基于毛细管电泳(Capillary Electrophoresis, CE)、核磁共振波谱(Nuclear Magnetic Resonance, NMR) spectroscopy及分子模拟(Molecular Modeling)研究环糊精对红型-甲氟喹(Erythro-mefloquine, erythro-MQ)对映体对映选择性识别的多学科方法

《Journal of Chromatography Open》：Multidisciplinary approach based on capillary electrophoresis, nuclear magnetic resonance spectroscopy, and molecular modeling to study the enantioselective recognition of erythro-mefloquine enantiomers by cyclodextrins

　　

计算化学已成为阐明化学现象及预测分子性质的有力且日益可靠的工具，然而准确模拟对映选择性识别仍是分离科学中最具挑战性的问题之一。根本障碍在于区分竞争性对映选择性路径的自由能差异极小，通常仅为0.01~1 kcal·mol-1，如此细微的能量变化使现有理论方法面临极限，使得实验验证对于评估和修正计算模型不可或缺。鉴于此，研究人员通过整合毛细管电泳(CE)、核磁共振(NMR)波谱及基于量子力学(QM)的分子模拟，研究了β-环糊精(β-cyclodextrin, β-CD)与七(2,3-二-O-乙酰基)-β-环糊精(heptakis(2,3-di-O-acetyl)-β-cyclodextrin, HDA-β-CD)对红型-甲氟喹(erythro-mefloquine, MQ)对映体的对映选择性识别。该多学科方法具有双重目的：首先，严格评价实验与理论方法所得结果的一致性与互补性；其次，明确目前在理解主导对映选择性识别的分子机制与非共价相互作用方面可能存在的局限。本研究的长期目标是建立一套稳健、系统的框架，整合正交实验技术与计算技术，为解释、验证并最终预测对映选择性识别过程提供更可靠的方案。

《Journal of Chromatography Open》刊载的该项研究由Ketevan Museridze、Ann Gogolashvili、Lali Chankvetadze、Nino Jajanidze、Antonio Salgado、Barbara Sechi、Roberto Dallocchio、Paola Peluso及Bezhan Chankvetadze合作完成，以红型-甲氟喹(erythro-mefloquine, erythro-MQ)为分析物，结合β-环糊精(β-cyclodextrin, β-CD)及其衍生物七(2,3-二-O-乙酰基)-β-环糊精(HDA-β-CD)为手性选择剂，采用毛细管电泳(CE)、核磁共振(NMR)及基于密度泛函理论(DFT)的量子力学(QM)分子模拟开展多学科联用研究，探讨二者对MQ两对映体((11R,12S)-MQ与(11S,12R)-MQ)的对映选择性识别机制，并验证计算模型与实验结果的一致性。研究背景指出，对映选择性识别过程的计算机模拟难点在于两对映体-主体复合物间结合自由能差极小(通常0.01~1 kcal·mol^-1)，现有理论方法难以精确捕捉，必须依赖实验手段交叉验证。本研究旨在判断QM计算能否重现CE观测到的对映体迁移顺序(enantiomer migration order, EMO)反转现象，阐明MQ与天然及酰化β-CD形成非包合(non-inclusion)表面络合物的作用模式，为建立可靠的对映选择性识别预测协议提供依据。

主要关键技术方法：研究人员将外消旋erythro-MQ经手性高效液相色谱(HPLC)预分馏获得对映体富集馏分用于CE标定迁移顺序；采用Agilent 7100 CE系统在含β-CD或HDA-β-CD的背景电解质(BGE, pH 3.0, 100 mM H₃PO₄/三乙醇胺)中进行对映分离并测定有效电泳速度v_EP；采用Bruker AVANCE III 400 MHz NMR仪采集¹H NMR、COSY、HSQC及一维旋转坐标系核奥弗豪泽增强谱(1D ROESY)，探测MQ与CD质子空间邻近关系；基于Gaussian 16W程序采用B3LYP/6-31G(d,p)基组结合SMD(水)溶剂化模型对MQ、β-CD及HDA-β-CD单独优化后手动对接并几何优化MQ/CD复合物，计算结合能(E_binding)及结合能差值(ΔE_binding)。

研究结果如下：

3.1. HPLC fractionation of Mefloquine enantiomers：研究人员使用Lux i-Amylose-3手性柱，以甲醇/水(95/5, v/v)+0.1%(v/v)二乙胺(diethylamine, DEA)为流动相拆分rac-MQ获对映体富集馏分(比例约85:15)，用于后续CE标定EMO。

3.2. CE separation of erythro-mefloquine enantiomers：CE实验显示β-CD与HDA-β-CD均使MQ有效电泳速度降低(与无CD缓冲液相比v_EP减小)，证实二者均与MQ形成复合物，其中β-CD使v_EP降幅更大(Δv_EP=1.152 cm·min^-1vs HDA-β-CD Δv_EP=0.2 cm·min^-1)，表明β-CD与MQ总体结合更强。分离选择性方面，β-CD使(11R,12S)-MQ先出峰(EMO: (11R,12S) > (11S,12R))，HDA-β-CD则使(11S,12R)-MQ先出峰(EMO: (11S,12R) > (11R,12S))，发生EMO反转，且HDA-β-CD对映选择性略高于β-CD(α=1.01 vs α=1.00)，EMO反转源于两CD对MQ对映体亲和顺序相反而非迁移率效应。

3.3. NMR spectroscopic studies of mefloquine/CD complexes in solution：¹H NMR及2D ROESY显示MQ芳香质子与β-CD H-3有NOE交叉峰，但与腔内H-5无明显NOE，表明喹啉环微弱浅层靠近宽口缘而未深度包入腔体；HDA-β-CD体系中仅观测到MQ质子与乙酰基甲基微弱NOE，无腔内质子NOE。综上，两种CD与MQ均主要形成宽口缘"表面"相互作用的非包合复合物，基本无典型主-客体包合现象。

3.4. Quantum mechanics optimization of the complexes of mefloquine enantiomers with native CDs：QM优化得到最低能量构象中，MQ均位于CD宽口缘外侧而非腔内——β-CD复合物结合更强(E_binding: (11R,12S)-MQ/β-CD=-18.42 kcal·mol^-1, (11S,12R)-MQ/β-CD=-18.69 kcal·mol^-1; ΔE_binding=0.269 kcal·mol^-1偏向(11R,12S)结合更强)，稳定化靠MQ醇羟基O–H及质子化哌啶N–H与CD O₍₃₎H形成氢键(hydrogen bond, HB)，以及MQ上CF₃的F原子与CD O₍₂₎H形成C–F···H–O型弱氢键将分子"悬"于宽口缘上方；HDA-β-CD复合物结合较弱(E_binding: (11R,12S)-MQ/HDA-β-CD=-11.25 kcal·mol^-1, (11S,12R)-MQ/HDA-β-CD=-10.93 kcal·mol^-1; ΔE_binding=-0.317 kcal·mol^-1偏向(11S,12R)结合更强)，主要靠MQ O–H和N–H与乙酰基羰基C=O形成HB，且含CF₃的富电子区域与宽口缘乙酰基富电子区产生排斥使其取向偏离，导致对映选择性反转。计算预测EMO与实验完全一致。

讨论与结论翻译：研究人员在本研究中通过整合CE、NMR波谱及基于QM的分子模拟研究了β-CD与HDA-β-CD对erythro-MQ的对映选择性识别，结果表明实验观察与理论计算高度一致，证实了联合分析与计算技术研究对映选择过程的价值。CE实验显示HDA-β-CD相较天然β-CD对MQ对映体表现出更高对映选择性，且对映体迁移顺序发生反转；同时电泳迁移率数据显示MQ与β-CD的总体络合强于乙酰化衍生物。NMR光谱分析揭示两种环糊精均呈弱或无包合现象，提示复合物主要靠大环宽口缘处的"表面"相互作用而非客体深层嵌入空腔而稳定。QM计算成功重现了CE中观测到的EMO及相对亲和模式：MQ与两种主体均形成非包合复合物——β-CD情形中，稳定化主要靠CD羟基与MQ氟原子的氢键网络使分析物"悬"于CD宽口缘上方；HDA-β-CD情形中，络合主要受MQ给体基团与乙酰基取代基羰基氧间的氢键主导，而富电子氟化区域间的排斥作用参与决定优选构象及观测到的亲和反转。需强调CE中E_binding与迁移时间的关联并非总是直接，实际电泳迁移率常是标定计算E_binding更可靠且具物理意义的实验指标。总体而言，CE、NMR与QM结果间的一致性支持了所提出的络合模型，并凸显了结合互补方法学研究对映选择性识别中细微能量差异的重要性，为建立可靠预测CD体系中对映选择性识别过程的稳健多学科方案奠定了基础。