环糊精毛细管整体柱手性分离机理的量化计算研究

环糊精毛细管整体柱手性分离机理的量化计算研究【摘要】目的：手性药物是在分子结构中存在手性因素的药物分子，手性药物分子的对映异构体进入体内将表现出不同的药效、毒理性质以及不同的代谢途径。随着对手性药物研究的不断深入，各个国家药物监督管理部门也对检测、分离技术提出了更高的要求。高效、高普适性的手性药物拆分技术的开发一直是科学研究的热点。环糊精是一类多手性中心、应用广泛的手性固定相，具有巨大的应用前景。邓渺朵等人提出的“一锅法”制备了一系列环糊精及其衍生物修饰的毛细管电色谱整体柱，包括β-CD、α-CD、γ-CD、HP-β-CD以及HP-γ-CD整体柱，得到的新型手性固定相对分离抗胆碱类药物取得了不错的实验结果，但其分离机理尚不明确，因此限制了进一步的研究速度。本论文拟用量化计算的手段对手性药物与整体柱固定相相互作用的结合模型进行分子模拟研究，从而在分子层面对拆分机理进行初步探究，为将来设计新的功能化固定相提供有益的借鉴。方法：（1）探究环糊精色谱手性固定相拆分机理，首先使用Guassview程序搭建固定相β-CD、α-CD、γ-CD和待分离药物托吡卡胺的分子立体结构。（2）采用半经验法PM6D3对其单体及包合物结构进行几何优化，获得固定相与药物分子对映体相互作用的基本模型，并得到结合过程的相关热力学数据。（3）通过分析结合热力学数据、分子结构几何参数等与文献实验结果对照分析，初步解释手性分离的作用机制。结果：α、β、γ三种环糊精衍生物中，β-CD固定相与托吡卡胺对映异构体的结合能差异最大，而α-CD固定相与该对映异构体的结合能几乎没有差别。结论：这与实验得到的β-CD固定相具有最佳分离效果结果相一致，其原因可能源于β-CD的空腔与托吡卡胺的尺寸最为匹配。【关键词】环糊精类衍生物；手性拆分机制；手性药物；量化计算化学QuantitativeCalculationofChiralSeparationMechanismofCyclodextrinCapillaryMonolith[Abstract]Objective:Chiraldrugsaredrugmoleculeswithchiralfactorsinthemolecularstructure.Theenantiomerofchiraldrugmoleculesenteringthebodywillshowdifferentefficacy,toxicologicalpropertiesanddifferentmetabolicpathways.Withthecontinuousdeepeningofresearchonchiraldrugs,drugregulatoryauthoritiesinvariouscountrieshavealsoputforwardhigherrequirementsfordetectionandseparationtechnologies.Thedevelopmentofefficientanduniversallyapplicablechiraldrugresolutiontechnologieshasalwaysbeenahottopicinscientificresearch.Cyclodextrinisakindofchiralstationaryphasewithmultichiralcentersandwideapplications,whichhasgreatapplicationprospects.Aseriesofcyclodextrinanditsderivativesmodifiedmonolithiccapillaryelectrochromatographycolumnswerepreparedbythe"onepotmethod"proposedbyDengMiaodouetal.,includingβ-CD、α-CD、γ-CD、HP-β-CDandHP-γ-CD.ThenewchiralstationaryphaseobtainedbyCDmonolithiccolumnhasachievedgoodexperimentalresultsintheseparationofanticholinergicdrugs,butitsseparationmechanismisstillunclear,whichlimitsfurtherresearchspeed.Thispaperintendstoconductmolecularsimulationresearchontheinteractionmodelbetweenchiraldrugsandmonolithiccolumnstationaryphasesusingquantitativecalculations,inordertopreliminarilyexploretheresolutionmechanismatthemolecularlevelandprovideusefulreferencefordesigningnewfunctionalizedstationaryphasesinthefuture.Methods:(1)Toexploretheseparationmechanismofcyclodextrinchromatographicchiralstationaryphase,usetheGuassviewprogramtobuildthemolecularstereostructureofβ-CD、α-CD、γ-CDstationaryphaseandtopicamidefirstly.(2)ThesemiempiricalmethodPM6D3wasusedtooptimizethegeometricstructureofitsmonomerandinclusioncomplex,toobtainthebasicmodeloftheinteractionbetweenthestationaryphaseandthedrugmoleculeenantiomer,andtoobtaintherelevantthermodynamicdataofthebindingprocess.(3)Themechanismofchiralseparationispreliminarilyexplainedbyanalyzingthethermodynamicdata,molecularstructuregeometricparametersandtheexperimentalresultsintheliterature.Result:Amongthethreecyclodextrinderivatives,thebindingenergydifferencebetweenβ-CDstationaryphaseandtopicamideenantiomeristhelargest,whilethebindingenergyoftheα-CDstationaryphaseandtheenantiomerisalmostthesame.Conclusion:Thisisconsistentwiththeexperimentalresultsβ-CDstationaryphasehasthebestseparationeffect,whichmaybeduetothecavityofβ-CDmatchesthesizeoftopicamidebest.[keywords]CyclodextrinderivativesChiralresolutionmechanismChiraldrugsQuantitativecomputationalchemistry

目录 1前言 [15]。半经验法经过长期发展，从早期的CNDO，INDO发展到AM1和PM3，再到目前主流的AM3和PM6，PM7等方法，计算精度也获得了长足的进步，目前对于处理大分子体系，当经验参数选取合适的时候，已经可以得到相当精确的结果。考虑到我们研究对象的分子体系的大小，从头计算法和DFT方法虽然具有计算精度的优势，但计算量很大，耗时很高。综合考虑计算成本与精度需求，我们认为半经验法是最具可行性的方案。PM6是目前主流的半经验计算方法之一，它对有机体系的计算已经得到了充分的考验，被认为是比较可靠的计算方法，PM6方法对弱相互作用的描述往往不够精确，2004年Grimme小组提出一系列色散校正方法以来，使得传统的半经验方法在计算分子间弱作用方面的缺陷得到了很大的弥补。考虑到我们的研究体系主要为环糊精与药物分子的分子间作用力，我们采用了结合了D3色散校正方法的PM6D3方法来进行计算。2.3量化计算的步骤2.3.1三种环糊精固定相片段的建模图2-1文献中的整体柱中环糊精固定相文献中的整体柱中环糊精固定相如上图所示，其为一个高分子链连接而成的巨大分子，考虑到现有计算服务器的计算能力，必须对其进行截断才有可行性。根据主客体识别的化学原理，我们认为环糊精空腔以及磺酸基团是可能与药物分子发生结合的主要位点。因此，我们截取了红框所示片段作为模拟环糊精固定相的代表性片段，分别搭建了相应的α、β、γ环糊精衍生物分子模型。同时，我们在文献中的实验结果中观察到，托吡卡胺在三种环糊精固定相的手性分离效果上具有显著的差异，因此我们选择托吡卡胺（如图2-2所示）与环糊精的结合模型作为本项目的研究对象。图2-2托吡卡胺2.3.2分子结构优化分子结构的变化通常会导致分子能量和其他性质的改变，一个分子体系随结构的改变而发生能量改变的路径是由势能面来确定的。几何优化就是在势能面上试图找到能量最低点从而预测出分子的平衡几何构型。结构优化即是优化到分子能量最低构象，能量最低构象能代表该分子在常态下的性质与状态，是大部分分子所处的状态，最具有代表性，因此，研究该构象的性质最能代表分子的性质。我们首先要进行的研究内容便是通过几何优化，获得环糊精固定相片段与药物分子的最低能量构象，再优化得到二者复合物的最低能量构象。进而计算三者的热力学数据，并通过以下公式来计算获得结合自由能和焓的数据：G(H3结果与讨论3.1结构优化后的单体3.1.1三种环糊精衍生物环糊精衍生物经过结构优化后，如图3-1，3-2，3-3所示，三种环糊精衍生物呈上窄下宽的两端开口、中间空心的筒状立体结构，C6羟基上衍生出来的含有磺酸基团的长链倾向于折叠的构象，像盖子一样将开口窄的一端遮挡起来，以方便磺酸基团与环糊精袋口上的羟基通过氢键进行结合。这种优势构象使环糊精衍生物呈现为只有一端开口的碗状结构。我们可以直观地从图中看出来，α-CD的空腔开口最小，β-CD次之，γ-CD的空腔开口最大，如表3-1所示。图3-1α-CD图3-2β-CD图3-3γ-CD表3-1三种环糊精衍生物空腔开口最宽处两原子之间的距离环糊精衍生物种类空腔开口最宽处两原子之间的距离AC14.7BC15.6GC15.93.1.2R（S）-托吡卡胺如图3-4、3-5所示，一对手性对映体在进行结构优化后，它们的绝对构型不同，但其能量保持一致，说明了对映异构体的物理性质是相同的。图3-4R-托吡卡胺图3-5S-托吡卡胺3.2复合物构型及结合能的计算托吡卡胺为碱性药物，含有苯环和吡啶环，这两种结构均为可能发生相互作用的结合方式，故托吡卡胺和每一个环糊精衍生物都有三种结合方式，第一种方式为苯环包合进入空腔内，第二种方式为吡啶环包合进入空腔内，第三种方式为不进入空腔，与环糊精衍生物在外部结合。将上述三种环糊精衍生物与托吡卡胺分别结合，再通过结构优化获得了三种环糊精衍生物与托吡卡胺形成复合物的稳定空间结构。α-CD，β-CD，γ-CD与托吡卡胺R构型和S构型结合形成的构型如下图3-6所示α-CD与托吡卡胺S构型和R构型结合的结合自由能和结合焓见表3-1β-CD与托吡卡胺S构型和R构型结合的结合自由能和结合焓见表3-2γ-CD与托吡卡胺S构型和R构型结合的结合自由能和结合焓见表3-3环糊精衍生物与托吡卡胺结合的所有复合物的结合自由能如图3-7所示三种环糊精衍生物以第一种结合方式与托吡卡胺S构型和R构型结合的自由能差和结合焓差见表3-4三种环糊精衍生物以第二种结合方式与托吡卡胺S构型和R构型结合的自由能差和结合焓差见表3-5三种环糊精衍生物以第三种结合方式与托吡卡胺S构型和R构型结合的自由能差和结合焓差见表3-6三种环糊精衍生物以三种方式与托吡卡胺S构型和R构型结合的自由能差如图3-8所示AC-R-tropicamide-1AC-S-tropicamide-1AC-R-tropicamide-2AC-S-tropicamide-2AC-R-tropicamide-3AC-S-tropicamide-3BC-R-Tropicamide-1BC-S-Tropicamide-1BC-R-Tropicamide-2BC-S-Tropicamide-2BC-R-Tropicamide-3BC-S-Tropicamide-3GC-R-Tropicamide-1GC-S-Tropicamide-1GC-R-Tropicamide-2GC-S-Tropicamide-2GC-R-Tropicamide-3GC-S-Tropicamide-3图3-6α-CD，β-CD，γ-CD与托吡卡胺R构型和S构型结合形成的构型表3-1α-CD与托吡卡胺S构型和R构型结合的结合自由能和结合焓药物G（结合自由能）H（结合焓）AC-R-Tropicamide-1-12.3-32.4AC-S-Tropicamide-1-12.5-32.6AC-R-Tropicamide-2-4.7-21.3AC-S-Tropicamide-2-4.3-22.7AC-R-Tropicamide-3-2.5-13.3AC-S-Tropicamide-3-2.7-13.7表3-2β-CD与托吡卡胺S构型和R构型结合的结合自由能和结合焓药物G（结合自由能）H（结合焓）BC-R-Tropicamide-1-15.8-34.9BC-S-Tropicamide-1-14.5-33.8BC-R-Tropicamide-2-21.7-40.2BC-S-Tropicamide-2-17.1-35.8BC-R-Tropicamide-3-6.2-25.5BC-S-Tropicamide-3-5.5-24.9表3-3γ-CD与托吡卡胺S构型和R构型结合的结合自由能和结合焓药物G（结合自由能）H（结合焓）GC-R-Tropicamide-1-10.9-30.8GC-S-Tropicamide-1-10.4-30.1GC-R-Tropicamide-2-14.8-37.0GC-S-Tropicamide-2-13.7-36.0GC-R-Tropicamide-3-2.9-27.5GC-S-Tropicamide-3-3.1-27.9图3-7环糊精衍生物与托吡卡胺结合的所有复合物的结合自由能表3-4三种环糊精衍生物以第一种结合方式与托吡卡胺S构型和R构型结合的自由能差和结合焓差复合物ΔG（自由能差）ΔH（结合焓差）AC-0.2-0.1BC1.31.2GC0.60.7表3-5三种环糊精衍生物以第二种结合方式与托吡卡胺S构型和R构型结合的自由能差和结合焓差复合物ΔG（自由能差）ΔH（结合焓差）AC0.4-1.4BC4.64.4GC1.21.0表3-6三种环糊精衍生物以第三种结合方式与托吡卡胺S构型和R构型结合的自由能差和结合焓差复合物ΔG（自由能差）ΔH（结合焓差）AC-0.3-0.4BC0.70.5GC-0.1-0.4图3-8三种环糊精衍生物以三种方式与托吡卡胺S构型和R构型结合的自由能差首先，我们可以看到，所有的结合焓都比结合自由能要更负，这是由于单个分子形成复合物是一个显著的熵减过程，结合过程主要由焓来驱动。进一步观察不同环糊精与药物分子的结合自由能数据，所示结果，我们可以看到对于三种环糊精衍生物，在环糊精腔内结合（AC-R-1,2AC-S-1,2BC-R-1,2BC-S-1,2GC-R-1,2GC-S-1,2）的方式都明显优于腔外结合（AC-R-3,AC-S-3,BC-R-3,BC-S-3,GC-R-3,GC-S-3），即便是以苯环进行腔内的第一种结合模式，虽然缺少了磺酸基团与吡啶的结合作用，其结合稳定性依然高于环外通过磺酸与吡啶结合的第三种结合模式。以上结果表明，通过环糊精疏水空腔包合托吡卡胺分子产生的结合作用在二者结合过程中具有主导地位。接下来，我们对三种环糊精与托吡卡胺结合的异同点进行分析。通过上述图表中数据，我们可以看到，对β-CD和γ-CD来说，最稳定的结合方式都是第二种，在这种结合方式中，吡啶环优先进入腔内并穿过整个环糊精空腔，与另一端的磺酸基侧链进行结合。这种结合模式兼具了环糊精疏水空腔对药物的包合作用与磺酸-吡啶的结合作用，从而释放出最多的结合能，成为最佳结合模式。但在α-CD衍生物中，我们发现在第二种结合方式中，由于α-CD的空腔太小，分子无法全部进入空腔，导致吡啶环无法与另一侧袋口的磺酸基团发生作用，这使得第二种方式的结合效率大大降低，而采用更疏水的苯环进入空腔的第一种结合方式成为最佳。这一现象体现了环糊精在与药物分子结合中的“择型效应”。该效应也导致了α-CD与药物分子的结合能力远低于β-CD与γ-CD。而后二者中，又以β-CD的结合能力最强，其可能源于β-CD的空腔大小与托吡卡胺分子的尺寸更为“搭配”。进一步的，我们从结合能数据也能很好的解释三种环糊精固定相对托吡卡胺对映异构体的分离效果。首先，实验使用的流动相为非手性试剂，因此R-与S-托吡卡胺与流动相的作用没有差异。根据色谱分离原理，R-与S-托吡卡胺与手性固定相的结合能差异便成为了分离效率高低的决定性因素。从上述图表数据可以看到，在各自的最稳定结合方式中，β-CD的BC-R-Tropicamide-2与BC-S-Tropicamide-2的结合能差异最大（R，S的结合自由能差异为4.4kcal/mol），这意味着在β-CD中，R与S构型的托吡卡胺与固定相的作用力差异最大。而γ-CD，GC-R-Tropicamide-2与GC-S-Tropicamide-2的结合能差异仅为1.2kcal/mol,对于α-CD，AC-R-Tropicamide-1与AC-S-Tropicamide-1则几乎没有差异（仅为0.2kcal/mol）。由此可以看到我们计算得到的结合能数据与实验结果是相吻合的，见表3-7。表3-7托吡卡胺在三种环糊精衍生物固定相下的分离度药物α-CDβ-CDγ-CD托吡卡胺02.850.643.3对复合物结合的微观机制的初步解析为进一步获得分离原理的微观机制信息，我们对复合物结构中的结合位点进行了总结。3.3.1α-CD与R（S）-托吡卡胺托吡卡胺与α-CD结合时，最佳结合方式是第一种。观察图3-6中AC-R-tropicamide-1与AC-S-tropicamide-1的结构，此时托吡卡胺结构中的苯环进入α-CD的空腔内，由于药物分子只有少部分进入手性空腔，因此缺乏非常有力的结合位点，导致AC-R-tropicamide-1和AC-S-tropicamide-1的结合能差和结合焓差较小。3.3.2β-CD与R（S）-托吡卡胺托吡卡胺与β-CD结合时，最佳结合方式是第二种。观察图3-6中BC-R-tropicamide-2与BC-S-tropicamide-2的结构，此时托吡卡胺结构中的吡啶环进入β-CD的空腔内，此时药物分子大部分进入手性空腔中，因此产生了多个结合位点，如托吡卡胺分子上羟基与袋底羟基的氢键作用，以及吡啶环与袋口磺酸基的作用等。同时由于空腔与分子尺寸较为吻合，限制了药物分子自由运动导致的构象变化，使得托吡卡胺的R，S对映异构体与环糊精手性空腔结合时，二者结合位点的强度有较明显差异。如底物分子中羟基氧与袋底羟基产生结合作用时，其R-、S-托吡卡胺与袋底羟基形成的氢键键长分别为1.748Å，1.803Å，此键长差异说明前者是比后者明显更强的氢键作用，如图3-9所示。除氢键外，以第二种结合方式结合时，还有一个重要的作用力，为托吡卡胺吡啶环上的N和磺酸基团上的H的作用力，如图3-10所示，PyrN—H-SO2R距离R-、S-分别为2.210Å，2.345Å。这个结合作用上，R构型药物分子也明显的优于S构型分子。这些结构数据与我们计算得到的结合能差异也是相互吻合的。图3-9β-CD与R（S）-托吡卡胺氢键作用键长图3-10β-CD与R（S）-托吡卡胺N-H键长图3-11β-CD与R（S）-托吡卡胺结合时磺酸基团中O-H键长3.3.3γ-CD与R（S）-托吡卡胺托吡卡胺与γ-CD结合时，最佳结合方式是第二种。观察图3-6中GC-R-tropicamide-2与GC-S-tropicamide-2的结构，此时托吡卡胺整个分子都进入了环糊精手性空腔内，同样的，药物分子中的羟基可以袋底羟基发生氢键作用，其键长R-、S-分别为1.823Å，1.961Å，此处的氢键作用还具有较明显的差异，但R，S构型药物分子的吡啶环与袋口磺酸基的作用则差异很小，其PyrN—H-SO2R距离R-、S-分别为1.787Å与1.779Å。其原因可能在于γ-CD的空腔太大，因此R，S构型药物分子可以自由的调整分子构象，从而使得二者吡啶环都可尽量接近磺酸基团，使得此处的结合失去差异性，最终导致对映异构体与固定相的结合能差异变小。同时，由于空腔过大，其疏水腔壁与药物分子的结合不紧密，也使得即便有了更强的吡啶-磺酸作用，但γ-CD与分子的结合能力反而低于β-CD。图3-12γ-CD与R（S）-托吡卡胺氢键作用键长图3-13γ-CD与R（S）-托吡卡胺N-H作用键长图3-14γ-CD与R（S）-托吡卡胺结合时磺酸基团中O-H键长4讨论与结论4.1结果讨论与结论通过上述理论计算，我们发现环糊精空腔大小与托吡卡胺分子尺寸的匹配程度是产生分离效果差异的重要原因。对于α-CD，由于其空腔太小，药物分子无法充分进入环糊精手性空腔，从而使得其手性空腔几乎无法发挥手性识别的作用。而对于γ-CD，其空腔太大，使得药物的对映异构体可以自由调整分子构象，从而达到类似的结合效果，削弱了分子识别的能力。而β-CD的空腔大小则能够较好的包合药物分子，不仅达到了更好的结合能力，同时由于限制了药物分子构象的自由变化，使得托吡卡胺对映异构体在于固定相作用时，二者在两处结合位点（袋底羟基氢键作用及吡啶环-磺酸作用）上，产生了较大的差异性。这些结合位点的结构差异性产生了结合能的差异，并最终导致了较好的分离效果。参考文献AshishKumarPal;BirBahadur，Chirality