头孢菌素类抗生素β-内酰胺键在铁(氢)氧化物矿物界面的断裂机理

The direct cleavage of β-lactam ring by catalytic hydrolysis is believed to be an effective way for lowering the antibacterial activities of cephalosporin antibiotics (CEPs) in water. Here we select iron (hydr)oxide minerals (IOM) with defined composition, crystal plane and spin state of Fe as catalysts to achieve the degradation of several kinds of CEPs under solar/Vis irradiation and dark conditions. With 7-aminocephalosporanic acid/ 7-aminodesacetoxycephalosporanic acid and 3-methylcrotonic acid as structural model compounds of CEPs, utilizing isotope labeling technique, liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS) and spin-trapping electron spin resonance (ESR) to analyze the degradation products and oxidative species of IOM/CEPs system, and to determine the cleavage way of β-lactam bond (hydrolysis/oxidation) and reaction sites (18O, 2H source) of CEPs with different structures. Combining in-situ FTIR and Mossbauer spectrum (MS), to explore the underlying mechanism of the effect of CEPs adsorption on IOM surface-catalyzed reactions, to determine the main reaction pathways for IOM (photo)catalysis of β-lactam bond cleavage, and to explicit the effects of photoactivation on the surface Fe acidity and on the selectivity and activity of IOM during nucleophilic hydrolysis of β-lactam bond process. From the density functional theory (DFT) descriptors and the experimental results, we could further elucidate the cleavage rules of β-lactam bond at the IOM/water interface.

催化水解β-内酰胺键导致直接开环是消除水中头孢菌素类抗生素(CEPs)生物活性的有效手段之一。本项目利用铁(氢)氧化物矿物(IOM)具有特殊的组成、晶面和Fe自旋状态等性质，系统研究IOM在光照及暗反应下催化降解多种CEPs的反应。以7-氨基头孢烷酸/7-氨基去乙酰氧基头孢烷酸及3-甲基丁烯酸为CEPs分子结构模型化合物，利用同位素标记(H218O，D2O和18O2)、液质联用、电子顺磁技术，测定矿物(表面)对CEPs内酰胺键催化水解和氧化过程中的降解产物及氧化物种，捕捉β-内酰胺键断裂方式(水解/氧化)和进攻位点。同时结合原位红外光谱及穆斯堡尔光谱，研究IOM表面吸附对CEPs催化降解的机理；确定IOM(光)催化β-内酰胺键断裂的主要反应路径，明确光活化对表面Fe酸性的影响及其对β-内酰胺键亲核水解的选择性和活性；并利用DFT分子计算进一步研究CEPs内酰胺键断裂的普遍规律。

催化水解β-内酰胺键导致直接开环是消除水中头孢菌素类抗生素(CEPs)生物活性的有效手段之一。铁(氢)氧化物(IOM)是土壤、沉积物和水相颗粒物中最重要的组成矿物之一，具有较大的比表面积和较强的吸附能力，对太阳光利用率高且本身稳定，尤其是其变价金属离子对有机污染物降解提供的特殊催化位点而备受关注。为了揭示CEPs与IOM之间相互作用进而发生降解反应的机理，本项目选出具有优良的β-内酰胺键水解/氧化活性的IOM催化体系，主要包括针铁矿、天然赤铁矿及天然黄铁矿，运用UPLC-MS/MS技术深入地研究其催化水解/氧化降解CEPs的能力，为(光)催化降解CEPs提供新的方法及技术。主要通过Box-Behnken实验设计优化了针铁矿/H2O2体系催化降解头孢拉定(CRD)的运行参数，运用UPLC-MS/MS、FTIR等分析手段，推导出CRD水解及光化学氧化反应路径；深入揭示了天然赤铁矿及黄铁矿催化CEPs水解及光解的反应机制，发现天然赤铁矿对催化水解/氧化降解不同结构的CEPs具有普适性，降解途径主要包括β-内酰胺键断裂、界面氧化反应及配位反应；同时，为了进一步揭示铁矿物可见光光催化降解CEPs的机理，制备了对可见光有强响应的光催化剂，包括不能与CEPs六元环羧基配位的磷酸银以及能与羧基配位的铋系催化剂和铁金属有机配合物等，对其可见光催化降解CEPs及其他有机污染物机理进行了深入研究，发现磷酸银可见光光催化降解CEPs的主要产物为氧化或异构化产物，而铋系催化剂对CEPs的可见光催化降解产物主要为水解产物，一定程度上佐证了铁矿物可见光催化降解CEPs的机理。