青霉素结构的探究

青霉素结构的探究摘要青霉素是人类抗菌历史上最伟大的产物。

在极其简陋的实验条件下，正是由于科学家不懈地探索，青霉素神秘的结构才逐渐展现在人类面前。

现在广泛用于临床上的β-内酰胺抗生素，大都是在青霉素原有结构基础上修饰改造而来。

关键词青霉素立体构型结构改造青霉素（Penicillin），音译名盘尼西林，人类历史上最负盛名的抗生素，它的研制成功大大增强了人类抵抗细菌感染的能力，带动了抗生素家族的诞生。

由于分子中含有4个原子构成的β-内酰胺结构（图1），故统称为β-内酰胺抗生素。

青霉素分子由氢化噻唑环与β-内酰胺环并和而成，二者构成青霉素分子的母核，在母核上分别连有羧基和酰氨基侧链。

β-内酰胺环为一个平面结构，但2个稠和环不共平面。

青霉素分子中含有3个手性碳原子，只有3个碳原子绝对构型为2S,5R,6R的具有抗菌活性。

从青霉菌培养液中得到6种天然青霉素，现已证实为侧链不同的青霉素（见表1）。

其中以青霉素G的含量最高，效用最好，故在临床上广泛使用。

1 青霉素结构的探索对青霉素结构工作的探索是极其曲折的。

在那个设备粗糙、条件简陋的年代，科学家对青霉素研究的困难程度是现代科学家所无法想象的。

1.1 分子式的确定早期实验曾指出青霉素分子中不含S原子，这个错误的结论直到1943年7月才被纠正。

不同的青霉素水解都可以得到一种氨基酸——青霉胺，其分子式是C5H11NO2S，除此之外还有不同的青霉醛和二氧化碳。

从反应的产物可看出，青霉素分子中含有2个氮原子，4个氧原子和1个硫原子。

再后来研究发现2-戊烯基青霉素的钠盐分子式为C14H19N2O4SNa，苄基青霉素的钠盐分子式为C16H17N2O4SNa。

1.2 6种不同的青霉素化学家们在刚着手研究青霉素时就遇到了很大的困难，在自然界中不止存在一种天然的青霉素。

在英国，采用弗莱明发现青霉素时的表面培养法获得的青霉素与在美国采用玉米浸渍液培养出来的青霉素不一致，后来又陆续发现了另外一些共6种天然的青霉素（表1）。

为纪念弗莱明所作的贡献，在英国表面培养法获得的青霉素称为青霉素F或者青霉素Ⅰ，而在美国玉米浸渍液培养出的青霉素则称为青霉素G或者Ⅱ。

后经研究证实，青霉素F就是2-戊烯基青霉素，青霉素G是苄基青霉素。

1.3 不同的侧链R基团不同的青霉素水解得到不同的青霉醛，比如从2-戊烯基青霉素水解得到的青霉醛其分子结构式为C5H9—CO—NH—CH2—CHO，而苄基青霉素水解则得到C6H5—CH2—CO—NH—CH2—CHO。

科学家由此判断并证实了水解产物青霉醛中不同的侧链对应了青霉素不同的侧链。

6种天然青霉素的差异只是因为它们有着不同的侧链R基团。

至此，人类对青霉素的认识又前进了一大步。

对不同侧链的研究相对来说较为简单。

比如在研究2-戊烯基青霉素的水解产物青霉醛时，首先将其转化为对应的酸，再用稀高锰酸钾溶液氧化得到产物丙醛。

说明双键在戊烯基的2号位，从而确定了2-戊烯基青霉素的侧链结构。

1.4 青霉素可能的结构众多卓越的科学家在研究青霉素的过程中付出了大量的心血，并提出了许多各自认为合理的结构。

经过实践的反复验证、筛选，只有3种结构经受住了考验，呈现在科学家面前。

它们分别是噻唑-唑酮结构，β-内酰胺结构和三环结构（图2）。

每种结构都有其合理的地方，并有着各自的支持者与反对者。

科学家为此产生的激烈争论一直在延续，甚至到成功合成青霉素以后。

1.5 噻唑-唑酮结构这种结构是当时有机化学权威人士鲁宾逊（牛津大学有机化学家，1947年诺贝尔化学奖获得者）一直痴迷的。

支持这一结构的实验事实是青霉素水解产物青霉烯酸（Penicillenic acid，图3）。

青霉烯酸似乎可以说明青霉素是噻唑-唑酮结构。

然而这种结构却无法解释另外一些实验事实。

滴定数据表明，青霉素溶液呈酸性，pK值约为2.7，相当于一个羧基的电离，并且未发现碱性基团的存在。

而噻唑-唑酮环中有碱性的N-H 基团，仅这一实验证据就足以排除这种结构。

噻唑-唑酮结构的支持者们试图对其作出合理解释，然而结果都不令人信服。

后来随着红外光谱技术（IR）的发展，采用红外光谱技术测定物质结构成为可能。

青霉素的红外光谱数据表明不存在单独的唑酮环。

至此，噻唑-唑酮结构被彻底推翻。

而水解产物青霉烯酸从表面上看可以为噻唑-唑酮结构提供证据，但后来证实了噻唑-唑酮只是青霉素水解成为青霉烯酸的中间产物（图4）。

鲁宾逊提出的噻唑-唑酮结构是站不住脚的。

1.6 三环结构有科学家从青霉素水解产物青霉素二酸（Penillic acid）判断青霉素的结构是三环结构。

3个环中没有碱性基团，与实验事实相符合，这是三环结构有利的一面。

而这种结构面临的困难是分子中的1个碳原子与3个电负性大的原子（2个N原子，1个O原子）相连，它的稳定性令人质疑。

事实上，一个简单的示踪原子的方法就可以排除这种结构的可能性。

在反应前引入2H+，按照三环结构理论，2H应当出现在产物青霉素二酸的羧基中（图5），而实验结果令三环结构的支持者们无言以对。

2H出现在了2H2O中，与他们提出的水解历程完全相悖。

图5 三环结构理论此外，IR光谱数据显示青霉素在双键区有3个吸收带，说明青霉素分子中有3个双键（不包括侧链）。

而三环的结构在IR光谱下只可能有2个吸收带，难以自圆其说。

青霉素的三环结构很快被否定了。

化学家后来对三环的研究表明，青霉素水解成为青霉素二酸的过程是十分复杂的，这种三环物质只是复杂重排反应的中间产物。

令人深思的是，2种错误结构的支持者所提出的青霉素结构都只是青霉素水解的中间产物。

1.7 β-内酰胺结构最能支持β-内酰胺结构的依据是苄基青霉素在镍合金的催化作用下发生脱硫反应得到2种产物（图6）。

另外，IR吸收光谱表明产物a脱硫苄基青霉素是一个β-内酰胺结构，其钠盐在双键区的3个吸收带（1720 cm-1,1670cm-1,1585 cm-1）分别对应了β-内酰胺环上的羰基、侧链羰基与羧酸根。

这个得到2种产物的竞争反应强烈支持β-内酰胺结构。

而β-内酰胺结构也可以合理解释青霉素的水解产物青霉素二酸、青霉烯酸、青霉噻唑（Penilloic acid）、青霉酸（Penicilloic acid）等。

β-内酰胺结构的反对者们则提出了支持者当时难以回答的问题：酰胺化合物由于存在N—CO←→N+=C—O-的共振而稳定。

已经确认为β-内酰胺结构的脱硫苄基青霉素符合这一规则显示出了预期的稳定性，而青霉素相对不稳定的多，很容易丧失其生物活性。

另外，按照共振理论，青霉素的共振式如图7所示。

后面这种物质是不合适的，一是因为当时理论已证实小的双环体系中桥头碳不允许是双键，二是实验结果表明双键相连的4个原子不共面。

β-内酰胺结构在解释这些问题上遇到了困难。

1.8 青霉素结构的最终确定为青霉素结构确定作出最大贡献的是后来引入化学实验的X射线衍射技术。

最初研究青霉素时，培养出的青霉素量少而且纯度很低，加上当时计算设备的不完善，无法用X射线衍射研究青霉素。

但是后来青霉素培养技术的改进与计算机的迅速发展使得这一愿望成为现实。

在众人研究的结果之上，霍奇金（Dorothy Crowfoot Hodgkin）与查尔斯•邦恩（Charles.W.Bunn）对青霉素X射线衍射结果进行了艰苦并反复的分析，证实了青霉素实际上是一种卷曲的β-内酰胺结构。

另外，由于青霉素结构的特殊性，β-内酰胺环中羰基和氮上的共用电子对不能共轭，加之四元环的张力，造成β-内酰胺环具有高度化学反应活性，易受亲核试剂或亲电试剂的进攻，使β-内酰胺环破裂。

2 青霉素立体构型尽管人们发现了青霉素的β-内酰胺结构，然而问题并没有完全解决。

现在即使是中学生也可以看出青霉素母核上有3个手性碳，8个旋光异构体中只有绝对构型2S,5R,6R的具有活性。

在科学家工作过程中，获得苄基青霉素经脱硫反应得到的二肽产物，这个重要发现使得研究青霉素的立体构型有了很大进展。

由二肽产物中手性碳的构型可以推知青霉素噻唑环上与β-内酰胺环上2个手性碳原子的构型（图8）。

再后来的X射线衍射确定了第3个手性碳原子的构型。

青霉素最终结构才完全的展示在人们面前（图9）。

3 青霉素的结构改造青霉素的结构决定了它的化学性质不稳定。

它的缺点是不耐酸、不耐酶、抗菌谱窄及过敏反应。

为此，科学家对青霉素的化学结构进行了改造（即所谓的半合成）。

利用青霉素母核6-氨基青霉烷酸（6-APA）与不同的羧酸氯化物或混合酸酐进行反应，在青霉素侧链引入不同的基团（图10），得到了效果更好的半合成青霉素。

如目前广泛使用的氨苄青霉素和羟氨苄青霉素，又名氨苄西林（Ampicillin）和阿莫西林(Amoxicillin)。

临床上主要用于泌尿系统、呼吸系统、胆道等的感染（图11）。

参考文献［1］Ronald Bentley．Journal of Chemical Education，2004，81（10）：1462-1470 ［2］［美］Giancarlo Lancini.王以光译.抗生素——多学科研究入门.北京：人民卫生出版社，1998：89-93［3］［瑞士］Roland Reiner.蒋天蓉译.抗生素入门.合肥：安徽科学技术出版社，1985：37-46［4］四川医学院.药物化学.北京：人民卫生出版社，1979：260-264。