（林产化学加工工程专业论文）脱氢枞胺在液相色谱填料中的应用及分子模拟.pdf

摘要 本论文研究了脱氢枞胺及其衍生物在h p l c 色谱填料中的应用。主要研究手段与内 容有： 1 ) 制备并测试了游离脱氢枞胺单晶结构和原子坐标，并将结构数据应用于后面的 h p l c 分子模拟中。 2 ) 用计算化学方法比较了在甲苯中脱氢枞胺与二氢枞胺和四氢枞胺分离结晶的趋 势。 3 ) 从热力学基本原理逐步推导出同时适于i p 色谱和c p m a 色谱的普遍适用公式。 4 ) 制定了预测手性色谱和反相色谱分离的分子模拟步骤。应用分子动力学和d f t 方 法，利用分子结构预测色谱分离结果。并从模拟结果中提取有用信息。 5 ) 将脱氢枞胺和脱氢枞胺衍生p 一环糊精键合到硅胶上，制备的填料可成功进行反相 ( r p c ) 色谱分离。结果表明对分析物有独特的选择性。并用分子模拟进行了解释。 结果表明，所制各的填料，可成功用于反相( r p c ) 、手性流动相添加剂( c p m a ) 和手 性固定相( c s p ) 色谱分离。且实验的k 比值与模拟计算的a a g 的变化趋势基本相吻合。 关键词：脱氢枞胺，高压液相色谱，填料，分子模拟 t h e a p p l i c a t i o na n dm o l e c u l a rs i m u l a t i o no fd e h y d r o a b i e t y l a m i n ei n p a c k i n gm a t e r i a lo fh p l c a b s t r a c t t h i sp a p e rs t u d i e st h ea p p l i c a t i o no fd e h y d r o a b i e t y l a r n i n ea n di t sd e r i v a t i v ei nt h ep a c k i n g m a t e r i a lf o r 唧l c t h em a i nm e t h o d sa n dr e s e a r c hc o n t e n t sa r e 1 ) s i n g l ec r y s t a lo fd e h y d r o a b i e t y l a m i n ea c e t a t ew a sp r e p a r e d ，a n di t ss t r u c t u r ea n da t o m s c o o r d i n a t e sw a sd e t e r m i n e db yx r a yd i f f r a c t i o n 1 1 1 es t r u c t u r ed a t aw a su s e di nt h em o l e c u l a r s i m u l a t i o ni nt h i sp a p e r n es t r u c t u r ed a t ai sa l s ou s e f u lf o rt h em a t e r i a la n d p h a r m a c e u t i c a l d e s i g nr e l a t e dt od e h y d r o a b i e t y l a m i n e 2 ) t h es e p a r a t i o nm e t h o df o rd e h y d r o a b i e t y l a m i n e ，d i h y d r o a b i e t y l a m i n ea n d t e t r a h y d r o a b i e t y l a m i n ei sr e p o r t e d b u tw i t h o u ti t sm e c h a n i s m t h i sp a p e re x p l a i n st h i sp r o c e s s b yc o m p u t i n gc o h e s i o ne n e r g yd e n s i t yu s i n gc o m p u t a t i o n a lc h e m i s t r y 3 ) t h i sp a p e rd e d u c e sa ne q u a t i o nf r o mt h e r m o d y n a m i c sp r i n c i p l e n i se q u a t i o ni ss u i t a b l ef o r i pa n dc m p ah p l c s o m es p e c i a lc o n d i t i o n so f t h i se q u a t i o na r ed i s c u s s e d 4 ) t h i sp a p e rp r o p o s e dap r o c e d u r et os i m u l a t et h em o l e c u l a ri n t e r a c t i o nf o rh p l c ，a p p l y i n g m o l e c u l a rd y n a m i c sa n dd f tm e t h o d s n i sp r o c e d u r ep r e d i c t st h es e p a r a t i o nb e h a v i o ro f h p l cw i t ht h ei n p u t so fs t r u c t u r ei n f o r m a t i o no f a n a l y t e 5 ) t w op a c k i n gm a t e r i a lw a ss y n t h e s i z e db yb o n d i n gd e h y d r o a b i e t y l a m i n et os i l i c a t h i s p a c k i n gm a t e r i a ld e m o n s t r a t e sau n i q u es e l e c t i v i t yw h e nr u n n i n gi nr p cm o d e w h e nr u n n i n g i nc m p am o d e ，i b - c y c l o d e x t r i nw a sa d d e dt om o b i l ep h a s e ，r a c e m i co f l o x a c i nw a ss e p a r a t e d s u c c e s s i v e l y , a n di t ss e p a r a t i o nf a c t o rv a r i e sf r o m1 0 9t 01 13w i t hc o n c e n t r a t i o no f i b - c y c l o d e x t r i n ，a n de x p l a i n e dw i t hc o m p u t a t i o n a lc h e m i s t r y k e y w o r d s ：d e h y d r o a b i e t y l a m i n e ，h p l c ，p a c k i n gm a t e r i a l ，m o l e c u l a rs i m u l a t i o n 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行的研究工作 所取得的成果尽我所知，除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者( 本人签名) ： 考勇。o 年7 月fs 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南京林业大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版( 中国科学技术 信息研究所；国家图书馆等) ，允许论文被查阅和借阅本人授权南京林业大学 可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以汇编和综合 为学校的科技成果，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论 文全部或部分内容 保密口，在年解密后适用本授权书本学位论文属于不保密面。 ( 请在以上方框内打“ 一 ) 学位论文储( 本人签名) ： 毒彰 。彳年- 7 月嘶 指一引枞戳x 励易参矿夕月 致谢 本论文是在导师曾韬教授的悉心指导和支持鼓励下完成的，导师渊博的学 识，高尚的人品和博大的胸怀使我受益匪浅在这几年中，导师不仅给予了研究 方向和学习上的指导，在多个研究方向上给予积极鼓励，还给予精神上的鼓励， 使我的学习和研究得以顺利完成在此我向导师表示最诚挚的谢意 学习中的疑难问题，我也经常请教我院其他老师，他们的指教，对我的学习 水平提高和论文顺利完成，提供了莫大的帮助 同时，与我的师兄师弟妹们相处融洽，互相帮助，在这几年里度过了紧张而 快乐的时光，在此表示深深的谢意 几年的在校学习，也得益于研究生院老师们和实验室老师们的默默奉献，在 此表示深深的谢意! 导师：曾韬 t op r o f z e n gt a o w h o s et u t o r s h i pa n de n c o u r a g e m e n t m a d et h i sd i s s e r t a t i o np o s s i b l e a n d t o i n g j i n gw a n g w i t h o u tw h o s e y e a r so f s t e a d ys u p p o r t t h i sd i s s e r t a t i o nw o u l dn o th a v eb e e nw r i t t e n 作者：李勇 第一章手性色谱填料种类及分离原理 脱氢枞胺来源于松香，松香是自然界中存在最广泛的天然产物之一，得到了越来越多 的研究。如涉及利用它的天然手性中心作药物光学拆分，及药物或染料中间体制造等。但 以色谱方法利用脱氢枞胺的文献几乎没有。 高压液相色谱( h p l c ) 中，反相色谱( 1 心c ) 工作模式是化学工作者所熟悉的。但手性色 谱发展较快，在这里对其工作机理和发展状况作一综述。 手性色谱中，两个对映体与另一个非手性分子的相互作用是相同的，故用普通的色谱 是不能分离对映体的。外消旋混合物要分离，外消旋样品就必须与手性化合物作用，以形 成非对映异构体或非对映异构配合物。非对映异构体之间有不同的物理化学性质，就可以 用色谱来进行分离了。 手性色谱方法包括手性气相色谱、手性超临界流体色谱、手性毛细管电泳和手性 h p l c 。其中手性h p l c 是最广泛使用的，也常是不对称合成e e ( e n a n t i o m e r i ce x c e s s ) 值检 测的标准方法。h p l c 分离对映体的能力即对映体选择性，常用分离因子( s e p a r a t i o nf a c t o r ) a 来表示。当一对映体的达到1 1 ，就可认为分离成功。 被分析物与对映纯的手性衍生试剂c d a ( c h i r a ld e r i v a t i v ea g e n t ) 反应后再用h p l c 分离的方法归为间接法。c d a 方法须注意化学反应没有外消旋化，且c d a 试剂e e 值需 大于9 9 。反应产物常为酰胺、氨基甲酸酯、脲衍生物。用色谱直接分离手性分子的称 直接法。直接法中又有c s p ( c h i r a ls t a t i o n a lp h a s e ) 法和c m p a ( c h i r a lm o b i l ep h a s ea g e n t ) 法。 c 加p a 法是用对映体纯的化合物加到流动相中，形成暂时的非对映异构体。c s p 法将手 性物质通过共价键、离子键或物理吸附涂覆在支持物上，与分析物形成暂时的非对映异构 体。c s p 的对映选择性还可用非手性试剂来衍生分析物而增强。c s p 法是最常用、最方 便的方法。 目前，c s p 还没有一个统一的分类方法。文献【l 】按溶质与c s p 分子间的作用力分为 五类，见表1 1 。 文献【2 】按c s p 的有机相类型将c s p 分类为：蛋白质类，环糊精类，糖类，p i r k l e 类， 配体交换类和大环抗生素类，见表1 2 。 c s p 具有手性识别能力才能分离对映体，而手性识别能力来源于分子间的相互作用 力，依据的多是分子间的弱相互作用力，如：氢键、兀- 兀堆积、偶极堆积、配合物包含、 立体堆积( h y d r o g e nb o n d i n g 、7 【- 7 【i n t e r a c t i o n s 、d i p o l es t a c k i n g 、i n c l u s i o nc o m p l e x i n ga n da e r i e b u l k ) 。如果两个对映体与c s p 的上述相互作用在强度上不同，就有可能在洗脱剂的作用 下分离开。目前，专家多同意c s p 与分析物的同时三点作用是必须的，且至少一种相互 作用与立体化学相关 3 】。对此也有一些争议 4 】。 在文献 5 】中的数据表明，静电力是维持非对映异构体存在的主要作用力。但在手性 识别作用上，回归方程表明立体作用占9 0 ，静电作用只占1 0 。 第一章手性色谱填料种类及分离原理 样品的化学结构对手性识别的能力影响最大。样品的取代基类型、取代基与c s p 形 成h 键或尢键的能力、取代基的空间位置等都是重要因素。一般来说，取代基离手性中 心越近，手性识别的可能性就越大。故有时需要适当的衍生化来引入合适的取代基。 表1 1 按分子间作用力，c s p 的分类1 1 】 t a b 1 1t y p eo fc s p a c c o r d i n gt oi n t e r m o l e c u l a rf o r c e s 1 】 表1 2 按c s p 的有机相类型分类 t a b 1 2t y p eo fc s pa c c o r d i n gt oi t so r g a n i cp h a s e 商业规模制备色谱最有希望的技术是模拟移动床( s i m u l a t e dm o v i n gb e d ，s m b ) 色谱。 在常规色谱中，流动相携带着样品向前流经一个填料固定床，样品中的组分根据其对填料 物质的相对亲和力而被分离。模拟移动床则不然，它的运行就好象在同一时间内填料都在 1 1 蛋白类手性柱的手性选择机理 向后移动。在实际过程中填料并不移动，而是将6 1 2 根手性色谱柱连接成为一个回路， 由4 5 个泵保持该体系中的液相循环。随着消旋体在该柱体系中的移动，一种对映体环 带开始走在前面，而相反对映体环带则落在后面。每隔一段时间分别取出走在前面的一种 对映体和拖在后面的另一种对映体。与此同时，将新的消旋体注入到移动着物质的中心。 而在与之相反1 8 0 度的位置注入新鲜的液相。s m b 工艺经过3 0 多年的成功应用，在对映 体选择分离中日臻完善，现已发展成吨级工艺。2 0 0 0 年瑞士c a r b o g e n 公司称，该公司 s m b 系统在正常运转的情况下，每天可以分离4 公斤消旋体药物 6 8 】。 1 1 蛋白类手性柱的手性选择机理 蛋白类c s p 使用的手性材料有：牛或入的血亲白蛋白、a 酸性白蛋白、纤维素酶、胃 蛋白酶。蛋白类c s p 拆分能力强，用其他方法分不开的对映体样品，用蛋白类c s p 常能 取得成功。较适用于用水等极性流动相的生化常规分析。但由于柱容量低，价格贵，不适 合于开发成制备性色谱。 它的作用机理一般认为主要是疏水作用和静电力。另外，h 键、电荷转移作用也起一 定的作用。疏水作用与流动相中的有机物含量有关，而静电作用力与蛋白质在不同p h 值 下的带电状态有关 9 】。 p h 值影响：增加流动相p h 到大于蛋白质的p i 时，蛋白质的负电荷增加。这样，对 静电作用来说，对呈正电荷的溶质保留时间增加，呈负电荷的溶质保留时间下降。减少流 动相p h 时，正好相反。故p h 影响的程度取决于蛋白质的p i 和溶质( 这里即固定相) 的p k a 。 蛋白固定相和样品带相反电荷，有助于对映体选择性。大部分蛋白类柱适用的p h 在中心 略偏酸性环境，其中已胃蛋白酶( p e p s i n ) p h 可至最低p h 3 - - 6 。常用碱性的b s a 、h a s 分 离酸性外消旋体，用p e p s i n 来分离碱性外消旋体。有时，即使小的p h 变化也会影响对映 体的成功分离。蛋白类c s p 上样量较小，常小于l u g 。柱温若大于4 0 c ，两个对映体的 k 值都会降低，并会外消旋化。 流动相有机物含量( b ) 的影响：疏水作用主要受b 影响。与反相色谱类似，用来改 变对映体的k 值和相应的q 值。通常最优k 值位于l k 2 0 。当b 增加时，将减弱固定相 与分析物的疏水作用力，保留时间将下降。对保留作用很强的样品，可以使用允许最大的 改性剂浓度和允许的最低p h 值缓冲。通常，最合适的改性剂种类和浓度较复杂，需实验 方可确定。 上述因素的影响复杂，尚难以系统化。 1 2 多糖类c s p 纤维素的线性结构和直链淀粉的螺旋结构，对手性识别会产生重要作用。将纤维素或 淀粉的衍生物涂在硅胶等支持材料上，就可制成手性糖柱。可在正相操作，也可反向操作。 柱效比蛋白类c s p 要低。 第一章手性色谱填料种类及分离原理 多糖固定相如果经过了衍生，如纤维素的氨基甲酸盐衍生物( 图1 1 ) 【2 ，1 0 】，衍生物的 手性官能团可参与手性相互作用，如分析物和固定相羰基的偶极偶极相互作用、羰基、 羟基、胺基的氢键作用。 多糖固定相不进行衍生化也可进行手性分离，如：分离脂肪族对映体时，多糖的手性 空穴与对映体形成立体匹配，进而分离对映体。对有极性的对映体，则有氢键和偶极作用， 亦有助于分离对映体。 一一。 叶nalyte j ”0 # 一 ? 0 气 l a n a t y t e 图1 1 纤维素的氨基甲酸盐衍生物与分析物之间的相互作用 f i g 1 1i n t e r a c t i o nb e t w e e nc a r b a m a t ed e r i v e dc e l l u l o s ea n da n a l y t e 夸咒茹 p 。睾0 7 h 图1 2p i r k l e 类商品化的柱的三种类型举例1 2 】 f i g 1 2s o m ec o m m e r c i a lc o l l u n m 2 l ( c ) 1 3 给体，受体( d o n o r - a c c c p t o r ) 类柱( p i r l d e 柱) 1 3 给体一受体( d o n o 卜a c c e p t o r ) 类柱( p i r k l e 柱) 通常称为刷型柱( b r u s ht y p ec s p ) ，为纪念p i r k l e ，也称为p i r k l ec o l u m n 。 表1 3 环糊精已被测定立体结构 t a b 1 3d e t e r m i n e ds t r u c t u r e so fc y c l o d e x t r i n 5 第一章手性色谱填料种类及分离原理 手性识别时，要求分析物和c s p 间必须有三个相互作用位点，而且至少一种与手性 立体异构相关。其中的两种作用力必须是吸引，第三种作用力可以是吸引，也可以是排斥。 作用力类型有：7 【吨堆积，氢键，空间相互作用，偶极堆积。p i r k l e 柱的手性识别都是互惠 事件( r e c i p r o c a le v e n t ) ，如首先发现萘普生硅胶型c s p 可以分离一些对映体，而分离后的 对映体也可以作为c s p 用来分离萘普生。此类商品化的柱可分为 2 】： 1 ) 兀电子受体c s p ，如图1 2 ( a ) ，可用于分离7 c 电子给体芬香化合物， 2 ) 兀电子给体c s p ，如图1 2 ( b ) ，可用来分离胺醇丌电子受体化合物， 3 ) 兀电子给体受体化合物，如图1 2 ( c ) ，它含有一个兀酸和一个7 【碱，可分离含有7 c 酸 和7 1 ；碱的对映体。 p i r k l e 柱是手性柱中最耐用的一种，使用寿命最长。 1 4 空穴型柱 空穴型柱( c a v i t yt y p ec o l u m n ) 主要指环糊精( c y c l o d e x t r i n ，c d ) 键合c s p 。用其它手性 聚合物进行键合的也有报道。环糊精主要有a 环糊精、p 环糊精、丫环糊精。其立体结构 已被测定，如表1 3 所示。环糊精呈桶状空穴结构，其内部是疏水部分，空穴唇部开口处 是极性的羟基。故其手性识别机理主要有两个：( 1 ) 空穴的包络作用，( 2 ) 环糊精与极性基团 形成氢键。分析物若与环糊精空穴口羟基形成氢键，可增强对分析物的选择性。分析物的 疏水部分必须与环糊精空穴相匹配，太大或太小都没有手性识别作用。一般认为，0 【环糊 精用来匹配苯或比苯小的疏水基团，如氨基酸，p 环糊精用来匹配两环化合物疏水基团， 如萘，y 环糊精匹配三环化合物疏水基团，如芘。 在反相模式下，氢键作用受p h 控制，可能被削弱，使手性识别主要依靠包络作用。 在正相模式下，溶剂与分析物竞争环糊精空穴内部疏水空穴，使包络作用减弱，这时手性 识别主要依靠环糊精表面与分析物的相互作用实现。 p - 环糊精是使用最多的手性柱，对p - 环糊精进行衍生，可增加其手性识别能力。衍生 化所形成的环糊精尾巴常用能易形成7 c 兀堆积、氢键、偶极偶极、疏水作用的取代基。 参考文献： 1 l i p k o w i t z ，k b ，a t o m i s t i cm o d e l i n go fe n a n t i o s e l e c t i o ni nc h r o m a t o g r a p h y j o u r n a lo f c h r o m a t o g r a p h ya ，2 0 01 9 0 6 ( 1 - 2 ) ：p 417 - 4 4 2 2 s n y d e ll r ，j l g l 旬c h ，a n dj j k i r k l a n d ，p r a c t i c a lh p l cm e t h o dd e v e l o p m e n t 19 9 7 ： w i l e y 3 p i r k l e ，w h ，d w h o u s e ，a n dj m f i n n ，b r o a ds p e c t r u mr e s o l u t i o no fo p t i c a li s o m e r s 1 4 空穴型柱 5 6 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 u s i n g c h i r a lh i g h p e r f o r m a n c el i q u i dc h r o m a t o g r a p h i cb o n d e dp h a s e s j o u r n a lo f c h r o m a t o g r a p h ya ，1 9 8 0 1 9 2 ( 1 ) ：p 1 4 3 1 5 8 w a i n e r , i w ja n dt d d o y l e a p p l i c a t i o no fh i g h p e r f o r m a n c el i q u i dc h r o m a t o g r a p h i c c h i r a ls t a t i o n a r yp h a s e st op h a r m a c e u t i c a la n a l y s i s ：d i r e c te n a n t i o m e r i cr e s o l u t i o no f a m i d ed e r i v a t i v e so f 卜p h e n y l - 2 一a m i n o p r o p a n e j o u r n a lo fc h r o m a t o g r a p h ya ，19 8 3 2 5 9 ：p 4 6 5 4 7 2 b u s c h ，k a n dm b u s c h ，c h i r a la n a l y s i s 2 0 0 6 ：e l s e v i e rs c i e n c e j u z a , m ，m m a z z o t t i ，a n dm m o r b i d e l l i ，s i m u l a t e dm o v i n g - b e dc h r o m a t o g r a p h ya n d i t sa p p l i c a t i o nt oc h i r o t e c h n o l o g y t r e n d si nb i o t e c h n o l o g y , 2 0 0 0 18 ( 3 ) ：p 1 0 8 - 1 18 m a z z o t t i ，m ，gs t o r t i ，a n dm m o r b i d e l l i ，o p t i m a lo p e r a t i o no fs i m u l a t e dm o v i n gb e d u n i t sf o rn o n l i n e a rc h r o m a t o g r a p h i cs e p a r a t i o n s j o u r n a lo fc h r o m a t o g r a p h ya ，19 9 7 7 6 9 ( 1 ) ：p 3 - 2 4 王普善，关于手性药物开发战略的思考与再认识( 二) 中国医药情报，2 0 0 4 1 0 ( 6 ) ： p 7 - 1 2 p i n k e r t o n ，t c ，e ta 1 ，p r o t e i nb i n d i n gc h i r a ld i s c r i m i n a t i o no fh p l cs t a t i o n a r yp h a s e s m a d ew i t hw h o l e ，f r a g m e n t e d ，a n dt h i r dd o m a i nt u r k e yo v o m u c o i d a n a l y t i c a l c h e m i s t r y , 1 9 9 5 6 7 ( 14 ) ：p 2 3 5 4 - 2 3 6 7 s n y d e r ，l a n dj k i r k l a n d ，i n t r o d u c t i o nt om o d e r nl i q u i dc h r o m a t o g r a p h y 19 7 9 ：w i l e y n e wy o r k c h a c k o k k a n dw ：s a e n g e r , t o p o g r a p h yo fc y c l o d e x t r i ni n c l u s i o nc o m p l e x e s c r y s t a l a n dm o l e c u l a rs t r u c t u r eo ft h ec y c l o h e x a a m y l o s e - w a t e rc o m p l e x , f o r mi i i f o u r - a n d s i x - m e m b e r e dc i r c u l a rh y d r o g e nb o n d s j o u r n a lo ft h ea m e r i c a nc h e m i c a ls o c i e t y , 1 9 8 1 1 0 3 ( 7 ) ：p 1 7 0 8 - 1 7 1 5 s t e i n e r , t a n dgk o e l l n e r , c r y s t a l l i n ec y c l o d e x t r i nh y d r a t ea tv a r i o u sh u m i d i t i e s ：f a s t ， c o n t i n u o u s ，a n dr e v e r s i b l ed e h y d r a t i o ns t u d i e db yx - r a yd i f f r a c t i o n j o u r n a lo ft h e a m e r i c a nc h e m i c a ls o c i e t y , 1 9 9 4 1 1 6 ( 1 2 ) ：p 5 1 2 2 - 5 1 2 8 h a r a t a , k ，t h es t r u c t u r eo ft h ec y c l o d e x t r i nc o m p l e x 2 0 c r y s t a l - s t r u c t u r eo f u n c o m p l e x e dh y d r a t e dc y c l o d e x t r i n b u l l c h e m s o c j p n ，19 8 7 6 0 ：p 2 7 6 3 2 7 6 7 j a c o b ，j ，e ta 1 ，b a n d f l i pa n dk i n k a sn o v e ls t r u c t u r a lm o t i f si n a - - d - g l u c o s e o l i g o s a c c h a r i d e s c a r b o h y d r r e s ，19 9 9 3 2 2 ：p 2 2 8 - 2 4 6 一，- 第二章分子手性识别的分子模拟方法 计算机分子模拟( m o l e c u l a rm o d e l i n g ) 是在实验的基础上，通过基本原理构筑起一套模 型与方法，从而计算合理的分子结构与分子行为。部分预测结果也可以从实验中观测到。 基于分子模拟方法的发展、分子模拟算法的发展和计算机软硬件的发展，分子模拟已经逐 步成为实验化学家的有力工具之- - 1 】。 与传统的大型仪器相比，当要获得分子间相互作用程度的实验数据时，或者当改变了 一个分子基团之后，考察与另一个分子之间的相互作用情况，模拟计算数据更加方便可靠， 而实验难以得到分子水平上相互作用的数据【1 】。 为了得到特定性质的化合物，从经验上可以提出几十种，上千种方案。从实验上回答 哪些方案是有效的，需要的时间很长。必须的实验环节包括：化学合成、结构鉴定和物性 检验。若结合分子模拟法来解决这个问题，过程为：首先用分子模拟法来评价各种方案的 可行性，再实施几个最佳方案，会大大地缩短所用的时间。 分子模拟工作者常面临如何选择分子模拟方法，因为有繁多的工具可供选择。了解各 种分子模拟方法中蕴含的物理知识是至关重要的。 手性识别依赖于分子间的相互作用。传统的理论方法对在机理上研究分子之间相互作 用存在不足之处，难以推广应用，且常有某种程度的简化近似计算。简化的条件对解的影 响作用难以预计。传统的实验方法消耗药剂和时间，不能对大批量的候选物进行筛选，且 所获得的关于未知物的信息有限。结果常受杂质和实验偶然条件的影响【1 ，2 】。而现代计 算机模拟由上所述，能够获得关于所考察体系的任意详尽的信息 3 7 】。 在室温下的溶液中，拆分分子和被拆分分子之间短程相互作用形成非对映异构体导致 立体选择作用，是难以用传统方法研究的 7 ，8 】。 从n m r 和x 衍射获得的分子结构，加上化学家的经验，是目前多数c s p 设计的方 法。由于分析物与c s p 形成的暂时非对映体复合物很不稳定，很难用实验方法观察到这 一过程。计算化学，作为一有用的工具，可以让这一过程更加合理化，可以用来解释手性 识别作用力能否发生，如何发生及作用力有多大，并期望这一研究方法能导致设计更好的 c s p 。 2 1 分子模拟计算方法 根据结构一性能一功能方法，首先需要得到所研究的分子结构。当不能得到分子的单 晶数据或气相分子结构，就需要通过计算推测。分子结构确定方法有以下几种： 1 ) 最简单的方法是根据固定的键长键角和分子片断搭建分子结构。这种方法得到的结构 很粗糙，不能在计算中用于预测反应性、稳定性等。但可以用来作为现代计算化学的 初始结构，在结构化学的发展过程中也起过巨大作用。 2 2 手性识别能力的计算 2 ) 分子力学方法( m m ) 。分子力学把分子看作硬球，把化学键看作弹簧，计算其能量从 而得到稳定结构。其计算需要力场模型( f o r c ef i e l d ) ，是从实验或从头算得到的适用于 大多数体系的一组参数。由于计算对象仅为原子和化学键，故计算成本较低，可用于 计算大体系，但其计算结果不包括电子相互作用信息，故不能预测成键断键等化学反 j 立。 3 ) 半经验分子轨道方法。其计算对象是原子实和价电子，是通过简化方法解薛定谔方程。 它的计算速度快，表现了一定的准确性。可半定量描写电子分布和性质，在计算技术 不发达时代，起到主要作用。现在主要用在生物制药等大分子计算中。 4 ) 从头算分子轨道方法。它使用完全的薛定谔方法，求解波函数，从而得到体系性质。 它对原子核和电子进行准确计算，理论上可以达到化学精度，即键长0 0 2 a 、键角 2 。、键能2 k c a l m o l 。其计算过程中仅使用光速、电子质量、电子电量、p l a n k 常 数等基本常数，故又称第一性原理。可由此得到准确的分子结构、电子分布、分子性 质、反应性能。但其计算成本非常高。目前，仅能用于计算小体系。 5 ) 密度泛函理论。密度泛函理论以电子密度为基本变量，也使用完整的s c h r i s d i n g e r 方 程。原则上可以得到准确的电子分布。但由于其需要一些猜测泛函和参数，其计算结 果需有实验来校准。故有人也称之为半经验方法。它可用来计算分子的结构、性质、 能量、反应性能。其计算成本中等，可以用来计算较大体系。是目前计算化学的主要 方法。但在没有实验数据，又有不确定时，从头算方法是唯一的仲裁方法。 由于计算量的原因，随体系的大小不一，计算时选择的方法就不同。虽然分子力学在 计算比较大的体系时取得了成功，但是，要想精确的得到分子的电子结构方面的性质，必 须进行必要的量子化学计算。 2 2 手性识别能力的计算 2 2 1q s e r r 方法：定量结构对映选择关系 9 - l1 】 q s e r r 方法类似q s a r ，即将活性与一个或多个分子属性相互关连起来。分子属性 用描述符( d e s c r i p t o r ) 来表达。典型的有疏水、立体、分子或基团长度等。目前己报道了数 千种描述符 9 】。通过描述符与活性之间的回归方程，即可预测还未合成的物质的活性。 q s e r r 用分子描述符和回归方程即可预测色谱对映选择性即k 或口的大小。 2 2 2 对映选择相互作用的直接计算方法 在所有系统中，色谱对映选择性有如下平衡方程： 咄矿，+ 矿，o 屿缸y ， ( 2 1 ) 第二章分子手性识别的分子模拟方法 c s p , s y ) + r ) 坞凹y ) ( 2 2 ) 式中：c s 卜手性固定相；a 被分析物；r ，s m 手性符号；s o i ：v - 一溶剂化的。 非对映体复合物c s p a 是由很弱的分子间作用力来维持的，通常比成键作用小2 3 个数量级，甚至低至5 0 0 c a l m o l 。 方程式( 2 1 ) ( 2 2 ) 的左边有同样的c s p 。在方程式( 2 1 ) ( 2 2 ) 左边，对映异构体间热动力 学相等。和彳5 有同样的能量、溶剂化程度。所以，我们只需计算方程式( 2 1 ) ( 2 2 ) 右边 的自由能差a a g 。a a g 即可用来预测手性识别能力。 文献【1 0 】用a a h 预测手性识别能力。这样简化计算的前提是：方程式( 2 1 ) ( 2 2 ) 作用机 理足够相似，这样极性、溶剂、熵的影响在差的计算中就可消除。还需要非对映复合物模 型结构充分符合实验结果。 因此，手性识别能力取决于g ( 盟o y ) = 罐o ，) 一罐d y ) ，并有公式： g ( 乩= 一r t l n a g ( s o l r ) 可以由图2 1 利用下述公式精确计算出来。 g ( 豇d 矿) = a a g ( g ) + a g l 一a g 2 式中：a g l ，g 2 一复合物的溶剂化能( s a l v a t i o ne n e r g y ) c s p r 缸y ) 岛卿月钮矿) ( s o l v ) i g l ( s o l y ) i a g 2 c s p 月彳是) 卜竺啦寸c s p 尺彳之) 图2 1 g ( 姚p ) 的计算过程 r i g 2 1t h ec a l c u l a t i o np r o c e s so f g ( 姚矿) ( 2 3 ) 值得注意的是，对映体复合物的能量计算时，如果只取一种能量最低构象，是不充分 的，会造成对口的过高估计。其它局部能量最低构象在色谱柱的手性识别中也发挥一定作 用 9 】。 通常采用的步骤是先对复合物进行构象搜索，再对能量按概率求平均值( b o l t z m a n n w e i g h t e da v e r a g ee n e r g y ) 。根据计算结果中各项能量大小和最优构象，可以看出： 1 ) 对映体结合在c s p 的什么部位； 2 2 手性识别能力的计算 2 ) 是哪种分子间力形成非对映异构体复合物； 3 ) 手性识别作用力是什么； 4 ) c s p 的哪些分子片断对分子间力或手性识别力有作用； 5 ) c s p 的哪种构象的手性识别能力最大。 构象搜索有时会产生几百万个构象。文献【1 1 】提出了一种较好的构象搜索方法：使用 高温分子动力学轨迹法，在1 5 0 0 k 的计算条件t ( ：- i - 试验条件下) ，计算5 条l o n s 轨迹， 对映复合物各个势能能垒之间的障碍就可被越过。并且模拟过程中，施加限s u ( c o n s t r a i n t ) 防止两个分子分开。 2 2 3 分子对接的思想 1 2 】对c s p 的手性识别的启示 本文下面参照了药物设计中分子对接的思想，用它来计算c s p 的手性识别能力。 c s p 的手性识别能力的计算涉及到分子间的弱相互作用的计算，分子间的弱相互作 用的计算是最近比较热的一个方向。分子间的弱相互作用包含h 键的作用、兀- 兀键的作用、 离子与芳香体系的作用等。在非对映异构复合物和生物体内，和游离态的分子不同，弱的 相互作用显的十分重要。从这点上看，分子对接与手性识别能力计算是可以相互参照的。 通过这种相互的作用，物理化学性质相同的对映异构体可以形成非对映异构体复合物，生 物体可以组成一个完整的生命基元体系，可以将分子结合成为超分子。 分子对接是指两个或多个分子通过几何匹配和能量匹配相互识别的过程。药物分子在 产生药效的过程中，药物与靶酶相互结合。这就要求两个分子要充分接近并采取合适的取 向以使二者在必要的部位相互契合，发生相互作用，得到一个稳定的复合物构象。随着计 算机速度的提高，已测定酶晶体结构数量的快速增长以及小分子结构数据库的不断更新， 分子对接在药物设计中取得了巨大成功，已经成为基于结构药物分子设计中最为重要的方 法 1 2 】。 分子对接计算把配体分子放在受体活性位点的位置，然后按照几何互补，能量互补以 及化学环境互补的原则来评价药物和受体相互作用的好坏，并找出两个分子之间最佳的结 合模式【1 2 】。分子对接筛选的化合物结构数据库，比如可用化合物数据库( a c d ) ，剑桥晶 体结构数据库( c s d ) ，世界药物索芒j i ( w d l ) ，药用化合物数据库( c m c ) 等等，是科学界长 期的积累。其化合物都为已知化合物，而且相当大一部份可以通过购买得到 1 2 】。 有的分子对接程序考虑并计算了药物分子和靶酶分子的柔性，即在对接过程中的相互 适应以达到最佳匹配 1 2 】。以此区分，对接方法可分为： 1 ) 刚体对接：指在对接过程中，研究体系的构象不发生变化。适合考察比较大的体系， 如蛋白质和蛋白质间以及蛋白质和核酸之间的对接。 2 ) 半柔性对接：指在对接过程中，研究体系尤其是配体的构象允许在一定的范围内变 化。适合处理大分子和小分子间的对接，对接过程中，小分子的构象一般是可以变化 的，但大分子是刚性的。 3 ) 柔性对接：指在对接过程中，研究体系的构象基本上可以自由变化的。一般用于精确 第二章分子手性识别的分子模拟方法 考虑分子间的识别情况。由于计算过程中体系的构象可以变化，所以计算耗费最大。 2 3 参考分子对接【1 2 】的思想的计算步骤 2 3 1 模型的构造 构