头孢类抗生素电离常数（pKa）的测定：计算和实验方法

整理自凯美科公众号文献验证pKa

头孢匹林（CEPA）和头孢噻呋（CEF）是两种广泛使用的兽医用头孢菌素类药物，具有多个电离中心，但目前尚未有 CEF 的电离常数（pKa）报道，CEPA 的 pKa 实验数据也较少。对于许多头孢菌素来说，可用的数据要么不完整，要么是错误的。与环境相关的生物和非生物过程依赖于抗生素 pH 依赖的物种形成，因此 pKa 这个物理化学参数必须可靠，包括正确的电离中心识别。该研究采用电位法和分光光度法两种实验技术，以及 pKa 预测软件研究 CEPA 和 CEF 的宏观解离常数，并对文献报道的 14 种头孢菌素的实验解离常数进行了修正。

01　实验测定结果

实验测定的 CEF 只有一个 pKa 值（2.68 ± 0.05），与羧酸基团脱质子有关；CEPA 通过实验得到两个 pKa 值：羧酸脱质子化 2.74 ± 0.01，吡啶环脱质子化 5.13 ± 0.01。

02　预测验证：88 个电离常数的对比

除了 CEPA 和 CEF，研究还对其他 14 种头孢菌素的 pKa 值进行了实验测定和预测。两款软件对 16 个化合物的电离提供了完整的预测结果，预测值与实验值具有良好的相关性（Percepta RMSE: 0.552；Marvin RMSE: 0.706，n = 88）。Manchester 等曾用这两款软件测试 211 种具有多个电离中心的类药化合物，得到类似的结果（Percepta RMSE 0.80，Marvin RMSE 0.90）。这是首次关于头孢类化合物电离的评测。

03　电离中心识别：重叠电离的鉴别

Percepta 软件使用 GALAS 预测模型进行预测，后台训练集包含超过 20,000 条 pKa 实验数据并可提供详细的电离信息。根据电离形式分布图，这两种药物在环境和生物相关 pH 值（6–7.5）中主要以阴离子形式存在。

值得注意的是，对于含亚胺和氨基噻唑基团的头孢菌素（如头孢曲松、头孢他啶、头孢吡肟、头孢匹罗、头孢他美、头孢噻肟），文献报道的 pKa 值与对照软件预测不一致。以头孢噻肟为例：多数头孢菌素是两性离子化合物，具有重叠的电离，实验测定的 pKa 值（表观宏观常数）描述的只是复杂平衡的一部分。文献中实验工作（电位滴定法 3.40、紫外吸收法 3.33、电位法 3.15）一致表明氨基噻唑是 pKa2 的电离中心——Percepta 的预测结果印证了这些实验结果，并未把 R1 亚胺基团作为 pKa2 的电离中心。

04　结论

• 实验和计算方法的结合能可靠地测定两种相关头孢菌素抗生素的解离常数；研究报道了第一个头孢噻呋的实验 pKa 值，并证实了之前发表的头孢匹林 pKa 值
• CEPA 和 CEF 以及许多其他头孢菌素在与生物和环境相关的 pH 值（6–7.5）时以阴离子形式存在——这一结论可用于讨论环境研究中的光解速率常数等结果
• In silico 预测是研究头孢菌素解离常数的有用工具；对所有头孢菌素类抗生素的实验 pKa 值进行了首次重新评价

文献来源

Chemosphere, Volume 169, February 2017, Pages 524-533（头孢类抗生素电离常数的测定：计算和实验方法）。