用靜電勢電荷預測達格列凈衍生物溶解度和光譜

吳淑曼，洪琴，彭自珍，吳林鋼，王玉娜，濮亞敏,胡俊逸, 鐘愛國

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用靜電勢電荷預測達格列凈衍生物溶解度和光譜

吳淑曼，洪琴，彭自珍，吳林鋼，王玉娜，濮亞敏,胡俊逸, 鐘愛國*

（臺州學院醫藥化工學院， 浙江 臺州 318000）

基于密度泛函理論（DFT）和密度泛函活性理論（DFRT）和方法（MO6-2X/6-31+G**），利用軟件Chemoffice 2004分子建模,用Gaussion 09W軟件優化分子結構，用ACD Lab 6.0 軟件預測新型降糖藥達格列凈分子及其衍生物分子的水溶液溶解度參數等，優化了16種降糖藥達格列凈及其衍生物的結構，得到了橋頭O原子的密立根電荷（Mul-O），橋頭O原子的自然原子軌道電荷(NBO-O)，橋頭O原子的靜電勢電荷(ESP-O)和橋頭O原子的海秀巴赫電荷(HIR-O)。探討了常見的10類基組和泛函對ESP 電荷值的影響。對比分析其它種類電荷數據發現，橋氧原子的ESP-O電荷與達格列分子及其衍生物水溶液的分子溶解度存在較強烈的線型關系（=3.699+24.66,=0.929）?；诿芏确汉碚撆c方法（DFT B3LYP/sto-3 g）,對比展示了藥達格列凈及其單取代衍生物的三大分子吸收光譜（紅外光譜，拉曼光譜和紫外吸收光譜）的差異，并表征了它們的峰位和峰型。

密度泛函理論；密度泛函活性理論；達格列凈；原子電荷；分子光譜

達格列凈(Dapagliflozin)（圖1），是美國Bristol-Myers Squibb公司和瑞典Astra Zeneca公司聯合開發了鈉-葡萄糖協同轉運蛋白2抑制劑（SGLT2），該藥物分別在2012年和2014年先后在歐洲藥品管理局和美國FDA批準上市[1]。達格列凈通過特分子能特異性地抑制SGLT-2的活性來達到減小腎小管葡萄糖重吸收的目的,增加葡萄糖在尿液中放入排泄，從而起到降血糖的作用。其特殊作用機制，在于不會出現低血糖、惡心、水腫等不良反應，使達格列凈稱為的新型口服降糖藥。正是因為達格列凈抑制劑的成功，人們紛紛加入到對其的研究開發。甚至有些公司為了尋找更大的專利空間,轉向SGLT-2 家族這個新型靶點的研究開發和結構改造上[2,,3]。然而在實際開發過程中由于受到其他條件因素的制約，很難確定藥物的一些基本的物化性質，其中就包括分子物質的溶解度（log）、脂水分配系數（log）和分子酸堿度（pab）等。相較于脂水分配系數（log）和分子酸堿度（pa,b），分子溶解度的預測更是一個困難的突破點。這是因為物質本身溶解過程是很復雜的一個物理化學相變化過程。不僅需要考慮溶質分子之間的相互作用力，還需要衡量相變過程。鑒于先前已有研究采用密度泛函理論（DFT）所得的原子電荷數據來預測藥物分子及其衍生物的pb，并且得到了良好的關于藥物pb預測的線性方程[4-7]。因此本文將采用密度泛函理論的方法，在DFT MO6-2/6-31+G（d,p）水平下優化達格列凈及其衍生物的分子結構，通過計算得到相關性最高的關于預測溶解度的線性方程，從而起到預測達格列凈其他衍生物的溶解度的作用。這一方法對于研究改造達格列凈及其衍生物的藥理作用及其毒副作用有著極其重要的意義。此外本文還采用密度泛函活性理論（DFRT）分析了達格列凈一元取代及多元取代分子的紅外吸收（IR）、拉曼和紫外光譜（UV-Vis），分析和驗證了取代基對達格列凈整體結構的影響，明確其穩定的空間結構。

1 實驗部分

1.1 分子建模

達格列凈的結構如圖1所示，通過改變椅式結構上的取代基以及其位置獲得其衍生物（圖1），來研究其4種常見原子電荷：密立根電荷（Mulliken）、靜電勢電荷（ESP）、自然原子軌道電荷（NBO）和海秀巴赫電荷（HIR）變化與采用ACD Lab 6.0 軟件測得的水溶液溶解度對數log的線性關系。本文再用了?F、?Cl、?CH3作為取代基在糖苷環R1、R2、R3、R4上進行一元取代、二元取代、三元取代和四元取代，總共得到16種達格列凈的衍生物。

1.2 計算方法

使用 Chem 3D 和 Chem Draw 8.0 軟件，構建16個格列凈衍生物的模型，并使其能量最低化；在GaussView 5.0.9 軟件中，使用 DFT/MO6-2X 方法在6-31+G（d,p）水平下優化結構，計算關鍵詞為M06-2x，iop(5/33)=1，pop=(nbo,chelpg,hirshfeld)的條件下，分別計算16個達格列凈及其衍生物的量化描述符參數。記錄糖苷環上橋頭氧原子的Mulliken、ESP、NBO 和HIR 的電荷值；運用ACD Labs 6.0軟件，得到16種達格列凈及其衍生物相應的水溶液的溶解度（log）預測值；分別將16種達格列凈衍生物的Mulliken、ESP、NBO 和HIR 的電荷值得到的溶解度（log），使用Origin 8.5軟件處理數據，最后確定相關系數（值）最大的線性回歸方為預測方程。紅外光譜（IR）和拉曼光譜在DFT/B3LYP/STO-3G水平優化結構，采用 Frequency 方法分別計算得到16種達格列凈衍生物的頻率。計算由Gaussian 09W 完成。譜圖處理由 Origin 8.5 完成。紫外吸收光譜在TD DFT/B3LYP/3-21G水平分別模擬計算得到16種達格列凈衍生物的頻率，譜圖處理由 Origin 8.5 完成。

2 結果與討論

2.1 常見基組對原子電荷的影響

骨架原子電荷是對分子體系中點電荷分布最簡單、最直觀的描述方式, 在實際和理論應用中都有著重要的意義。自從1955年密立根（Mulliken）原子電荷被提出以來, 至今已有60余種原子電荷及其計算方法被提出, 近年還有眾多研究者在改進方法。這些方法如 Mulliken電荷、分子中的原子(AIM)電荷、Hirshfeld電荷、Hirshfeld電荷、Hirshfeld布居(ADCH)電荷、自然布居分析(NBO)電荷、Merz-Kollmann(MK)電荷、分子中的原子(AIM)電荷、Merck 分子力場 94 (MMFF94)電荷、AM1-BCC電荷、Gasteiger電荷、電荷模型 2(CM2)電荷以及電荷均衡(QEq)方法電荷等12種常見原子電荷[8]。我們采用5種重要的原子電荷計算方法, 從不同角度比較了它們的優缺點。首先檢驗常見的10種不同基組計算的5種達格列凈小分子的橋頭氧原子電荷值, 表1列出了10組密度泛函基組對5種常見電荷的計算結果?？梢钥闯霾煌椒ǖ玫降臉蝾^氧原子電荷的數值大小會有所不一樣。Hirshfeld電荷整體偏小,許多氧原子電荷的絕對值大小都不足 0.7。ADCH 是對 Hirshfeld 方法的校正, 校正后氧原子電荷絕對值普遍增大,橋氧原子電荷絕對值比校正前均大于0.8以上。對于由碳、氫、氯、氧構成的中性有機分子達格列凈,Mulliken、ACDH、ESP和NBO電荷在數量級上比較接近。基組從3-21G提升至6-311+G（d，p）的過程中，各種基組方法計算的結果都有不同程度的變化, 通常被認為具有很好基組穩定性的 NBO 電荷的變化值甚至大于公認基組穩定性差的 Mulliken電荷。采用10種不同的基組來檢測達格列凈的6號橋頭氧原子的Mulliken、HIR、NBO、ESP和ACDH電荷受基組的依賴程度。由結果可知，基組對達格列凈的6號橋氧原子的的5種電荷的影響不盡相同。其中Mulliken值的相對標準偏差STD=±7.6%，受基組影響較大，依賴性較高；而NBO、ACDH、ESP和NBO電荷值的相對標準偏差STD≤±1.5%，受基組影響較小，依賴性較小。

表 1 常見基組對達格列凈6號橋氧原子電荷影響

2.2 常見泛函對原子電荷的影響

表2比較了10種常見的密度泛函方法計算的達格列凈的6號橋氧原子的Mulliken、HIR、NBO、ESP和ACDH電荷對泛函的依賴程度。統一采用6-31+g(d,p) 基組的前提下，篩選并采用了包括BLYP、B3LYP、TPSS和X3LYP等在內的10種泛函得出了達格列凈的6號橋氧原子的5種電荷值對泛函的依賴程度。由表2可知，達格列凈的6號橋氧原子的Mulliken值的相對標準偏差STD=±2.0%，受泛函影響較大，依賴性大；而NBO、ESP和NBO電荷值的相對標準偏差STD≤±1.6%，受基組影響較小，依賴性較大。結合分析表1和表2數據可以看出，用DFT電荷分解方法，采用不同的基組和泛函組合，Mulliken值對基組和泛函依賴性大，而HIR、NBO、ESP和ACDH電荷值沒有明顯的依賴性，這一計算結果與實驗值相符合[5,6]。

2.3 達格列凈及其衍生物的溶解度

由DFT 計算所得的16種達格列凈的衍生物橋頭O的Mulligen、ACDH、ESP、NBO 和HIR 的電荷值以及由 ACD Labs 6.0 軟件預測得到的相應衍生物水溶液的溶解度log（如表2所示）。為直觀的表現電荷值變化與log值關系，分別用橋頭O原子的Mulligen、ACDH、ESP、NBO 和HIR 的電荷值與 log值作圖。Mull-O 電荷對 log相關系數較小(=0.434)；ESP-O 對 log如圖3所示，相關系數(=0.929，SD=0.166)；NBO-O 電荷與 log之間(=0.114，SD=0.440)；HIR-O電荷對log之間=0.520。5個線性方程中，ESP-6O電荷值與log值的線性方程的值最大（0.929），即相關性最好。

表 2 常見泛函對達格列凈6號橋氧原子電荷影響

表3 16種達格列凈衍生物6號橋氧原子5種電荷計算

3 達格列凈及其衍生物的分子光譜

3.1 紅外吸收光譜

分子的IR光譜是分子骨架振動-轉動屬性的內在反應。在DFT/B3LYP/STO-3G水平優化結構，圖3展示了2-F取代的達格列凈衍生物的吸收峰：3 330 cm-1處的吸收峰為苯環上C-H的伸縮振動；1 656、1 593、1 467 cm-1處的吸收峰為苯環骨架的伸縮振動；1 341 cm-1處的吸收峰為飽和C-H的彎曲振動；1 251 cm-1處的吸收峰為芳族的 =C-O-C的反對稱伸縮振動；1 143 cm-1處的吸收峰為C-O-C的對稱伸縮振動。伯醇的伸縮振動的吸收峰和C-Cl的對稱伸縮振動的吸收峰和C-F的反對稱伸縮振動均有出現，但較弱。

圖2 ESP-6O vs logS值的線性關系

圖3 2-氟取代的達格列凈衍生物紅外光譜圖

3.2 拉曼吸收光譜

在DFT/B3LYP/STO-3G水平優化結構，得到達格列凈拉曼光譜圖（圖4）。

圖4 達格列凈拉曼吸收光譜圖

在4 162 cm-1處的吸收峰為OH的對稱伸縮振動；在3 384 cm-1處的吸收峰為苯衍生物的C-H對稱伸縮振動；在3 330 cm-1處的吸收峰為C-H的對稱伸縮振動；在3 267 cm-1處的吸收峰為C-H的反對稱伸縮振動；在1 809 cm-1處的吸收峰為C-H的彎曲伸縮振動；在945 cm-1處的吸收峰為伯氯的伸縮振動峰。一元取代（2-F）的達格列凈衍生物拉曼光譜圖基本相似（省去）。

3.3 紫外吸收光譜

在DFT/B3LYP/3-21G水平優化結構，分別計算得到達格列凈紫外光譜圖，顯示了達格列凈衍生物在282.7 nm處有最大吸收波長，位于近紫外區。這是由于π→π*躍遷，吸收波長較長。2-F 取代的達格列凈衍生物在281.3 nm處有最大吸收波長，位于近紫外區；2-CH3取代的達格列凈衍生物在186.9 nm處有最大吸收波長，位于近紫外區。

4 結論

（1）基于DFT理論電荷分解法,檢測并分析達格列凈的6號橋氧原子的Mulliken、HIR、NBO、ESP和ACDH電荷對10種基組和泛函的依賴程度。其中，Mulliken值對基組和泛函依賴性大，而HIR、NBO、ESP和ACDH電荷值對基組和泛函沒有明顯的依賴性。

（2）采用密度泛函活性理論與方法，在DFT MO6-2X泛函和6-31+G（d,p）基組下，優化了16種達格列凈及其衍生物的分子結構，可知6號橋頭氧原子的ESP電荷與log值的相關性最好，相關系數達0.929，最大偏差低于2%；

（3）在B3YLYP/sto-3g水平下,對達格列凈衍生物進行紅外、紫外和拉曼光譜的分析，其基本結構較穩定，取代基及位置不同未對其骨架結構造成特別大的影響。

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Prediction of the Solubility and Molecular Spectra of New Antidiabetic Drug Dapagliflozin and Its Derivatives by Density Functional Theory and Electrostatic Potential Charge

WU Shu-man, HONG Qin, PENG Zi-zhen, WU Lin-gang, WANG Yu-na, PU Ya-min, HU Jun-yi, ZHONG Ai-guo

（School of Medicine and Chemical Engineering, Taizhou University, Zhejiang Taizhou 318000, China)

Based on the density functional theory (DFT) and time-dependent density functional theory (DFRT) and method (MO6-2X/6-311G), the software of Chemoffice 2004 was used to establish molecular model, Gaussion 09W software was used to optimize the molecular structure, ACD Lab 6 software was used to predict the aqueous solubility parameters of new type antihyperglycemic farxiga molecule and its derivatives, molecular structures of 16 kinds of hypoglycemic drugs farxiga and its derivatives were optimized, the O atom charge Milliken bridge (Mul-O) was obtained as well as the natural atomic orbital charge bridge O atom (NBO-O), the electrostatic potential charge bridge O atom (ESP-O) and bridge O atom haixiu Bach charge (HIR-O). The influence of 10 kinds of basic groups and functional on the ESP charge value was discussed. The results show that there is a strong linear relationship between the ESP-O charge of the bridging oxygen atom and the solubility of the aqueous solution of the molecule and its derivatives (=3.699+24.66,=0.929). The differences of the absorption spectra of the four molecules and their peaks were compared and analyzed.

density functional theory; density functional activity theory; dapagliflozin; atomic charge

TQ 016

A

1671-0460（2017）12-2412-04

浙江省自然科學基金（LY15B030001）和浙江省大學生創新訓練計劃項目（201710350015）資助。

2017-04-16

吳淑曼（1994-），女，浙江溫州人，研究方向: 化學工程與工藝專業。E-mail：915926977@qq.com。

鐘愛國（1964-），男，教授，碩士，研究方向：計算化學。E-mail:zhongaiguo@tzc.edu.cn。