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摘要 本文 选择了 具 有生 物活性的n 一 ( 2 一 苯并 嘎哇 基- a - 胺 基烷基麟酸m f1 类 化合物和 硫代腾酸酷类化合物为研究对象， 首先在手性固定相 ( c s p ) o a - 4 7 0 0 上 对前者 进行f 液相色谱手性分离研究， 讨论了不同流动相体系和不同的化合物结构对手 性分离的影响。 在优化条件下制备了三个 n - ( 2 一 苯并唾哇基升 二 一 胺基烷基嶙酸酷 类化合物和五个硫代麟酸酷类化合物的对映体纯品， 通过圆二色光谱测定确定了 对 映体的绝对构型和色谱流出顺序， 通过生物测定研究了这两类农药对映体的生 物活性。生测结果表明这两类农药对映体活性差别较大， 特别是 o 一 甲 基一 。 一 ( 2 - 硝基- 4 , 6 一 二甲 基) 苯基一 n 一 异丙基硫代麟酸酷的s 一 体具有较高的除草活性， 可望成 为一种高效的除草剂。 这对指导立体定向合成， 提高药效， 减少环境污染有着十 分重要的意义。 - - it 算 机 辅 助 分 子 模 型 和 理 论 计 算 方 法 是 在 分 子 水 平 上 认 识 对 映 体 分 离 的 识 别机理， 是当今国际上手性色谱基础理论研究的前沿课题。 本文通过这种方法进 一步深入研究了n - ( 2 一 苯并唾哇基- a - 胺基烷基麟酸酪类化合物在 c s p ( o a - 4 7 0 0 ) 上的 手性识别 机理， 包括分 子 模型设计 研究 和q s e r r s 研究。 分子模型设 计 研 究由 创 建 分 子结 构、 分子 力 学计 算 ( mm a ) ，能 量 优 化( mi n i m i z e ) 、 系 统 搜 索 ( s y s t e m a t i c s e a r c h ) 、 分 子 对 接 ( d o c k i n g ) 等 程 序 模 块 计 算 对 映 体 与 手 性 固 定 相的相互作用能， 通过比较作用能之差 a t e )以预示手性分离的可能性及色谱 流出 顺序， 其结果与液相色谱实验结果基本一致。 q s e r r s 研究把对映体放在手 性固定相的手性环境中， 计算了 各对映体的一些结构描述参数， 由多元线性回归 分 析 研究了l o g k 与 对映 体分子结 构参数间 的 定量关 系， 所得方程的 预示值与实 验值之间有较好的 相关性。 在手性环境中 计算对映体分子的结构参数为q s e r r s 研 究 提 供 了 新 的 思 路 了 关键词二 ，对缺体手性固定相， 手性识别机理，高效液相色谱， 定 量 结 构 * k r g v、 分 子 模 型 计算方法 c o m p u t e r - a s s i s t e d i n v e s t i g a t i o n o f h p l c c h i r a l s e p a r a t i o n a n d r e c o g n i t i o n me c h a n i s m o f b i o a c t i v e c o mp o u n d s ab s t r a c t a s e r i e s o f 2 9 b i o a c t i v e n - ( 2 - b e n z o t h i a - y l ) - a - a m i n o a l k y l p h o s p h o m i c a c i d d i e s t e r s a n d f iv e b i o a c t iv e o - a lk y l o - a ry l n - i s o p r o p y l p h o s p h o r o a m i d o t h i o a t e s w e r e c h o s e n f o r r e s e a r c h . t h e f o r m e r w e r e s e p a r a t e d o n a c o m m e r c i al l y a v a i l a b l e p ir k l e - t y p e c h i r a l c o l u n m ( o a - 4 7 0 0 ) . t h e e f f e c t s o f d i ff e r e n t c h e m i c a l s t r u c t u r e s a n d c o m p o s i t i o n o f m o b ile p h a s e s u p o n t h e c a p a c it y f a c t o r ( k ) a n d th e s e p a r a ti o n f a c t o r ( a ) w e r e d i s c u s s e d . t h e p u r e e n a n t i o m e r s o f t h r e e n - ( 2 - b e n z o t h i a - y l ) - a - a m in o a lk y l p h o s p h o m i c a c i d d i e s t e r s a n d fi v e o - a lk y l o - a ry l n - i s o p r o p y l p h o s p h o r o a m i d o t h i o a t e s w e r e o b t a i n e d u n d e r o p t i m i z a t i o n c o n d i t i o n . t h e a b s o l u t e c o n f i g u r a t i o n o f e n a n t i o m e r s a n d c h r o m a t o g r a p h i c e l u t i o n - o r d e r w e r e d e t e r m i n e d b y c d s p e c t r o s c o p y . t h e b i o l o g i c al a c t i v i t i e s t e s t s u g g e s t e d t h a t t h e b i o a c t i v i t i e s o f t h e e n a n t i o m e r s w e r e q u it e d i ff e r e n t , e s p e c i a l ly t h a t t h e s - e n a n t i o m e r o f 0 - m e t h y l o - ( 2 - n i t r o - 4 , 6 - d im e t h y l ) b e n z y l n - i s o p r o p y l p h o s p h o r o a m i d o t h i o a t e s h o w e d h i g h h e r b i c i d a l a c t iv i t y in k i l l i n g t h e b a rn y a r d g r a s s . i t i s i m p o r t a n t f o r i n c r e a s i n g p h a r m a c e u t i c al e f f e c t s o f p e s t i c i d e s a n d d e c r e a s i n g e n v i r o n m e n t p o l l u t i o n t h e d e e p e r s t u d i e s o f t h e c h ir al r e c o g n i t i o n m e c h a n i s m o f n - ( 2 - b e n z o t h i a - y l ) - a - a m i n o a l k y l p h o s p h o m i c a c i d d i e s t e r s o n c s p ( o a - 4 7 0 0 ) w e r e c a r r i e d o u t b y c o m p u t e r - a s s i s t e d m o l e c u l a r m o d e l in g a n d t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n m e t h o d s in c l u d i n g m o l e c u l a r m o d e l i n g d e s i g n s t u d i e s a n d q s e r r s s t u d i e s . mo l e c u l a r mo d e l i n g d e s i g n i n c l u d e s m e c h a n i c s c o m p u t a t i o n ( n m ) , e n e r g y o p t im iz a t i o n ( mi n i m i z e ) , s y s t e m a t i c s e a r c h , m o l e c u l a r d o c k i n g p r o g r a m m o d u l e s . t h e t o t a l i n t e r a c t i v e e n e r g y ( t e ) b e t w e e n t h e e n a n t i o m e r s a n d c h i r a l s t a t i o n a ry p h a s e ( c s p ) w e r e c a l c u l a t e d a n d t h e e n e r g y d i ff e r e n c e ( a t e ) b e t w e e n t w o e n a n t i o m e r s w a s c o m p a r e d t o p r e d i c t t h e p o s s i b i l ity o f c h i r a l s e p a r a t i o n a n d t h e c h r o m a t o g r a p h i c e l u t i o n - o r d e r . t h e r e s u l t s we r e i n a c c o r d a n c e wi t h t h a t o f h p l c e x p e r i m e n t s . i n q s e r r s s t u d i e s t h e s t r u c t u r e p a r a m e t e r s o f t h e e n a n t i o m e r s w e r e c a l c u l a t e d勿 in t r o d u c i n g c h ir a l e n v ir o n m e n t ( c s p ) . q u a n t it a t i v e s t r u c t u r e - e n a n t i o s e l e c t i v e r e t e n t i o n r e l a t i o n s h i p s b e t w e e n t h e s t r u c t u r e p a r a m e t e r s o f t h e e n a n t io m e r s a n d l o g k w e r e e s t a b li s h e d b y m u l t i - l i n e a r r e g r e s s i o n a n a ly s i s . g o o d a g r e e m e n t b e t w e e n t h e p r e d i c t e d v a l u e s a n d t h e e x p e r im e n t a l o b s e r v e d o n e s w a s o b t a i n e d . i n t r o d u c i n g c h ir a l e n v ir o n m e n t w h e n t h e s tr u c t u r e d e s c r i p t o r s o f e n a n t i o m e r s w e r e c a l c u l a t e d i s a n e w i d e a f o r q s e r r s s t u d i e s k e y w o r d s : e n a n t i o m e r s , c s p s , c h i r a l r e c o g n i t i o n m e c h a n i s m , h p l c , m o l e c u l a r m o d e l i n g a n d t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n , q u a n t i t a t i v e s t r u c t u r e - e n a n t i o s e l e c t i v e r e t e n t i o n r e l a t i o n s h i p s ( q s e r r s ) 南开大学硕士学位论文 第一章前言 手性是自 然界存在的普遍现象，据 1 9 9 0 年资料统计，5 2 3 种天然及半合成药 物中的8 0 % 是手性化合物 i 。 而手性化合物的不同 对映体往往表现出不同的生物活 性，有时只有一种对映体表现药效，而另一对映体不但无效，甚至有毒害作用。 所以， 手性化合物的分离技术越来越引起重视。1 9 9 2年，美国食品与药物管理局 ( f d a )作出 规定: 凡是分子中具 有不对称中心的药物，必须以单一对映体为标 准 进行登记， 同 时须 对其 各个 对映 体 进行测 定和评 价17 1 。 食品 添加剂， 香 料， 农药 等的生产管理中也相继有类似的规定。 自 从1 8 4 8 年p a s t e u r 用结 晶 法分 开 ( 士 ) 酒 石酸 对映 体以 来， 人 们对 手性 分离 产 生了浓厚的兴趣，相继发展了分步结晶法，微生物发酵，衍生化试剂等非色谱方 法和色谱分离法。其中色谱分离法应用最多，1 9 8 8年巴黎召开的第一届手性分离 研究会9 0 % 的 报导是 用色谱分离。 近几十 年来， 色谱 法， 特别 是高效液相色谱( h p l c ) 法以其公认的选择性强，速度快，柱效高，操作简单，应用范围广等优点而得到 飞速发展。 研制新的具有不对称中心或手性识别能力的固定相( c s p s ) , 解决不同 类 口 口 抽 一 ， 型手性化合物的分离是手性色谱发展的前沿领域。8 0 年代以来，人们己研制出 1 0 多 种不同的分子结构，1 0 0多种手性固定相3 - 5 与 此同时， 手性识别机理的研究也 逐渐引起重视。研究手性识别的机理有利于获得对手性识别过程更深入的理解， 可以指导人们去研制新型高效的c s p s 及预示手性拆分的可能性。 通过计算机辅助 分子模型设计建立分子模型 ( 微观模型)，用理论计算模拟手性识别，在分子水 平认识 手性识别发生的 位置， 确定并定量表达手性识别作用力6 1 ， 不仅对新的c s p s 的 设计，而且对手性药物的药理及药 物设计、生命 化学中的立体化学问 题等7 ,8 嘟 有重要意义。 目 前， 用于手性识别机理研究的方法概括起来有三种9 1 : 1 . 色谱学研究， 这 是评估一种c s p s 的特性的最通用的实验方法， 通过拆分现象推测手性分离过程的 最基本的信息。该法可提供预测手性柱的主要性质的有用信息，但却很少有关于 计算机辅助生物活性物质的液相色谱手性分离和识别机理研究 键 合c s p s 本 身的 信 息。2光 谱 学 研究， 包括 核 磁共 振 ( n n a) l o , x 一 光 衍射 11 1 荧 光 分析 12 和红 外光谱 )l0， 13 等 在手 性固 定 相的 性 质 和识 别 机理 研究中 的 应用。 这是最直接的研究手性识别机理的方法，理论上一个分子化学环境上的任何变化， 对映 体与固 定 相 的任何相 互作用都可 通过光谱检 测出 来， 然 而在 手性分 离系 统中 物质太多， 光谱测量的 现场不易获得， 而且操作条件非常严格。3 . 计算机辅助分 子 模型和理论计算方法，这是一种基于计算机技术的 方法11 4 -1 b ，它研究对映体与 c s p s 形成的非对映体络合物的性质，可直观地显示出手性识别作用的基本模型， 便于 人们对手性识别过程的理解和认识1 4 ,1 s 。 本文的 研究中 将采用这种方法。 一 液相色谱手性识别基本原理 早 在1 9 5 2 年 ， 英 国 科 学 家d a lg lie s h 采 用 纸 层 析 研 究 氨 基 酸 对 映 体 的 分 离 时 就 提出了“ 三点作用” 分离理论1 7 1 , 8 0 年代，p i r k l e 在深入研究手性色谱立体识别 机理的过程中，再一次阐述了 三点作 用分离理论4 “ 手性识别要求手性固定相 ( c s p s ) 至少与对映体之一同时存在三个相互作用， 且三者中至少有一个与立体 化学因素有关”。以图1 加以说明。 ( a ) ( b ) c l v r a l s e l e c t o r e n a n t io m e r s ( a ) a n d 伪 ) 图1 三点作用原理. 如图 所示，手性固定相有三个作用点a, b、c， 外消旋体也同样有三个作 用点a , b , c ， 对映体( a ) 与c s p 形成a - a , b - b ， 和c - c 三个作用力， 对映体 ( b ) 则不存在 先流出，若 c - c 作用力， 若 c - c 作 用力使非对映体络合分子稳定， 则对映体伪 ) c - c ， 作用力 很弱，则 对映体 ( 司 、ro 环 能 一一一一一一一 一护 一 、 一一一- 南 开 大 尝 于耍 主 1 燮主一一一一一一一一一一互 液相色谱手性固定相法直接拆分对映体， 在色谱柱内 存在如下平衡1 i s 1 . 、.了、，2 12 了.、了.、 c s p r 十 扩 于 二 = 色 c s p r。矿 c s p s + a s - c s p a s p ir k l e l i 9 、 和 d a v a n k o v z 0 i 都给出了分离因子a .r : 和非对映分子络合物自由能 ( a g ) -r e y i1 o ( a g ) 之间的关系 、.尹、，声 八j4 了.、了.、 a r s七 e x p ( 一 g r / r t ) / e x p ( 一 g at ) 0 ( 0 g ) 二一 r t l n ( x r s b o e c h e m等人 12 1 1推导出手性分子在化学键合固定相模型上的 保留与分离的统计热 力学公式; 、卫，产、.2 勺6 2厂、了、 k = e x p ( - r a a ) a= k r / k s“ e e x p ( - e i,r / r t ) / e e x p ( - e j ,s / r t ) 其中k 为容量因子， p a a为溶质由 流动相到固定相转移过程的h e lm h o lt z 自由 能 e j,r 和e ; ,。 分别为r - 体和s 一 体 在固 定 相上以 第i 种和第j 种保留 模式的 作用能。 二 手性固定相类型 具 有 不 对 称 中 心 或 王 竺 i p a il k 域，也是手性色谱发展的关键和核心。 的c s p的研制， 一 . 一， 一声- 一个有效的 c s p 是手性色谱发展的前沿领 应具备四个方面的特征: 能快速、准确测定对映体纯度;适应多种结构类型对映体分离;对二 票 前 结 构类 似的手性化合物，其对映体洗脱顺序基本不变，能提供绝对构型信息;有较高的 对映体分离选择性( (x 1 .2 ) 和柱容量， 具有制备分离能力。 c ps 可分为“ 协同型” 和“ 独立型” 两大类14 1 “ 协同型” c ps 手性识别决定于次级结构单元协同作用， 次级结构单元本身具有或不具有手性，但c s p s 整体结构具有手性。如纤维素、蛋 白 质、环糊精、合成手性高分子等。这类固定相手性识别机理复杂，与其超分子 结构有关u 2 1 “ 独立型” c s p s 的每个键合手性分子具有独立识别能力，多数可以 用三点作用理论解释，对映体洗脱顺序一般可以从理论推测，并可以提供溶质绝 对 构 型的 有 关 信 息 11 9 1。 其中“ 刷 型” ( b r u s h t y p e ) 即p ir k le 类 型c s p s 是典 型的 独立 型 c s p s ，其立体识别基于三点作用原理。其主要贡献归功于美国 d li n o i s大学的 p i r k l e 研究组。 这是h p l c手性固定相中非常重要的一类， 一般通过一定的间隔臂， 计算机辅助生物活性物质的液相色谱手性分离和识别机理研究 连接一个单 分子层的手性有机分子到硅胶载体上而制得2 2 1 。其化学结构特点是在 手 性中 心附 近至 少 含 有下列 官能 团 之 一 12 3 1 : ( 1 ) 7 r一 酸 性 ( 带吸电 子 取代基) 或 二 一 碱 性 ( 带推电 子取代基) 的芳 香基团， 在手性识别中发生二 一 兀 电 荷转移相互作用; ( z ) 能形成氢键的原子或基团; ( 3 ) 能发生偶极一 偶极相互作用的极性键或基团; ( 4 ) 能 提供立体排斥、范德华相互作用或构型控制的较大的非极性基团。 三 分子模型和理论计算方法简介 化学模型分为两种p 4 , 1 5 1 :宏观模型与微观模型。宏观模型描述了体系和过程 中的总体特征，通常考虑该过程中本体的诸如动力学传递相对速率、消耗速率等 方面的特征，而不考虑单个分子的结构。 微观模型亦称原子模型或分子模型，它 考 虑体系的 全部 原子。 微观分子 模型 设计 可通过 两种方式: 即 应用理论方法 ( a p p li e d t h e o r ie s ) 和统计 拟 合方 法 ( s t a t is t ic a l fi t t in g ) 。 其中 应用 理论方 法包括量子力学方法 ( q m ) ， 分子 力 学 方 法 ( m m ) ， 分 子 动 力学 方 法 ( m d ) , m o n t e c a rt o ( m c ) 模拟， 量 子 力 学和分子 力学 相结 合的 方 法( q m nm ) 等。 此外还将用分子 对接技术口o c k i n g ) 以 及 计 算 机 图 形 学 技 术 等 。 由 于 计 算 机 技 术 的 限 制 ， _卿 理 论 方 法 下 般 在 相 对 较 小 的 手 性 里 宝 担 竺 件 翌 竺 兰 直 面 得 到 较 多 成 功 的 应 用 ， 对 于 大 分 子 的 c s p 蜘蛋 白 质、 纤维 素、 淀粉 类) 应用较少。 统计 拟合方 法应用于 手性识别研究的 定量结 构一 对映 保留 关系 ( q u a n t it a t iv e s t r u c t u r e - e n a n t i o s e l e c t i v e r e t e n t i o n r e l a t io n s h ip s q s e r r s ) 方法可以弥补这一点。 ( 一)应用理论方法 1 . 量子力学方 法 ( q u a n t u m m e c h a n i c s , q m) 量子力学的目的是描述电子及原子核的空间位置，其中最通用的工具是分子 轨道理论 ( mo t )，该理论假设电子围绕固定核转动直到它们形成自 洽场 ( s c f ) 为止，即达到所有粒子的引力与斥力都平衡的稳定状态，然后改变核的位置进行 同样的自 洽场计算直至所得能量最小，这个过程称为能量最小化或几何优化，可 以用来预示分子的结构和电子的特征。根据量子力学原理，分子的所有性质可以 通过 解s c h r o d i n g e r 方 程2 4 来获得: 南开大学硕士学位论文 h1 p =e t p ( 7 ) 其中h为哈密顿算符，w为波函数， e为体系的能量或称为本征值。到目 前为止， 还只求得氢分子离子的s c h r o d i n g e r 方程的精确解析解， 其它多电子体系只能以 数 值方法求其近似解，于是产生了各种不同的量子力学计算方法:量子化学从头计 算( a b i n it i o ) 方法和半经验量子化学计算方法2 4 1 . a b i n it i o 方法是在非相对论近似， 核冻结近似 ( b o r n - o p e n h e i m e r 近似) 和轨道近似 ( 单电 子近似)的 基础上， 将分 子轨道表示成原子轨道的线性组合 ( a o l c mo )，用自 洽场方法解 h a rt r e e - f o r c k - r o o t h a a n ( h f r ) 方程，得到体系波函数， 再计算体系的各种性质。 a b in i t i o 方 法能精确计算分子内 和分子间相互作用能2 4 1 ，比 较严格，计算时除基函数外不 需 任何经验参数，缺点是计算的体系较小。半经验量子化学计算方法的原理与 a n in it io 方法相同， 只是在解h f r方程时， 或忽略一些双电 子积分， 在一些积分值的 选择上使用实验拟合的参数，或在计算时只计算价电子，将内层电子加入到有效 势能中去 有 a ml 、 其计算速度比a b in i t i o 方法快1 0 0 倍以上. 常见的半经验量子力学方法 mn d o .p m3 等2 4 1 2 分子 力学方法 ( m o le c u la r m e c h a n i c s , m m ) 分子力学方法是一种非量子力学的计算分子结构、 应用由 经验力场( e f f ) 产生的分子的 势能面计算分子的性质 与 性 质 的 方 法 14 ,15 1。 它 ( 核在这些势能面上的 位置和运动控制分子的结构和动力学性质)。一个分子可看作是被弹力 ( 电子) 束缚在一起的粒子 ( 核子)的集合体，这些力是根据内部坐标 ( 如键长，键角和 扭曲 角)的势能函数定义的。 根据经验势能函数的形式及拟合体系方法的不同， 可得到不同的力场参数即不同的力场。一旦所有的势能函数和相关的力场参数被 确定， 通过向粒子的平衡位置移动它们 ( 几何优化)就可得到体系的最小能量。 分子力学方法计算量小， 概念简明， 可给出分子三维结构、 生成热、偶极矩等。 在该方法中，电子效应被隐含地处理，因此该方法要比半经验量子力学方法还要 快很多， 更适于研究诸如生物聚合物等大分子化合物。 y a s h im a 等2 s 1 以下式计算总 作用能e总: e总=e键 伸 展 出十e镇 角+e- m 角+e扭 转 十e辞 电 力十e范 彼 化 力 ( g ) 计算机辅助生物活性物质的液相色谱手性分离和识别机埋研究 常 用的计 算有 机小分子 与 生 物大分 子的 力 场有m m 2 , m m 3 , c i -i a r m m , t r ip o s 等12 4 1应用分子力学方 法可以 进行分子的结构优化、构象分析、 给体一受体相互 作用计算等工作。 3 . 分 子 动力 学方 法 ( m o le c u la r d y n a m ic s , m d ) 分f 动力学方法的理论 1 ;1: 础是分子在构象变化时，其热力学平衡构象所占的 几率最多。 m j 方法是在给定分子势能函数与力场的情况下， 用解经典力学n e w t o n 飞 福 的 方 法 研 究 分 子 的 运 动 和 构 型 空 f 1241。 其 基 本 假 定 是 各 态 历 经 假 说 : 无 限 时 间平均等于系综平均或对整个构型空间的积分。在 md中，分子的运动情况通过 积分n e w t o n 方程来获得: f ;( t ) 一 m ; a ;( t ) = - m ; (j r ;( t ) / a il ， i= 1 ,2 , ,n ( 9 ) 其中f ;( t ) , a ;( t ) , r ;( t ) ， m 。 分别为原 子i 在t 时 刻所受的力， 加速度， 位置， 原子 i 的质量， n为分子的原子个数。 f i( t ) 可由 分子力学势能函 数的负梯度求得: f i( t ) = 一 8 v ( r l , r 2 , - - - r . ) / no ( 1 0 ) md方法可以计算分子的结构和热力学性质， 可以 模拟分子在溶液中或其它环境 中的构象， 但只有那些很快的过程如低能键的旋转才有可能加以研究。 md方法对 卜 解释分子相互作用的动力学是非常有用的工具。 4.mo n t e c a r l o拟合 ( mc ) 这种方法也采用在m m和m d中使用的经验力场1 1 4 , 1 5 1 ， 是一种统计力学方法。 从粒子的集合体开 始， 计算系统初始构型的能 量飞t ， 然后随机移动一个或多个粒 子 产生第二种构型并计算其能量e 2 ， 如果e 2 e j ， 则新的构型可以 被接受， 以 此类推，这样获得了大量能量可行的状态 ( 低能态)，再计算其平均能量，并 与实验值比较从而得出结论。这种方法可用于估计溶液中溶剂分子在溶质周围分 配情况。 b q m / m m计算方法 q m i m m方 法 2 4 1是 量 子 力 学 ( q m ) 和 分 子 力 学(m m )感分 子 动 力 学 -(m d t 相 结 合的计算方法。其基本思想是在计算手性固定相与手性分子的相互作用时，把非 南开大学硕士学位论文 对映体络合物分为两个部分:即把手性分子作为q m部分， 把c s p s 作为m m部 分， 在q m rm m之间 有一相互作用部分( q m / m m) o q m / m m模型可用于溶剂效 应的理论计算和给体一 受体相互作用的计算。 6 分 子对接技术 ( d o c k i n g ) 在 c s p的三维结构基础 到c s p的手性作用部位上去， 、 _ 一 一 、 洲 于 一 一 - 巨 进行手性识别作用的研究 此过程称为分子对接1 4 , 1 5 ,24 1 首先要将手性分子接合 一-一 叼 一- 分子对接一般根据操作 者的经验， 应用实时立体图形技术，在计算机屏幕上进行手工操作，选择各种可 能的方向 对接， 经能量优化得到非对映体络合物的结构， k u n t z 等人74 1 发展了一种 自 动分子对接的算法， 搜寻刚性配体 ( 手性分子)与c s p立体作用的方向。后来 k u n t z 等人12 4 1 又 将这一方法发展为可以 部分地考虑配体的 柔性. 7 .计算机分子图形学 当分子结构的模型建立之后，就可以用计算机图形学加以可视化。这些画面 也许是一些简单的化学结构图，也许是突出了分子的结构、电子或其它特征的三 维图像，还可以产生动态画面来说明动力学过程。它作为一种工具，其目的是使 化学家们更容易地得到分子构象和手性识别作用的关系。目前，分子图形学已成 为化学计算程序的标准特征。 ( 二)统计拟合 ( q s e r r s )方法 定量结构 一保留关系 ( q s r r ) 已 成为色谱科学理论研究的一个重要领域， 把它 应用于色谱手性分离研究即是q s e r r s 方法的基本思想，即假设手性分子的结构参 数 ( 关于分子尺寸，形状，电 子效应，疏水性参数等)与手性分离色谱参数( 容量 因 子 k， 分离因子 a ) 之间 有相关 性， 用已 知的 数据 库建 立模型， 并采用多种数学 分析方法建立色谱参数与手性分子结构参数之间的定量关系，然后采用内推法或 . 外推法应用于同系列未知物的定量结构一对映保留关系研究或从这种定量关系中 找出 影响色谱手性识别的主要因素从而阐明 手性识别的 机理1z 1 o q s e r r s 研究的方 法和目 标( 用途) 见图2 12 1所示。 计算机辅助生物活性物质的液相色谱手性分离和识别机理研究 鱼巡 州一几 匡 道 堡 鱼 丝 翌 - ， 选择色谱条件设计c s p s计算统计数据过程 确定信息描述参数 预示对映保 留 评估相对生物活性等 q s e r r s 研究的方法和目 标 / 通过 q s e r r s 研究我们可以获得多种信息: 由 分子结 构描 述参 数预示色 谱保留 和对映 体分离 情况 2 8 1 获悉对手性分离最有影响的因素， 指导新的手性固定相的设计和最佳色谱 条件的选择 . 有助于阐明手性识别的分子机理 . 由己 知的色谱行为推测未知化合物的物理化学性质和生物活性等12 9 1 . 测定一些用其它方法难以测量或测准的分子结构参数3 0 ,3 11 所有上述的模型设计工具经常是互相结合来计算分子的结构、能量和性质。这些 工 具与 统计计算程序、 相关数据库和其它一些生成数据的方法完整地统一成为复 杂的分子模型设计软件。 ( 三)分子模型和理论计算在手性识别机理研究的应用 根据色谱分离热力学原理，计算两非对映体络合物的结合能即可确定对映体 能否分离并预示在色谱中的洗脱顺序。 在计算时，需进行如下假设 1 8 :非对映络 合物的形成对于r体和 s体来说速率相同，且不考虑溶剂、离子和流动相添加剂 的影响 ( 实际上，两非对映体络合物具有不同的溶剂化自由能);计算中可以缩 短c s p 与 硅胶表面所连间隔臂 ( s p a c e r c h a i n ) 的长度;同时忽略c s p 基质 ( 或看 作介电常数2 6 1 )的影响。因 此， 所有目 前建立的 模型还处于理想状态。 南开大学硕士学位论文 1 应用理论方法的应用 近十年来分子模型方法已经在色谱手性识别机理研究中得以开展和应用 前这种方法在 p i r k l e 一尸 州补j 差 型才 环糊 精_ - c c d ) 类手性固定相的 匀 皿 t较为 集中 目 此外 钧手性酞胺类固定相、纤维素衍 1: j 定相、冠醚类固定相、蛋自质类固定相和手 m离子交换色谱的研究中也有 一 些应用， i )，p i r k le 类型手性固定相的模型设计 l ip k o w it z 等人 13 2 -3 4 ,6 1对p ir k le 类 型c s p s 的 识 别 机 理 作了 系 统的 研究 。 首 先 对 p i r k l e 型的c s p i 进行了 模型设计x3 2 1 ， 模型化为c s p i ， 用分子力学方 法 m m 2 计算了分子势能面，并确定了五种能量较小的构象，讨论了 c s p i的手性识别能 力。 此 后他们又 将这 项工作扩展到离子型的 模型化为c s p 2 的p ir k l e 型固 定相3 3 1 用半经验分子轨道方法和经验力场确定了这些 c s p s的立体动力学特征。第二代 p i r k l e 类型的固定相 c s p 3 模型化为c s p 3 ，用量子力学和分子力学方法加以研 究 13 4 1 。 在 文献6 ) 中， 研究了c s p i 的 类似物 ( r 二 苯基)与一系列手性化合物的作 用情况， 发展了 一种能量分解方案，将总结合烙分解到每个c s p s 的分子碎片上。 建立模型的首要工作是对 c s p和手性分子进行构象分析，确定其各自能量最 小的构象，然后将 c s p与手性分子连接形成络合物，计算其作用能，这是模型设 计中 最困 难的 部分。 l ip k o w i t z 等 选取 最稳定的c s p 构象和分析物构象， 将c s p 固 定作为原点， 将分析物用球面坐标表示( r , 6 ,0 ) ，使分析物在 c s p的范德华面上滚 动， 寻 找 作 用能 量 最 低的 结 合区 域 及 最 稳 定的 结 合方向 13 3 1 。 他 们 研究了2 ,2 ,2 一 三氟 一 1 一 ( 9 - v ;基 ) - 乙 醇 对映 体与c s p i ( r = 苯 基 ) 的 识 别 作 用， 所得结 果 与h p l c实 验 。 值一致。 t o p io l 等 人 19 1对n - ( 3 ,5 一 二 硝 基 苯甲 酞 基 ) 亮 氨 酸 n 一 丙 基 酞 胺 与 ( s ) 一( 2 -基 ) - 丙氨酸甲酷的作用进行了研究。 他们采用半经验量子力学方法a m1 有限搜寻得到 两个分子在络合物中的相对位置，并以量子力学从头计算方法研究了非对映络合 物的作用性质， 将分子分解成小的实体来估计7 c - 7 c 堆积作用和h - 键作用能量对每个 络合物稳定性的 贡献。 在此后的一篇文章中 13 6 1 ， 采用a m1 哈密顿方程的完全几何 优化的结果是芳环中心距离变得很大， 证实了 他们的预示， 即在s s 络合物中存在 的二种主要作用在s r络合物中也存在， 但相对弱一些。 此外他们还用分子动力学 计算机辅助生物活性物质的液相色谱手性分离和识别机理研究 及更精确的量子力学方法研究了上述体系，也得出 相同的结论。 d a p p e n 等人 13 7 ，研究了 分 析 物a 1 与c s p 4 的作 用， 发现a 1 的r体与c s p 4 结合得比a 1 的s 体更紧。 他们考虑了 两种分子对接策略: 一种采取系统的网 格搜 寻，另外一种使用的对接策略采用了非对映体络合物中已建立的分子间键合主型 ( 包括h - 键、 7 r - 7 c 堆积和偶极堆积作用)，成功地建立了a 1 与c s p 4 对映选择接 合的模型。 cho o z n h l c o n s/ s i- 人日 _ i.j 尽 o h c - - , y冲u o n h l / i c s p 1 ( r = m e ) o h csp 1 ( x = h , 甲 h 3 r = m e ,p h ,i- p r ,!- b u ,t- b u ) c h s cs p 2 ( c h 2 )- s i- - csp 3csp 3 图3 几种手性固定相及其模型 h a n a i 等 人 13 8 1采 用m m 2 方 法 计 算了r ,s 一 丙 氨酸 和r , s 一 苯丙 氨酸以 单 一 对映 体 存在时的分子能量， c s p 分子能量以 及对映体与c s p s 以r - r , s - s , r - s 形成的非对 映 络合物的模型的能量，并计算了e a ,e r, e e t n , e rcw 3 t e结果表明单一r , s 氨基 酸对映体分子能量相同，而形成的络合物r - s能量低于r - r及s - s 络合物能量。 p ir k le 等 人 13 9 ,4 0 1又 提出了 一 种具 有 面 一 边作 用的 新 的 识 别 机理。 e d g e 等 人 14 1 提出了 包 括 立 体 效 应 ( m a t r ix ) 在内 的 手 性 识 别 分 子 模 型 设 计。 a r m s t r o n g 4 2 1和s t ill a 9 采 用 简 单的分子对接和能量最小化方法准确地预示了 色谱保留顺序， 他们研究了2 ,2 一三 南开大学硕士学位论文 氟葱 基乙 醇( t f a e ) 与手性固定相n 一 叔丁氧基拨基一 d - 撷氨酸- n 一 正丁胺识别的分子 模 型 ， 手性 分 子 与c s p s 四 种不同 的 构 象 对 接， 得到 结 果与 实 验 一 致。 h o h y u n 等 14 4 用c p k空 间 填充 模型 研究 从 ( s ) - n a p r o x e n 的n 一 苯 基 一烷 基酚 胺衍生出 的 两 种 c s p s 上 7 c - 酸外消旋体的手性识别模型a l i n 等人4 5 ,4 6 1研究了含 两个手性中心的p ir k le 型c s p s ， 采用a mi 计算方法预示了 氨基酸对映体在此c s p s 上的保留顺序， 与色 谱结果一致 。“c-c3 * 日l o“ 闪认 2 0 c -n h - c -c h 3 h2n昙 0 2 n a 1 csp 4 2i i 0 2n 汁n ho 2n - 1 ( o n 日 沪 了产0 /、 / / csp 5csp 6 图4 几种手性固定相的分子模型 应用理论方 法有时也会产生与实验不符的 情况。 h a n a i 等人14 7 研究了衍生化氨 基酸 对映体在 n - ( 特丁基氨基碳酞- ( s ) - 9a k 0酞 ,一 丙基硅胶( c s p i ) 和( r ) - i - ( a 一 奈 基 ) - 乙 基 氨 基 碳酸 一 甘 氨 fk 氨 一 丙 基硅 胶 ( c s p i i ) 上的 对映分 离 情况。 他 们 采用 m m 2 程序计算了手性分子对映体与c s p s 形成的非对映体络合物的能量， 结果发现只有 c s p i