新藥萘夫西林藥理性質(zhì)的密度泛函研究

徐 洋，羅海霞，范 強, 鐘愛國

新藥萘夫西林藥理性質(zhì)的密度泛函研究

徐 洋，羅海霞，范 強, 鐘愛國

（臺州學院醫(yī)藥化工學院， 浙江 臺州 316000）

使用密度泛函理論（DFT），在B3LYP方法和6-31+G(d)基組上，對抗菌消炎新藥萘夫西林分子進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對其分子構(gòu)型、偶極距、紅外光譜、紫外光譜、NBO電荷分布進行了分析。結(jié)果表明，萘夫西林發(fā)揮其藥理和毒理作用的最大可能部位在酰胺基的N原子上。

萘夫西林；密度泛函理論；定量計算

萘夫西林英文名為Nafcilline、Unipen 、Naftopen等，為以 6-氨基青霉素烷酸（6－APA）化學半合成的一種既口服也可注射的新型青霉素[1-3]。為微黃白色或白色粉末，有引濕性，易溶于水、乙醇、氯仿，微臭。在酸和青霉素酶中穩(wěn)定。主要試用于治療心內(nèi)膜炎、急性化膿性的腦膜炎、肺炎、敗血癥（金黃色葡萄球菌引起）等。與其他青霉素類藥物一樣的是，它也存在過敏反應。抗耐藥金葡菌的活性與苯唑青霉素比較接近,比甲氧苯青霉素要強,對溶血性鏈球菌和肺炎鏈球菌的活性比苯唑西林強。特別的是，對溶血性鏈球菌和肺炎球菌的效果非常好。口服的吸收效果不是很好，尿液排泄量少，血藥濃度也較低。通過肌肉注射萘夫西林的血藥濃度高于口服，但是仍然比較低，膽汁中的藥的濃度高于血藥濃度，且90 % 都經(jīng)膽汁排泄排出。血漿蛋白結(jié)合率高,約為88 %。阿拉賓度公司（Aurobindo）在2012年12月29日宣布了萘夫西林注射液（nafcillin injections）已獲得了FDA的批準， 該公司也已馬上啟動了該藥物的裝運工作。目前，用密度泛函研理論究萘夫西林方面的文獻還比較缺乏[4,5]。

本文是采用密度泛函理論方法, 對萘夫西林的分子光譜如紅外吸收，拉曼吸收，紫外-可見吸收，核磁共振吸收以及自然鍵軌道理論(NBO)等進行了理論模擬和指認，通過先采用GaussView 3.7構(gòu)造出萘夫西林的分子結(jié)構(gòu)，再提交給Gaussian 09W 用相應的方法和基組計算光譜數(shù)據(jù)，取得了與實驗相吻合的結(jié)果， 為萘夫西林的分析與檢測提供幫助。并結(jié)合所得數(shù)據(jù)，討論分析了萘夫西林的藥理及毒理性質(zhì)。

1 實驗部分

采用GaussView看圖軟件，構(gòu)建了萘夫西林分子結(jié)構(gòu)模型，采用 DFT 理論的 B3LYP 方法，在6-31+G(d)基組水平上，進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化計算。在優(yōu)化結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用頻率分析方法，進行了頻率分析。表明所有振動頻率全部為正，表明其計算結(jié)果是可以相信的。全部計算工作在 Gaussian 09W程序及 PC 機上完成。圖 1顯示了萘夫西林（C21H22N2O5S）分子結(jié)構(gòu)和原子編號。

2 結(jié)果與討論

2.1 分子的幾何結(jié)構(gòu)分析

用Gaussian 09W程序在B3LYP/6-31+G(d)基組上進行優(yōu)化，模擬得到了萘夫西林分子的鍵長, 鍵角等數(shù)據(jù)。正常的C-O單鍵的鍵長（（1.20～1.43）×10-10m），C-C單鍵（1.54×10-10m左右），C=O雙鍵（1.20×10-10m左右），C-N單鍵（1.48×10-10m），C-S單鍵（1.82×10-10m），O-H（0.98×10-10m），N-H（1.01×10-10m）表中列出了優(yōu)化后的分子部分鍵長數(shù)據(jù)表明：除C4-C1的鍵長偏小一點外，其他鍵長均屬于正常范圍。表中列出的重要鍵角數(shù)據(jù)表明，稠雜環(huán)的大環(huán)(N1-C2-S6-C7-C3原子組成的五元雜環(huán))和小環(huán)(N1-C2-C5-C4原子組成的四元雜環(huán))。

圖1 萘夫西林分子結(jié)構(gòu)及編號Fig.1 Structure and atomic of nafcilline

2.2 紅外吸收光譜

物質(zhì)的IR光譜是其分子骨架結(jié)構(gòu)的反映，圖2譜圖中的吸收峰與分子中各基團振動形式相對應。

圖2 萘夫西林分子紅外吸收光譜Fig.2 IR of nafcilline

使用 DFT/B3LYP/6-31+G(d) 軟件模擬顯示, 萘夫西林藥物分子在指紋區(qū) 616 cm-1(弱，2S, 5R, 6R結(jié)構(gòu))處存在紅外吸收峰，在特征區(qū)1 318 cm-1(中，甲基C-H的彎曲振動吸收峰)，1 516 cm-1(弱，萘環(huán)上的C-C骨架振動吸收峰), 1 777 cm-1（強，羰基C=O鍵伸縮振動吸收峰）, 3 064 cm-1（弱，萘環(huán)上的C-H伸縮振動吸收峰）, 3 586 cm-1（弱，萘酰胺基上的N-H伸縮振動吸收峰）, 3 676 cm-1（弱，羧基上的羥基O-H的伸縮振動吸收峰）處顯示較強的IR吸收峰，這些峰與萘夫西林小分子的實驗IR譜（分別在608，1 305，1 556，1 787，3 101，3 576，3 656 cm-1處有紅外吸收峰）基本是吻合的。

2.3 拉曼吸收光譜

分子的拉曼吸收效應起源于分子振動與轉(zhuǎn)動,從拉曼吸收光譜中可得到與分子振動互補的信息。采用DFT/B3LYP 方法，在 6-31+G(d)基組上進行分子優(yōu)化和頻率分析，得到7個拉曼吸收特征峰(如圖3)。我們對分子的7個特征峰的分子振-轉(zhuǎn)吸收模式進行了歸屬指認。萘夫西林（（2S,5R,6R)-6-(2-乙氧基-1-萘酰氨基)-3,3-二甲基-7-羰基-4-硫雜-1-氮雜-二環(huán)[3.2.0]庚烷-2-羧酸）是一個稠雜環(huán)的化合物，也可以看作是萘環(huán)的β位上氫原子被一個乙氧基所取代，α位上的氫原子被一個由酰胺基和稠雜環(huán)構(gòu)成的支鏈（青霉素母核－6－氨基青霉烷酸（6－APA））所取代而形成的雙取代萘類分子。圖 3是理論模擬萘夫西林分子的拉曼散射譜特征吸收峰，其主要位于3 676 cm-1（弱，羧基上的游離羥基O-H的伸縮振動），3 586 cm-1（弱，萘酰胺基上的N-H伸縮振動）,3 064 cm-1（強，二取代萘環(huán)上的C-H對稱呼吸振動）,1 777 cm-1（弱，羰基C=O鍵伸縮振動）, 1 516 cm-1(中，萘環(huán)上的C-C骨架振動)，1 318 cm-1(中，甲基C-H的彎曲振動)，616 cm-1(弱，環(huán)內(nèi)振動) 。對比實驗和理論拉曼吸收光譜，它們的拉曼吸收峰基本是吻合的。

圖3 模擬萘夫西林分子拉曼吸收光譜Fig.3 Laman of nafcillin

2.4 紫外吸收光譜

采用 TD DFT/B3LYP/6-31+G(d)理論方法, 模擬顯示了萘夫西林分子在 247 nm (強吸收)處有強的紫外吸收峰，這是源于電子從最高占據(jù)軌道(HOMO)躍遷到最低空軌道(LUMO)所顯示的吸收峰，在367 nm（弱吸收）處有弱的紫外吸收峰，這是源于電子從次高占據(jù)軌道(HOMO-1)躍遷到最低空軌道(LUMO)所顯示的峰。這與其標準圖譜顯示萘夫西林分子在247.5 nm和357.5 nm 處有較強的紫外吸收峰基本是相吻合(見圖4)。

圖4 萘夫西林分子紫外-可見吸收光譜Fig.4 UV-Vis of nafcilin

2.5 核磁共振光譜

用TMS B3LYP/6-311+G(2d,p) GIAO的方法理論模擬了萘夫西林分子的氫核磁共振譜（見圖5所示）。

其萘環(huán)上六個氫(弱，7.218 9×10-6)，乙氧基上的CH2(弱，3.581 4, 3.917 9×10-6); CH3(中,1.328 5，1.356 7，0.786 7×10-6); 酰胺鍵上的氫(弱，5.085 5 ×10-6) ，稠雜環(huán)6號位上的H（弱，4.216 9×10-6），5號位上的H(5.267 5×10-6),與3號位相連的2個CH3（強，1.521 3，1.291 1 ，1.199 7，1.292 8，1.269 7，1.157 8×10-6)。這些吸收峰較好地與其核磁共振實驗吸收峰值吻合起來，驗證了模擬計算的準確性[6-7]。

圖5 萘夫西林的核磁共振氫譜Fig.5 1-HNMR of nafcilline

2.6 偶極矩和原子的自然電荷

分子的偶極矩是衡量其分子極性的重要物理量。采用 Gaussian 09W，我們計算得到標題分子的偶極矩為5.5418 Debye，這表明萘夫西林的極性比較大，血藥濃度也較低，通過肌肉注射萘夫西林的血藥濃度高于口服，但是仍然比較低。血漿蛋白結(jié)合率高，膽汁中的藥的濃度高于血藥濃度，所以尿液排泄量少，主要經(jīng)膽汁排泄排出。從文獻上查到的疏水參數(shù)計算參考值（logP）為2.9，這可能是因為萘夫西林的羧基的存在，增大了萘夫西林的親水性和溶解度。

原子的自然電荷值是研究其化學活性點位及確定親核或親電特性強弱的一種有效方法。采用B3LYP/6-31+G(d)基組，我們分析了萘夫西林分子的自然鍵軌道值(NBO)。結(jié)果顯示電荷最正的是羧基上的碳原子（8C，0.831e）；其次為β-內(nèi)酰胺環(huán)上的羰基上的碳原子（4C，0.711e）；第三為酰胺鍵上的碳原子（15C，0.703e）；第四為酰胺鍵上的氫原子（20H，0.433e），電荷最負的為羧基上的羥基氧（14O，-0.708e），其次為酰胺鍵上的氮原子（10N，-0.697e）；第三為酰胺鍵上的氧原子（16O，-0.687e）；第四為β-內(nèi)酰胺環(huán)上的羰基上的氧原子（9O，-0.686e）。所以β-內(nèi)酰胺環(huán)及與其相連的酰胺鍵（-CO-NH-）上的原子很可能是其發(fā)揮藥理和藥理活性的親電和親核反應中心。這也符合了青霉素類抗生素的藥理是由于β-內(nèi)酰胺類作用于細菌的細胞壁而產(chǎn)生的。

3 結(jié) 論

對萘夫西林分子(（2S,5R,6R)-6-(2-乙氧基-1-萘酰氨基)-3,3-二甲基-7-羰基-4-硫雜-1-氮雜-二環(huán)[3.2.0]庚烷-2-羧酸），我們基于DFT理論和方法，在 6-31+G(d)基組水平上進行了分子結(jié)構(gòu)優(yōu)化。對其藥物分子光譜(UV-Vis，IR, 1HNMR )等理化性質(zhì)進行了理論模擬和指認，取得了與實驗光譜基本吻合的結(jié)果，表明了本研究方法是可信的。模擬的幾何優(yōu)化結(jié)構(gòu)表明, 萘夫西林分子具有穩(wěn)定的分子構(gòu)型和良好的疏水參數(shù)，在極性溶液中溶解能力將會較強。自然電荷（NBO）值計算結(jié)果表明，β-內(nèi)酰胺環(huán)及與其相連的酰胺鍵（-CO-NH-）上的N原子很可能是其發(fā)揮藥理和藥理活性的親電和親核反應中心，符合青霉素類抗生素的藥理是由于β-內(nèi)酰胺類作用于細菌的細胞壁而產(chǎn)生。對其分子的模擬光譜及其指認，將有助于萘夫西林類藥物的分析與檢測。

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Density Functional Theory Study on Pharmacological Properties of Nafcilline

XV Yang，LUO Hai-xia,FAN Qiang,ZHONG Ai-guo
（College of Chemical Engineering and Pharmacy, Taizhou University, Zhejiang Taizhou 316000，China）

Using the density functional theory B3LYP method with 6-31+G(d) basis set,nafcilline molecules were optimized, and their molecular configuration, molecular dipole moment, IR spectra, UV spectra, NBO charge distribution were analyzed. The results show that, the maximum possible parts of pharmacological and toxicological effects of nafcilline are N atoms on the amide.

Nafcilline; Density functional theory; Quantitative calculation

TQ 624.2

： A

： 1671-0460（2015）04-0699-03

浙江省大學生科技創(chuàng)新項目（新苗人才計劃），項目號：2014R428015。

2015-03-15

徐洋（1991-），男，浙江紹興人，臺州學院高分子專業(yè)，研究方向：從事高分子研究工作。E-mail：451872652@qq.com。