α-、β-環(huán)糊精對(duì)加巴噴丁的包合作用及其穩(wěn)定性的理論研究

楊理想， 李代禧， 欒翰森， 郭柏松， 魏冬青， 王 浩

(1. 上海理工大學(xué)食品科學(xué)與工程研究所， 上海 200093； 2. 中國(guó)醫(yī)藥工業(yè)研究總院， 上海 201203; 3. 上海東富龍科技股份有限公司注射劑實(shí)驗(yàn)室， 上海 201108； 4. 上海交通大學(xué)微生物代謝國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200240)

1 引 言

環(huán)糊精分子(Cyclodextrin, CD)是一類低聚環(huán)狀的化合物，常見的CD是由 6、7或8個(gè)葡萄糖單元通過α-1,4糖苷鍵形成的環(huán)狀低聚糖，分別稱為α-、β-和γ-CD，是超分子化學(xué)中一類重要的主體物質(zhì)[1]. 它對(duì)功能客體分子選擇性包合時(shí)，還可以起到分子識(shí)別[2]、穩(wěn)定化[3]、增溶[4]、緩釋[5]等作用，并在醫(yī)藥科學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出十分廣闊應(yīng)用前景. CD通過與藥物分子形成穩(wěn)定的包合物，能有效地增加藥物在水中的溶解度促使藥物能夠被快速地吸收；能增加藥物的穩(wěn)定性和生物利用度使藥物能夠長(zhǎng)期保存；能降低藥物的刺激性、毒性使藥物對(duì)人體的刺激及危害降到最低；還可以調(diào)節(jié)藥物緩釋、改善劑型等[6].

圖1 加巴噴丁分子的兩種質(zhì)子化結(jié)構(gòu)(左為A構(gòu)型，右為B構(gòu)型)Fig. 1 Twoprotonated structures of gabapentin (configuration A on the left , configuration B on the right)

加巴噴丁(gabapentin，GBP)是新一代抗癲癇藥物的代表[7]，分子結(jié)構(gòu)式如圖1所示，由美國(guó) Warner-Lambert 公司首先研發(fā)成功. 其藥理作用與其他現(xiàn)有的抗癲癇藥不同，它不會(huì)誘導(dǎo)或抑制肝臟微粒體酶的活性，而且加巴噴丁同其他藥物無臨床相關(guān)的相互作用，與目前使用的同類產(chǎn)品相比，該藥物具有口服吸收快、耐受性好、治療效果好等諸多優(yōu)點(diǎn)[8-11]. 加巴噴丁由于臨床使用效果好，銷售量大，其原料藥的需求也在逐年增加. 但是加巴噴丁藥物不穩(wěn)定，易環(huán)合轉(zhuǎn)化成有一定毒性的3,3-亞戊基丁內(nèi)酰胺，其反應(yīng)式見圖2.

圖2 加巴噴丁脫水縮合反應(yīng)Fig.2 The dehydration condensation reaction of gabapentin

其中3,3-亞戊基丁內(nèi)酰胺的半數(shù)致死量LD50= 300 mg/kg，遠(yuǎn)高于加巴噴丁的LD50>8000 mg/kg[12]. 當(dāng)藥物中3,3-亞戊基丁內(nèi)酰胺的初始含量高于0.5%時(shí)，將會(huì)顯示一定的毒性[10].

目前關(guān)于環(huán)糊精對(duì)小分子包合作用研究較多，但由于環(huán)糊精及其衍生物的原子數(shù)目較多, 大部分的分子模擬一般采用分子力學(xué)(MM)方法[13]和分子動(dòng)力學(xué)(MD)方法[14]. MM法和MD法主要依據(jù)球和彈簧的經(jīng)典力學(xué)，無法描述原子的電子密度，所以不能解釋內(nèi)在的量子力學(xué)效應(yīng)[15]. 自Kitagawa等[16]首次采用量子力學(xué)(QM)中的半經(jīng)驗(yàn)法研究環(huán)糊精及其衍生物以來，越來越多的研究采用量子化學(xué)的方法探討主客體之間的相互作用. 如郭等[17-20]采用PM3方法研究β-CD與氧二苯甲酮、苯乙烯和α-甲基苯乙烯之間的包合作用，且計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)完全一致. Chaichit等[21]利用PM3方法模擬了β-環(huán)糊精與吡嗪酰胺和哌嗪的包合過程，并結(jié)合晶體衍射實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)CD構(gòu)象靈活性促進(jìn)主體和客體分子在氣相中的識(shí)別比在固體中更明顯，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相符. Tablet等[22]利用密度泛函理論DFT中B3LYP方法，在6-31G基組水平下研究3-羧基香豆素酸與2-羥丙基-β-環(huán)糊精主客體間的相互作用，揭示了主客體間不僅能夠形成穩(wěn)定的包合物，且β-CD的結(jié)合常數(shù)比修飾后的β-CD要大，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相一致. 由此可見，關(guān)于環(huán)糊精的研究主要是采用半經(jīng)驗(yàn)方法，且有大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明其準(zhǔn)確性. 但迄今為止，主客體間形成包合物后，對(duì)客體分子反應(yīng)機(jī)理的研究尚未見公開報(bào)道.

因此，鑒于加巴噴丁性質(zhì)不穩(wěn)定、質(zhì)量控制較難，本文利用量子力學(xué)密度泛函理論(DFT)中的B3LYP方法模擬研究在真空以及水溶液中α-CD、β-CD對(duì)加巴噴丁的包合作用；并進(jìn)一步研究了主客體形成穩(wěn)定包合物后，客體分子(GBP)自身縮合的反應(yīng)勢(shì)壘，揭示影響其縮合副反應(yīng)的分子機(jī)制.

2 原理與方法

2.1 模型的建立

α-CD、β-CD以及GBP分子模型的建立：初始結(jié)構(gòu)均取自于劍橋晶體數(shù)據(jù)庫(The Cambridge Crystallographic Data Centre , CCDC)[23]. 溶劑化計(jì)算采用IEFPCM隱形溶劑模型[24-26]，溶劑選用水.

包合物模型的建立：固定優(yōu)化后的環(huán)糊精，并把所有苷氧原子的幾何中心定義為整個(gè)體系的坐標(biāo)中心點(diǎn)O. 為了確定加巴噴丁與環(huán)糊精體系的中心點(diǎn)O相對(duì)距離，將加巴噴丁5號(hào)碳原子定義為*C，并設(shè)定*C與坐標(biāo)中心點(diǎn)O之間距離為-0.8～0.8 nm. 之后，將兩種質(zhì)子化類型的加巴噴丁分子(圖1所示，左為A類型，右為B類型)沿Z軸分別從α-CD、β-CD的伯羥基端(小口端，定為α-CDs、β-CDs)和仲羥基端(大口端，定為α- CDb、β-CDb)直線穿越其空腔，如圖3所示. 然后以0.05 nm為間隔，并利用Gaussian 09軟件包中的PM6[27]方法進(jìn)行全優(yōu)化，為了找到最為穩(wěn)定的包合物，客體將會(huì)在不同位置逐步轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)步長(zhǎng)是為30°. 得到穩(wěn)定的包合物之后再利用密度泛函理論(DFT)[28]中的B3LYP方法[29-31]，在6-31G(d)基組水平下對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，至Hessian矩陣分析無虛頻[32, 33].

2.2 研究原理

結(jié)合能(ΔEb)的大小可以衡量主客體形成包合物的穩(wěn)定程度. 通過分別計(jì)算主體、客體和主-客體包合物生成熱Ehost、Eguest和Ehost-guest可得結(jié)合能，即：

ΔEb=Ehost-guest- (Ehost+Eguest)

(1)

如果主體-客體分子的結(jié)合能越負(fù)，該包合物在熱力學(xué)上越趨于穩(wěn)定.

(a)從環(huán)糊精的小口端穿越

(b)從環(huán)糊精的大口端穿越圖3 GBP-A、GBP-B與α-CD、β-CD的對(duì)接過程Fig.3 The docking processes of GBP-A, GBP-B with α-CD, β -CD

主-客體形成包合物后自身構(gòu)象會(huì)發(fā)生改變，其能量也會(huì)隨之變化. 客體的形變能(ΔED)等于包合物后的客體分子單點(diǎn)能(Eguest-sp)與客體生成熱(Eguest-opt)的差值，即：

ΔED=Eguest-sp-Eguest-opt

(2)

它反映了客體分子形成包合物的主要驅(qū)動(dòng)力，ΔED值越大，客體分子與環(huán)糊精形成的包合物的驅(qū)動(dòng)力越大[15].

反應(yīng)勢(shì)壘(ΔE)是活化絡(luò)合物分子與反應(yīng)物分子基態(tài)能級(jí)的摩爾能量差. 反應(yīng)勢(shì)壘的高低決定了化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的難易程度. 其計(jì)算方式是客體過渡態(tài)的能量ETS-guest與客體分子的基態(tài)能量EReactant-guest的差值，即：

ΔE=ETS-guest-EReactant-guest

(3)

隱形溶劑模型對(duì)體系的激發(fā)能、主客體相互作用影響較大，但對(duì)幾何結(jié)構(gòu)、核磁共振、振動(dòng)頻率影響較小. 溶劑化能(ΔEsol)在一定程度上反映了主客體與溶劑的相互作用. 其計(jì)算方式為溶劑中的分子能量Esol與真空中的分子能量Evaccum差值，即：

ΔEsol=Esol-Evaccum

(4)

化學(xué)勢(shì)(μ)是熱力學(xué)強(qiáng)度量，代表著化學(xué)反應(yīng)難易程度. 化學(xué)勢(shì)(μ)越負(fù)，則越易發(fā)生反應(yīng). 電負(fù)性(χ)是量化了原子或官能團(tuán)吸引電子本身的內(nèi)在能力[34]. 電負(fù)性(χ)越大，表示其原子在化合物中吸引電子的能力越強(qiáng). 根據(jù)Koopman理論[34, 35]，可以近似的認(rèn)為電負(fù)性、電離能以及電子親和力可分別由最高占據(jù)分子軌道能量(EHOMO)和最低未占據(jù)分子軌道能量(ELUMO)來計(jì)算，其計(jì)算公式如下：

χ= -μ= -0.5*(EHOMO+ELUMO)

(5)

主客體在形成包合物時(shí)大都是“硬親硬，軟親軟”. 即硬酸和硬堿、軟酸和軟堿相親之勢(shì)高, 所形成的包合物相親的強(qiáng)度就高，也就較穩(wěn)定. 而硬酸和軟堿 、軟酸和硬堿相親之勢(shì)低, 形成的包合物的相親的強(qiáng)度就低，穩(wěn)定性就較差[36]. Pearson在20世紀(jì)60年代初引入了化學(xué)硬度和柔軟度的概念[37, 38]，將路易斯酸和堿分為兩種極化類型：“硬(η)”和“軟(S)”分別代表著：低極化率高電荷狀態(tài)、高極化率低電荷狀態(tài). 其硬度是ELUMO與EHOMO的差值，即能級(jí)差. 硬度越大則代表著物質(zhì)越穩(wěn)定；而柔軟度是硬度的倒數(shù)，柔軟度越小則代表著物質(zhì)越穩(wěn)定. 計(jì)算公式如下：

η=ELUMO-EHOMO,S=1/η

(6)

親電性(ω)是親電試劑與親核試劑相互作用時(shí)接受電子的能力，可以被看作是親電力的量度，因?yàn)樗愃朴诮?jīng)典的靜電力[34]. ω的值越大，代表著接受電子能力就越強(qiáng). 其計(jì)算公式為：

ω=μ2/2η

(7)

公式(1)、(2)、(3)、(4)中的能量單位均為kJ/mol，公式(5)、(7)中的能量單位均為eV，公式(6)中η的單位為eV，S的單位eV-1.

3 結(jié)果與討論

3.1 GBP-A、GBP-B與α-CD、β-CD的包合過程

采用PM6方法模擬計(jì)算了GBP-A與GBP-B分別從環(huán)糊精小口以及大口端穿過過程，及其所形成包合物的勢(shì)能隨著插入深度的變化，如圖4及表1所示.

從圖4(a)可知，GBP-A、GBP-B隨著插入深度的增加，勢(shì)能逐漸減小，當(dāng)達(dá)到勢(shì)阱的最低點(diǎn)后又開始逐漸上升. 當(dāng)GBP-A插入深度達(dá)到0.121 nm時(shí)勢(shì)能最低，而GBP-B插入深度達(dá)到0.103 nm時(shí)勢(shì)能最低. 在優(yōu)化過程中發(fā)現(xiàn)GBP-B構(gòu)型變化較大，在-0.250 nm與0.250 nm之間這種氨基質(zhì)子化的構(gòu)型(GBP-B)可以穩(wěn)定存在，當(dāng)超出這個(gè)范圍后加巴噴丁易轉(zhuǎn)化為A構(gòu)型.

圖4 加巴噴丁穿越環(huán)糊精形成空穴包合物過程中體系能量變化Fig. 4 The energies of the inclusive complexation during the processes of GBP-A, GBP-B through α-CD, β-CD

圖5 GBP-A、GBP-B與α-CD、β-CD形成最為穩(wěn)定包合物的結(jié)構(gòu)注：將GBP-A六元環(huán)在α-CD、β-CD空腔中以及其活性基團(tuán)與環(huán)糊精小口端形成包合物的包合構(gòu)型義為A-α-CDs、A-β-CDs，與環(huán)糊精大口結(jié)合的包合構(gòu)型定義為A-α-CDb、A-β-CDb. 同理將GBP-B與環(huán)糊精的包合構(gòu)型定義為B-α-CDs , B-β-CDs, B-α-CDb和B-β-CDb. Fig. 5 Structures of stable inclusive complexes of GBP-A, GBP-B with α-CD, β-CDNote:the inclusive complex’s configurations of a protonated active group of GBP-A with the small mouth of α-CD and β-CD and its hexatomic rings in the cavity of CD are defined as A-α-CDs or A-β-CDs, and the large mouth bindings with CD are defined as A-α-CDb, A-β-CDb. Similarly, inclusive configurations of GBP-B with CD are defined as B-α-CDs, B-β-CDs, B-α-CDb and B-β-CDb.

表1 GBP-A、GBP-B與α-CD、β-CD形成八種穩(wěn)定包合物的PM6計(jì)算結(jié)果

Table 1 Results in eight kinds of stabilization inclusive complexes of GBP-A, GBP-B withα- CD,β-CD calculated using PM6 method.

Diferent typesEhost-guest/kJ/molZ/nmA-α-CDs-6069.970.121B-α-CDs-6105.890.103A-α-CDb-6136.670.167B-α-CDb-6095830.100A-β-CDs-7023.220.095B-β-CDs-7085.620.037A-β-CDb-7014.590.136B-β-CDb-7030.100.142

從圖4(b)可知，勢(shì)能變化趨勢(shì)與圖4(a)基本一致. 當(dāng)GBP-A構(gòu)型插入深度達(dá)到-0.510 nm時(shí)勢(shì)能最低. 此時(shí)，GBP-A的活性基團(tuán)與α-CD的小口端羥基形成氫鍵，但GBP-A分子的六元環(huán)暴露在外面，使得主客體構(gòu)型之間無法精確匹配，易導(dǎo)致客體分子從環(huán)糊精表面脫離. 所以選取0.167 nm處主客體形成的包合物作為后續(xù)研究. 而GBP-B插入深度達(dá)到0.100 nm時(shí)勢(shì)能達(dá)到最低.

從圖4(c)可知，GBP-A與GBP-B插入深度分別達(dá)到0.095 nm、0.037 nm時(shí)勢(shì)能最低.

從圖4(d)可知，GBP-A與GBP-B插入深度分別達(dá)到0.136 nm、0.142 nm時(shí)形成最為穩(wěn)定的包合物.

綜上表明，加巴噴丁的兩種質(zhì)子化構(gòu)型與α-CD、β-CD的構(gòu)型能夠精確匹配，使得加巴噴丁的六元環(huán)能夠穩(wěn)定存在與環(huán)糊精的疏水腔中，其活性基團(tuán)與環(huán)糊精端口羥基靜電作用，從而形成穩(wěn)定的包合物.

3.2 主客體形成包合物的穩(wěn)定性分析

3.2.1溶劑化前后主客體主要原子的電荷布局分析

上述利用PM6方法得到的八種穩(wěn)定包合物后，采用B3LYP方法，在6-31G(d)基組水平下，在真空以及水溶液中對(duì)其進(jìn)一步優(yōu)化至收斂，得到溶劑化前后加巴噴丁主要原子電荷分布情況以及主要原子之間的距離，并對(duì)八種穩(wěn)定包合物的NBO自然軌道進(jìn)行分析，見表2.

由表2可見，在真空以及水溶液中，GBP-A、GBP-B與α-CD形成穩(wěn)定包合物后，N10原子所帶電量變化不大，C8所帶電量有所增加，C8與N10之間的電荷差值無明顯變化，但由于α-CD端口的羥基與加巴噴丁氨基、羧基形成氫鍵后導(dǎo)致加巴噴丁的C8與N10原子之間距離增加，阻礙了N10對(duì)C8的親核進(jìn)攻. 而GBP-A、GBP-B與β-CD形成穩(wěn)定包合物后，N10原子所帶電量降低，C8所帶電量也降低，C8與N10之間的電荷差值也有所降低，從而阻礙了N10對(duì)C8的親核進(jìn)攻，抑制加巴噴丁發(fā)生副反應(yīng). 其原因主要是加巴噴丁上的羧基脫去質(zhì)子后，改變了原子之間的電荷分布. 上結(jié)果表明，在真空以及水溶液中，GBP-A, GBP-B與α-CD、β-CD形成穩(wěn)定包合物后，均可以保護(hù)加巴噴丁分子結(jié)構(gòu)和分子活性.

3.2.2主客體之間的能量分析

溶劑化能(ΔEsol)反映了主客體形成的包合物與溶劑的相互作用；結(jié)合能(ΔEb)的大小是衡量包合物是否穩(wěn)定的重要指標(biāo)；而形變能(ΔED)可以反映客體分子形成結(jié)合物的驅(qū)動(dòng)力大小. 通過對(duì)這三種能量的分析，有助于研究主客體之間以及包合物與水之間的相互作用.

表2 在真空以及水溶液中加巴噴丁與環(huán)糊精形成包合物后主要原子的電荷及原子距離

Table 2 The charges and distance of the main atoms in which gabapentin forms the inclusive complexes with CD in vacuum and water

In vacuumTypesC7C8C9N10O11O12Distance(C8-N10)/?Charge(C8-N10)GBP-A-0.570.83-0.27-0.93-0.58-0.743.511.76A-α-CDs-0.560.84-0.28-0.92-0.68-0.733.691.76A-α-CDb-0.560.85-0.24-0.91-0.65-0.744.391.77A-β-CDs-0.610.85-0.23-0.92-0.64-0.753.661.77A-β-CDb-0.580.84-0.26-0.91-0.60-0.743.621.75B-α-CDs-0.600.84-0.27-0.82-0.77-0.782.801.66B-α-CDb-0.550.83-0.24-0.80-0.73-0.774.371.63B-β-CDs-0.570.82-0.27-0.84-0.68-0.813.211.66B-β-CDb-0.570.83-0.24-0.87-0.68-0.773.241.70In waterTypesC7C8C9N10O11O12Distance(C8-N10)/?Charge(C8-N10)GBP-A-0.570.84-0.27-0.93-0.62-0.743.381.77A-α-CDs-0.560.85-0.27-0.93-0.69-0.733.621.78A-α-CDb-0.560.85-0.24-0.92-0.66-0.744.441.77A-β-CDs-0.610.85-0.22-0.92-0.66-0.743.391.77A-β-CDb-0.580.850.26-0.92-0.63-0.733.461.77B-α-CDs-0.590.83-0.29-0.82-0.75-0.793.281.65B-α-CDb-0.550.83-0.24-0.79-0.76-0.774.491.65B-β-CDs-0.570.83-0.28-0.83-0.70-0.813.291.66B-β-CDb-0.570.83-0.25-0.83-0.74-0.773.311.66

由圖6可得，在真空以及水溶液中，加巴噴丁與環(huán)糊精形成包合物的結(jié)合能力均較強(qiáng)，但在水溶液中的結(jié)合能力比真空中要弱. 其原因是水的溶劑化作用改變了活性基團(tuán)的電子分布(見表2). 此外，在真空以及水溶液中，GBP-A、GBP-B的活性基團(tuán)與α-CD、β-CD的小口端結(jié)合時(shí)，結(jié)合能較負(fù)，即結(jié)合較強(qiáng)；而與β-CD大口端的結(jié)合能力相對(duì)較弱，主要是因?yàn)棣?CD大口端直徑大，不利于羥基與加巴噴丁活性基團(tuán)形成氫鍵. 表明α-CD、β-CD小口端的羥基更容易與加巴噴丁的活性基團(tuán)形成氫鍵，從而使包合物更加穩(wěn)定. 進(jìn)一步分析可發(fā)現(xiàn)，在環(huán)糊精的小口端，GBP-B與α-CD、β-CD結(jié)合能力比GBP-A要強(qiáng)，表明GBP-B與α-CD、β-CD小口端形成的包合物比GBP-A更穩(wěn)定.

圖6 加巴噴丁與環(huán)糊精形成包合物的結(jié)合能Fig. 6 The binding energies of inclusion complexes about gabapentin with cyclodextrin

從圖7可知，八種穩(wěn)定包合物的溶劑化能比α-CD、β-CD的溶劑化能更負(fù)，表明主客體形成的包合物比環(huán)糊精更易溶于水；而且，在水溶液中對(duì)包合物的結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果表明：加巴噴丁與環(huán)糊精形成的包合物在水溶液中可以穩(wěn)定存在.

圖7 加巴噴丁與環(huán)糊精形成包合物的溶劑化能Fig. 7 The solvation energies of inclusive complexes about gabapentin with CD

從圖8可知，在真空中GBP-B的形變能較大(即驅(qū)動(dòng)力較大)，特別是B-α-CDb，其形變能達(dá)到了102.41 kJ/mol. 而GBP-A的形變能相對(duì)較小，特別是A-β-CDb，其形變能為10.63 kJ/mol. 表明GBP-B進(jìn)入α-CD、β-CD空腔的難度比GBP-A高.

圖8 加巴噴丁的形變能Fig. 8 The deformation energies of gabapentin

在水溶液中，GBP-A與GBP-B的形變能比在真空中均要小，即驅(qū)動(dòng)力小，特別是A-α-CDb、B-β-CDb，其加巴噴丁形變能分別為11.55 kJ/mol、5.78 kJ/mol. 表明在水溶液中兩種質(zhì)子化類型的加巴噴丁均較容易進(jìn)入環(huán)糊精內(nèi)腔，形成穩(wěn)定的包合物，從而保護(hù)了加巴噴丁分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)和活性.

3.2.3主客體之間的氫鍵分析

氫鍵的強(qiáng)弱對(duì)包合物能否穩(wěn)定存在具有較大的影響[39]，所以對(duì)優(yōu)化后的八種穩(wěn)定包合物進(jìn)行氫鍵分析，見圖9和圖10.

圖9 在真空中，GBP-A、GBP-B與α-CD、β-CD之間的氫鍵Fig. 9 Hydrogen bonds between GBP-A, GBP-B and α-CD, β-CD in vacuum

圖10 在水溶液中，GBP-A、GBP-B與α-CD、β-CD之間的氫鍵Fig. 10 Hydrogen bonds between GBP-A, GBP-B and α-CD, β-CD in water

由圖9和圖10可知，GBP與α-CD、β-CD分子之間形成的氫鍵主要是N—H…O、O—H…O和O—H…N. 在真空中，分子間氫鍵的鍵長(zhǎng)范圍從1.662 ?到2.557 ?；在水溶液中，分子間氫鍵的鍵長(zhǎng)范圍從1.609 ?到2.769 ?，均小于傳統(tǒng)的氫鍵距離3.0 ?[40].

在真空中加巴噴丁形成的氫鍵總數(shù)量(37個(gè))要多于在水溶液中氫鍵總數(shù)量(31個(gè))，但是在水溶液中氫鍵長(zhǎng)度有所縮短，主要是由于活性基團(tuán)-NH2、-COOH與水相互作用改變了N、O原子的電荷分布；特別是脫去質(zhì)子的GBP-B類型，變化更明顯，主要是-COOH脫去質(zhì)子后形成的-COO-改變了氧原子的電荷分布，從而更容易與水分子形成氫鍵，與表2討論相一致.

從圖9和圖10還可看出，由于環(huán)糊精大口端的羥基與加巴噴丁的活性基團(tuán)形成氫鍵后，使得加巴噴丁C8、N10之間的距離拉大，阻礙了N10對(duì)C8的進(jìn)攻，從而減少了加巴噴丁的副反應(yīng)，達(dá)到預(yù)期目的.

3.2.4前線軌道特性分析

前線軌道理論認(rèn)為[41-43]，分子間的化學(xué)反應(yīng)是通過最高占據(jù)軌道(HOMO)和最低空軌道(LUMO)間有效重疊而進(jìn)行的，其與分子的化學(xué)性質(zhì)有密切關(guān)系. HOMO能級(jí)越高，該物質(zhì)越容易失電子，LUMO能級(jí)越低，該物質(zhì)越易得到電子. HOMO與LUMO的能級(jí)差，也間接說明包合物的穩(wěn)定性.

表3 在真空中，GBP-A，α-CD、β-CD以及八種包合物的EHOMO、ELUMO、ΔEHOMO- LUMO、化學(xué)勢(shì)(μ)、電負(fù)性(χ)、柔軟度(S)、硬度(η)以及親電性(ω)

Table 3EHOMO,ELUMO,ΔEHOMO-LUMO, chemical potential (μ), electronegativity (χ), softness (S), hardness (η), and electrophilicity (ω) of the GBP-A,α-CD,β-CD and eight inclusive complexes in vacuum

TypesEHOMO(eV)ELUMO(eV)E(HOMO-LUMO)(eV)μ(eV)χ(eV)S(eV)η(eV)ω(eV)GBP-A-6.231-0.054-6.177-3.1433.1430.1626.1771.599α-CD-6.7481.279-8.027-2.7352.7350.1258.0270.932β-CD-6.4761.061-7.538-2.7082.7080.1337.5380.973A-α-CDs-5.959-0.163-5.796-3.0613.0610.1735.7961.617A-α-CDb-6.694-0.190-6.504-3.4423.4420.1546.5041.822A-β-CDs-6.504-0.218-6.286-3.3613.3610.1596.2861.797A-β-CDb-6.504-0.299-6.204-3.4013.4010.1616.2041.865B-α-CDs-6.0950.735-6.830-2.6802.6800.1466.8301.052B-α-CDb-5.687-0.354-5.333-3.0203.0200.1875.3331.711B-β-CDs-6.4220.707-7.129-2.8572.8570.1407.1291.145B-β-CDb-5.8500.680-6.531-2.5852.5850.1536.5311.023

注：GBP-B在包合前不能穩(wěn)定存在，易轉(zhuǎn)化為GBP-A. 所以這里對(duì)其不做討論.

Note:GBP-B cannot be stable before inclusion and easily converted to GBP-A. So there's no discussion here.

表4 在水溶液中，GBP-A，α-CD、β-CD以及八種包合物的EHOMO、ELUMO、ΔEHOMO- LUMO、化學(xué)勢(shì)(μ)、電負(fù)性(χ)、柔軟度(S)、硬度(η)以及親電性(ω)

Table 4EHOMO,ELUMO,ΔEHOMO-LUMO, chemical potential (μ), electronegativity (χ), softness (S), hardness (η), and electrophilicity (ω) of the GBP-A,α-CD,β-CD and eight inclusive complexes in water.

TypesEHOMO(eV)ELUMO(eV)E(HOMO-LUMO)(eV)μ(eV)χ(eV)S(eV)η(eV)ω(eV)GBP-A-6.340-0.027-6.313-3.1843.1840.1586.3131.606α-CD-6.7211.333-8.055-2.6942.6940.1248.0550.901β-CD-6.7211.197-7.919-2.7622.7620.1267.9190.963A-α-CDs-5.769-0.299-5.469-3.0343.0340.1835.4691.683A-α-CDb-6.449-0.218-6.231-3.3333.3330.1606.2311.783A-β-CDs-6.558-0.517-6.041-3.5373.5370.1666.0412.071A-β-CDb-6.4760.163-6.200-2.9772.9770.1616.2001.429B-α-CDs-6.5310.762-7.293-2.8842.8840.1377.2931.141B-α-CDb-6.0680.653-6.721-2.7082.7080.1496.7211.091B-β-CDs-6.4910.665-7.156-2.9132.9130.1407.1561.186B-β-CDb-6.3670.925-7.293-2.7212.7210.1377.2931.015

從表3和表4可知， GBP-A與α-CD、β-CD的包合物，在真空中的能級(jí)差值大于在水溶液中的能級(jí)差值；而對(duì)于GBP-B，則與此相反. 表明GBP-A與環(huán)糊精形成的包合物在真空中比在水溶液中更穩(wěn)定，而GBP-B與環(huán)糊精形成的包合物在水溶液中更穩(wěn)定. 進(jìn)一步分析還可發(fā)現(xiàn)，GBP-A與環(huán)糊精形成包合物的能級(jí)差在真空以及水溶液中均小于GBP-B與環(huán)糊精形成包合物的能級(jí)差，表明GBP-B與環(huán)糊精的包合效果要更好，與圖6討論一致.

從表3和表4還可知，包合物的電子化學(xué)勢(shì)μ，電負(fù)性χ，柔軟度S，硬度η和親電子性ω的值與單個(gè)主體和客體分子不同，表現(xiàn)在如下3點(diǎn)：(i)在真空和水溶液中，化學(xué)勢(shì)都是負(fù)值，表明了加巴噴丁進(jìn)入環(huán)糊精空腔都是自發(fā)的. (ii)在真空以及水溶液中，GBP-A與環(huán)糊精形成的包合物的硬度(η)均小于GBP-B與環(huán)糊精形成的包合物的硬度，表明GBP-B與環(huán)糊精形成的包合物更穩(wěn)定. (iii)親電性ω值越大說明其親電性越強(qiáng)，鑒于此，可得在水溶液中GBP與α-CD、β-CD小口端形成的包合物親電性較真空中要大，但大口端與此相反，表明兩種質(zhì)子化的加巴噴丁均易與環(huán)糊精的小口端結(jié)合，與圖9和圖10討論一致.

3.3 形成包合物后加巴噴丁自身縮合勢(shì)壘變化的分析

為了進(jìn)一步研究上述八種較穩(wěn)定的包合物對(duì)加巴噴丁縮合的影響，在B3LYP/6-31G*方法基組水平上采用 QST3方法來獲得客體分子過渡態(tài)，并利用 TS 方法優(yōu)化至收斂，得到了GBP-A、GBP-B在α-CD、β-CD空腔內(nèi)發(fā)生縮合反應(yīng)的勢(shì)壘，如圖11.

圖11 形成穩(wěn)定包合物后加巴噴丁自身縮合的勢(shì)壘Fig. 11 Gabapentin self-condensation barriers after forming stable inclusion complexes

由圖11可知，GBP-A與α-CD的大口端包合后，其自身縮合能壘比與α-CD的小口端包合后的能壘顯著升高. 特別是包合物A-α-CDb的勢(shì)壘在真空以及水溶液中分別達(dá)到了297.605 kJ/mol、259.431 kJ/mol，主要是因?yàn)棣?CD的大口端羥基之間距離較大，與加巴噴丁羧基以及氨基形成氫鍵后，使C8與N10之間距離拉大(見表2)，不利于N10對(duì)C8親核進(jìn)攻. 結(jié)合上述的氫鍵分析也可發(fā)現(xiàn)，雖然加巴噴丁活性基團(tuán)與α-CD小口端的羥基形成較多氫鍵，但是其反應(yīng)勢(shì)壘并沒有顯著升高，主要是α-CD空腔較小，對(duì)加巴噴丁活性基團(tuán)有一定擠壓作用. 而GBP-A與β-CD大口端包合物在真空及水溶液中反應(yīng)勢(shì)壘均較小，分別為151.202 kJ/mol、140.013 kJ/mol. 其原因?yàn)棣?環(huán)糊精大口端直徑較大，其端口-OH無法同時(shí)與加巴噴丁的-NH2、-COOH形成氫鍵，唯一的氫鍵還是弱氫鍵C—H…O(見圖9和圖10).

GBP-B在分別與α-CD的小口及大口端形成的兩個(gè)包合物中自身縮合能壘升高不明顯.其主要原因是α-CD的空腔小，對(duì)GBP有擠壓作用. 但是GBP-B與β-CD形成包合物后，加巴噴丁自身縮合能壘在真空及水溶液中都比包合前顯著升高. 其中B-β-CDs勢(shì)壘在真空以及水溶液中分別達(dá)到了331.353 kJ/mol、283.538 kJ/mol. 從圖11中還可知，兩種質(zhì)子化狀態(tài)的GBP與β-CD小口端包合后自身縮合勢(shì)壘變化均顯著高于GBP與α-CD小口端包合，其原因?yàn)棣?環(huán)糊精空腔較大，對(duì)加巴噴丁無擠壓作用.

綜上，在真空以及是水溶液中，GBP-A、GBP-B分別與α-CD、β-CD包合后，加巴噴丁自身縮合能壘都比包合前有所升高，表明環(huán)糊精包合可以有效抑制加巴噴丁自身縮合的副反應(yīng). 但加巴噴丁與α-CD包合效果沒有與β-CD包合效果好，建議實(shí)際實(shí)驗(yàn)應(yīng)優(yōu)先考慮β-CD.

4 結(jié) 論

本文采用密度泛函理論研究了兩種質(zhì)子化狀態(tài)的GBP分別與α-CD、β-CD在真空及水溶液中的包合過程和包合作用，以及GBP在CD空腔中發(fā)生副反應(yīng)的勢(shì)壘. 此外，還分析了CD抑制GBP分子內(nèi)縮合的反應(yīng)機(jī)理，揭示了提高GBP穩(wěn)定性的分子機(jī)制. 模擬結(jié)果表明：在真空以及水溶液中GBP與α-CD、β-CD均能夠形成較為穩(wěn)定的包合物，但與β-CD包合效果更優(yōu)；而且包合后，GBP在CD空腔中的自身縮合勢(shì)壘顯著升高，特別是包合物B-β-CDs(氨基質(zhì)子化類型的GBP的活性基團(tuán)與β-CD小口端結(jié)合并且其六元環(huán)置于CD空腔中)，其勢(shì)壘在真空以及水溶液中分別達(dá)到了331.353 kJ/mol、283.538 kJ/mol，遠(yuǎn)高于包合前的127.86 kJ/mol、137.88 kJ/mol. 所形成的包合物抑制GBP自身縮合反應(yīng)的機(jī)理為：由于α-CD、β-CD端口的羥基與GBP的氨基、羧基的靜電作用，改變了C8、N10的電荷分布以及增加了C8、N10之間的距離，從而抑制N10對(duì)C8的親核進(jìn)攻，提高其分子內(nèi)縮合反應(yīng)的勢(shì)壘，有效抑制GBP脫水縮合副反應(yīng)的發(fā)生. 該量子化學(xué)計(jì)算方法在GBP的分子保護(hù)方面的成功為藥劑學(xué)研究和生產(chǎn)提供一個(gè)理論指導(dǎo)，同時(shí)也為小分子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定化提供了一個(gè)有效的理論篩選方法.