合作单位：Fujian University of Traditional Chinese Medicine
参考文献：Yongjing Liu, Suxia Zhang, Li Lou, et al. Biomedical Chromatography, 2023. DOI：10.1002/bmc.5541
背景：
低共熔溶剂(DES)是由两种或两种以上化合物组成的熔点较低的液态共晶混合物，是新兴的绿色溶剂之一，由氢键受体(HBA)和氢键给体(HBD)按一定的摩尔比结合而成。常用的HBA是季铵盐，如氯化胆碱(Chcl)等。DESs因其具有结构可调节性、无溶剂一步制备、低毒性和高生物降解性等特点而备受关注。
麻黄草是广泛使用的中药之一，化学和药理研究表明，麻黄草的生物活性物质是麻黄碱(EP)、伪麻黄碱(PEP)等麻黄碱类生物碱。因此，高效提取麻黄中生物碱是药物制备和应用的关键。EP型生物碱既溶于水，也溶于有机试剂，传统的提取方法多为回流提取和超声提取，以酸化水或有机溶剂为溶剂。虽然水作为提取溶剂容易获得且简单，但提取液中的水溶性杂质不利于后续的纯化工艺。此外，使用有机溶剂进行萃取存在沸点低、易燃性高、毒性大、不可生物降解等缺点。因此，需要寻找可替代的绿色溶剂来提取EP型生物碱。
近年来，DES作为绿色溶剂被用于从草药中提取不同类型的生物活性生物碱，已被证明比传统的提取溶剂具有更高的提取率。上述工作大多集中在DES对生物活性成分的提取能力上，对提取原理的理论研究相对缺乏，因此，本研究的目的是探讨DES在麻黄中高效提取EP型生物碱的潜在适用性。考察DES组成、HBA/HBD比、水浓度、料液比等因素对提取效果的影响。同时，通过MD模拟探讨DES和EP的萃取机理。
方案设计：
经测试，在各种亲水性和疏水性DES中，由氯化胆碱(Chcl)和木糖醇组成的DES是最有效的溶剂。经与魔德科技（www.modekeji.cn）技术团队沟通，由Chcl和木糖醇以1:5摩尔比组成DES系统，拟通过分子动力学(MD)模拟在分子水平上解释萃取过程中DES和EP之间的相互作用。
主要结果：
为了更直观地探索DES和EP之间的构象变化和强相互作用，图1(a,b)分别表示了两个体系在MD模拟过程前后的结构。橙色部分是木糖醇，蓝色部分是Chcl，深蓝色部分是EP，红色部分是水。图1(a)显示，经过模拟，木糖醇形成了独立的团簇，而氯化胆碱分散在木糖醇和水溶液中，从图1(b)中可以观察到EP分子分散在DES分子中。
图1 MD模拟前后的结构图：(a) DES；(b) DES和麻黄碱
为了深入了解共晶混合物的结构以及DES和EP的萃取原理，构建了两种体系的原子-原子径向分布函数（RDF）图。首先，模拟由Chcl和木糖醇以1:5摩尔比组成的DES(体系1)，以确定DES内部的分子相互作用；其次，模拟DES和EP(体系2)，以了解萃取驱动力。选择Chcl中的Cl-和O、HBD中的O和EP中的O和N作为径向分布的计算位点(图2)。结果显示，Chcl和木糖醇的O原子和Cl原子之间形成了氢键，O (DES)和EP之间存在氢键。比较O (Chcl) -N (EP)、O (xyl) -N (EP)、O (Chcl) -O (EP)和O (xyl) -O (EP)的RDFs，得出EP的O原子更容易与Chcl的O原子形成氢键，而EP的N原子更倾向于与羟基的O原子相互作用。图2(c)表明，Cl- (DES)与EP之间形成了氢键，且Cl-与EP中N原子的相互作用比与EP中O原子的相互作用更强。
图2 不同分子的原子-原子RDF图
为了进一步了解DES和EP的分子间相互作用，对两种体系进行了氢键分析。模拟过程中Chcl与木糖醇之间的平均氢键数变化不大，在DES中加入EP后，DES分子间的氢键数量减少，说明EP可以影响DES分子间的氢键。利用Multiwfn的独立梯度模型研究了DES和EP之间的非键相互作用能，结果如图3。图3(a)显示EP分子的仲氨基和羟基与环境DES建立了稳定的氢键。图3(b)显示EP分子与DES组分之间的其他相互作用区域以范德华相互作用为特征(绿色表面表示)。综上，DES与EP之间的氢键相互作用，特别是Cl-与EP之间的氢键作用在EP萃取过程中起主导作用；此外，范德华力是DES与EP相互作用的重要驱动力。
图3 DES与麻黄碱的相互作用模型：(a)氢键相互作用(绿线为氢键)；(b)弱相互作用
结论：
本研究采用DES作为一种新型绿色溶剂，对麻黄中生物碱进行超声提取，对影响提取效率的因素进行了优化。最后，通过分子动力学模拟对提取原理进行了初步探讨，结果表明，DES各原子(Chcl的Cl和O原子和木糖醇的O原子)与EP的O和N原子之间的氢键相互作用是萃取的关键因素。此外，DES和EP之间的范德华力有助于生物碱的提取。综上，DES作为一种绿色溶剂，可作为提取麻黄中生物碱类化合物的潜在溶剂。
