劉 翠, 金 飆, 金 俏

(1.沈陽化工大學(xué)環(huán)境與生物工程學(xué)院,遼寧沈陽110142; 2.北京石油化工學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院,北京102600)

均三氮苯類除草劑在國內(nèi)外應(yīng)用廣泛,除草效果好,殺草譜廣,成本低廉,但其在土壤中的殘留期較長,并易對(duì)水體造成污染,對(duì)生物和人類具有蓄積毒性,因此,該類除草劑所帶來的環(huán)境問題也日益受到人們的關(guān)注[1-7].目前,對(duì)于除草劑類物質(zhì)的定量結(jié)構(gòu)-活性相關(guān)(Quantitative Structure-Activity Relationship,QSAR)研究發(fā)展迅速,而量子化學(xué)參數(shù)由于計(jì)算簡便、物理化學(xué)意義明確,在建立QSAR模型中得到廣泛關(guān)注和應(yīng)用[8-13].本研究運(yùn)用量子化學(xué)參數(shù)法建立均三氮苯類除草劑的QSAR模型,在最穩(wěn)定的分子構(gòu)型下得到該類物質(zhì)的除草活性與其結(jié)構(gòu)之間的量變關(guān)系,為預(yù)測相似結(jié)構(gòu)化合物的除草活性提供依據(jù).

1 研究方法

研究對(duì)象選用應(yīng)用十分廣泛的10種均三氮苯類除草劑:西瑪津、莠去津、撲滅津、草達(dá)津、莠去通、西瑪通、西草凈、敵草凈、莠滅凈、撲草凈.研究采用均三氮苯類除草劑對(duì)雜草的抑制中濃度的負(fù)對(duì)數(shù) PI50值作為該類化合物的除草活性數(shù)據(jù),PI50值引自文獻(xiàn)[14].

研究方法采用量子化學(xué)方法.量子化學(xué)參數(shù)比傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)在描述化合物結(jié)構(gòu)上要更加全面,物理意義更加明確,利用量化參數(shù)研究化合物的生物活性以及預(yù)測化學(xué)品的理化性質(zhì)已獲得很大成功.所以,將量子化學(xué)方法引入QSAR研究已成為一個(gè)大方向[15-20].研究采用 HF方法和密度泛函理論中的B3LYP方法,對(duì)化合物的分子結(jié)構(gòu)及化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)的理論研究,通過量子化學(xué)計(jì)算,可全面獲得有關(guān)分子的電子結(jié)構(gòu)和幾何結(jié)構(gòu)的信息,如分子軌道能量、偶極矩、原子電荷密度等,并利用計(jì)算獲得的量子化學(xué)參數(shù)建立均三氮苯類除草劑的定量構(gòu)效關(guān)系模型.

運(yùn)用Chem3D、ChemDraw等化學(xué)繪圖及模擬軟件進(jìn)行均三氮苯類化合物的分子設(shè)計(jì)和構(gòu)型設(shè)計(jì);在B3L YP/6-31G＊和 HF/6-31G＊水平下,對(duì)化合物進(jìn)行幾何構(gòu)型優(yōu)化,使用 Gaussian03軟件計(jì)算得出化合物的偶極矩、電子親和勢(shì)、EHOMO和 ELUMO等量化參數(shù),并對(duì) PI50值與各量化參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析;應(yīng)用SPSS 11.5統(tǒng)計(jì)程序,在95%置信區(qū)間內(nèi),采用逐步回歸分析方法,建立均三氮苯類化合物的除草活性與其結(jié)構(gòu)之間的QSAR相關(guān)模型,為預(yù)測該類化合物的除草活性以及相似結(jié)構(gòu)化合物的除草活性提供理論依據(jù).

2 結(jié)果與討論

2.1 量子化學(xué)計(jì)算結(jié)果

在B3L YP/6-31G＊和 HF/6-31G＊水平下,計(jì)算得出所選取的10種均三氮苯類化合物的分子總能量 E、零點(diǎn)振動(dòng)能 EZP、最低振動(dòng)頻率 fL、最高占據(jù)軌道能量 EHOMO、最低空軌道能量ELOMO、最高占據(jù)軌道和最低空軌道之間的能量間隙ΔE、偶極矩μ、偶極矩的平方μ2、苯環(huán)上取代基氮原子所帶的電荷數(shù)Q1、Q2等量子化學(xué)參數(shù).計(jì)算結(jié)果見表1,量化參數(shù)見表2和表3.

表1 10種均三氮苯類化合物總能量 E(kJ/mol)、零點(diǎn)振動(dòng)能 EZP(kJ/mol)、頻率(cm-1)(紅外振動(dòng)強(qiáng)度)Table 1 The total energy,zero-point energy,the lowest frequency(infrared vibration strength)of herbicides

表2 B3L YP/6-31G＊水平下均三氮苯類化合物的量子化學(xué)參數(shù)Table 2 Quantum chemistry and activities parameters of herbicides at the level of B3L YP/6-31G＊

表3 HF/6-31G＊水平下均三氮苯類化合物的量子化學(xué)參數(shù)Table 3 Quantum chemistry and activities parameters of herbicides at the level of HF/6-31G＊

2.2 參數(shù)選擇和相關(guān)性分析

應(yīng)用SPSS 11.5軟件對(duì)PI50值與各量化參數(shù)間進(jìn)行相關(guān)性分析,見表4和表5.

表4 B3L YP/6-31G＊水平下均三氮苯類化合物 PI50的相關(guān)系數(shù)Table 4 Coefficients of independent variables at the level of B3L YP/6-31G＊

表5 HF/6-31G＊水平下均三氮苯類化合物 PI50的相關(guān)系數(shù)Table 5 Coefficients of independent variables at the level of HF/6-31G＊

正數(shù)為正相關(guān),負(fù)數(shù)為負(fù)相關(guān).在回歸中將體現(xiàn)相關(guān)性,對(duì)于大于0.5的為強(qiáng)相關(guān),對(duì)回歸方程為重要變量;對(duì)于小于0.5的或?yàn)樨?fù)的均為弱相關(guān)或不相關(guān),在回歸中將不考慮他們對(duì)回歸方程的影響.

在相關(guān)系數(shù)表中,可以明顯地看出每個(gè)參數(shù)之間的相關(guān)性.對(duì)均三氮苯類化合物預(yù)測的決定因素做出了比較.對(duì)決定物質(zhì)除草活性的主要因素也能夠得到初步的體現(xiàn),更具體的將在回歸方程中體現(xiàn).

由表4和表5可看出:兩表中μ與μ2的相關(guān)系數(shù)均高達(dá)0.977,根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理,兩變量間相關(guān)系數(shù)超過0.98,則認(rèn)為其存在共線性現(xiàn)象,不能同時(shí)出現(xiàn)在同一方程中,必須刪去其一.

2.3 建立QSAR方程

運(yùn)用SPSS軟件采用多元逐步回歸的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,最后得到如下回歸方程:

B3L YP回歸方程: HF回歸方程:

其中,R是相關(guān)系數(shù),R2表示決定系數(shù),F是檢驗(yàn)值(用來檢驗(yàn)回歸擬和程度的好壞),SE是標(biāo)準(zhǔn)誤差,kVIF是變異膨脹系數(shù),n是樣本量, P表示顯著性水平.

由回歸方程可以看出,均三氮苯類化合物的除草活性(即其對(duì)雜草的抑制中濃度的負(fù)對(duì)數(shù)PI50)與化合物分子偶極距的平方μ2和苯環(huán)上取代基氮原子所帶的電荷數(shù)Q1呈負(fù)相關(guān)關(guān)系. μ2和 Q1越大,該類化合物對(duì)雜草的抑制作用PI50就越小,除草活性則越小.

極性是分子重要的理化參數(shù),并且偶極矩反映了整個(gè)分子的極性,在一定程度上反映了化合物和生物受體分子之間相互作用的大小.通過回歸方程表明,均三氮苯類除草劑的結(jié)構(gòu)參數(shù)——偶極矩對(duì)于該類化合物除草活性的影響是非常重要的.

2.4 QSAR模型的檢驗(yàn)

對(duì)B3L YP和 HF兩種方法 PI50的實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值進(jìn)行殘差分析,見表6和表7.

表6 在B3L YP/6-31G＊水平下根據(jù)方程(1)得出的 PI50計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的殘差Table 6 The calculation and residuals at the level of B3L YP/6-31G＊

表7 在HF/6-31G＊水平下根據(jù)方程(2)得出的PI50計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的殘差Table 7 The calculation and residuals at the level of HF/6-31G＊

由表6、表7可以看出:兩種方法下,10種均三氮苯類化合物的除草活性 PI50的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)測定值基本符合.

3 結(jié) 論

分別采用B3L YP和 HF兩種量子化學(xué)方法,使用6-31G＊基組計(jì)算了10種均三氮苯類除草劑的多個(gè)量子化學(xué)參數(shù),建立該類化合物的除草活性與其結(jié)構(gòu)間的QSAR模型.結(jié)果表明:均三氮苯類化合物對(duì)雜草的抑制中濃度的負(fù)對(duì)數(shù)PI50與其結(jié)構(gòu)參數(shù)之間存在著一定的線性相關(guān)性.其除草活性 PI50與化合物分子偶極距的平方μ2和苯環(huán)上取代基氮原子所帶的電荷數(shù)Q1呈負(fù)相關(guān)關(guān)系.μ2和 Q1越大,PI50則越小,即該類化合物的除草活性越小,這說明分子偶極距和苯環(huán)上取代基氮原子所帶的電荷數(shù)是影響均三氮苯類除草劑除草活性的重要因素.

[1] 劉長令.世界農(nóng)藥大全——除草劑卷[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002:932-965.

[2] 朱永春,張小英,高宇.苯酚衍生物式電位的QSAR研究[J].計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué),2005,9(22): 771-774.

[3] 張玉聚,張德勝,張俊濤,等.三嗪類除草劑的創(chuàng)制經(jīng)緯[J].農(nóng)藥,2003,42(4):42-44.

[4] 王麥華,王成業(yè),張海申,等.降解均三嗪類除草劑的優(yōu)勢(shì)菌的特性研究[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù),2005,25 (1):120-122.

[5] Sukekawa M,Nakayama A.Molecular Shape Similarity Between Cyclic Imides and Protoporphyrinogen IX[J].Pestic Sci.,1999,55(3):345-347.

[6] Yukio N,Nobuhide W,Fumitaka Y,et al.Quantitative Structure-activity Relationships ofDimethoxypyrimidinyl(thio)salicylic Ac-idat[J].Peatic Sci.,1998,52(4):343.

[7] 姜暉霞.均三氮苯類除草劑的定量構(gòu)效關(guān)系研究[D].湖南:湖南農(nóng)業(yè)大學(xué),2005:45-48.

[8] 于瑞蓮,胡恭任.不同p H值下對(duì)發(fā)光菌的毒性及QSAR研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2005,4(28):20 -22.

[9] Vera K,Karel P.Combination of Molecular Modeling and QSAR Analysis[J].Inter J Parm,2004, 21(2):224-226.

[10]Prashanth Athri,Tanja Wenzler,Patricia Ruiz,et al.3D QSAR on a Library of Heterocyclic Diamidine Derivatives with Antiparasitic Activity[J]. Bioorganic&Medicinal Chemistry,2006,14(9): 3144-3145.

[11]YAN X F,XIAO H M.QSAR Study of Nitrobenzenes’Toxicity to Tetrahymena Pyriformis Using Semi-empirical Quantum Chemical Methods[J]. Struct.Chem.,2007,26(1):7-14.

[12]星炯浩,張運(yùn)陶.鹵代酚對(duì)水生梨形四膜蟲急銳毒性的QSAR研究[J].計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué),2007,24 (1):87-90.

[13]崔秀君,王志欣,袁星,等.支持向量機(jī)用于酚類化合物毒性的QSAR研究[J].計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué), 2008,25(3):298-302.

[14]趙善歡.植物化學(xué)保護(hù)[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,1996:318-319.

[15]Cronin M T D,Schultz T W.Structure-toxicity Relationships for PhenolsTo Tetrahymena Pyriformis [J].Chemosphere,1996,32(8):1453-1468.

[16]沈斌,張嘩,裴劍鋒,等.家蠅GABA受體抑制劑的比較分子相似性指數(shù)分析模型研究[J].計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué),2004,21(2):224-226.

[17]毛明現(xiàn),余訓(xùn)民,胡立嵩,等.氯代苯及酚類化合物對(duì)生物毒性的定量研究[J].武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2008,30(3):60-64.

[18]Hansch C.Structure-activity Relationships[M]. New York:Permon Elmsford,1973:113-115.

[19]楊光富,楊華錚.啼陡(硫)醚類除草劑的非線性QSAR研究[J].華中師范大學(xué)學(xué)報(bào),2001,35(1): 40-44.

[20]戴玄吏,王曉棟,黃宏,等.應(yīng)用分子全息QSAR技術(shù)預(yù)測硝基芳烴的遺傳毒性[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2003,23(5):674-678.