基于量子化学研究头孢拉定水解和直接光解行为

发布时间：2020-04-01 15:21

【摘要】：在水环境中新型污染物抗生素经常被检出,其环境行为和生态风险已引起关注。水解和光解行为是决定抗生素环境归趋的重要途径。然而,仅凭实验方法获取其水解和光解数据,难以满足生态风险评价的需求,需要发展计算预测方法。本研究选取头孢拉定为抗生素的模型分子,采用量子化学计算方法预测头孢拉定的水解和直接光解行为,揭示其水解和直接光解机理,并用实验数据验证预测结果。头孢拉定分子具有2个水解官能团(β-内酰胺键和酰胺键),2种互变异构体。在天然水pH范围内,头孢拉定存在两种离子形态(两性离子形态AH±和阴离子形态A-)。本研究主要内容和结果如下：(1)基于密度泛函理论(DFT)和过渡态理论计算,考察了头孢拉定的水解路径和动力学。结果表明：酸性条件下AH+水分子辅助水解为主要路径,中性条件和碱性条件下AH±或A-碱催化水解为主要路径；不同pH条件下的水解速率计算值与实验值吻合；计算的水解产物二酮哌嗪与前人实验结果一致；发现头孢拉定分子中羧基能促进水解。(2)在抗生素与过渡金属离子复合污染的背景下,金属离子对抗生素水解的影响机理尚需阐明。采用DFT计算了水中Cu(Ⅱ)与A-的配位反应的吉布斯自由能和稳定常数,发现Cu(Ⅱ)与A-可形成1：1的配合物存在两种形态：Cu(Ⅱ)与A+分子支链α-氨基氮原子和羰基氧原子配位,同时结合一个水分子；Cu(Ⅱ)与羧基氧原子和β-内酰胺氧原子配位,同时结合两个水分子。分析了A-配位前后水解反应活性,结果表明：Cu(Ⅱ)的配位作用能增大A-水解反应位点的原子正形式电荷量,降低了配合物的最低未占据分子轨道能和活化吉布斯自由能,从而促进A-水解。计算结果得到实验结果的佐证。(3)基于DFT和含时密度泛函理论(TD-DFT)计算,揭示了AH±和A-的直接光解机制。通过计算垂直激发能和激发态分子内质子转移势能面,发现AH±能发生激发态分子内质子转移。AH±和A-在激发单线态和激发三线态的脱羧、异构和水解反应活化能的计算结果表明：头孢拉定的主要光解途径为光致脱羧反应和光致异构反应,其中光致异构反应发生在AH±的T1态和A-的激发态,光致脱羧反应发生在AH±形态的S1态。光致脱羧产物已被前人实验检出。综上,本研究采用量子化学计算,模拟预测了头孢拉定水解和直接光解行为,揭示了Cu(Ⅱ)配位对头孢拉定水解的影响机制,对进一步发展基于量子化学计算预测有机污染物水解和直接光解行为的方法,具有理论和实际价值。
【图文】：

图１．１６反应势能面逡逑Ｆｉｇ．邋１．１６邋Ｆｒｅｅ邋ｅｎｅｒｇｙ邋ｐｒｏｆｉｌｅｓ邋ｏｆ邋ａ邋ｒｅａｃｔｉｏｎ逡逑到反应速率常数Ａ，，邋１５２R%’１巧逡逑．＿ｗ；Ｖ皆逦ｐＺ邋＝邋ｒ．Ｍ：．Ｋ：ｈ逦＼２ｎ＾ｍ邋片逡逑常数；逡逑１逡逑一活化物与反应物之间的平衡常数；逡逑能累的速度：逡逑－

本章尝试采用ＤＦＴ和过渡态理论预测头抱拉忘水解速率、水解位点和产物，并逡逑用实验数据验证预测结果。头抱拉定分子具有两个水解位点（Ｐ－内憸胺键Ｑ－Ｎｓ和支链憸逡逑胺键Ｃ｜４－Ｎｉ３），两个亲核进攻方向，见图２．１。逡逑＾＾ｉｄｅ逡逑ａ邋ｓｉｄｅ邋Ｉ邋ａＪｄ＾逡逑图２．１头抱拉定分子结构和水解位点逡逑Ｆｉｇ．邋２．１邋Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ邋Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｃｅｐｈｒａｄｉ打ｅ邋ａｎｄ邋ｉｔｓ邋ｈｙｄｒｏｌｙｓａｂｌｅ逡逑ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ邋ｇｒｏｕｐｓ．逡逑２．２实验材料和方法逡逑２．２．１实验材料逡逑头抱拉定（Ｃｅｐｈｒａｄｉｎｅ＞邋９９％，ＣＡＳ邋３８８２１－５３－３，浙江昂利康制药有限公司）；a愃岫�逡逑氨钢、立酸轴、氯化钢、冰醋酸、乙醇胺和甲醇均采用色谱纯和分析纯，购于天津市科逡逑密欧化学设备有限公司；超纯水（１８．２ＭＱ，ｃｍ）：由ＯＫＰＵＲＥ实验室超纯水器制备（上海逡逑沫科仪器有限公司生产）。逡逑分折仪器包括：配各自动进样器和二极管阵列（ＤＡ巧检测器的高效液相色谱仪逡逑（邸Ｌ�

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