对索福里idine（sophoridine）在百里香酚/DL-薄荷醇深度共熔溶剂中溶解行为的分子层面理解：一项结合了分子动力学（molecular dynamics）、COSMO-RS模型及实验提取方法的研究

《Journal of Molecular Liquids》：Molecular insights into sophoridine solvation in thymol/DL-menthol deep eutectic solvents: A combined molecular dynamics, COSMO-RS, and experimental extraction study

　　• 结合COSMO-RS、分子动力学和实验研究，探讨了在百里酚/DL-薄荷醇深共晶溶剂（DESs）中提取槐素的过程。• 在分子水平上阐明了槐素的氢键相互作用和溶剂化结构。• 控制水分含量显著影响了DES的微观结构、扩散行为和提取效率。• 含有80%水的DES表现出最高的分子流动性和槐素提取性能。• 疏水性的百里酚/DL-薄荷醇DES显示出作为可持续绿色提取介质的强大潜力。

引言
全球对草药用药依赖性的增加促使制药行业加快了植物衍生治疗剂的开发。许多天然产物显示出有希望的生物活性，特别是在癌症治疗领域，植物衍生化合物继续成为新的治疗剂的宝贵来源[1]、[2]、[3]、[4]。在这些天然产物中，生物碱是一大类结构多样的含氮化合物，具有广泛的药理活性（图1），包括抗癌、抗病毒、抗炎和抗菌作用[5]、[6]、[7]。由于其复杂的化学结构和显著的生物效能，生物碱仍然是现代药物开发的理想候选物质。尽管如此，从植物基质中高效提取和纯化生物碱仍然具有挑战性。传统的提取方法通常依赖于挥发性有机溶剂，这些溶剂往往存在毒性、环境问题、选择性有限以及传质效率低等缺点[8]、[9]、[10]、[11]。这些局限性激发了寻找更可持续和高效提取系统的需求，以提高生物活性化合物的回收率并减少对环境的影响。

近年来，深共晶溶剂（DESs）作为一种有前景的绿色溶剂系统，被用于提取和分离过程。DESs通常是通过氢键供体（HBD）和氢键受体（HBA）之间的强氢键相互作用形成的，从而显著降低了相对于单独组分的熔点[12]、[13]、[14]。这些溶剂具有多种有利的物理化学性质，包括低挥发性、可调极性、高溶解能力和相对较低的毒性[15]、[16]、[17]、[18]、[19]。由于其结构灵活性和可设计特性，DESs已成为制药加工和天然产物提取的可持续替代品。由于溶剂系统的实验筛选可能耗时且资源密集，计算方法越来越多地被用来在分子水平上理解溶剂-溶质相互作用。分子动力学（MD）模拟提供了关于复杂液体内微观结构组织、氢键网络和传输性质的宝贵见解[20]。与此同时，用于真实溶剂的导体类筛选模型（COSMO-RS）已被证明是预测多组分溶剂系统中溶解度和热力学行为的强大工具[21]。因此，将计算建模与实验验证相结合为合理的溶剂设计和优化提供了一种强大的策略。

槐素（C15H24N2O）是一种含有两个三价氮原子的喹诺里啶生物碱，因其显著的药理活性，特别是其抗癌特性而受到越来越多的关注[22]、[23]（图2）。它主要从槐属植物中提取，包括长期以来在传统医学中使用的Sophora alopecuroides L.。尽管具有治疗潜力，但从植物基质中高效提取和纯化槐素仍然是下游处理中的重要挑战，尤其是在需要环境友好型溶剂的情况下。最近，基于百里酚和薄荷醇等天然化合物的疏水性深共晶溶剂由于其独特的物理化学特性和强氢键能力而受到越来越多的关注[24]。这些DES系统显示出提取疏水性和中等极性生物活性分子的巨大潜力。然而，关于复杂生物碱在疏水性DES系统中的溶剂化行为和传输性质的分子机制仍然知之甚少。特别是，水分掺入对基于百里酚/薄荷醇的DES系统的微观结构、氢键动力学和扩散行为的影响尚未得到全面阐明。因此，本研究旨在通过结合计算和实验方法来研究DL-薄荷醇/百里酚深共晶溶剂中槐素的分子相互作用和提取性能。COSMO-RS计算用于预测溶解行为并构建三元相图，而分子动力学模拟用于分析分子水平的氢键网络、溶剂化结构和扩散性质。这些理论见解随后通过使用Sophora alopecuroides L.作为槐素的天然来源进行了植物化学提取和纯化实验进行验证[20]、[21]。

尽管对疏水性DES系统的兴趣日益增长，但将分子水平模拟与实验验证相结合的系统研究仍然有限。特别是，水分对DES微观结构、氢键寿命和溶质传输行为调节的作用仍不甚明了。解决这些问题对于改进基于DES的提取系统的合理设计至关重要[25]。通过结合COSMO-RS预测、分子动力学模拟和实验提取研究，本研究提供了对百里酚/DL-薄荷醇深共晶溶剂中槐素溶剂化的全面分子级理解，并阐明了控制水分含量如何影响这些绿色溶剂系统的微观结构和质量传递特性。这些见解有助于合理开发用于高效提取和加工药物相关生物碱的可持续溶剂平台。

### 技术细节
• 本研究采用了COSMO-RS方法，因为它已被证明能够准确预测热力学性质和分子相互作用[26]。分子几何结构使用TmoleX（TURBOMOLE）软件包[26]和COSMO连续溶剂模型在BP86/TZVP理论水平上进行优化。几何优化后进行单点计算，生成最小能量结构，随后将其保存为COSMO文件并导入COSMOtherm（版本）。

### 分子动力学模拟的计算细节
在本研究中，所有分子动力学（MD）模拟均使用NAMD软件包[33]、[34]进行。采用CHARMM-36力场[35][36]来计算分子间和分子内相互作用能量。范德华（vdW）和Lennard-Jones势能（ELJ）表示为[37]：
Eij = εijσij2Rij12 ? 2σij2Rij? + ∑i ≠ j 4∑j 414πε?δijRij
其中r_ij表示原子i和j之间的距离，ε_ij和σ_ij分别是相应原子的Lennard-Jones参数。

### 实验
所有材料均从默克化学公司购买，质量较高，未经纯化直接使用[44]。FTIR光谱在Shimadzu IR-460光谱仪上记录。

### 结果与讨论
在我们之前的研究中，我们证明了分子动力学（MD）模拟是研究六种系统中二元和三元混合物的分子间相互作用和结构性质的合适工具[25]。在本研究中，我们考察了在298 K下使用深共晶溶剂（DESs）提取生物碱槐素的过程。为了评估模拟参数的有效性，计算了模拟纯DES（百里酚/DL-薄荷醇）的密度。

### 比较实验和理论工作的重要点
首先，在MSD（自扩散系数）与时间线性相关的区域，该区域对应于扩散过程，其中粒子运动是随机的。为了达到这一目标，需要相对较长的模拟时间以确保系统达到平衡并且MSD曲线进入线性区域。因此，自扩散系数是描述系统中粒子流动性的重要参数，它可以提供有关粒子行为的宝贵见解。

### 结论
本研究系统地研究了百里酚/DL-薄荷醇深共晶溶剂（DESs）作为槐素提取和溶剂化的绿色且可调介质的潜力。MD模拟表明，水分可以降低DES的粘度并提高分子流动性，从而促进槐素的扩散，同时保持药物与DES成分之间的有利相互作用。COSMO-RS计算成功...

### 作者贡献声明
Mahshad Vakili Garmroodi：撰写——原始草案、验证、方法学、研究、数据管理。
Leyla Bagheri：撰写——审稿与编辑、验证、监督。
Mahshid Vakili Garmroodi：方法学、数据管理。
Francis Verpoort：撰写——审稿与编辑、研究。

### 作者声明
作者确认本手稿是原创的，之前未发表过，也未考虑在其他地方发表。所有作者均批准了手稿的最终版本，并同意将其提交给本期刊。作者声明不存在利益冲突。

### 利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

### 致谢
作者对物理化学系的所有教授和工作人员的帮助表示感谢。

Mahshad Vakili Garmroodi
Leyla Bagheri
Mahshid Vakili Garmroodi
Francis Verpoort