低光降解性氟喹诺酮类抗生素的分子设计及光解路径推断

作者：赵晓辉; 褚振华; 李鱼^*

来源：高等学校化学学报, 2018, 39(12): 2707-2718.

• 氟喹诺酮
• 半衰期
• 分子修饰
• 光降解路径
• 生物降解

以已知光降解半衰期(t1/2)的12种氟喹诺酮(FQs)同系物按摩尔比4∶1选择训练集和测试集(随机组合),釆用Sybyl-X 2. 0软件QSAR模块中结合比较分子力场分析(Co MFA)方法和比较分子相似性指数分析(Co MSIA)方法进行三维定量构效关系(3D-QSAR)研究,建立以FQs分子结构参数为自变量,lgt1/2为因变量的3D-QSAR模型,并预测剩余14种FQs分子的t1/2.结果表明,任意组合所构建的Co MFA和Co MSIA模型交叉验证相关系数q2在0. 564～0. 655区间内(> 0. 5),非交叉验证相关系数r2在0. 996～1. 000区间内(>0. 9),表明所构建模型稳定性较强且预测能力良好;对剩余14种FQs分子的t1/2预测发现,第四类FQs的t1/2普遍高于第三类FQs;选取环丙沙星(CIP)为目标分子,QSAR三维等势图分析其C-13位置引入体积较小的基团有利于降低目标分子的t1/2值,据此设计出9种t1/2值显著降低的新型CIP分子,其中引入·OH基团的新型分子t1/2下降幅度最为显著(27. 2%);对CIP分子以及新型CIP分子可能发生的光降解路径进行推断发现,CIP光降解过程中发生芳香环羟基化的路径所需能垒最小,推断为FQs类抗生素降解过程中的主要反应类型,而氧化脱羧反应能垒最大,发生哌嗪环断裂的路径最多,而新型CIP分子光解过程中发生芳香环羟基化、氧化脱羧及羟基化脱氟3种反应的能垒较原CIP分子变化不大,仅哌嗪环断裂所需要能垒明显小于CIP分子需要的能垒;新型CIP分子及其光解产物的生物降解性评价发现,新型CIP分子不仅光解活性提高,其生物降解性同时提高0. 26%～59. 71%,且其光解产物的生物降解性也显著上升(12. 03%～34. 38%),即CIP分子以及新型CIP分子可通过光降解最终生成生物降解性显著提高的物质,从而达到进一步控制FQs环境行为的目的.

• 单位
  华北电力大学; 环境科学与工程学院