β-内酰胺类抗生素在对抗细菌感染方面发挥着重要作用。但是随着它们的广泛使用,细菌的抗药性也大大增加了。而产生β-内酰胺酶是耐药性菌株对β-内酰胺类抗生素产生抗药性的主要途径,它们可以催化水解β-内酰胺类抗生素中的酰胺键,使其在到达靶点之前就被开环失活。β-内酰胺酶可根据其活性点的不同而分为A、B、C、D四类。其中除B类为金属酶外,A、C、D类β-内酰胺酶在活性位点上都有丝氨酸,故又称活性位点丝氨酸酶。临床上最常见的是A和C类酶。为了对抗β-内酰胺酶,人们将β-内酰胺酶抑制剂与β-内酰胺类抗生素组成联合复方使用。β-内酰胺酶抑制剂的作用是通过抑制β-内酰胺酶以保护β-内酰胺类抗生素。它们的抗菌活性较低,但可以与β-内酰胺酶不可逆的结合,从而使其失去催化β-内酰胺类抗生素水解反应的能力,这是一种最有效的对抗β-内酰胺酶的方法。因此,了解β-内酰胺酶抑制剂的抑酶机理非常重要,它对于将来开发新的抑制剂或者新的对抗β-内酰胺酶的方法具有指导意义。目前,实验工作者已经针对β-内酰胺酶抑制剂的抑酶机理做了很多有意义的研究。但是,其中还存在着不少争议。与实验相比,理论工作显得有点落后。它们大多只是集中在抑制剂的酰化反应上,而β-内酰胺开环以后的反应,理论研究少之又少。基于这种研究现状,本论文把研究重点放在了抑制剂β-内酰胺环开环后的后续反应上。本论文取得的创新性成果主要包括以下几个方面:1.用量子化学密度泛函方法利用模型化合物详细研究了盘尼西林(penicillin)与酶作用的机理,并与抑制剂舒巴坦(sulbactam)中间体的反应进行了比较。结果显示,与先前研究的舒巴坦相比,进行的反应有很多相似之处,即可发生β-内酰胺环开环和噻唑开环反应,从而得到烯胺和亚胺的产物,这两种产物可发生相互转化。水催化对反应产生影响,水的参与使得能垒大大降低。但又不完全相同。其中,开环反应的势垒都有不同程度的提高,这使得反应进行的很困难,这可能是盘尼西林不能抑制β-内酰胺酶的主要原因。2.用量子化学结合分子反应动力学的方法研究了抑制剂克拉维酸(clavulanic acid)在抑制β-内酰胺酶过程中开环反应的机理,结果显示由于N4或C6上的氢迁移到01上而导致oxazolidine环的断裂开环,这样的开环有三种方式。这三种方式得到的产物不同,这些产物的形式分别是亚胺,顺式烯胺和反式烯胺。我们的分子动力学模拟证实了水分子可能参与这些反应,水催化大大降低了反应的势垒。3.Blanchard等人发现在抑制A类β-内酰胺酶过程中,克拉维酸酰化酶中间体能很快地脱去羧基,而舒巴坦酰化酶中间体不能够发生脱羧反应。为了解释这一现象,我们分别研究了在抑制A类β-内酰胺酶过程中,克拉维酸和舒巴坦酰化酶中间体脱羧反应的机理。结果显示,克拉维酸和舒巴坦酰化酶中间体均可发生直接的09-C3氢迁移而脱羧,但是这种反应的势垒非常高,以致其很难自发进行。除此之外,克拉维酸酰化酶中间体还可能采取分步氢迁移的反应路径,即羰基氧可以作为氢迁移的中继,它的存在使得克拉维酸中间体脱羧反应的势垒被大大降低了。4.一些新的抑制剂已经被开发出来用来对抗C类β-内酰胺酶,如6-methylidene penem和,但是它们的抑制机理还不是很明确。(a)我们用量子化学的方法研究了一种新的methylidene penem抑制剂在抑制β-内酰胺酶GC1过程中,七元环中间体形成的反应机理,以及各中间体间相互转化的反应。结果显示,七元环中间体能通过两种不同的机理,即分步机理和协同机理而形成。这两种机理分别产生了两种不同的产物。通过比较势垒,我们发现分步反应机理更容易发生,在这个机理中,得到了一种从未报道过的三角硫醇中间体。(b)对抑制剂DVR-Ⅱ-41S形成稳定的双环中间体的机理进行了研究。结果表明,侧链吡啶上的N进攻C6原子,离去的亚磺酸去进攻C7原子,得到一个三环相连的不稳定中间体,然后C6上的氢迁移到砜基氧上得到最终的烯胺式双环产物。烯胺反应物也可先通过噻唑环内的氢迁移得到亚胺式反应物,从而得到亚胺式双环产物。