核，在外磁場(chǎng)作用下自旋能級(jí)發(fā)生塞曼分裂，共振吸收某一定頻率的射頻輻射的物理過(guò)程。它是對(duì)各種有機(jī)和無(wú)機(jī)物的成分、結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性分析的最強(qiáng)有力的工具之一，有時(shí)亦可進(jìn)行定量分析。本文使用 GaussView 5.0.9軟件進(jìn)行建模、計(jì)算，采用 NMR 方法分別計(jì)算得到11種甘氨酸及其衍生物的頻率，使用 Origin 8.6進(jìn)行譜圖處理。使用軟件ChemDraw 8.0打開(kāi)物質(zhì)模型，采用Predict1H-NMR shifts和Predict 13H-NMR shifts方法計(jì)算得到甘氨酸核磁光譜。表3顯示了甘氨酸C、H位移量。使用軟件 ChemDraw 8.0打開(kāi)物質(zhì)模型，采用Predict 1 H-NMR shifts 和Predict 13H-NMR shifts 方法計(jì)算得到甘氨酸衍生物核磁光譜。表 3顯示了一元取代 R1=-F 的甘氨酸衍生物核磁 C、H 位移量。

2.4? 甘氨酸及其衍生物紫外吸收光譜

由于物質(zhì)分子內(nèi)部在進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)、振動(dòng)和電子運(yùn)動(dòng)，相應(yīng)狀態(tài)的能量即狀態(tài)的本征值是量子化的，因此分子具有轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)、振動(dòng)能級(jí)和電子能。利用物質(zhì)分子對(duì)紫外光的吸收所產(chǎn)生的紫外可見(jiàn)光譜及吸收程度就可以對(duì)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、含量和組成進(jìn)行分，這就是紫外光譜法。本文使用GaussView 5.0.9 軟件進(jìn)行建模、計(jì)算，采用Energy方法分別計(jì)算得到11種甘氨酸及其衍生物的頻率，使用Origin 8.6進(jìn)行譜圖處理。使用軟件GaussView 5.0.9 水平優(yōu)化結(jié)構(gòu)，采用 Energy方法計(jì)算得到甘氨酸紫外光譜圖并使用 Origin8.6軟件作圖分析如圖 3（a）所示。

圖中顯示了甘氨酸在171.8 nm處有最大吸收波長(zhǎng)，位于近紫外區(qū)。這是因?yàn)?n→σ* 的躍遷，吸收波長(zhǎng)較長(zhǎng)。一元取代 R1=-F 的甘氨酸衍生物紫外光譜圖并使用 Origin8.6 軟件作圖分析。顯示了一元取代 R1=-F 的甘氨酸衍生物在174.8 nm 處有最大吸收波長(zhǎng)，位于近紫外區(qū)。這是因?yàn)棣小? 的躍遷，吸收波長(zhǎng)較長(zhǎng)。R2=-F的甘氨酸衍生物紫外光譜圖并使用Origin8.6軟件作圖顯示了一元取代R2=-F的甘氨酸衍生物在 299.2 nm處有最大吸收波長(zhǎng)，位于近紫外區(qū)。這是因?yàn)閚→σ*躍遷，吸收波長(zhǎng)較長(zhǎng)。使用軟件 GaussView 5.0.9 水平優(yōu)化結(jié)構(gòu)，一元取代 R1=-Cl的甘氨酸衍生物在192 nm 處有最大吸收波長(zhǎng)，位于近紫外區(qū)。這是因?yàn)棣小? 的躍遷，吸收波長(zhǎng)較短。R2=-Cl的甘氨酸衍生物紫外光譜圖并使用Origin8.6軟件作圖分析如圖3（b）所示。圖中顯示了一元取代R2=-Cl的甘氨酸衍生物在? 260.3 nm 處有最大吸收波長(zhǎng)，位于近紫外區(qū)。這是因?yàn)閚→σ*躍遷，吸收波長(zhǎng)較長(zhǎng)。使用軟件GaussView 5.0.9水平優(yōu)化結(jié)構(gòu)，采用Energy 方法計(jì)算得到一元取代 R1=-Br的甘氨酸衍生物紫外光譜圖并使用Origin8.6軟件作圖分析如圖 3（a）所示。圖中顯示了一元取代 R1=-Br的甘氨酸衍生物在 212.8 nm處有最大吸收波長(zhǎng)，位于近紫外區(qū)。這是因?yàn)棣小?的躍遷，吸收波長(zhǎng)較長(zhǎng)。一元取代 R2=-Br甘氨酸衍生物紫外光譜圖并使用Origin8.6軟件作圖分析如圖3（b）所示。圖中顯示了一元取代R2=-Br 的甘氨酸衍生物在 271.5 nm 處有最大吸收波長(zhǎng)，位于近紫外區(qū)。這是因?yàn)?n→σ* 的躍遷，吸收波長(zhǎng)較長(zhǎng)。

3? 結(jié) 論

本文將采用信息理論的方法，構(gòu)建并優(yōu)化甘氨酸及其10種衍生物模型，得出以下結(jié)論：

1）甘氨酸及其10種衍生物的H、O原子的費(fèi)歇爾熵 、二級(jí)費(fèi)歇爾熵存在較小的變化，而H、O原子的申農(nóng)熵和 Parr熵變化較為明顯，其中H原子的二級(jí)費(fèi)歇爾熵與pKa 線性關(guān)系最好。

2）本文將采用信息理論的方法，構(gòu)建并優(yōu)化甘氨酸及其10種衍生物模型，通過(guò)計(jì)算得到相關(guān)性最高的關(guān)于預(yù)測(cè)酸度常數(shù)pKa的線性方程，其中H原子的二級(jí)費(fèi)歇爾熵與pKa的線性方程r值最大（r=0.869，r2=0.727），即相關(guān)性最好。因此我們可以選用此條線性方程來(lái)預(yù)測(cè)其他甘氨酸衍生物的酸度常數(shù)，這對(duì)我院制藥工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生今后學(xué)習(xí)氨基酸分子衍生物檢測(cè)提供參考數(shù)據(jù)。

3）本文對(duì)甘氨酸及部分衍生物進(jìn)行紅外吸收、拉曼光譜、核磁共振和紫外吸收光譜的進(jìn)行了模擬預(yù)測(cè)，并對(duì)譜圖中的特征峰進(jìn)行指認(rèn)和歸屬，為我院工科專(zhuān)業(yè)實(shí)施拓展訓(xùn)練材料及藥物光譜預(yù)測(cè)提供材料。

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