β-环糊精及其衍生物包合作用的分子模拟研究

摘要

环糊精的结构构成是一类由D-吡喃葡萄糖单元通过α-1，4糖苷键首尾连接而成的大环化合物，常见的α-、β-、和γ-环糊精分别有6、7和8个葡萄糖单元。环糊精的内腔呈疏水环境，外侧因羟基的聚集而呈亲水性。这一独特的两亲性结构可使环糊精作为“主体”包结不同的疏水性“客体”化合物。它在合成制药、催化、分离技术以及人造酶应用也越来越广泛。
　　 本文采用量子化学(QM)以及分子动力学(MD)的计算手段理论研究了主体分子β-环糊精及其衍生物的包合过程。阐述了主客体分子的识别机理以及驱动力，通过分析能量、吉布斯自由能等热力学参数，确定了环糊精与有机小分子以及药物分子包合的最稳定构型。取得的主要创新性成果和结论表现在以下四个方面：
　　 ⑴采用半经验PM3的计算手段理论研究了在真空中，主体β-环糊精的空间构型以及与六种苯取代的客体有机小分子的主要作用。优化了β-环糊精母体有两种稳定构象，小口端羟基朝向环内的β-环糊精(Ⅰ)和朝向环外的β-环糊精(Ⅱ)。结果表明，母体Ⅱ与六种小分子生成包合物反应前后的能量差明显比母体Ⅰ来的稳定，并且阐述了主客体分子的识别机理以及驱动力。
　　 ⑵随后我们研究了真空中β-环糊精(Ⅱ)与对位苯酚类客体小分子的包合作用，计算手段仍然采用半经验PM3的方法。计算结果表明，对溴苯酚与β-CD包合后其结合能最稳定。我们用AIM研究了包合物之间的氢键作用。环糊精在真空中与七种客体分子形成包合物的驱动力为氢键相互作用，偶极一偶极相互作用，电荷转移和疏水作用。确定了环糊精与对位酚类有机小分子的1∶1稳定包合构型，主客体包合反应熵减少，主要为焓驱动。
　　 ⑶介于β-环糊精溶解度以及生物副作用，我们对环糊精进行了修饰，得到2-羟丙基-β-环糊精(2-HPCD)。采用半经验PM3的计算手段对2-HPCD包合五种抗菌药物的过程进行了详细的研究。2-HPCD根据主面羟基的朝向同样分为两种构象，在与药物包合的过程中，主面羟基朝腔内的主体构象在能量上表现的较为稳定。本文还阐述了2-HPCD与药物分子之间的电荷转移，偶极一偶极相互作用以及主客体的相互作用，同时也对分子间的弱氢键相互作用进行了较为完善的论述。
　　 ⑷采用分子动力学建立的溶剂模型来模拟2-HPCD与五种药物分子在水溶液环境下的作用模式。考虑了药物与主体作用的a,b两种初始构象。羟丙基修饰的2-HPCD比β-CD多了7个羟基，这也是羟丙基环糊精比环糊精水溶性强的原因。计算结果表明2-HPCD与药物分子能通过水合作用增强主客体的相互作用。根据计算得到的结合能表明，主体与螺内酯包合后的能量最稳定，这一结果与真空中半经验优化得到的结论一致。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1超分子化学概况

1.2环糊精

1.3超分子的模拟方法

1.4力场与自由能

1.4.1力场

1.4.2自由能计算

参考文献

第二章 β-环糊精识别苯取代客体小分子

引言

2.1计算方法

2.2主客体分子初始结构的确定

2.2.1 β-环糊精几何构型优化与分析

2.2.2势能面扫描

2.2.3角度扫描

2.3 PM3方法全优化后的构象与热力学参数分析

2.3.1频率分析

2.3.2优化前后的电荷分析

2.3.3热力学参数的分析与讨论

2.3.4分子间弱氢键

2.3.5偶极—偶极相互作用

本章小结

参考文献

第三章 β-环糊精包合对位酚取代客体小分子

引言

3.1计算方法

3.2势能面扫描

3.3振动分析

3.4优化前后的电荷分析

3.5热力学参数的分析与讨论

3.6分子内氢键

3.7偶极—偶极相互作用

本章小结

参考文献

第四章 2-羟丙基-β-环糊精(2-HPCD)包合五种药物小分子的量子化学计算

引言

4.1计算方法

4.2主客体分子构型

4.2.1 2-HPCD几何构型优化与分析

4.2.2五种药物分子的几何构型优化与分析

4.3势能面扫描

4.4振动分析

4.5电荷分析

4.6包合物中氢键的形成

4.7热力学参数的分析与讨论

4.8偶极—偶极相互作用

本章小结

参考文献

第五章 2-羟丙基-β-环糊精(2-HPCD)包合五种药物小分子的动力学模拟

前言

5.1计算方法

5.2水溶液中分子构型

5.3螺内酯动力学模拟分析

5.4吡罗昔康动力学模拟分析

5.5酮洛芬动力学模拟分析

5.6磺胺嘧啶动力学模拟分析

5.7美洛昔康动力学模拟分析

本章小结

参考文献

结论与展望

硕士期间发表论文

致谢