制藥專業拓展實驗甘氨酸衍生物pKa和分子光譜

陳茹箐 王祖琪 馮繼濤 施琪浩 張英杰 余彬彬 金燕仙 秦利明 葉余原 蔣華江 章少陽 鐘愛國

摘? ? ? 要： 用密度泛函理論（DFT）和信息理論（IT）的方法，優化了11種甘氨酸結構并預測甘氨酸衍生物的 pKa 值。結果發現，甘氨酸及其10種衍生物的 H 原子的二級費歇爾熵與其酸度系數pKa值線性方程相關系數r值（Y =-34.960 + 9.751X ，r =0.868）最大。這一發現對研究甘氨酸衍生物結構和相關性質有著極其重要的意義。此外，還采用密度泛函理論模擬預測了甘氨酸在不同位置的一元取代紅外吸收、拉曼光譜、核磁共振和紫外吸收光譜，所得結果對制藥工程專業本科生開展拓展訓練提供了好的材料。

關? 鍵? 詞：甘氨酸;酸度電離常數;信息理論;分子光譜

中圖分類號：O621.25? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ?文章編號： 1671-0460（2020）09-1900-05

Abstract： Eleven glycine structures were optimized and pKa values of glycine derivatives were predicted by density functional theory and information theory. The results showed that the second-order Fisher entropy of H atom of glycine and its 10 derivatives had the maximum linear correlation coefficient（y=-34.960+9.751x， r=0.868） with the pKa. This discovery is very important for the study of the structure and related properties of glycine derivatives. In addition， the density functional theory was used to simulate and predict the infrared， Raman， nuclear magnetic and UV-Vis spectra of glycine at different positions. The results can provide good reference for the development training of pharmaceutical engineering undergraduates.

Key words： Glycine; Acidity coefficient; Information theory; Molecular spectrum

甘氨酸（Glycine，C2H5NO2），又名氨基乙酸，是結構最簡單的α-氨基酸[1]，固態甘氨酸是白色結晶粉末或白色單斜晶系。在水中易溶，有特殊甜味，無毒無臭[2]，幾乎不溶于乙醇或乙醚。甘氨酸也是有機合成中一種重要的原料，廣泛應用于農藥、醫藥、化工、食品等領域。它不僅參與蛋白質、卟啉、膽鹽等的代謝，具有保護細胞、調節免疫系統、光譜抗炎等作用，還在中樞神經系統中作為神經遞? 質[3]。經研究表明，甘氨酸具有復雜的生理功能并在許多疾病中發揮有效的治療作用。而甘氨酸可在人和哺乳動物的體內降解，其主要是通過甘氨酸裂解系統的脫羧和脫氫[4]。甘氨酸的主要化學合成工藝有氯乙酸氨解法、海因法、施特雷克法三種方? ?法[5-6]。目前，國外已采用改進的海因法和施特雷克法，但國內仍舊采用已被國外淘汰的氯乙酸氨解法來生產甘氨酸[7]。甘氨酸在醫藥行業中作為抗胃酸沖劑、氨基酸制劑，也可用作治療重癥肌無力和進行性肌肉萎縮，可治療兒童高脯氨酸血癥，可治療胃酯過多癥和慢性腸炎等。農業上氨基酸主要作為家禽家畜等食用的飼料增加氨基酸的引誘劑與添加劑，可用作為水解蛋白添加劑和增效劑，合成除草劑固體草甘膦和殺菌劑異菌脲。本文采用信息理論方法，優化甘氨酸及其衍生物的結構，判斷化學結構鍵對其酸度常數pKa是否影響[8-9]，通過計算得到相關性最高的關于預測酸度pKa的線性方程，從而起到預測甘氨酸其他衍生物的酸度pKa的作用。此外還用DFT理論模擬預測了甘氨酸一元取代紅外光譜、拉曼光譜、核磁和紫外吸收分子光譜[10-11]。

1? 實驗部分

1.1? 實驗與模型

裝有Chem3D、ChemDraw8.0、 GaussView5.0.9、 Gaussian09W、ACD-Labs 6.0、Origin 8.6、 Multiwfn 3.5 等軟件的 PC 電腦一臺。甘氨酸的結構如圖1所示。

通過改變C和N上的取代基獲得其衍生物，來研究其4種熵（申農熵、費歇爾熵、二級費歇爾熵和Parr熵）的變化與采用ACDLab6.0軟件測得的pKa的線性關系。本文用-Cl、-F、-Br、-CH3、-NO2作為取代基在不同位置上進行一元取代，總共得到11種甘氨酸及其衍生物。使用Chem3D軟件，構建11個甘氨酸及其衍生物的模型，并使用ChemDraw 8.0進行其能量最低化;在GaussView5.0.9軟件中，對甘氨酸進行構型優化，并保存mol格式和gif格式，在菜單欄中選Calculate-Gaussian Calculate Setup，分別計算11個甘氨酸及其衍生物的量化參數。記錄甘氨酸的紅外光譜、核磁光譜、紫外光譜和拉曼光譜的頻率值并用Origin 8.6 作出光譜圖;運用 ACD Labs 6.0 軟件，得到11個甘氨酸及其衍生物相對應的酸度常數pKa預測值;再用Multiwfn 3.5分別計算11個甘氨酸及其衍生物的信息分子熵，記錄其所需O、H原子的熵值。最后分別將11個甘氨酸及其衍生物O、H原子的4種的熵值與得到的pKa用 Origin 8.6作圖，得到線性回歸方程，比較相關系數r值大小，確定r值最大的為預測方程。

1.2? 結果與討論

由軟件GaussView 5.0.9計算所得的甘氨酸及其10種衍生物O、H原子的申農熵、費歇爾熵、二級費歇爾熵和Parr熵以及由軟件ACD-Labs6.0預測得到的相應衍生物酸度pKa如表 1 和表2所示。

為了更明顯地表達出熵值變化與酸度pKa的線性關系，分別用甘氨酸及其10種衍生物的申農熵、費歇爾熵、二級費歇爾熵和Parr熵的熵值與pKa值進行Origin作圖分析，得出以下結果。甘氨酸及其10種衍生物O原子的申農熵與pKa值關系相關系數r=0.565，線性方程為Y=-31.038+11.431X。甘氨酸及其10種衍生物H原子的申農熵與pKa值關系，相關系數r為0.752，r2為0.518，線性方程為Y=-62.632+37.017X 。甘氨酸及其10種衍生物O原子的費歇爾熵與pKa 值關系相關系數r為0.614，r2為0.3079，線性方程為Y=-3550.172+7.964X。甘氨酸及其10種衍生物 H 原子的費歇爾熵與pKa值關系相關系數r為0.785，r2=0.574， 線性方程為Y=-62.959+18.648X。甘氨酸及其10種衍生物O原子的二級費歇爾熵與pKa值關系相關系數r為0.553， r2=0.229， 線性方程為Y=-997.994+2.250X。甘氨酸及其10種衍生物H原子的二級費歇爾熵與pKa值關系相關系數r為0.868，r2為0.727，線性方程為Y=-34.960+ 9.751X。甘氨酸及其10種衍生物H原子的Parr熵與pKa 值關系相關系數r為0.558，r2為 0.235，線性方程為Y=-288.967+5.109 28X。甘氨酸及其10種衍生物H原子的Parr熵與pKa值關系相關系數r為0.717， r2為0.460 6，線性方程為Y=-77.610+ 17.707X 。由以上Origin圖可知甘氨酸及其10種衍生物的H原子的二級費歇爾熵與酸度系數pKa值線性方程的r 值最大（r=0.868），即相關性最好。由此可知，可以運用H原子的二級費歇爾熵對酸度pKa值此條線性方程來預測其他甘氨酸衍生物的酸度系數，這一方法對研究甘氨酸衍生物結構和相關性質以及開發甘氨酸衍生物的化學性質有著重要意義。

2? 分子光譜

2.1? 甘氨酸及其衍生物紅外光譜

紅外光譜法上是一種根據分子內部原子間的分子轉動和相對振動等信息來確定分子結構和鑒別物質的分析方法。通過紅外光譜圖的分析可以得到分子結構和化學鍵的特點，可以用通過與標準化合物的紅外光譜圖對比來鑒別未知物的結構組成或確定其化學基團;而吸收譜帶的吸收強度與化學基團的含量有關，可用于進行定量分析和純度鑒定。本文使用 GaussView 5.0.9 軟件進行建模、計算，采用 Frequency方法分別計算得到11種甘氨酸及其衍生物的譜圖頻率，使用 Origin 8.6 進行譜圖處理。使用軟件GaussView 5.0.9 水平優化結構，采用 Frequency方法計算得到甘氨酸紅外光譜圖并使用Origin作圖分析如圖2（a）所示。甘氨酸在紅外光譜圖的吸收峰如下：在600 cm-1處的吸收峰為—COOH 的伸縮振動區;在928 cm-1為O—H 的面外搖擺振動;在1 152 cm-1為C—C的伸縮振動;在1 568 cm-1為C=O 的伸縮振動。一元取代 R1=—F的甘氨酸衍生物在紅外光譜圖的吸收峰如下：在912 cm-1處的吸收峰為C—H的面外搖擺振動;在2 040 cm-1為—F的不對稱伸縮振動;在1 360 cm-1為 C—C 的伸縮振動。一元取代 R2=-F的甘氨酸衍生物在紅外光譜圖的吸收峰如下：在720 cm-1處的吸收峰為C—H 的面內搖擺振動;在950 cm-1為C—H 的面外搖擺振動;在1 260 cm-1為C—O的面內伸縮振動;在? ? ? 1 360 cm-1為C—C的伸縮振動;在2 040 cm-1為—F的不對稱伸縮振動;在3 740 cm-1為C—H的伸縮振動區。一元取代 R1=-Cl的甘氨酸衍生物在紅外光譜圖的吸收峰如下：570 cm-1處的吸收峰為O—H 的面內搖擺振動;在950 cm-1為C—H 的面外搖擺振動;在1 230 cm-1為C—H 的面內伸縮振動;在? ? ?1 360 cm-1為C—C的伸縮振動;在2 040 cm-1為-Cl的不對稱伸縮振動;在3 740 cm-1為C—H 的伸縮振動區。R1=-Cl的甘氨酸衍生物紅外光譜圖并使用 Origin作圖分析。一元取代 R1=-Cl的甘氨酸衍生物在紅外光譜圖的吸收峰如下：570 cm-1處的吸收峰為O—H的面內搖擺振動;在 950 cm-1 C—H 的面外搖擺振動;在 1 230 cm-1 C—H的面內伸縮振動;在 1 60 cm-1為C—C的伸縮振動;在2 040 cm-1為-Cl的不對稱伸縮振動;在3 740 cm-1峰為C—H 的伸縮振動區（未顯示）。

2.2? 甘氨酸及其衍生物拉曼光譜

拉曼光譜是印度物理學家Raman于1928年發現的，其檢測的原理是利用各種分子的振動能級不同，分子在接收到一束頻率為v的光后，分子與光相互作用，散射出頻率為v±v0 的光，而v0 則就稱為拉曼位移;對于同一種分子來說，入射光v 一定時，拉曼位移v0就一定，因此，可使用拉曼光譜來探究分子的結構特征和主要官能團。本文使用 GaussView5.0.9 軟件進行建模、計算，采用 Frequency 方法分別計算得到11種甘氨酸及其衍生物的頻率，使用Origin 8.6 進行譜圖處理。一元取代R2=-F的甘氨酸衍生物拉曼光譜圖并使用Origin作圖分析如圖2（b）所示。

一元取代 R2=-F的甘氨酸衍生物在拉曼光譜圖的吸收峰如下：在4 470 m-1處的吸收峰為OH 的對稱伸縮振動;在3 740 m-1為C—H對稱伸縮振動;在 2 700 m-1為-CN 伸縮振動;在1 800 cm-1為C—H的對稱伸縮振動;在1 740 cm-1為C-H的反對稱伸縮振動;在1 370 cm-1為C—C的伸縮振動;在10 300 cm-1為—OH 面外搖擺振動。拉曼光譜中所顯示的波峰與實驗數值有所浮動，這是由于 GaussView5.0.9 在建立模型時存在相應的誤差，并不影響基本官能團的判斷。一元取代 R1=-Cl的甘氨酸衍生物在拉曼光譜圖的吸收峰如下：在4 500 cm-1處的吸收峰為—OH的對稱伸縮振動;在3 740 cm-1為 C—H對稱伸縮振動;在1 740 cm-1為C—H 的反對稱伸縮振動;在1 360 cm-1處的吸收峰為C—C的伸縮振動;在1 230 cm-1處的吸收峰C—Cl的伸縮振動;在810 cm-1為碳骨架面內搖擺振動。一元取代 R2=-Cl 的甘氨酸衍生物拉曼光譜圖并使用Origin 作圖分析如圖（未顯示）。一元取代 R2=-Cl的甘氨酸衍生物在拉曼光譜圖的吸收峰如下：4 500 cm-1處的吸收峰為—OH的對稱伸縮振動;在3 740 m-1 為C—H 對稱伸縮振動;在1 740 cm-1為C—H的反對稱伸縮振動;在1 360 cm-1為C—C的伸縮振動;在1 230 cm-1為C—Cl的伸縮振動;在810 cm-1為碳骨架面內搖擺振動。拉曼光譜中所顯示的波峰與實驗數值有所浮動，這是由于GaussView 5.0.9在建立模型時存在相應的誤差，并不影響基本官能團的判斷。

2.3? 甘氨酸及其衍生物核磁共振吸收光譜

核磁共振是磁矩不為零的原子核，在外磁場作用下自旋能級發生塞曼分裂，共振吸收某一定頻率的射頻輻射的物理過程。它是對各種有機和無機物的成分、結構進行定性分析的最強有力的工具之一，有時亦可進行定量分析。本文使用 GaussView 5.0.9軟件進行建模、計算，采用 NMR 方法分別計算得到11種甘氨酸及其衍生物的頻率，使用 Origin 8.6進行譜圖處理。使用軟件ChemDraw 8.0打開物質模型，采用Predict1H-NMR shifts和Predict 13H-NMR shifts方法計算得到甘氨酸核磁光譜。表3顯示了甘氨酸C、H位移量。使用軟件 ChemDraw 8.0打開物質模型，采用Predict 1 H-NMR shifts 和Predict 13H-NMR shifts 方法計算得到甘氨酸衍生物核磁光譜。表 3顯示了一元取代 R1=-F 的甘氨酸衍生物核磁 C、H 位移量。

2.4? 甘氨酸及其衍生物紫外吸收光譜

由于物質分子內部在進行轉動、振動和電子運動，相應狀態的能量即狀態的本征值是量子化的，因此分子具有轉動能級、振動能級和電子能。利用物質分子對紫外光的吸收所產生的紫外可見光譜及吸收程度就可以對物質的結構、含量和組成進行分，這就是紫外光譜法。本文使用GaussView 5.0.9 軟件進行建模、計算，采用Energy方法分別計算得到11種甘氨酸及其衍生物的頻率，使用Origin 8.6進行譜圖處理。使用軟件GaussView 5.0.9 水平優化結構，采用 Energy方法計算得到甘氨酸紫外光譜圖并使用 Origin8.6軟件作圖分析如圖 3（a）所示。

圖中顯示了甘氨酸在171.8 nm處有最大吸收波長，位于近紫外區。這是因為 n→σ* 的躍遷，吸收波長較長。一元取代 R1=-F 的甘氨酸衍生物紫外光譜圖并使用 Origin8.6 軟件作圖分析。顯示了一元取代 R1=-F 的甘氨酸衍生物在174.8 nm 處有最大吸收波長，位于近紫外區。這是因為π→π* 的躍遷，吸收波長較長。R2=-F的甘氨酸衍生物紫外光譜圖并使用Origin8.6軟件作圖顯示了一元取代R2=-F的甘氨酸衍生物在 299.2 nm處有最大吸收波長，位于近紫外區。這是因為n→σ*躍遷，吸收波長較長。使用軟件 GaussView 5.0.9 水平優化結構，一元取代 R1=-Cl的甘氨酸衍生物在192 nm 處有最大吸收波長，位于近紫外區。這是因為π→π* 的躍遷，吸收波長較短。R2=-Cl的甘氨酸衍生物紫外光譜圖并使用Origin8.6軟件作圖分析如圖3（b）所示。圖中顯示了一元取代R2=-Cl的甘氨酸衍生物在? 260.3 nm 處有最大吸收波長，位于近紫外區。這是因為n→σ*躍遷，吸收波長較長。使用軟件GaussView 5.0.9水平優化結構，采用Energy 方法計算得到一元取代 R1=-Br的甘氨酸衍生物紫外光譜圖并使用Origin8.6軟件作圖分析如圖 3（a）所示。圖中顯示了一元取代 R1=-Br的甘氨酸衍生物在 212.8 nm處有最大吸收波長，位于近紫外區。這是因為π→π*的躍遷，吸收波長較長。一元取代 R2=-Br甘氨酸衍生物紫外光譜圖并使用Origin8.6軟件作圖分析如圖3（b）所示。圖中顯示了一元取代R2=-Br 的甘氨酸衍生物在 271.5 nm 處有最大吸收波長，位于近紫外區。這是因為 n→σ* 的躍遷，吸收波長較長。

3? 結 論

本文將采用信息理論的方法，構建并優化甘氨酸及其10種衍生物模型，得出以下結論：

1）甘氨酸及其10種衍生物的H、O原子的費歇爾熵 、二級費歇爾熵存在較小的變化，而H、O原子的申農熵和 Parr熵變化較為明顯，其中H原子的二級費歇爾熵與pKa 線性關系最好。

2）本文將采用信息理論的方法，構建并優化甘氨酸及其10種衍生物模型，通過計算得到相關性最高的關于預測酸度常數pKa的線性方程，其中H原子的二級費歇爾熵與pKa的線性方程r值最大（r=0.869，r2=0.727），即相關性最好。因此我們可以選用此條線性方程來預測其他甘氨酸衍生物的酸度常數，這對我院制藥工程專業學生今后學習氨基酸分子衍生物檢測提供參考數據。

3）本文對甘氨酸及部分衍生物進行紅外吸收、拉曼光譜、核磁共振和紫外吸收光譜的進行了模擬預測，并對譜圖中的特征峰進行指認和歸屬，為我院工科專業實施拓展訓練材料及藥物光譜預測提供材料。

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