制药专业拓展实验甘氨酸衍生物pKa和分子光谱

2020-11-30陈茹箐王祖琪冯继涛施琪浩张英杰余彬彬金燕仙秦利明叶余原蒋华江章少阳钟爱国

当代化工 2020年9期

陈茹箐王祖琪冯继涛施琪浩张英杰余彬彬金燕仙秦利明叶余原蒋华江章少阳钟爱国

摘要：用密度泛函理论（DFT）和信息理论（IT）的方法，优化了11种甘氨酸结构并预测甘氨酸衍生物的 pKa 值。结果发现，甘氨酸及其10种衍生物的 H 原子的二级费歇尔熵与其酸度系数pKa值线性方程相关系数r值（Y =-34.960 + 9.751X ，r =0.868）最大。这一发现对研究甘氨酸衍生物结构和相关性质有着极其重要的意义。此外，还采用密度泛函理论模拟预测了甘氨酸在不同位置的一元取代红外吸收、拉曼光谱、核磁共振和紫外吸收光谱，所得结果对制药工程专业本科生开展拓展训练提供了好的材料。

关键词：甘氨酸;酸度电离常数;信息理论;分子光谱

中图分类号：O621.25 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2020）09-1900-05

Abstract： Eleven glycine structures were optimized and pKa values of glycine derivatives were predicted by density functional theory and information theory. The results showed that the second-order Fisher entropy of H atom of glycine and its 10 derivatives had the maximum linear correlation coefficient（y=-34.960+9.751x， r=0.868） with the pKa. This discovery is very important for the study of the structure and related properties of glycine derivatives. In addition， the density functional theory was used to simulate and predict the infrared， Raman， nuclear magnetic and UV-Vis spectra of glycine at different positions. The results can provide good reference for the development training of pharmaceutical engineering undergraduates.

Key words： Glycine; Acidity coefficient; Information theory; Molecular spectrum

甘氨酸（Glycine，C2H5NO2），又名氨基乙酸，是結构最简单的α-氨基酸[1]，固态甘氨酸是白色结晶粉末或白色单斜晶系。在水中易溶，有特殊甜味，无毒无臭[2]，几乎不溶于乙醇或乙醚。甘氨酸也是有机合成中一种重要的原料，广泛应用于农药、医药、化工、食品等领域。它不仅参与蛋白质、卟啉、胆盐等的代谢，具有保护细胞、调节免疫系统、光谱抗炎等作用，还在中枢神经系统中作为神经递质[3]。经研究表明，甘氨酸具有复杂的生理功能并在许多疾病中发挥有效的治疗作用。而甘氨酸可在人和哺乳动物的体内降解，其主要是通过甘氨酸裂解系统的脱羧和脱氢[4]。甘氨酸的主要化学合成工艺有氯乙酸氨解法、海因法、施特雷克法三种方法[5-6]。目前，国外已采用改进的海因法和施特雷克法，但国内仍旧采用已被国外淘汰的氯乙酸氨解法来生产甘氨酸[7]。甘氨酸在医药行业中作为抗胃酸冲剂、氨基酸制剂，也可用作治疗重症肌无力和进行性肌肉萎缩，可治疗儿童高脯氨酸血症，可治疗胃酯过多症和慢性肠炎等。农业上氨基酸主要作为家禽家畜等食用的饲料增加氨基酸的引诱剂与添加剂，可用作为水解蛋白添加剂和增效剂，合成除草剂固体草甘膦和杀菌剂异菌脲。本文采用信息理论方法，优化甘氨酸及其衍生物的结构，判断化学结构键对其酸度常数pKa是否影响[8-9]，通过计算得到相关性最高的关于预测酸度pKa的线性方程，从而起到预测甘氨酸其他衍生物的酸度pKa的作用。此外还用DFT理论模拟预测了甘氨酸一元取代红外光谱、拉曼光谱、核磁和紫外吸收分子光谱[10-11]。

1 实验部分

1.1 实验与模型

装有Chem3D、ChemDraw8.0、 GaussView5.0.9、 Gaussian09W、ACD-Labs 6.0、Origin 8.6、 Multiwfn 3.5 等软件的 PC 电脑一台。甘氨酸的结构如图1所示。

通过改变C和N上的取代基获得其衍生物，来研究其4种熵（申农熵、费歇尔熵、二级费歇尔熵和Parr熵）的变化与采用ACDLab6.0软件测得的pKa的线性关系。本文用-Cl、-F、-Br、-CH3、-NO2作为取代基在不同位置上进行一元取代，总共得到11种甘氨酸及其衍生物。使用Chem3D软件，构建11个甘氨酸及其衍生物的模型，并使用ChemDraw 8.0进行其能量最低化;在GaussView5.0.9软件中，对甘氨酸进行构型优化，并保存mol格式和gif格式，在菜单栏中选Calculate-Gaussian Calculate Setup，分别计算11个甘氨酸及其衍生物的量化参数。记录甘氨酸的红外光谱、核磁光谱、紫外光谱和拉曼光谱的频率值并用Origin 8.6 作出光谱图;运用 ACD Labs 6.0 软件，得到11个甘氨酸及其衍生物相对应的酸度常数pKa预测值;再用Multiwfn 3.5分别计算11个甘氨酸及其衍生物的信息分子熵，记录其所需O、H原子的熵值。最后分别将11个甘氨酸及其衍生物O、H原子的4种的熵值与得到的pKa用 Origin 8.6作图，得到线性回归方程，比较相关系数r值大小，确定r值最大的为预测方程。

1.2 结果与讨论

由软件GaussView 5.0.9计算所得的甘氨酸及其10种衍生物O、H原子的申农熵、费歇尔熵、二级费歇尔熵和Parr熵以及由软件ACD-Labs6.0预测得到的相应衍生物酸度pKa如表 1 和表2所示。

为了更明显地表达出熵值变化与酸度pKa的线性关系，分别用甘氨酸及其10种衍生物的申农熵、费歇尔熵、二级费歇尔熵和Parr熵的熵值与pKa值进行Origin作图分析，得出以下结果。甘氨酸及其10种衍生物O原子的申农熵与pKa值关系相关系数r=0.565，线性方程为Y=-31.038+11.431X。甘氨酸及其10种衍生物H原子的申农熵与pKa值关系，相关系数r为0.752，r2为0.518，线性方程为Y=-62.632+37.017X 。甘氨酸及其10种衍生物O原子的费歇尔熵与pKa 值关系相关系数r为0.614，r2为0.3079，线性方程为Y=-3550.172+7.964X。甘氨酸及其10种衍生物 H 原子的费歇尔熵与pKa值关系相关系数r为0.785，r2=0.574，线性方程为Y=-62.959+18.648X。甘氨酸及其10种衍生物O原子的二级费歇尔熵与pKa值关系相关系数r为0.553， r2=0.229，线性方程为Y=-997.994+2.250X。甘氨酸及其10种衍生物H原子的二级费歇尔熵与pKa值关系相关系数r为0.868，r2为0.727，线性方程为Y=-34.960+ 9.751X。甘氨酸及其10种衍生物H原子的Parr熵与pKa 值关系相关系数r为0.558，r2为 0.235，线性方程为Y=-288.967+5.109 28X。甘氨酸及其10种衍生物H原子的Parr熵与pKa值关系相关系数r为0.717， r2为0.460 6，线性方程为Y=-77.610+ 17.707X 。由以上Origin图可知甘氨酸及其10种衍生物的H原子的二级费歇尔熵与酸度系数pKa值线性方程的r 值最大（r=0.868），即相关性最好。由此可知，可以运用H原子的二级费歇尔熵对酸度pKa值此条线性方程来预测其他甘氨酸衍生物的酸度系数，这一方法对研究甘氨酸衍生物结构和相关性质以及开发甘氨酸衍生物的化学性质有着重要意义。

2 分子光谱

2.1 甘氨酸及其衍生物红外光谱

红外光谱法上是一种根据分子内部原子间的分子转动和相对振动等信息来确定分子结构和鉴别物质的分析方法。通过红外光谱图的分析可以得到分子结构和化学键的特点，可以用通过与标准化合物的红外光谱图对比来鉴别未知物的结构组成或确定其化学基团;而吸收谱带的吸收强度与化学基团的含量有关，可用于进行定量分析和纯度鉴定。本文使用 GaussView 5.0.9 软件进行建模、计算，采用 Frequency方法分别计算得到11种甘氨酸及其衍生物的谱图频率，使用 Origin 8.6 进行谱图处理。使用软件GaussView 5.0.9 水平优化结构，采用 Frequency方法计算得到甘氨酸红外光谱图并使用Origin作图分析如图2（a）所示。甘氨酸在红外光谱图的吸收峰如下：在600 cm-1处的吸收峰为—COOH 的伸缩振动区;在928 cm-1为O—H 的面外摇摆振动;在1 152 cm-1为C—C的伸缩振动;在1 568 cm-1为C=O 的伸缩振动。一元取代 R1=—F的甘氨酸衍生物在红外光谱图的吸收峰如下：在912 cm-1处的吸收峰为C—H的面外摇摆振动;在2 040 cm-1为—F的不对称伸缩振动;在1 360 cm-1为 C—C 的伸缩振动。一元取代 R2=-F的甘氨酸衍生物在红外光谱图的吸收峰如下：在720 cm-1处的吸收峰为C—H 的面内摇摆振动;在950 cm-1为C—H 的面外摇摆振动;在1 260 cm-1为C—O的面内伸缩振动;在 1 360 cm-1为C—C的伸缩振动;在2 040 cm-1为—F的不对称伸缩振动;在3 740 cm-1为C—H的伸缩振动区。一元取代 R1=-Cl的甘氨酸衍生物在红外光谱图的吸收峰如下：570 cm-1处的吸收峰为O—H 的面內摇摆振动;在950 cm-1为C—H 的面外摇摆振动;在1 230 cm-1为C—H 的面内伸缩振动;在 1 360 cm-1为C—C的伸缩振动;在2 040 cm-1为-Cl的不对称伸缩振动;在3 740 cm-1为C—H 的伸缩振动区。R1=-Cl的甘氨酸衍生物红外光谱图并使用 Origin作图分析。一元取代 R1=-Cl的甘氨酸衍生物在红外光谱图的吸收峰如下：570 cm-1处的吸收峰为O—H的面内摇摆振动;在 950 cm-1 C—H 的面外摇摆振动;在 1 230 cm-1 C—H的面内伸缩振动;在 1 60 cm-1为C—C的伸缩振动;在2 040 cm-1为-Cl的不对称伸缩振动;在3 740 cm-1峰为C—H 的伸缩振动区（未显示）。

2.2 甘氨酸及其衍生物拉曼光谱

拉曼光谱是印度物理学家Raman于1928年发现的，其检测的原理是利用各种分子的振动能级不同，分子在接收到一束频率为v的光后，分子与光相互作用，散射出频率为v±v0 的光，而v0 则就称为拉曼位移;对于同一种分子来说，入射光v 一定时，拉曼位移v0就一定，因此，可使用拉曼光谱来探究分子的结构特征和主要官能团。本文使用 GaussView5.0.9 软件进行建模、计算，采用 Frequency 方法分别计算得到11种甘氨酸及其衍生物的频率，使用Origin 8.6 进行谱图处理。一元取代R2=-F的甘氨酸衍生物拉曼光谱图并使用Origin作图分析如图2（b）所示。

一元取代 R2=-F的甘氨酸衍生物在拉曼光谱图的吸收峰如下：在4 470 m-1处的吸收峰为OH 的对称伸缩振动;在3 740 m-1为C—H对称伸缩振动;在 2 700 m-1为-CN 伸缩振动;在1 800 cm-1为C—H的对称伸缩振动;在1 740 cm-1为C-H的反对称伸缩振动;在1 370 cm-1为C—C的伸缩振动;在10 300 cm-1为—OH 面外摇摆振动。拉曼光谱中所显示的波峰与实验数值有所浮动，这是由于 GaussView5.0.9 在建立模型时存在相应的误差，并不影响基本官能团的判断。一元取代 R1=-Cl的甘氨酸衍生物在拉曼光谱图的吸收峰如下：在4 500 cm-1处的吸收峰为—OH的对称伸缩振动;在3 740 cm-1为 C—H对称伸缩振动;在1 740 cm-1为C—H 的反对称伸缩振动;在1 360 cm-1处的吸收峰为C—C的伸缩振动;在1 230 cm-1处的吸收峰C—Cl的伸缩振动;在810 cm-1为碳骨架面内摇摆振动。一元取代 R2=-Cl 的甘氨酸衍生物拉曼光谱图并使用Origin 作图分析如图（未显示）。一元取代 R2=-Cl的甘氨酸衍生物在拉曼光谱图的吸收峰如下：4 500 cm-1处的吸收峰为—OH的对称伸缩振动;在3 740 m-1 为C—H 对称伸缩振动;在1 740 cm-1为C—H的反对称伸缩振动;在1 360 cm-1为C—C的伸缩振动;在1 230 cm-1为C—Cl的伸缩振动;在810 cm-1为碳骨架面内摇摆振动。拉曼光谱中所显示的波峰与实验数值有所浮动，这是由于GaussView 5.0.9在建立模型时存在相应的误差，并不影响基本官能团的判断。

2.3 甘氨酸及其衍生物核磁共振吸收光谱

核磁共振是磁矩不为零的原子核，在外磁场作用下自旋能级发生塞曼分裂，共振吸收某一定频率的射频辐射的物理过程。它是对各种有机和无机物的成分、结构进行定性分析的最强有力的工具之一，有时亦可进行定量分析。本文使用 GaussView 5.0.9软件进行建模、计算，采用 NMR 方法分别计算得到11种甘氨酸及其衍生物的频率，使用 Origin 8.6进行谱图处理。使用软件ChemDraw 8.0打开物质模型，采用Predict1H-NMR shifts和Predict 13H-NMR shifts方法计算得到甘氨酸核磁光谱。表3显示了甘氨酸C、H位移量。使用软件 ChemDraw 8.0打开物质模型，采用Predict 1 H-NMR shifts 和Predict 13H-NMR shifts 方法计算得到甘氨酸衍生物核磁光谱。表 3显示了一元取代 R1=-F 的甘氨酸衍生物核磁 C、H 位移量。

2.4 甘氨酸及其衍生物紫外吸收光谱

由于物质分子内部在进行转动、振动和电子运动，相应状态的能量即状态的本征值是量子化的，因此分子具有转动能级、振动能级和电子能。利用物质分子对紫外光的吸收所产生的紫外可见光谱及吸收程度就可以对物质的结构、含量和组成进行分，这就是紫外光谱法。本文使用GaussView 5.0.9 软件进行建模、计算，采用Energy方法分别计算得到11种甘氨酸及其衍生物的频率，使用Origin 8.6进行谱图处理。使用软件GaussView 5.0.9 水平优化结构，采用 Energy方法计算得到甘氨酸紫外光谱图并使用 Origin8.6软件作图分析如图 3（a）所示。

图中显示了甘氨酸在171.8 nm处有最大吸收波长，位于近紫外区。这是因为 n→σ* 的跃迁，吸收波长较长。一元取代 R1=-F 的甘氨酸衍生物紫外光谱图并使用 Origin8.6 软件作图分析。显示了一元取代 R1=-F 的甘氨酸衍生物在174.8 nm 处有最大吸收波长，位于近紫外区。这是因为π→π* 的跃迁，吸收波长较长。R2=-F的甘氨酸衍生物紫外光谱图并使用Origin8.6软件作图显示了一元取代R2=-F的甘氨酸衍生物在 299.2 nm处有最大吸收波长，位于近紫外区。这是因为n→σ*跃迁，吸收波长较长。使用软件 GaussView 5.0.9 水平优化结构，一元取代 R1=-Cl的甘氨酸衍生物在192 nm 处有最大吸收波长，位于近紫外区。这是因为π→π* 的跃迁，吸收波长较短。R2=-Cl的甘氨酸衍生物紫外光谱图并使用Origin8.6软件作图分析如图3（b）所示。图中显示了一元取代R2=-Cl的甘氨酸衍生物在 260.3 nm 处有最大吸收波长，位于近紫外区。这是因为n→σ*跃迁，吸收波长较长。使用软件GaussView 5.0.9水平优化结构，采用Energy 方法计算得到一元取代 R1=-Br的甘氨酸衍生物紫外光谱图并使用Origin8.6软件作图分析如图 3（a）所示。图中显示了一元取代 R1=-Br的甘氨酸衍生物在 212.8 nm处有最大吸收波长，位于近紫外区。这是因为π→π*的跃迁，吸收波长较长。一元取代 R2=-Br甘氨酸衍生物紫外光谱图并使用Origin8.6软件作图分析如图3（b）所示。图中显示了一元取代R2=-Br 的甘氨酸衍生物在 271.5 nm 处有最大吸收波长，位于近紫外区。这是因为 n→σ* 的跃迁，吸收波长较长。

3 結论

本文将采用信息理论的方法，构建并优化甘氨酸及其10种衍生物模型，得出以下结论：

1）甘氨酸及其10种衍生物的H、O原子的费歇尔熵、二级费歇尔熵存在较小的变化，而H、O原子的申农熵和 Parr熵变化较为明显，其中H原子的二级费歇尔熵与pKa 线性关系最好。

2）本文将采用信息理论的方法，构建并优化甘氨酸及其10种衍生物模型，通过计算得到相关性最高的关于预测酸度常数pKa的线性方程，其中H原子的二级费歇尔熵与pKa的线性方程r值最大（r=0.869，r2=0.727），即相关性最好。因此我们可以选用此条线性方程来预测其他甘氨酸衍生物的酸度常数，这对我院制药工程专业学生今后学习氨基酸分子衍生物检测提供参考数据。

3）本文对甘氨酸及部分衍生物进行红外吸收、拉曼光谱、核磁共振和紫外吸收光谱的进行了模拟预测，并对谱图中的特征峰进行指认和归属，为我院工科专业实施拓展训练材料及药物光谱预测提供材料。

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