【摘要】：在水環(huán)境中新型污染物抗生素經(jīng)常被檢出,其環(huán)境行為和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)已引起關(guān)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(shí)驗(yàn)方法獲取其水解和光解數(shù)據(jù),難以滿(mǎn)足生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的需求,需要發(fā)展計(jì)算預(yù)測(cè)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(xué)計(jì)算方法預(yù)測(cè)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(jī)理,并用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證預(yù)測(cè)結(jié)果。頭孢拉定分子具有2個(gè)水解官能團(tuán)(β-內(nèi)酰胺鍵和酰胺鍵),2種互變異構(gòu)體。在天然水pH范圍內(nèi),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(nèi)容和結(jié)果如下：(1)基于密度泛函理論(DFT)和過(guò)渡態(tài)理論計(jì)算,考察了頭孢拉定的水解路徑和動(dòng)力學(xué)。結(jié)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(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值吻合；計(jì)算的水解產(chǎn)物二酮哌嗪與前人實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致；發(fā)現(xiàn)頭孢拉定分子中羧基能促進(jìn)水解。(2)在抗生素與過(guò)渡金屬離子復(fù)合污染的背景下,金屬離子對(duì)抗生素水解的影響機(jī)理尚需闡明。采用DFT計(jì)算了水中Cu(Ⅱ)與A-的配位反應(yīng)的吉布斯自由能和穩(wěn)定常數(shù),發(fā)現(xiàn)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(shí)結(jié)合一個(gè)水分子；Cu(Ⅱ)與羧基氧原子和β-內(nèi)酰胺氧原子配位,同時(shí)結(jié)合兩個(gè)水分子。分析了A-配位前后水解反應(yīng)活性,結(jié)果表明：Cu(Ⅱ)的配位作用能增大A-水解反應(yīng)位點(diǎn)的原子正形式電荷量,降低了配合物的最低未占據(jù)分子軌道能和活化吉布斯自由能,從而促進(jìn)A-水解。計(jì)算結(jié)果得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的佐證。(3)基于DFT和含時(shí)密度泛函理論(TD-DFT)計(jì)算,揭示了AH±和A-的直接光解機(jī)制。通過(guò)計(jì)算垂直激發(fā)能和激發(fā)態(tài)分子內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)移勢(shì)能面,發(fā)現(xiàn)AH±能發(fā)生激發(fā)態(tài)分子內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)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(gòu)和水解反應(yīng)活化能的計(jì)算結(jié)果表明：頭孢拉定的主要光解途徑為光致脫羧反應(yīng)和光致異構(gòu)反應(yīng),其中光致異構(gòu)反應(yīng)發(fā)生在AH±的T1態(tài)和A-的激發(fā)態(tài),光致脫羧反應(yīng)發(fā)生在AH±形態(tài)的S1態(tài)。光致脫羧產(chǎn)物已被前人實(shí)驗(yàn)檢出。綜上,本研究采用量子化學(xué)計(jì)算,模擬預(yù)測(cè)了頭孢拉定水解和直接光解行為,揭示了Cu(Ⅱ)配位對(duì)頭孢拉定水解的影響機(jī)制,對(duì)進(jìn)一步發(fā)展基于量子化學(xué)計(jì)算預(yù)測(cè)有機(jī)污染物水解和直接光解行為的方法,具有理論和實(shí)際價(jià)值。
【圖文】：

圖１．１６反應(yīng)勢(shì)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(yīng)速率常數(shù)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(shù)；逡逑１逡逑一活化物與反應(yīng)物之間的平衡常數(shù)；逡逑能累的速度：逡逑－

本章嘗試采用ＤＦＴ和過(guò)渡態(tài)理論預(yù)測(cè)頭抱拉忘水解速率、水解位點(diǎn)和產(chǎn)物，并逡逑用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證預(yù)測(cè)結(jié)果。頭抱拉定分子具有兩個(gè)水解位點(diǎn)（Ｐ－內(nèi)憸胺鍵Ｑ－Ｎｓ和支鏈憸逡逑胺鍵Ｃ｜４－Ｎｉ３），兩個(gè)親核進(jìn)攻方向，見(jiàn)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(jié)構(gòu)和水解位點(diǎn)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(shí)驗(yàn)材料和方法逡逑２．２．１實(shí)驗(yàn)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義習(xí)備幀⒘⑺嶂�、氯化笌冰醋酸、乙醇胺簣D狀季捎蒙狀亢頭治齟�，购又@旖蚴鋅棋義廈芘坊璞贛邢薰荊懷克ǎ保福玻停�，ｃｍ）：由ＯＫＰＵ＿b攀笛槭頁(yè)克髦票福ㄉ蝦ｅ義夏埔瞧饔邢薰舊ｅ義戲終垡瞧靼ǎ號(hào)涓髯遠(yuǎn)骱投苷罅校ǎ模燎杉觳餛韉母咝б合嗌滓清義希ㄛ。蹋

本文編號(hào)：2610628