拓展實驗阿莫西林的譜學分析與指認

洪文燕　施琪浩　張英杰　蔣鑫　陳詩雨　章少陽　陳茹箐　秦利明　鐘愛國

摘????? 要：用密度泛函理論（DFT）的方法，在B3YLYP/6-31+G水平下優化阿莫西林的結構，通過改變其椅式構型上1-H、3-H、4-H的直立鍵和平伏鍵相互轉變，發現-OH化學位結構鍵的轉變對其分子溶解度（logS）值沒有明顯影響;采用密度泛函理論的方法，在B3YLYP/6-31+G水平下優化了7種阿莫西林衍生物的結構，通過計算得到相關性最高ESP-S5電荷值與logS值的線性方程（y=13.51x-0.72， R²=0.912）。還采用密度泛函理論的方法預測了7種阿莫西林衍生物紅外吸收、拉曼吸收、紫外吸收、熒光發射、磷光發射和核磁共振譜吸收光譜圖，并對其特征峰進行指認和歸屬。為制藥專業學生拓展訓練實驗識別阿莫西林及其衍生物以及構效關系提供了基礎數據。

關? 鍵? 詞：制藥專業實驗;密度泛函理論; 阿莫西林;溶解度;譜學分析

中圖分類號：G822.8?????? 文獻標識碼： A?????? 文章編號： 1671-0460（2020）07-1321-05

Spectroscopic Analysis and Identification of Amoxicillin

for Pharmaceutical Professional Expansion Experiments

HONG Wen-yan， SHI Qi-hao， ZHANG Ying-jie， JIANG Xin， CHEN Shi-yu，

ZHANG Shao-yang， CHEN Ru-qian， QIN Li-min， ZHONG Ai-guo*

（College of Pharmaceutical， Chemical and Materials Engineering， Taizhou University， Taizhou Zhejiang 318000， China）

Abstract： The structure of amoxicillion was optimized by the density functional theory（DFT） at B3LYP/6-31+G level. By changing the structure of 2-H， 3-H， 4-H， the results showed that the change of chemical bond had no significant effect on the solubility （logS） value. The method of density functional theory was used to optimize the structures of 7 amoxicillin derivatives at B3YLYP/6-31+G level. And the linear equation （y=13.51x-0.72） with the highest correlation between the ESP-S5 charge value and the logS value was obtained by calculating the structure of the amoxicillion derivative. At the same time， the method of density functional theory was used to predict the infrared， Raman， UV-Vis and 1H-NMR spectra of seven kinds of amoxicillion derivatives， and the characteristic peaks were identified and assigned. This paper can provide powerful reference for the study of the spectral prediction and structure activity relationship of other derivatives.

Key words： Pharmaceutical engineering experiments; DFT; Amoxicillion; Solubility; Spectral enalysis

阿莫西林（AMXL）為人工半合成的耐酸和堿的廣譜殺菌青霉素類抗生素類藥物。該分子藥抗菌抗病毒譜廣，殺菌力較強^[1]。阿莫西林也是醫院臨床用藥中一種常見的具有氨基側鏈的青霉素分子藥物。它在常溫常壓態下也是一種結晶狀的白色粉末藥品，能微溶于溫水。它在醫院臨床上應用范圍非常廣泛和用料大^[2]。如在病人消化不良、病人慢性支氣管炎、病人膀胱炎、病人皮疹以及病人消化性潰瘍等疾病的治療等方面，皆需要應用到該種粉末狀藥物。但是，一般的病人患者服用該種藥物后，極有可能會出現病人惡心、病人嘔吐、病人腹瀉、病人皮疹以及蕁麻疹等多種不良反應發生^[3]。阿莫西林的臨床抗菌活性和氨芐西林非常相似，但阿莫西林的耐酸性更強，殺菌效果及殺菌速度也強于氨芐西林^[4]，但是阿莫西林用于治療腦膜炎患者會引起嚴重不良反應，因而阿莫西林禁用于治療腦膜炎患者。阿莫西林在體內的半衰期為62 min^[5]。阿莫西林的可吸收性較好，在酸性條件下可穩定吸收，且腸道吸收率高達90%，吸收速度遠遠大于氨芐西林。阿莫西林能夠穿透細胞壁， 和大分子量青霉素結合蛋白結合， 與分子內酚胺可以水解， 與菌體轉膚酶結合， 讓菌體失去活性， 切斷菌體合成糖膚，細菌細胞壁被破壞后， 由于菌體失去細胞壁而脹破滅亡^[6]。哺乳動物細胞無細胞壁， 所以阿莫西林對人體毒性小， 但仍會有惡心、嘔吐等不良反應存在。王晨等在《中國新藥雜志》利用計算機模擬技術對阿莫西林膠囊溶出度方法的研究，利用計算機模擬軟件建立并驗證阿莫西林在人體內的生理藥動學（physiologically based pharmacokinetic， PBPK）模型，用于阿莫西林膠囊溶出度方法的評價研究。方通過溶出特征曲線優化，建立并優化PBPK模型。通過模型計算阿莫西林膠囊藥時曲線對比人口服實測藥時曲線計算結果的準確性，基于該PBPK模型，以去卷積分算法模擬計算出阿莫西林膠囊在人體內的釋放曲線，與現行版《中華人民共和國藥典》和《美國藥典》中阿莫西林膠囊溶出度限度進行比較與評價，證明上述藥典中各溶出度限度均高于制劑體內累計吸收量要求。現行方法是基于阿莫西林膠囊制劑的不同處方，用于進行工藝控制，保證制劑生產一致性的指標，目的在于降低制劑工藝對產品質量波動的影響風險，而非緊密關聯體內有效性水平的限度指標。高光武等在《世界最新醫學信息文摘》發表論文，針對阿莫西林與莫西沙星治療幽門螺桿菌胃病的有效性觀察，評價阿莫西林與莫西沙星治療幽門螺桿菌胃病的有效性，分析其藥理作用。他們選取本院2017年4月至2019年3月收治的146例幽門螺桿菌胃病患者，其中73例使用莫西沙星進行治療的患者作為研究組，另外使用使用阿莫西林進行治療的73例患者作為對照組。將兩組患者的臨床治療效果、幽門螺桿菌（HP）根除率、藥物不良反應等指標，進行數據的統計記錄，并使用統計學軟件進行統計數據的處理和比較分析。結果使用莫西沙星進行治療的研究組患者，其臨床治療總有效率、幽門螺桿菌根除率指標均顯著高于對照組患者;治療后胃痛癥狀評分、不良反應發生率兩項指標，研究組患者均顯著低于對照組。兩組患者組間數據比較差異有統計學意義（P<0.05）。結論本次研究數據的結果表明，對于幽門螺桿菌胃病患者，使用口服莫西沙星進行治療相比口服阿莫西林，臨床效果更加顯著。高曉華等在《中國現代藥物應用》發表了阿莫西林與莫西沙星治療幽門螺桿菌胃病的臨床效果探討，他們探討阿莫西林與莫西沙星治療幽門螺桿菌胃病的臨床效果。用100例幽門螺桿菌胃病患者，隨機分為阿莫西林組與莫西沙星組， 每組50例。阿莫西林組采取阿莫西林治療， 莫西沙星組采取莫西沙星治療。比較兩組患者的治療效果; 根除幽門螺桿菌時間、幽門螺桿菌胃病愈合時間、住院時間; 治療前后生活質量評分、胃腸道癥狀積分;不良反應發生情況。結果莫西沙星組的治療總有效率100.00%高于阿莫西林組的76.00%，差異具有統計學意義（P<0.05）。治療后，莫西沙星組的生活質量評分（98.81±1.55）分高于阿莫西林組的（85.68±2.99）分，胃腸道癥狀積分（0.45±0.01）分低于阿莫西林組的（1.42±0.21）分，差異均具有統計學意義（P<0.05）。莫西沙星組的根除幽門螺桿菌時間、幽門螺桿菌胃病愈合時間、住院時間分別為（6.50±1.02）、（6.50±1.09）、（8.50±2.01）d，均短于阿莫西林組的（7.35±2.28）、（8.50±2.99）、（10.54±2.08） d， 差異均具有統計學意義（P<0.05）。兩組不良反應發生率比較，差異無統計學意義（P>0.05）。阿莫西沙星治療幽門螺桿菌胃病的臨床效果顯著，能夠縮短治療時間，提高患者的生活質量，改善臨床癥狀，值得推廣應用。吳春華等人在《抗感染藥學》雜志發表論文，探討了阿莫西林和替硝唑三聯療法對幽門螺桿菌陽性的慢性胃炎患者的療效及其對Hp清除的影響，評價了阿莫西林、替硝唑、奧美拉唑三聯療法對幽門螺桿菌（Hp）陽性的慢性胃炎患者的療效及其對炎癥因子和Hp清除的影響。他們選取2017年9月—2018年9月間收治的Hp陽性慢性胃炎患者100例資料，按治療方法的不同將其隨機分為對照組（50例）和觀察組（50例）;對照組患者給予奧美拉唑和阿莫西林治療，觀察組患者在對照組基礎上加用替硝唑治療;比較兩組患者治療前后血清白細胞介素-6（IL-6）、腫瘤壞死因子-α（TNF-α）水平測得值的變化情況，以及治療后的總有效率及Hp清除率的差異。結果表明，兩組患者治療前血清IL-6、TNF-α水平測得值經組間比較其差異均無統計學意義（P>0.05），治療后優于治療前（P<0.05）;觀察組患者治療后血清IL-6、TNF-α水平測得值均低于對照組（P<0.05）;觀察組患者治療后的總有效率及Hp清除率均高于對照組（P<0.05）。采用奧美拉唑、阿莫西林、替硝唑三聯療法治療Hp陽性慢性胃炎患者的療效較為確切，有利于促進炎癥的改善，能明顯提高了其對Hp的清除率。王德宜在《臨床醫藥文獻電子雜志》上，針對阿莫西林所致不良反應及藥學臨床分析，他們探討了阿莫西林所致不良反應及藥學臨床分析。他們選取2018年1月-2019年1月院收治的阿莫西林治療不良反應患者50例作為研究對象，回顧性分析所有患者阿莫西林的使用量、用藥情況，以及患者不良反應發生時間、表現等藥學臨床反應。發現本次研究患者服藥的目的都是為了預防感染，而用藥途徑則是以口服為主。用藥1～7 d出現不良反應現象的患者明顯要高于其他時間段，不良反應表現則是過敏為主，相較于它癥狀的不良反應情況發生數量而言，數據比較，差異有統計學意義（P<0.05）。結論患者在使用阿莫西林的時候，一定要確保用藥的規范與合理性，結合患者實際情況來合理用藥，同時在用藥過程中做好不良反應測試與規避工作，這樣才能降低這一藥物對于患者所造成的不良影響。

本文采用密度泛函理論的方法，B3YLYP/ 6-31+g水平下優化阿莫西林的結構，通過改變其椅式構型上1-H、3-H、4-H的直立鍵和平伏鍵相互轉變來判斷化學結構鍵對溶解度（logS）值是否存在影響。鑒于先前已經研究采用密度泛函理論來預報與測量分子藥物衍生物的pK_b值，并且已經得到了良好的線性相關系數關于分子藥物pK_b預測的線性方程式。因此本論文將采用密度泛函理論和密度泛函活性理論（DFT and DFRT）的方法與方式，B3YLYP/6-31+g水平下優化阿莫西林衍生物的結構，通過模擬計算來預測阿莫西林其他衍生物的溶解度的作用。此外本文還采用密度泛函理論模擬預測了阿莫西林一元取代物的紅外、拉曼、紫外和核磁共振譜圖，對譜圖中的特征峰進行指認和歸屬，這對阿莫西林的化工合成、光譜與理論性質預測與構效關系研究提供理論支持。本文試圖從波譜學和分子溶解性兩個角度分析其特征，所得結果可為AMXL檢測提供基礎數據參考^[7-10]。

1? 計算方法

在P4-DELL電腦上安裝Chem Draw 8.0軟件、Chem 3D軟件、Gauss View 5.0.9軟件、Gaussian 09W軟件、Origin 8.5等插件和軟件。用 Chem3D 模塊和 ChemDraw 8.0 軟件模塊，構建了7個AMXL極其衍生物的模型分子，首先使其分子優化結構，使其能量最低化;然后在GaussView 5.0.9 軟件模塊中，先使其能量構型優化到最低，然后使用密度泛函理論DFT/ B3LYP 與方法，借助6-31+G 水平下優化分子模型結構，其中計算關鍵詞分別為iop（5/33）=1， pop=（nbo， chelpg， hirshfeld） 的約束條件下，計算出7個AMXL及其衍生物分子的原子電荷。我們通過變換AMXL結構模型位置上的取代基團以及其取代基位置來獲得相關的衍生物分子，進一步來研究其4種電荷：Mulligen、ESP、NBO和HIR電荷變化;采用ACD Lab6.0軟件測得的logS的線性關系。本文使用了—NH₂、—CH₃作為取代基團在R₁、R₂、R₃、R₄位置進行一元取代基、二元取代基，總共得到7種阿莫西林的衍生物。阿莫西林的結構如圖1所示，使用分別將椅式結構1-H、3-H、4-H的平伏鍵改成直立鍵，總共獲得7種阿莫西林的化學結構鍵模型來研究在不同化學結構鍵的條件下，5-S的4種電荷——Mulligen、ESP、NBO和HIR電荷值變化與采用ACD Lab6.0軟件測得logS值之間的關系。在此基礎上，借助量子化學計算可以提高譜峰歸屬準確性。

2? 結果與討論

2.1? AMXL及其衍生物的原子電荷與溶解度關系

本論文首先使用Chem Draw8.0模塊和Chem Draw 3D軟件模塊，構建了8個阿莫西林及其衍生物分子的模型，運行軟件并使其結構和能量最低化;在Gauss View 5.0.9軟件模塊中，使用B3LYP泛函方法在6-31+G（d，p）基組水平下優化其分子結構，我們的計算關鍵詞為pop=（nbo，chelpg，hirshfeld）的約束條件下，分別計算出8個阿莫西林衍生物的DFT和DFRT量化參數。記錄5-S的Mulligen、ESP、NBO和HIR的電荷值;運用ACD Labs6.0軟件，得到8種阿莫西林衍生物相應水溶液中的溶解度（logS）預報值;然后分別將8種阿莫西林及其衍生物的Mulligen電荷、ESP電荷、NBO電荷和HIR的電荷值擬合，用Origin 8.5作圖，得到阿莫西林及其衍生物溶解度（logS）相應的線性回歸方程，比較R值（相關系數）大小，來確定R值最大的就是預測方程。由表1可知，阿莫西林椅式結構上H的平伏鍵變成直立鍵時，logS保持不變。這說明化學結構鍵的變化對于阿莫西林的溶解度沒有影響;阿莫西林椅式結構上H的平伏鍵變成直立鍵時，5-S的Mulligen、NBO和HIR的電荷值存在較小的變化，而5-S的ESP電荷值變化明顯（y=13.51x-0.72， R²=0.912）。

2.2? 紫外-可見吸收光譜

準確測定有機化合物的分子結構，對從分子水平去認識物質世界，推動近代有機化學的發展是十分重要的。采用現代儀器分析方法，可以快速、準確地測定有機化合物的分子結構。在有機化學中應用最廣泛的測定分子結構的方法是四大光譜法：紫外光譜、紅外光譜、核磁共振和質譜。紫外和可見光譜（ultraviolet and visible spectrum）簡寫為UV。在TD DFT B3LYP/6-31+G//OPT DFT/6-31+G水平下優化AMXL分子結構，計算得到阿莫西林紫外光譜。有機化合物分子中主要有三種電子：形成單鍵的σ電子、形成雙鍵的π電子、未成鍵的孤對電子，也稱n電子。基態時σ電子和π電子分別處在σ成鍵軌道和π成鍵軌道上，n電子處于非鍵軌道上。僅從能量的角度看，處于低能態的電子吸收合適的能量后，都可以躍遷到任一個較高能級的反鍵軌道上。模擬結果顯示了阿莫西林在303.3 nm處有最大吸收波長，且位于近紫外區，這是由苯環 π→π^* 躍遷電子所致（圖省去）。

2.3? 核磁共振吸收光譜

在密度泛函理論DFT B3LYP/6-31+G水平下優化結構，采用NMR-GIAO方法計算得到阿莫西林氫核共振譜圖（圖2，¹H-NMR）。苯環上4個氫（弱，（6.6～6.89）×10^-6）;主鏈上—CH（中，4.85×10^-6）;氨基上的H（中，2.0×10^-6）;甲基上的H（中，1.35×10^-6）;受旁邊的羰基、S原子等強吸引電子作用，其主鏈上的CH的化學位移發了變化（中，（4.72～4.85）×10^-6）。羧基中的H原子（弱，11.0×10^-6）。

2.4? 紅外和拉曼吸收光譜

拉曼光譜（Raman spectra），是一種散射光譜。拉曼光譜分析法是基于印度科學家C.V.拉曼（Raman）所發現的拉曼散射效應，對與入射光頻率不同的散射光譜進行分析以得到分子振動、轉動方面信息，并應用于分子結構研究的一種分析方法。拉曼效應起源于分子振動（和點陣振動）與轉動，因此從拉曼光譜中可以得到分子振動能級（點陣振動能級）與轉動能級結構的知識。在密度泛函理論DFT B3LYP、6-31+G水平下優化結構，采用Frequency方法計算得到圖3結構的阿莫西林紅外光譜圖3（a）。3 940 cm^-1為平面內—OH伸縮振動;1 800 cm^-1為平面內C=O伸縮振動;1 230 cm^-1平面內—CH擺動，環上H對稱擺動;1 100 cm^-1平面外環H不對稱擺動。有些吸收峰在譜圖中均有出現，但其頻率較小，Origin 8.5軟件中不做波峰處理。

在密度泛函理論B3LYP水平下優化結構，采用Frequency方法計算得到圖3（b）結構的阿莫西林拉曼光譜圖。3 770 cm^-1為平面內-OH伸縮振動;1 800 cm^-1為平面內C=O伸縮振動;1 540 cm^-1為平面內環上H對稱擺動;1 060 cm^-1為平面外-CH₃對稱擺動;980 cm^-1為平面外環上H不對稱擺動。拉曼光譜中所有的波峰比實驗數值有所浮動，這是由于GaussView 5.0.9在模型建立中存在相對應的誤差，但并不影響基本官能團的判斷。

2.5? 熒光和磷光發射光譜

通過 OPT/TD DFT方法，我們實現了 AMXL 建模和結構優化，熒光和磷光發射光譜圖頻率則通過Energy 方法計算得到，再借助 Origin 8.5 作圖分析（圖省去）顯示了AMXL 在 343.9 nm 處有最大熒光發射波長，且在近紫外區范圍內。而其磷光圖發射峰在 323.8 nm 處，有較短發射波長原因是發生苯環分子內發生電子 n→π* 躍遷。

3? 結 論

1）在DFT B3YLYP水平下優化阿莫西林衍生物結構，改變其1-H、3-H、4-H的化學結構鍵位置，結果顯示直立/平伏鍵的轉變對阿莫西林的溶解度沒有影響;阿莫西林椅式結構上H的平伏鍵變成直立鍵時，5-S的Mulligen、NBO和HIR的電荷值存在較小的變化，而5-S的ESP電荷值變化明顯（y=13.51x-0.72，R²=0.912）。

2）本文對7種不同的阿莫西林衍生物分別進行紅外、紫外、拉曼光譜、熒光和磷光和核磁共振進行了模擬預測，對以上光譜圖中的特征峰進行指認和歸屬，對AMXL及部分衍生物進行了圖譜模擬預測和描述，這對我院制藥專業學生學習AMXL衍生物檢測認知提供參考數據。值得在我院其他專業拓展訓練中推廣與應用。實踐證明該方法，對于培養優秀的制藥工程專業的復合型人才，有十分積極的影響。

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基金項目： 2019 年度臺州市大學生科技創新項目資助（項目編號：2019121）。

收稿日期： 2019-09-28

作者簡介： 洪文燕（1997-），女，浙江省三門縣人，研究方向：藥物合成。E-mail：997202351@qq.com。

通訊作者： 鐘愛國（1964-），男，教授，碩士，研究方向：計算化學。E-mail：xg2268@163.com。