基于靜電勢電荷的抗擊埃博拉病毒新藥物法匹拉韋及其衍生物水溶解度logS值預測

裴詩恩　黃穎琦　吳淑曼　彭自珍　蘇凌峰　劉喜靈　陳晗劍　鐘愛國

摘要：運用分子中的原子理論（AIM），探討了以法匹拉韋分子羰基氧原子值為目標，測試了不同基組和泛函選擇的依賴性。然后用密度泛函理論（DFT B3LYP）和6-31+G（d，p）基組，優化了20種法匹拉韋及其常見衍生物的分子結構，分別得到11號羰基氧的密立根電荷（MUL-O）、自然原子軌道電荷（NBO-O）、何秀巴赫電荷（HIR-O）和靜電勢電荷（EsP-O）值，發現11號氧原子的ESP-O電荷值與用ACD Lab6.0預測出來的logS值相關性最好，相關系數達0.986；計算了法匹拉韋及其11種未知衍生物的ESP-O電荷值，代入相關最佳線性方程，發現所得結果與ACD Lab6.0預測結果十分接近，最大誤差絕對對數值僅為0.08；分子的靜電勢圖也顯示法匹拉韋及其甲基法匹拉韋發揮其藥理毒理作用可能的部位在電負性強的羰基氧原子上。

關鍵詞：密度泛函理論；法匹拉韋；Mulliken電荷；NBO電荷；ESP電荷；logS值

中圖分類號：O 644.32 文獻標識碼：A 文章編號：1671-0460（2017）01-0031-04

法匹拉韋（Favipiravir，商品名為ANIGAN，T705，），化學名為6-氟-3-羥基吡嗪-2-甲酰胺，是日本富山化學有限公司研制的新型RNA依賴的RNA聚合酶抑制類廣譜抗病毒藥，2011年3月在日本完成Ⅲ期臨床試驗，臨床可用于治療流感。法匹拉韋和其他抗擊流感病毒藥物的作用機理不同，它主要通過阻斷病毒核酸復制的方法來抑制病毒繁殖。在2014年抗擊埃博拉病毒疫情的戰役中，日本Fujifilm公司最近獲批的流感治療藥物法匹拉韋可以對抗西非埃博拉病毒的漫延，法匹拉韋作為明星藥物也確實在治療埃博拉患者中取得良好的效果。分子酸堿度pK_b值和溶解度值logS是藥物分子的一個基本物化性質，其對人體的藥物吸收程度有重要影響。通常它的值可以通過實驗來測定，但實驗測定方法會有一定的局限性，在實際使用中，由于分子受穩定性等諸多因素的制約，使從實驗上很難準確測定一些分子的pK_b值和溶解度值，尤其是像法匹拉韋這些最新出現的藥物。因此從理論和計算上尋找有效和可靠的預測酸堿電離性的方法成為目前十分活躍的課題。

當前已有多種方法用于預報有機化合物的脂水分配系數logP值和水溶解度logS值。相比較而言，脂水分配系數logP值的計算方法更為成熟和有效些。這是因為，相對于溶質在水和正辛醇兩種液-液之相間的分配，分子溶質的溶解過程則是更為復雜的物化過程，它不僅有溶質一溶劑之間的相互作用，還含有溶質一溶質分子之間的相互作用。對于固體溶質，還需要考慮其相變過程，這也是目前計算與預測分子溶解度所面臨的挑戰與難題之一。目前分子溶解度的計算方法對于結構比較簡單的有機化合物效果則較好，但對于結構比較繁雜的、含有多個官能團的分子化合物則較為不適用，預測的效果也不是很好。不過這一問題對有機化合物脂水分配系數的計算實際上在一定程度上也存在這一現象。前文我們曾經采用量子化學密度泛函理論的方法，利用計算機和高斯軟件對法匹拉韋及其衍生物的堿式電離常數pK_b進行了預測，所得結果較好。本文基于密度泛函理論的B3LYP法在6-31+G（d，p）水平下對取代法匹拉韋分子進行結構全優化，將優化得到的量子化學參數和ACD Lab 6.0預測pK_b值建立線性回歸模型，選擇相關陛最好的回歸方程，用其預測法匹拉韋及其衍生物的logS值（圖1），這對于了解法匹拉韋及其衍生物的藥理及毒理質和新藥研發有及其重要的意義。

1 計算方法

利用PC機及其軟件Gauss View 5.0.9、Gaussian09W、Origin 7.5、ACD-Labs 6.0、Chemdraw 8.0等軟件）；利用Gaussion 09 W軟件包，構建20個用ACD-Lab 6.0預測得到pK_b的法匹拉韋衍生物的分子結構模型，然后用Gaussion View 5.09軟件在DFT/B3LYP/6-31+G（d，p），POP=（muHiken，nbo，chelpg，hirshfeld）水平和條件下，對20種法匹拉韋衍生物進行結構優化，計算得到相應的量化參數，記錄11-0的MiHiken電荷值和自然原子電荷軌道（NBO）值以及靜電勢電荷（ESP）；用Mulliken、NBO和ESP電荷值（橫坐標）分別對ACD Lab 6.0預測得到的logS（縱坐標）用Origin7.5作圖，得到四個線性回歸方程，得出相關系數，并比較各相關系數的大小，R值越接近1或-1，則相關性就越好，反之，相關性就越差。篩選出R值較大的線性方程作為預測方程。選取10種未知水溶液溶解度logS的法匹拉韋衍生物，用該量化方程計算其logS值，并與目前最流行的ACD Lab 6.0軟件直接計算的得到的logS比較，驗證密度泛函理論方法預測法匹拉韋及其衍生物分子的水溶解度值的準確性（圖1）。

2 結果和討論

2.1 不同基組對法匹拉韋氧原子電荷的影響

為測試基組對于法匹拉韋及其衍生物的11號氧原子四種電荷適應性與依賴性，首先使用流行的10種基組，包括pople's 6-31G，6-31G*，6-31G**，6-31++G**，6-311++G**和dunning's的相關一致性基組（CC-pVDZ，CC-pVTZ和Aug-CC-pVTZ）。結果表明，選擇不同的基組對計算氧原子ESP、HIR和NBO電荷的影響不太顯著（相對標準偏差std≤±1.7%），但是它們卻對體系密立根電荷MUL值影響甚大（std=±8.7%）（表1）。

2.2 不同泛函對法匹拉韋氧原子電荷的影響

固定6-31+g（d，p）基組，選用經常采用的近似10種泛函如beckhandh，BLYP，B3LYP，beck-97ggal，MPWIK，becke98，HCTH407p，TPSS和M06-2X等，它們基本覆蓋了最流行的GGA，metagga和混合交換相關勢的形式。測試并計算了法匹拉韋氧原子電荷值的泛函依賴性。結果如表2所示。選擇不同的泛函對計算法匹拉韋氧原子電荷的影響，除密立根電荷（MUL）外，對其余三種電荷（NBO，ESP，HIR）的影響也是不太顯著（std≤±2.0%）。結合表1和表2數據可以看出，應用分子中的原子理論（AIM）方法，采用不同的基組和泛函組合，除密立根電荷值外，其余三種電荷值，于法匹拉韋及其衍生物系統氧原子電荷的計算，與實驗值定性符合，不會產生顯著的依賴性（低于±2%）。

2.3 羰基氧上的四種類型電荷值比較

本次實驗中，模擬所得的20種未知logS值的法匹拉韋衍生物的羰基氧上的Mulliken、NBO和ESP電荷值以及相對應的由ACD Lab6.0軟件預測得知的logS如表3所示。

分別將羰基氧的MUL、NBO、HIR和ESP電荷值與相對應的log5作圖，得到圖2-4（省去圖3，4），可以看出相關系數R，分別為0.716，0.956，0.902和0.986，發現ESP-011電荷的相關性最好（0.986，相關系數R越大越好），所以我們將采用此線性方程來進行預測后面的法匹拉韋衍生物的溶解度值（5，單位mol·L^-1）。

2.4 羰基氧上的ESP電荷值與誰溶解度相關性

將所選的11種未知溶解度值的法匹拉韋的衍生物用opt進行結構優化，用DFT/B3LYP方法，采用6-31+G（d，p）基組進行分子計算，將得到的羰基氧的ESP-O電荷數據分別帶入選定的線性回歸方程中，計算得到相應化合物的logS值，擬合結果見表4。預測得到的logS值和ACD-Labs 6.0預測的logS值十分接近，最大偏差絕對對數值僅為0.08。這與其他理論模型方法預測的有機分子水溶解度對數值誤差在一個單位值，效果較好。

圖2（a）是法匹拉韋分子的靜電勢電荷分布圖，淺紅色氧原子部分，顯示其氧原子帶有較強的電負性。圖2（b）是甲基取代的法匹拉韋衍生物分子的靜電勢電荷分布圖，深紅色氧原子部分，顯示其氧原子帶有強的電負性。

3 結論

（1）基于分子中的原子理論（AIM）框架下的-電荷分解法，測試了不同的基組與泛函對法匹拉韋藥物分子氧原子的電荷的影響。結果顯示，除了密立根電荷（MUL-0）外，不同的基組與泛函對其余三種氧原子電荷（NB0-0，ESP-0，HIR-0）擬合的值變化不大，影響也不顯著；

（2）運用Gaussion 09W和Gaussion View 5.09軟件，采用密度泛函活性方法，DFT B3LYP和6-31+G（d，p）基組，優化了20種法匹拉韋的分子結構，發現羰基氧上的ESP電荷值與log5值的相關性要好于NBO電荷值和靜電勢電荷ESP，相關系數達0.986，由此可以得出，法匹拉韋發揮其藥理和毒理作用的部位很可能是在羰基的氧上。

（3）用上述的計算方法，我們計算了12種未知logS值的法匹拉韋衍生物（包括法匹拉韋）的ESP電荷值，并將其代入擬合所得較佳的線性方程，預測得到的logS值和ACD-Labs 6.0預測的logS值十分接近，最大偏差絕對對數值僅為0.18。發展基于第一性原理的高精度能量理論是今后一段時期理論工作者努力的方向。我們期待出現更為有效的預測多官能團分子溶解度的理論方法。