金石蠶苷分子印跡聚合物識(shí)別性能計(jì)算模擬

劉艷，楊運(yùn)泉，向柏霖，陳桂，李滔

（1.湘潭大學(xué)化工學(xué)院，湖南湘潭411105；2.懷化學(xué)院化學(xué)與材料工程學(xué)院，湖南懷化418008；3.民族藥用植物資源研究與利用湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南懷化418008；4.功能高分子與無機(jī)非金屬材料懷化市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南懷化418008）

金石蠶苷分子印跡聚合物識(shí)別性能計(jì)算模擬

劉艷1，2，3，4，楊運(yùn)泉1，*，向柏霖2，陳桂2，李滔2

（1.湘潭大學(xué)化工學(xué)院，湖南湘潭411105；2.懷化學(xué)院化學(xué)與材料工程學(xué)院，湖南懷化418008；3.民族藥用植物資源研究與利用湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南懷化418008；4.功能高分子與無機(jī)非金屬材料懷化市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南懷化418008）

以金石蠶苷為模板分子，丙烯酰胺、丙烯酸乙酯和丙烯酸三種物質(zhì)分別作為功能單體，運(yùn)用量子化學(xué)方法模擬模板分子與不同功能單體按不同比例結(jié)合的印跡聚合物預(yù)組裝體系的構(gòu)型、能量及復(fù)合反應(yīng)的結(jié)合能△E.通過不同功能單體與模板分子在不同比例條件下形成印跡聚合物的識(shí)別性能研究，結(jié)果顯示金石蠶苷和丙烯酰胺按1：7的分子比例的印跡效應(yīng)最好.

金石蠶苷；分子印跡聚合物；計(jì)算模擬

分子印跡聚合物（molecularly imprinted polymer，MIP）是一種人工合成的新型功能高分子材料，其以通用性和驚人的立體專一識(shí)別性，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于環(huán)境、醫(yī)藥、食品、軍事等諸多領(lǐng)域[1-3].研究MIP預(yù)組裝體系，尤其是預(yù)組裝體系中功能單體的類型和數(shù)量，對(duì)于提高M(jìn)IP的親和性和選擇性具有重要意義.通過計(jì)算機(jī)模擬取代部分常規(guī)實(shí)驗(yàn)嘗試，可以大大減少摸索合成工藝條件的實(shí)驗(yàn)次數(shù)，減少不必要的試劑和人工消耗，對(duì)于提高M(jìn)IP的親和性和選擇性具有指導(dǎo)作用，目前，計(jì)算機(jī)模擬已成為分子印跡技術(shù)研究的一個(gè)重要工具，同時(shí)基于量子化學(xué)計(jì)算的高精準(zhǔn)度，相關(guān)模擬計(jì)算結(jié)果更具有指導(dǎo)意義[4].

模板分子金石蠶苷是中藥材廣東紫珠主要有效成分之一，屬于苯丙素糖苷類化合物.金石蠶苷抗氧化、抑制紅血球溶血的作用與廣東紫珠的藥理作用密切相關(guān)[5].常建紅等[6]采用AB-8大孔樹脂和硅膠柱對(duì)廣東紫珠的極性溶劑提取液進(jìn)行除雜，再采用制備型高效液相色譜進(jìn)行分離純化，獲得較高純度的金石蠶苷單體.蘇劉花[7]將廣東紫珠的乙醇提取物濃縮成浸膏，再用熱水溶解，經(jīng)膜分離得濾液，過聚酰胺樹脂柱，用醇水溶液洗脫，洗脫液濃縮后經(jīng)制備型高效液相色譜分離濃縮真空干燥制得高純度金石蠶苷.劉東鋒等[8]用丙酮溶液超聲提取廣東紫珠粉末2～3次，經(jīng)過濾回收溶劑，濃縮液加入水飽和正丁醇萃取，萃取液過氧化鋁短柱，過柱液回收試劑，所得浸膏采用高速逆流色譜分離，紫外檢測(cè)器檢測(cè)，收集目標(biāo)成分，減壓干燥得較高純度金石蠶苷單體.除了僅有的幾篇專利報(bào)道主要用傳統(tǒng)柱層析等繁瑣耗時(shí)的色譜分離方法純化金石蠶苷，目前尚未有詳細(xì)文獻(xiàn)報(bào)道更有效便捷的分離提純方法.分子印跡聚合物能從藥材粗提液中高選擇性吸附目標(biāo)分子，經(jīng)洗脫后又具有重復(fù)使用的性能，作為固相萃取材料具有較好應(yīng)用前景.

金石蠶苷分子結(jié)構(gòu)中含有較多極性基團(tuán)羥基和環(huán)狀結(jié)構(gòu)基團(tuán)，具備與功能單體形成氫鍵的條件，同時(shí)具備部分剛性和柔性結(jié)構(gòu)，可較好地與功能單體作用[9].因分子中含11個(gè)羥基，極性較大，故要想制備出對(duì)模板分子具有高識(shí)別性能的分子印跡聚合物，須充分考慮制備過程的各條件，選擇合適的功能單體及適當(dāng)?shù)耐斗疟壤@得特別重要.

圖1 金石蠶苷的分子結(jié)構(gòu)

通過計(jì)算模板分子和功能單體的結(jié)合能，能反映它們之間作用的強(qiáng)弱，指導(dǎo)印跡聚合物合成的單體選擇.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 計(jì)算方法

計(jì)算中以金石蠶苷為模板，分別用丙烯酰胺（AM）、丙烯酸乙酯（EA）和丙烯酸（AA）為功能單體，主要討論不同功能單體以不同比例與模板分子形成復(fù)合物的結(jié)構(gòu)、成鍵情況以及反應(yīng)過程中的結(jié)合能的變化.采用Gaussian03中的PM3半經(jīng)驗(yàn)法，通過量子化學(xué)計(jì)算模擬，優(yōu)化模板分子金石蠶苷、功能單體AM、EA和AA的構(gòu)型，進(jìn)而優(yōu)化預(yù)組裝體系中不同功能單體以不同比例和模板分子形成的分子印跡聚合物的構(gòu)型.在預(yù)組裝體系中主要考慮通過氫鍵形成的復(fù)合物，采用結(jié)合能來反映金石蠶苷和不同比例功能單體之間的聚合物穩(wěn)定性，按公式（1）計(jì)算：

其中E為優(yōu)化后各組分的單點(diǎn)能.研究中根據(jù)功能團(tuán)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)盡可能將單體與模板分子之間所有可能形成的復(fù)合物均納入計(jì)算模擬之中，以比較模板分子與功能單體相互作用的強(qiáng)弱，選擇功能單體.

1.2 模板分子和功能單體的構(gòu)型優(yōu)化

采用GVIEW分子繪圖軟件向Gaussian03軟件提交未經(jīng)優(yōu)化的分子結(jié)構(gòu)圖片信息，Gaussian03計(jì)算出可能的模板分子和各功能單體的構(gòu)象及構(gòu)象能量，選取最小能量構(gòu)象，并通過GVIEW輸出圖片信息，得到優(yōu)化的模板分子金石蠶苷和不同的功能單體AM、EA、AA的分子構(gòu)型，如圖2所示，各最小單點(diǎn)能，如表1所示.單點(diǎn)能便于下一步計(jì)算金石蠶苷和功能單體相互作用的結(jié)合能.

圖2 三種功能單體與模板分子的構(gòu)型

表1 金石蠶苷和各功能單體的單點(diǎn)能

2 結(jié)果與討論

2.1 模板分子和功能單體復(fù)合物的構(gòu)型優(yōu)化

根據(jù)模板分子和功能單體分子構(gòu)型優(yōu)化的結(jié)果，構(gòu)建金石蠶苷和不同單體之間以不同比例形成的復(fù)合物，根據(jù)羥基的類型和空間位阻設(shè)定模板分子與單體分子按分子個(gè)數(shù)分別以1：4、1：5、1：7、1：9及1：11結(jié)合，優(yōu)化構(gòu)型，構(gòu)建復(fù)合物.經(jīng)優(yōu)化計(jì)算得出可能存在的最小能量的復(fù)合物構(gòu)型如圖3所示.

圖3 金石蠶苷和不同比例功能單體形成的復(fù)合物的模型

AM、AA及EA分別以5個(gè)不同比例與金石蠶苷組成復(fù)合物的計(jì)算機(jī)模擬運(yùn)算過程中，金石蠶苷與EA以1：9和1：11組合時(shí)未能輸出可能結(jié)構(gòu)，說明該復(fù)合物無法聚合成功.

2.2 模板分子和功能單體相互作用的結(jié)合能

經(jīng)Gaussian03優(yōu)化計(jì)算得出可能存在的金石蠶苷與功能單體相互作用的各復(fù)合物的最小能量E及由公式（1）計(jì)算出的結(jié)合能ΔE如表2所示.

表2 金石蠶苷和不同單體形成復(fù)合物的結(jié)合能

上表2列出的是MIP預(yù)聚合過程中可能出現(xiàn)的模板分子與功能單體二者之間可能的作用方式，結(jié)合能越大，模板分子與功能單體在預(yù)聚合時(shí)形成的復(fù)合物越穩(wěn)定，對(duì)于同一功能單體，該比例功能單體的印跡效應(yīng)越強(qiáng).因此用模擬的方法預(yù)測(cè)不同功能單體以不同比例與模板分子形成復(fù)合物的結(jié)合能的大小，可有效篩選烙印效果更好的功能單體及投放比例，大大減少實(shí)驗(yàn)的時(shí)間與消耗.分析表2數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)功能單體AM跟EA、AA相比，與模板分子金石蠶苷形成復(fù)合物的結(jié)合能ΔE/kJ.mol-1顯著增加，可能原因是由于模板分子金石蠶苷含有多個(gè)酚羥基，具有一定的酸性，易于以離子鍵的方式作用，在上述功能單體中弱堿性和中性的功能單體AM和EA明顯比酸性功能單體AA更具印跡優(yōu)勢(shì)，而AM又略比EA更具優(yōu)勢(shì)，這與通常的功能單體選擇經(jīng)驗(yàn)是相吻合的[10].數(shù)據(jù)顯示不同比例的丙烯酰胺形成的復(fù)合物ΔE大小順序?yàn)椋?：7）＞（1：11）＞（1：4）＞（1：5）＞（1：9），經(jīng)結(jié)構(gòu)分析，金石蠶苷的結(jié)構(gòu)主體含氧六元環(huán)有兩條長支鏈和兩條短支鏈.長支鏈的末端酚羥基位置較為對(duì)等，且空間位阻較小，可提供4個(gè)較強(qiáng)結(jié)合位點(diǎn).兩條短支鏈的雜環(huán)上有6個(gè)羥基，由于鄰位基團(tuán)造成空間位阻的影響導(dǎo)致印跡結(jié)合能力有差異，只有一個(gè)鄰位基團(tuán)的短支鏈上的3個(gè)羥基有2個(gè)偏離相鄰大基團(tuán)一側(cè)，易與功能單體結(jié)合，而有兩個(gè)鄰位基團(tuán)的短支鏈上的3個(gè)羥基只有中間的羥基所受位阻較小，易與功能單體結(jié)合.含氧六元環(huán)主體上的羥基取代基因其相對(duì)其他取代基團(tuán)小很多，且兩個(gè)鄰位都有取代基，位阻較大，較難與單體結(jié)合.可以解釋金石蠶苷與AM之比為1：7時(shí)的作用力最強(qiáng)，對(duì)金石蠶苷的烙印效果更好.

3 結(jié)論

本文以金石蠶苷為模板分子，以丙烯酰胺（AM）、丙烯酸乙酯（EA）和丙烯酸（AA）分別為功能單體，采用量子化學(xué)計(jì)算考察模板分子與功能單體分別以1：4，1：5，1：7，1：9，1：11比例結(jié)合情況及結(jié)合能，作為單體及單體比例篩選的依據(jù).計(jì)算結(jié)果：模板分子和功能單體能形成13種復(fù)合物，有2種復(fù)合物無法形成，其結(jié)合能ΔE提示其不同功能單體印跡效果強(qiáng)弱順序?yàn)椋罕０罚颈┧嵋阴ィ颈┧幔煌壤谋０沸纬傻膹?fù)合物ΔE大小順序?yàn)椋海?：7）＞（1：11）＞（1：4）＞（1：5）＞（1：9）.上述結(jié)果及分析表明，本模板分子選用堿性稍強(qiáng)的功能單體丙烯酰胺印跡效果更好，其最佳反應(yīng)比由量子化學(xué)計(jì)算預(yù)測(cè)為1：7.通過模擬，有助于選擇金石蠶苷印跡效應(yīng)更好的功能單體及最佳比例.

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Computer Simulation of the Recognizing Characteristics of Poliumoside Imprinted Polymers

LIU Yan1，2，3，4，YANG Yun-quan1，*，XIANG Bai-lin2，CHEN Gui2，LI Tao2
（1.College of Chemical Engineering，Xiangtan University，Xiangtan，Hunan 411105；2.School of Chemical and Material Engineering，Huaihua University，Huaihua，Hunan 418000；3.The Key Laboratory of Hunan Province for the Study and Utilization of Ethnomedicinal Plant Resources，Huaihua，Hunan 418000；4.Huaihua Key Laboratory of Functional Inorganic&Polymeric Materials（Huaihua University），Hunan，Hunan 418000）

With Poliumoside as the template molecule，acrylamide，ethyl acrylate and acrylic acid in different proportions as functional monomer separately，the geometry optimization，energy and binding energy of imprinted molecule were studied based on quantum chemistry theory.The order of the binding energy of Poliuside with the above monomers was discussed，and the highest binding energy is the one with Poliuside/AM in the molecule ratio of 1：7，which was considered to be of the best imprinting effect.

poliumoside；imprinted molecule；computer simulation

O641；TQ015.9

A

1671－9743（2016）11－0056－04

2016-05-31

民族藥用植物資源研究與利用湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目（ZDSYSJJ2012-6）；懷化學(xué)院校級(jí)科研課題資助項(xiàng)目（HHUY2011-07）.

劉艷，1983年生，女，湖南益陽人，講師，博士研究生，研究方向：藥用功能材料的制備；

*通訊作者：楊運(yùn)泉，1963年生，教授，博士生導(dǎo)師.