格列齐特光谱和药理活性的密度泛函理论研究

2019-01-17魏麟骄王林杰杜金泽

中国石油大学胜利学院学报 2018年4期

魏麟骄,王林杰,杜金泽,纪昕

(1.中国石油大学胜利学院化学工程学院,山东东营 257000; 2.湘潭大学化学工程学院,湖南湘潭 411100;3.山东省东营市广饶街道社区卫生服务中心,山东东营 257300)

糖尿病是一种慢性代谢疾病,与胰腺β细胞和脱敏的胰岛素体中胰岛素分泌短缺有关[1]。格列齐特是第二代口服磺酰脲类降糖药,由法国SERVEIR公司开发,于1972年在法国上市[2],可促进胰岛素正常分泌,增加糖尿病人对胰岛素的敏感性,能有效控制胰岛素分泌受损并降低毒副作用,是我国一线口服降糖药[3-6]。药物的药效和制剂研究是分子实体成药的关键,在该阶段,API的分子结构、光谱分析和物化性质信息对药效、剂型的稳定性和原辅料相容性研究有很强的指导意义。随着量子力学和计算机模拟技术的发展,可以采用计算化学方法模拟计算药物分子的性质和光谱学特征。密度泛函理论(DFT)采用电子密度项处理多电子体系[7-8],已被广泛应用于制药领域,可帮助提高药物设计效率、缩短研发周期,为更好地认识、开发和应用提供科学的依据。本次研究使用Material Studio 8.0软件DMol3模块,在DFT/GGA/PBE水平上计算研究格列齐特分子的结构特点、简谐振动频率归属、前线轨道和原子电荷分布,对试验红外光谱进行全面、高精度指认。

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

NICOLET 380型傅里叶变换红外光谱仪(美国热电公司),KBr压片,测定范围4 000～400 cm-1,光谱分辨率2 cm-1;无水乙醇(分析纯)购自湖南汇虹试剂有限公司;RH2232服务器(华为技术有限公司),32G+800G。

1.2 计算方法

采用Parvez[9]测得的格列齐特单晶结构文件数据,在Material Studio软件构建基于XRD试验数据的格列齐特单分子模型,用DMol3模块GGA/PBE方法进行结构优化,得到优化的单分子模型(见图1),并在相同水平下计算分子红外振动光谱,得到空间稳定构象和所有简谐振动模式。使用优化后的分子结构计算前线轨道和密利根原子电荷分布,探讨分子中电荷转移和原子活性差异。所有计算工作均在Material Studio 8.0软件及华为RH2232服务器上进行。

图1 格列齐特结构和原子编号

2 结果与讨论

2.1 分子构型

表1为格列齐特部分重要优化结构参数与试验值的对比。由表中数据可知,模拟苯环(C2-C7)和饱和五元环(C9-C15)的碳碳键长范围为1.534～1.575 Å,均在正常键长范围内[10],说明优化后结构较为稳定。在计算水平下,S1-02、O3-C1、N1-H1和N2-H2模拟键长均大于试验值,这是由于分子在晶体状态下在该位点有分子间氢键,π-π共轭效应使得键长减小。模拟计算的C-H键长均比基于XRD试验测定值大,这是由于模拟在真空状态下进行,忽略了晶格挤压效应[9]。

表1 格列齐特部分计算结构参数与试验值对比

对格列齐特分子结构进行优化后,绝大部分模拟键角数据与试验值[9]相似,但在N1-S1-C2、O3-C1-N1、N2-N3-C15、C1-N2-H2处差别较大。这是由于这些位点原子间的孤电子对产生较强的π-π共轭效应,且氢键在此集中。取单分子进行结构优化后,电子间通过氢键的π-π共轭效应消失,周围分子对该处原子的束缚消失,导致原子位置发生细微偏移,键角变化。

扭转角数据表明,格列齐特吡咯环戊环存在一定程度的扭曲且不共面,分子中的五元环和支链均有明显的扭转而没有处于同一平面,结构空间位阻效应小,有利于药物分子发挥官能团的优势作用[10]。

2.2 振动分析

红外光谱在对物质的表征和鉴别,以及分子结构和化学键的研究方面起着重要作用[11-12]。在结构优化基础上,采用GGA/PBE方法对格列齐特进行简谐振动频率计算,并结合试验测量结果和相关资料,对格列齐特分子的振动模式进行精确指认。计算和试验图谱对比示于图2。详细的振动归属见表2。

图2 格列齐特试验与计算红外光谱对比

2.2.1 N-H振动

N-H伸缩振动一般出现3 250～3 500 cm-1范围内,有中等或弱吸收峰[13]。计算的N-H伸缩振动为3 422 cm-1,与文献的频率范围吻合。试验N-H伸缩振动为3 371 cm-1与计算值有较大不同,主要因为格列齐特分子间有N-H…O氢键,而单分子模拟未考虑分子间氢键效应。试验红外1 399 cm-1波长处的HNC面内弯曲振动,在GGA方法下的计算值为1 397 cm-1,模拟数据吻合。计算归属的试验图谱在1 000～1 250 cm-1内有大量HNC伸缩、弯曲和扭转振动,这与文献的频率范围很吻合[13]。计算红外图谱729 cm-1处对应试验红外的734 cm-1,归属为ON-NC面外弯曲振动。

2.2.2 C-H振动

格列齐特的C-H基团分布在苯环、甲基和吡咯环戊基,主要包含伸缩、面内弯曲和面外扭转振动形式。在杂环和芳环中,C-H伸缩振动出现在3 000～3 100 cm-1范围内[13]。由表2知,计算苯环C-H伸缩振动波数范围是3 042～3 132 cm-1,与理论范围相吻合,2 836～2 987 cm-1归属为吡咯环戊基的C-H伸缩振动。芳烃在680～860 cm-1有C-H面外弯曲振动特征吸收[14],计算显示在该波长范围内有C-H扭转振动,归属为689、797、812 cm-1处的试验红外峰。

2.2.3 SO2振动

砜(SO2)的不对称和对称伸缩振动主要分布在1 350～1 300 cm-1和1 160～1 120 cm-1区间内[13]。计算的S-O伸缩振动为1 036、1 127 cm-1,归属于试验红外的1 038、1 087 cm-1。模拟值与经验范围的细微差别是由于格列齐特分子中砜基直接与苯环和羰基连接,形成强共轭效应,引起峰位红移。S-C的伸缩振动区域为700～600 cm-1,峰较弱[13],计算的S-C伸缩振动为646 cm-1,与理论值相符,归属为640 cm-1的试验峰。

2.2.4 N-C振动

计算的C-N红外吸收范围为1 100～1 400 cm-1,对应C-N伸缩、扭转和弯曲振动,这与文献中N-C振动频率范围1 000～1 350 cm-1相符[13]。试验测得的1 399、1 192 cm-1处吸收峰,归属为C-N面内弯曲和伸缩振动;位于1 346 cm-1处的峰,与计算值1 343 cm-1相对应,归属为N-C伸缩和扭转振动;试验测得的1 298、1 290、1 277、1 242 cm-1峰,归属为C-N面内弯曲和扭转振动。

2.2.5 C=O振动

C=O红外吸收峰强且干扰峰较少,已成为鉴定物质结构是否含有羰基基团的可靠依据。格列齐特在1 709 cm-1有强特征峰,对应分子结构中C1=O3伸缩振动,计算羰基红外振动为1 736 cm-1,与试验峰位有较好的拟合。计算的729 cm-1峰归属为C=O面外弯曲振动,与试验振动频率734 cm-1基本一致。

2.2.6 C-C振动

苯环的C-C骨架伸缩振动频率范围是1 400～1 650 cm-1[15],计算红外的C-C伸缩振动波数范围是1 252～1 585 cm-1,与文献的频率范围基本吻合,因此将1 596、1 473、1 464、1 436、1 353 cm-1处试验峰归属为C-C伸缩振动。计算红外在1 009 cm-1有苯环呼吸振动,这与文献数据[13](1 000 cm-1附近)相符。试验测得的860～996 cm-1吸收峰与计算所得827～975 cm-1相对应,归属于吡咯环戊基的C-C振动。

2.3 体系能量和前线轨道特征分析

格列齐特前线轨道能量最高的电子占有轨道(HOMO)集中于格列齐特分子吡咯基和酰胺基团处,该轨道区域容易释放电子,易受亲电试剂进攻。能量最低的电子未占轨道(LUMO)主要集中于苯环和磺脲基的S=O基团处,是亲核试剂主要进攻位点。这说明格列齐特为两性反应体系,既可以为电子供体也做为受体,根据这一特性可以在设计目标物结构改造时,有针对性地选择反应试剂达到预期目的。从HOMO到LUMO的转变说明反应时电子易从酰胺和吡咯基转移到苯环和S=O基(图3)。

图3 格列齐特前线轨道分布

2.4 密利根电荷分布

药理学研究表明,当药物分子与受体发生作用时,发挥药效的途径是两者之间电子的相互作用[16-18]。原子电荷是探究分子亲核或亲电特性强弱及确定化学活性位点的一种有效方法[19],对药物分子内原子电荷分布进行分析可以确定其与受体的作用点。非那雄胺各原子所带电荷值见表4。

表4 格列齐特原子电荷分布

分子中N原子电荷为负值,这是因为周围氢原子(H1、H2)和C原子(C9和C15)的电子易转移到N原子;与O原子相连的S和C原子的电荷易转移到O原子,使O原子也带负电荷。因此在格列齐特分子中,3个O原子和3个N原子均带有净的负电荷;C原子中,C1、C5、C9、C15分别连接有供电子的羰基氧原子和甲基基团,因此带有净的正电荷。其他碳原子接受相连接的氢原子的电荷,带有净的负电荷(-0.029→-0.272 e)。

格列齐特荷负电荷原子的电荷数为N1=-0.397、O1=-0.344、N2=-0.265、O2=-0.396、N3=-0.325、O3=-0.464,荷正电荷的主要原子为S1=0.572和C1=0.616。从荷电数值可知,在中性分子中C1和S1易受亲核试剂进攻,难易顺序为C1>S1;N和O原子体现了较大的电负性,受亲电试剂进攻可能性较大,难易顺序为O3>N1>O2>O1>N3>N2,可以作为氢键的受体,是起到关键药效作用基团的活性部位。