基于量子化学研究头孢拉定水解和直接光解行为

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。

目录

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摘要

图目录

表目录

主要符号表

主要缩写表

1 抗生素水解和光解行为的研究进展及选题依据

1．1 环境中抗生素的来源及环境水平

1．1．1 抗生素的简介

1．1．2 环境水体中抗生素的来源

1．1．3 抗生素的环境水平

1．1．4 抗生素的生态风险

1．2 水环境中抗生素水解和光解行为

1．2．1 抗生素水解行为

1．2．2 抗生素光解行为

1．3 污染物水解和光解行为的预测方法

1．3．1 密度泛函理论

1．3．2 含时密度泛函理论

1．3．3 过渡态理论

1．4 本文主要研究思路

1．4．1 选题依据

1．4．2 主要研究目的和内容

1．4．3 技术路线

2 不同pH下头孢拉定水解行为的预测和验证

2．1 引言

2．2 实验材料和方法

2．2．1 实验材料

2．2．2 实验方法

2．3 计算方法

2．3．1 量子化学计算方法

2．3．2 热力学判据

2．3．3 动力学分析方法

2．3．4 计算速率常数公式推导

2．4 结果讨论

2．4．1 在水环境中头孢拉定的稳定结构

2．4．2 吉布斯自由能判断反应方向

2．4．3 头孢拉定水解的动力学研究

2．4．4 头孢拉定水解速率预测和实验验证

2．4．5 主要中间产物的后续反应

2．5 小结

3 Cu(Ⅱ)配位对阴离子形态头孢拉定水解影响的预测及验证

3．1 引言

3．2 研究方法

3．2．1 计算方法

3．2．2 实验材料及方法

3．3 结果讨论

3．3．1 Cu(Ⅱ)与A-配位位点及水解反应位点的预测

3．3．2 配位前后A-水解反应活性的预测

3．3．3 配位前后头孢拉定水解反应活性的实验验证

3．4 小结

4 不同解离形态的头孢拉定直接光解机理

4．1 引言

4．2 研究方法

4．2．1 计算方法

4．2．2 验证方法

4．3 结果讨论

4．3．1 头孢拉定的激发态分子内质子转移

4．3．2 头孢拉定的基态和激发态分子结构、电荷分布和前线轨道分析

4．3．3 头孢拉定直接光解路径的预测

4．3．4 头孢拉定直接光解路径预测结果与Wang等实验结果对比分析

4．4 小结

5 结论和展望

5．1 结论

5．2 创新点

5．3 展望

参考文献

附录

作者简介

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢