金石蠶苷分子印跡聚合物識別性能計算模擬

劉艷，楊運泉，向柏霖，陳桂，李滔

（1.湘潭大學化工學院，湖南湘潭411105；2.懷化學院化學與材料工程學院，湖南懷化418008；3.民族藥用植物資源研究與利用湖南省重點實驗室，湖南懷化418008；4.功能高分子與無機非金屬材料懷化市重點實驗室，湖南懷化418008）

金石蠶苷分子印跡聚合物識別性能計算模擬

劉艷1，2，3，4，楊運泉1，*，向柏霖2，陳桂2，李滔2

（1.湘潭大學化工學院，湖南湘潭411105；2.懷化學院化學與材料工程學院，湖南懷化418008；3.民族藥用植物資源研究與利用湖南省重點實驗室，湖南懷化418008；4.功能高分子與無機非金屬材料懷化市重點實驗室，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分別作為功能單體，運用量子化學方法模擬模板分子與不同功能單體按不同比例結合的印跡聚合物預組裝體系的構型、能量及復合反應的結合能△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別性能研究，結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最好.

金石蠶苷；分子印跡聚合物；計算模擬

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別性，已經廣泛應用于環境、醫藥、食品、軍事等諸多領域[1-3].研究MIP預組裝體系，尤其是預組裝體系中功能單體的類型和數量，對于提高MIP的親和性和選擇性具有重要意義.通過計算機模擬取代部分常規實驗嘗試，可以大大減少摸索合成工藝條件的實驗次數，減少不必要的試劑和人工消耗，對于提高MIP的親和性和選擇性具有指導作用，目前，計算機模擬已成為分子印跡技術研究的一個重要工具，同時基于量子化學計算的高精準度，相關模擬計算結果更具有指導意義[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[5].常建紅等[6]采用AB-8大孔樹脂和硅膠柱對廣東紫珠的極性溶劑提取液進行除雜，再采用制備型高效液相色譜進行分離純化，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，紫外檢測器檢測，收集目標成分，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道主要用傳統柱層析等繁瑣耗時的色譜分離方法純化金石蠶苷，目前尚未有詳細文獻報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分子，經洗脫后又具有重復使用的性能，作為固相萃取材料具有較好應用前景.

金石蠶苷分子結構中含有較多極性基團羥基和環狀結構基團，具備與功能單體形成氫鍵的條件，同時具備部分剛性和柔性結構，可較好地與功能單體作用[9].因分子中含11個羥基，極性較大，故要想制備出對模板分子具有高識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的投放比例顯得特別重要.

圖1 金石蠶苷的分子結構

通過計算模板分子和功能單體的結合能，能反映它們之間作用的強弱，指導印跡聚合物合成的單體選擇.

1 實驗

1.1 計算方法

計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合物的結構、成鍵情況以及反應過程中的結合能的變化.采用Gaussian03中的PM3半經驗法，通過量子化學計算模擬，優化模板分子金石蠶苷、功能單體AM、EA和AA的構型，進而優化預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型.在預組裝體系中主要考慮通過氫鍵形成的復合物，采用結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定性，按公式（1）計算：

其中E為優化后各組分的單點能.研究中根據功能團結構特點盡可能將單體與模板分子之間所有可能形成的復合物均納入計算模擬之中，以比較模板分子與功能單體相互作用的強弱，選擇功能單體.

1.2 模板分子和功能單體的構型優化

采用GVIEW分子繪圖軟件向Gaussian03軟件提交未經優化的分子結構圖片信息，Gaussian03計算出可能的模板分子和各功能單體的構象及構象能量，選取最小能量構象，并通過GVIEW輸出圖片信息，得到優化的模板分子金石蠶苷和不同的功能單體AM、EA、AA的分子構型，如圖2所示，各最小單點能，如表1所示.單點能便于下一步計算金石蠶苷和功能單體相互作用的結合能.

圖2 三種功能單體與模板分子的構型

表1 金石蠶苷和各功能單體的單點能

2 結果與討論

2.1 模板分子和功能單體復合物的構型優化

根據模板分子和功能單體分子構型優化的結果，構建金石蠶苷和不同單體之間以不同比例形成的復合物，根據羥基的類型和空間位阻設定模板分子與單體分子按分子個數分別以1：4、1：5、1：7、1：9及1：11結合，優化構型，構建復合物.經優化計算得出可能存在的最小能量的復合物構型如圖3所示.

圖3 金石蠶苷和不同比例功能單體形成的復合物的模型

AM、AA及EA分別以5個不同比例與金石蠶苷組成復合物的計算機模擬運算過程中，金石蠶苷與EA以1：9和1：11組合時未能輸出可能結構，說明該復合物無法聚合成功.

2.2 模板分子和功能單體相互作用的結合能

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

表2 金石蠶苷和不同單體形成復合物的結合能

上表2列出的是MIP預聚合過程中可能出現的模板分子與功能單體二者之間可能的作用方式，結合能越大，模板分子與功能單體在預聚合時形成的復合物越穩定，對于同一功能單體，該比例功能單體的印跡效應越強.因此用模擬的方法預測不同功能單體以不同比例與模板分子形成復合物的結合能的大小，可有效篩選烙印效果更好的功能單體及投放比例，大大減少實驗的時間與消耗.分析表2數據可發現功能單體AM跟EA、AA相比，與模板分子金石蠶苷形成復合物的結合能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更具印跡優勢，而AM又略比EA更具優勢，這與通常的功能單體選擇經驗是相吻合的[10].數據顯示不同比例的丙烯酰胺形成的復合物ΔE大小順序為（1：7）＞（1：11）＞（1：4）＞（1：5）＞（1：9），經結構分析，金石蠶苷的結構主體含氧六元環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等，且空間位阻較小，可提供4個較強結合位點.兩條短支鏈的雜環上有6個羥基，由于鄰位基團造成空間位阻的影響導致印跡結合能力有差異，只有一個鄰位基團的短支鏈上的3個羥基有2個偏離相鄰大基團一側，易與功能單體結合，而有兩個鄰位基團的短支鏈上的3個羥基只有中間的羥基所受位阻較小，易與功能單體結合.含氧六元環主體上的羥基取代基因其相對其他取代基團小很多，且兩個鄰位都有取代基，位阻較大，較難與單體結合.可以解釋金石蠶苷與AM之比為1：7時的作用力最強，對金石蠶苷的烙印效果更好.

3 結論

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，采用量子化學計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比例結合情況及結合能，作為單體及單體比例篩選的依據.計算結果：模板分子和功能單體能形成13種復合物，有2種復合物無法形成，其結合能ΔE提示其不同功能單體印跡效果強弱順序為：丙烯酰胺＞丙烯酸乙酯＞丙烯酸，不同比例的丙烯酰胺形成的復合物ΔE大小順序為：（1：7）＞（1：11）＞（1：4）＞（1：5）＞（1：9）.上述結果及分析表明，本模板分子選用堿性稍強的功能單體丙烯酰胺印跡效果更好，其最佳反應比由量子化學計算預測為1：7.通過模擬，有助于選擇金石蠶苷印跡效應更好的功能單體及最佳比例.

[1]Alexander Strikovsky，Jiri Hradil，Wulff G.Gatalytically active molecularly imprinted polymers in bead form[J].Reactive＆Functional Polymers，2003，54：49-51.

[2]羅貴民.人工模擬酶研究的新動向[J].生物化學與生物物理進展，1994，21（4）：290-294.

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[4]畢慧敏，高玉紅，謝鵬濤，等.不同功能單體對分子印跡聚合物識別性能的模擬[J].計算機與應用化學，2009，26（4）：501-503.

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[6]常建紅，郭建華，劉丁.一種連翹酯苷B和金石蠶苷單體的高效分離純化方法[P].CN201010555338X，2011-05-04.

[7]蘇劉花.從廣東紫珠中提取分離金石蠶苷的方法[P].CN 2011 10117897X，2011-10-26.

[8]劉東鋒，楊成東.一種高純度金石蠶苷的制備方法[P].CN 20 1110303899X，2012-02-15.

[9]孫寶維，楊敏莉，李元宗，等.模板結構與分子印跡效果間關系的研究[J].化學學報，2003，61（6）：878-884.

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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實驗室開放基金資助項目（ZDSYSJJ2012-6）；懷化學院校級科研課題資助項目（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：楊運泉，1963年生，教授，博士生導師.