發(fā)布時間：2020-04-01 15:21

【摘要】：在水環(huán)境中新型污染物抗生素經常被檢出,其環(huán)境行為和生態(tài)風險已引起關注。水解和光解行為是決定抗生素環(huán)境歸趨的重要途徑。然而,僅憑實驗方法獲取其水解和光解數據,難以滿足生態(tài)風險評價的需求,需要發(fā)展計算預測方法。本研究選取頭孢拉定為抗生素的模型分子,采用量子化學計算方法預測頭孢拉定的水解和直接光解行為,揭示其水解和直接光解機理,并用實驗數據驗證預測結果。頭孢拉定分子具有2個水解官能團(β-內酰胺鍵和酰胺鍵),2種互變異構體。在天然水pH范圍內,頭孢拉定存在兩種離子形態(tài)(兩性離子形態(tài)AH±和陰離子形態(tài)A-)。本研究主要內容和結果如下：(1)基于密度泛函理論(DFT)和過渡態(tài)理論計算,考察了頭孢拉定的水解路徑和動力學。結果表明：酸性條件下AH+水分子輔助水解為主要路徑,中性條件和堿性條件下AH±或A-堿催化水解為主要路徑；不同pH條件下的水解速率計算值與實驗值吻合；計算的水解產物二酮哌嗪與前人實驗結果一致；發(fā)現頭孢拉定分子中羧基能促進水解。(2)在抗生素與過渡金屬離子復合污染的背景下,金屬離子對抗生素水解的影響機理尚需闡明。采用DFT計算了水中Cu(Ⅱ)與A-的配位反應的吉布斯自由能和穩(wěn)定常數,發(fā)現Cu(Ⅱ)與A-可形成1：1的配合物存在兩種形態(tài)：Cu(Ⅱ)與A+分子支鏈α-氨基氮原子和羰基氧原子配位,同時結合一個水分子；Cu(Ⅱ)與羧基氧原子和β-內酰胺氧原子配位,同時結合兩個水分子。分析了A-配位前后水解反應活性,結果表明：Cu(Ⅱ)的配位作用能增大A-水解反應位點的原子正形式電荷量,降低了配合物的最低未占據分子軌道能和活化吉布斯自由能,從而促進A-水解。計算結果得到實驗結果的佐證。(3)基于DFT和含時密度泛函理論(TD-DFT)計算,揭示了AH±和A-的直接光解機制。通過計算垂直激發(fā)能和激發(fā)態(tài)分子內質子轉移勢能面,發(fā)現AH±能發(fā)生激發(fā)態(tài)分子內質子轉移。AH±和A-在激發(fā)單線態(tài)和激發(fā)三線態(tài)的脫羧、異構和水解反應活化能的計算結果表明：頭孢拉定的主要光解途徑為光致脫羧反應和光致異構反應,其中光致異構反應發(fā)生在AH±的T1態(tài)和A-的激發(fā)態(tài),光致脫羧反應發(fā)生在AH±形態(tài)的S1態(tài)。光致脫羧產物已被前人實驗檢出。綜上,本研究采用量子化學計算,模擬預測了頭孢拉定水解和直接光解行為,揭示了Cu(Ⅱ)配位對頭孢拉定水解的影響機制,對進一步發(fā)展基于量子化學計算預測有機污染物水解和直接光解行為的方法,具有理論和實際價值。
【圖文】：

圖１．１６反應勢能面逡逑Ｆｉｇ．邋１．１６邋Ｆｒｅｅ邋ｅｎｅｒｇｙ邋ｐｒｏｆｉｌｅｓ邋ｏｆ邋ａ邋ｒｅａｃｔｉｏｎ逡逑到反應速率常數Ａ，，邋１５２R%’１巧逡逑．＿ｗ；Ｖ皆邐ｐＺ邋＝邋ｒ．Ｍ：．Ｋ：ｈ邐＼２ｎ＾ｍ邋片逡逑常數；逡逑１逡逑一活化物與反應物之間的平衡常數；逡逑能累的速度：逡逑－

本章嘗試采用ＤＦＴ和過渡態(tài)理論預測頭抱拉忘水解速率、水解位點和產物，并逡逑用實驗數據驗證預測結果。頭抱拉定分子具有兩個水解位點（Ｐ－內憸胺鍵Ｑ－Ｎｓ和支鏈憸逡逑胺鍵Ｃ｜４－Ｎｉ３），兩個親核進攻方向，見圖２．１。逡逑＾＾ｉｄｅ逡逑ａ邋ｓｉｄｅ邋Ｉ邋ａＪｄ＾逡逑圖２．１頭抱拉定分子結構和水解位點逡逑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實驗材料和方法逡逑２．２．１實驗材料逡逑頭抱拉定（Ｃｅｐｈｒａｄｉｎｅ＞邋９９％，ＣＡＳ邋３８８２１－５３－３，浙江昂利康制藥有限公司）；a愃岫�辶x習備幀⒘⑺嶂�、氯化笌�⒈�醋酸、乙醇胺簣D狀季�采用色茽羁侯^治齟�，购又@旖蚴鋅棋義廈芘坊�学设壁M邢薰�饲G懷�纯水（１８．２ＭＱ，ｃｍ）：由ＯＫＰＵ＿b攀笛槭頁�纯水器制备（晌rｅ義夏�科仪器有限公伺f�产）。辶x戲終垡瞧靼�括Ｌ栦各走h�进样器和二极管阵列（ＤＡ巧检拆Q韉母咝б合嗌�谱仪辶x希ㄛ。蹋

本文編號：2610628