拓展实验阿莫西林的谱学分析与指认

洪文燕　施琪浩　张英杰　蒋鑫　陈诗雨　章少阳　陈茹箐　秦利明　钟爱国

摘      要：用密度泛函理论（DFT）的方法，在B3YLYP/6-31+G水平下优化阿莫西林的结构，通过改变其椅式构型上1-H、3-H、4-H的直立键和平伏键相互转变，发现-OH化学位结构键的转变对其分子溶解度（logS）值没有明显影响;采用密度泛函理论的方法，在B3YLYP/6-31+G水平下优化了7种阿莫西林衍生物的结构，通过计算得到相关性最高ESP-S5电荷值与logS值的线性方程（y=13.51x-0.72， R²=0.912）。还采用密度泛函理论的方法预测了7种阿莫西林衍生物红外吸收、拉曼吸收、紫外吸收、荧光发射、磷光发射和核磁共振谱吸收光谱图，并对其特征峰进行指认和归属。为制药专业学生拓展训练实验识别阿莫西林及其衍生物以及构效关系提供了基础数据。

关  键  词：制药专业实验;密度泛函理论; 阿莫西林;溶解度;谱学分析

中图分类号：G822.8       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2020）07-1321-05

Spectroscopic Analysis and Identification of Amoxicillin

for Pharmaceutical Professional Expansion Experiments

HONG Wen-yan， SHI Qi-hao， ZHANG Ying-jie， JIANG Xin， CHEN Shi-yu，

ZHANG Shao-yang， CHEN Ru-qian， QIN Li-min， ZHONG Ai-guo*

（College of Pharmaceutical， Chemical and Materials Engineering， Taizhou University， Taizhou Zhejiang 318000， China）

Abstract： The structure of amoxicillion was optimized by the density functional theory（DFT） at B3LYP/6-31+G level. By changing the structure of 2-H， 3-H， 4-H， the results showed that the change of chemical bond had no significant effect on the solubility （logS） value. The method of density functional theory was used to optimize the structures of 7 amoxicillin derivatives at B3YLYP/6-31+G level. And the linear equation （y=13.51x-0.72） with the highest correlation between the ESP-S5 charge value and the logS value was obtained by calculating the structure of the amoxicillion derivative. At the same time， the method of density functional theory was used to predict the infrared， Raman， UV-Vis and 1H-NMR spectra of seven kinds of amoxicillion derivatives， and the characteristic peaks were identified and assigned. This paper can provide powerful reference for the study of the spectral prediction and structure activity relationship of other derivatives.

Key words： Pharmaceutical engineering experiments; DFT; Amoxicillion; Solubility; Spectral enalysis

阿莫西林（AMXL）为人工半合成的耐酸和碱的广谱杀菌青霉素类抗生素类药物。该分子药抗菌抗病毒谱广，杀菌力较强^[1]。阿莫西林也是医院临床用药中一种常见的具有氨基侧链的青霉素分子药物。它在常温常压态下也是一种结晶状的白色粉末药品，能微溶于温水。它在医院临床上应用范围非常广泛和用料大^[2]。如在病人消化不良、病人慢性支气管炎、病人膀胱炎、病人皮疹以及病人消化性溃疡等疾病的治疗等方面，皆需要应用到该种粉末状药物。但是，一般的病人患者服用该种药物后，极有可能会出现病人恶心、病人呕吐、病人腹泻、病人皮疹以及荨麻疹等多种不良反应发生^[3]。阿莫西林的临床抗菌活性和氨苄西林非常相似，但阿莫西林的耐酸性更强，杀菌效果及杀菌速度也强于氨苄西林^[4]，但是阿莫西林用于治疗脑膜炎患者会引起严重不良反应，因而阿莫西林禁用于治疗脑膜炎患者。阿莫西林在体内的半衰期为62 min^[5]。阿莫西林的可吸收性较好，在酸性条件下可稳定吸收，且肠道吸收率高达90%，吸收速度远远大于氨苄西林。阿莫西林能够穿透细胞壁， 和大分子量青霉素结合蛋白结合， 与分子内酚胺可以水解， 与菌体转肤酶结合， 让菌体失去活性， 切断菌体合成糖肤，细菌细胞壁被破坏后， 由于菌体失去细胞壁而胀破灭亡^[6]。哺乳动物细胞无细胞壁， 所以阿莫西林对人体毒性小， 但仍会有恶心、呕吐等不良反应存在。王晨等在《中国新药杂志》利用计算机模拟技术对阿莫西林胶囊溶出度方法的研究，利用计算机模拟软件建立并验证阿莫西林在人体内的生理药动学（physiologically based pharmacokinetic， PBPK）模型，用于阿莫西林胶囊溶出度方法的评价研究。方通过溶出特征曲线优化，建立并优化PBPK模型。通过模型计算阿莫西林胶囊药时曲线对比人口服实测药时曲线计算结果的准确性，基于该PBPK模型，以去卷积分算法模拟计算出阿莫西林胶囊在人体内的释放曲线，与现行版《中华人民共和国药典》和《美国药典》中阿莫西林胶囊溶出度限度进行比较与评价，证明上述药典中各溶出度限度均高于制剂体内累计吸收量要求。现行方法是基于阿莫西林胶囊制剂的不同处方，用于进行工艺控制，保证制剂生产一致性的指标，目的在于降低制剂工艺对产品质量波动的影响风险，而非紧密关联体内有效性水平的限度指标。高光武等在《世界最新医学信息文摘》发表论文，针对阿莫西林与莫西沙星治疗幽门螺杆菌胃病的有效性观察，评价阿莫西林与莫西沙星治疗幽门螺杆菌胃病的有效性，分析其药理作用。他们选取本院2017年4月至2019年3月收治的146例幽门螺杆菌胃病患者，其中73例使用莫西沙星进行治疗的患者作为研究组，另外使用使用阿莫西林进行治疗的73例患者作为对照组。将两组患者的临床治疗效果、幽门螺杆菌（HP）根除率、药物不良反应等指标，进行数据的统计记录，并使用统计学软件进行统计数据的处理和比较分析。结果使用莫西沙星进行治疗的研究组患者，其临床治疗总有效率、幽门螺杆菌根除率指标均显著高于对照组患者;治疗后胃痛症状評分、不良反应发生率两项指标，研究组患者均显著低于对照组。两组患者组间数据比较差异有统计学意义（P<0.05）。结论本次研究数据的结果表明，对于幽门螺杆菌胃病患者，使用口服莫西沙星进行治疗相比口服阿莫西林，临床效果更加显著。高晓华等在《中国现代药物应用》发表了阿莫西林与莫西沙星治疗幽门螺杆菌胃病的临床效果探讨，他们探讨阿莫西林与莫西沙星治疗幽门螺杆菌胃病的临床效果。用100例幽门螺杆菌胃病患者，随机分为阿莫西林组与莫西沙星组， 每组50例。阿莫西林组采取阿莫西林治疗， 莫西沙星组采取莫西沙星治疗。比较两组患者的治疗效果; 根除幽门螺杆菌时间、幽门螺杆菌胃病愈合时间、住院时间; 治疗前后生活质量评分、胃肠道症状积分;不良反应发生情况。结果莫西沙星组的治疗总有效率100.00%高于阿莫西林组的76.00%，差异具有统计学意义（P<0.05）。治疗后，莫西沙星组的生活质量评分（98.81±1.55）分高于阿莫西林组的（85.68±2.99）分，胃肠道症状积分（0.45±0.01）分低于阿莫西林组的（1.42±0.21）分，差异均具有统计学意义（P<0.05）。莫西沙星组的根除幽门螺杆菌时间、幽门螺杆菌胃病愈合时间、住院时间分别为（6.50±1.02）、（6.50±1.09）、（8.50±2.01）d，均短于阿莫西林组的（7.35±2.28）、（8.50±2.99）、（10.54±2.08） d， 差异均具有统计学意义（P<0.05）。两组不良反应发生率比较，差异无统计学意义（P>0.05）。阿莫西沙星治疗幽门螺杆菌胃病的临床效果显著，能够缩短治疗时间，提高患者的生活质量，改善临床症状，值得推广应用。吴春华等人在《抗感染药学》杂志发表论文，探讨了阿莫西林和替硝唑三联疗法对幽门螺杆菌阳性的慢性胃炎患者的疗效及其对Hp清除的影响，评价了阿莫西林、替硝唑、奥美拉唑三联疗法对幽门螺杆菌（Hp）阳性的慢性胃炎患者的疗效及其对炎症因子和Hp清除的影响。他们选取2017年9月—2018年9月间收治的Hp阳性慢性胃炎患者100例资料，按治疗方法的不同将其随机分为对照组（50例）和观察组（50例）;对照组患者给予奥美拉唑和阿莫西林治疗，观察组患者在对照组基础上加用替硝唑治疗;比较两组患者治疗前后血清白细胞介素-6（IL-6）、肿瘤坏死因子-α（TNF-α）水平测得值的变化情况，以及治疗后的总有效率及Hp清除率的差异。结果表明，两组患者治疗前血清IL-6、TNF-α水平测得值经组间比较其差异均无统计学意义（P>0.05），治疗后优于治疗前（P<0.05）;观察组患者治疗后血清IL-6、TNF-α水平测得值均低于对照组（P<0.05）;观察组患者治疗后的总有效率及Hp清除率均高于对照组（P<0.05）。采用奥美拉唑、阿莫西林、替硝唑三联疗法治疗Hp阳性慢性胃炎患者的疗效较为确切，有利于促进炎症的改善，能明显提高了其对Hp的清除率。王德宜在《临床医药文献电子杂志》上，针对阿莫西林所致不良反应及药学临床分析，他们探讨了阿莫西林所致不良反应及药学临床分析。他们选取2018年1月-2019年1月院收治的阿莫西林治疗不良反应患者50例作为研究对象，回顾性分析所有患者阿莫西林的使用量、用药情况，以及患者不良反应发生时间、表现等药学临床反应。发现本次研究患者服药的目的都是为了预防感染，而用药途径则是以口服为主。用药1～7 d出现不良反应现象的患者明显要高于其他时间段，不良反应表现则是过敏为主，相较于它症状的不良反应情况发生数量而言，数据比较，差异有统计学意义（P<0.05）。结论患者在使用阿莫西林的时候，一定要确保用药的规范与合理性，结合患者实际情况来合理用药，同时在用药过程中做好不良反应测试与规避工作，这样才能降低这一药物对于患者所造成的不良影响。

本文采用密度泛函理论的方法，B3YLYP/ 6-31+g水平下优化阿莫西林的结构，通过改变其椅式构型上1-H、3-H、4-H的直立键和平伏键相互转变来判断化学结构键对溶解度（logS）值是否存在影响。鉴于先前已经研究采用密度泛函理论来预报与测量分子药物衍生物的pK_b值，并且已经得到了良好的线性相关系数关于分子药物pK_b预测的线性方程式。因此本论文将采用密度泛函理论和密度泛函活性理论（DFT and DFRT）的方法与方式，B3YLYP/6-31+g水平下优化阿莫西林衍生物的结构，通过模拟计算来预测阿莫西林其他衍生物的溶解度的作用。此外本文还采用密度泛函理论模拟预测了阿莫西林一元取代物的红外、拉曼、紫外和核磁共振谱图，对谱图中的特征峰进行指认和归属，这对阿莫西林的化工合成、光谱与理论性质预测与构效关系研究提供理论支持。本文试图从波谱学和分子溶解性两个角度分析其特征，所得结果可为AMXL检测提供基础数据参考^[7-10]。

1  计算方法

在P4-DELL电脑上安装Chem Draw 8.0软件、Chem 3D软件、Gauss View 5.0.9软件、Gaussian 09W软件、Origin 8.5等插件和软件。用 Chem3D 模块和 ChemDraw 8.0 软件模块，构建了7个AMXL极其衍生物的模型分子，首先使其分子优化结构，使其能量最低化;然后在GaussView 5.0.9 软件模块中，先使其能量构型优化到最低，然后使用密度泛函理论DFT/ B3LYP 与方法，借助6-31+G 水平下优化分子模型结构，其中计算关键词分别为iop（5/33）=1， pop=（nbo， chelpg， hirshfeld） 的約束条件下，计算出7个AMXL及其衍生物分子的原子电荷。我们通过变换AMXL结构模型位置上的取代基团以及其取代基位置来获得相关的衍生物分子，进一步来研究其4种电荷：Mulligen、ESP、NBO和HIR电荷变化;采用ACD Lab6.0软件测得的logS的线性关系。本文使用了—NH₂、—CH₃作为取代基团在R₁、R₂、R₃、R₄位置进行一元取代基、二元取代基，总共得到7种阿莫西林的衍生物。阿莫西林的结构如图1所示，使用分别将椅式结构1-H、3-H、4-H的平伏键改成直立键，总共获得7种阿莫西林的化学结构键模型来研究在不同化学结构键的条件下，5-S的4种电荷——Mulligen、ESP、NBO和HIR电荷值变化与采用ACD Lab6.0软件测得logS值之间的关系。在此基础上，借助量子化学计算可以提高谱峰归属准确性。

2  结果与讨论

2.1  AMXL及其衍生物的原子电荷与溶解度关系

本论文首先使用Chem Draw8.0模块和Chem Draw 3D软件模块，构建了8个阿莫西林及其衍生物分子的模型，运行软件并使其结构和能量最低化;在Gauss View 5.0.9软件模块中，使用B3LYP泛函方法在6-31+G（d，p）基组水平下优化其分子结构，我们的计算关键词为pop=（nbo，chelpg，hirshfeld）的约束条件下，分别计算出8个阿莫西林衍生物的DFT和DFRT量化参数。记录5-S的Mulligen、ESP、NBO和HIR的电荷值;运用ACD Labs6.0软件，得到8种阿莫西林衍生物相应水溶液中的溶解度（logS）预报值;然后分别将8种阿莫西林及其衍生物的Mulligen电荷、ESP电荷、NBO电荷和HIR的电荷值拟合，用Origin 8.5作图，得到阿莫西林及其衍生物溶解度（logS）相应的线性回归方程，比较R值（相关系数）大小，来确定R值最大的就是预测方程。由表1可知，阿莫西林椅式结构上H的平伏键变成直立键时，logS保持不变。这说明化学结构键的变化对于阿莫西林的溶解度没有影响;阿莫西林椅式结构上H的平伏键变成直立键时，5-S的Mulligen、NBO和HIR的电荷值存在较小的变化，而5-S的ESP电荷值变化明显（y=13.51x-0.72， R²=0.912）。

2.2  紫外-可见吸收光谱

准确测定有机化合物的分子结构，对从分子水平去认识物质世界，推动近代有机化学的发展是十分重要的。采用现代仪器分析方法，可以快速、准确地测定有机化合物的分子结构。在有机化学中应用最广泛的测定分子结构的方法是四大光谱法：紫外光谱、红外光谱、核磁共振和质谱。紫外和可见光谱（ultraviolet and visible spectrum）简写为UV。在TD DFT B3LYP/6-31+G//OPT DFT/6-31+G水平下优化AMXL分子结构，计算得到阿莫西林紫外光谱。有机化合物分子中主要有三种电子：形成单键的σ电子、形成双键的π电子、未成键的孤对电子，也称n电子。基态时σ电子和π电子分别处在σ成键轨道和π成键轨道上，n电子处于非键轨道上。仅从能量的角度看，处于低能态的电子吸收合适的能量后，都可以跃迁到任一个较高能级的反键轨道上。模拟结果显示了阿莫西林在303.3 nm处有最大吸收波长，且位于近紫外区，这是由苯环 π→π^* 跃迁电子所致（图省去）。

2.3  核磁共振吸收光谱

在密度泛函理论DFT B3LYP/6-31+G水平下优化结构，采用NMR-GIAO方法计算得到阿莫西林氢核共振谱图（图2，¹H-NMR）。苯环上4个氢（弱，（6.6～6.89）×10^-6）;主链上—CH（中，4.85×10^-6）;氨基上的H（中，2.0×10^-6）;甲基上的H（中，1.35×10^-6）;受旁边的羰基、S原子等强吸引电子作用，其主链上的CH的化学位移发了变化（中，（4.72～4.85）×10^-6）。羧基中的H原子（弱，11.0×10^-6）。

2.4  红外和拉曼吸收光谱

拉曼光谱（Raman spectra），是一种散射光谱。拉曼光谱分析法是基于印度科学家C.V.拉曼（Raman）所发现的拉曼散射效应，对与入射光频率不同的散射光谱进行分析以得到分子振动、转动方面信息，并应用于分子结构研究的一种分析方法。拉曼效应起源于分子振动（和点阵振动）与转动，因此从拉曼光谱中可以得到分子振动能级（点阵振动能级）与转动能级结构的知识。在密度泛函理论DFT B3LYP、6-31+G水平下优化结构，采用Frequency方法计算得到图3结构的阿莫西林红外光谱图3（a）。3 940 cm^-1为平面内—OH伸缩振动;1 800 cm^-1为平面内C=O伸缩振动;1 230 cm^-1平面内—CH摆动，环上H对称摆动;1 100 cm^-1平面外环H不对称摆动。有些吸收峰在谱图中均有出现，但其频率较小，Origin 8.5软件中不做波峰处理。

在密度泛函理论B3LYP水平下优化结构，采用Frequency方法计算得到图3（b）结构的阿莫西林拉曼光谱图。3 770 cm^-1为平面内-OH伸缩振动;1 800 cm^-1為平面内C=O伸缩振动;1 540 cm^-1为平面内环上H对称摆动;1 060 cm^-1为平面外-CH₃对称摆动;980 cm^-1为平面外环上H不对称摆动。拉曼光谱中所有的波峰比实验数值有所浮动，这是由于GaussView 5.0.9在模型建立中存在相对应的误差，但并不影响基本官能团的判断。

2.5  荧光和磷光发射光谱

通过 OPT/TD DFT方法，我们实现了 AMXL 建模和结构优化，荧光和磷光发射光谱图频率则通过Energy 方法计算得到，再借助 Origin 8.5 作图分析（图省去）显示了AMXL 在 343.9 nm 处有最大荧光发射波长，且在近紫外区范围内。而其磷光图发射峰在 323.8 nm 处，有较短发射波长原因是发生苯环分子内发生电子 n→π* 跃迁。

3  结 论

1）在DFT B3YLYP水平下优化阿莫西林衍生物结构，改变其1-H、3-H、4-H的化学结构键位置，结果显示直立/平伏键的转变对阿莫西林的溶解度没有影响;阿莫西林椅式结构上H的平伏键变成直立键时，5-S的Mulligen、NBO和HIR的电荷值存在较小的变化，而5-S的ESP电荷值变化明显（y=13.51x-0.72，R²=0.912）。

2）本文对7种不同的阿莫西林衍生物分别进行红外、紫外、拉曼光谱、荧光和磷光和核磁共振进行了模拟预测，对以上光谱图中的特征峰进行指认和归属，对AMXL及部分衍生物进行了图谱模拟预测和描述，这对我院制药专业学生学习AMXL衍生物检测认知提供参考数据。值得在我院其他专业拓展训练中推广与应用。实践证明该方法，对于培养优秀的制药工程专业的复合型人才，有十分积极的影响。

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基金项目： 2019 年度台州市大学生科技创新项目资助（项目编号：2019121）。

收稿日期： 2019-09-28

作者简介： 洪文燕（1997-），女，浙江省三门县人，研究方向：药物合成。E-mail：997202351@qq.com。

通讯作者： 钟爱国（1964-），男，教授，硕士，研究方向：计算化学。E-mail：xg2268@163.com。