具有除草活性的大環(huán)內(nèi)酯類衍生物的定量構(gòu)效關(guān)系

段紅霞 王瑞剛 張建軍 董燕紅 梁曉梅 吳景平 王道全

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)應(yīng)用化學(xué)系,農(nóng)業(yè)部農(nóng)藥化學(xué)與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室,北京 100193)

具有除草活性的大環(huán)內(nèi)酯類衍生物的定量構(gòu)效關(guān)系

段紅霞 王瑞剛 張建軍 董燕紅 梁曉梅*吳景平 王道全*

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)應(yīng)用化學(xué)系,農(nóng)業(yè)部農(nóng)藥化學(xué)與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室,北京 100193)

研究了一系列結(jié)構(gòu)新穎的具有除草活性的大環(huán)內(nèi)酯衍生物的定量構(gòu)效關(guān)系(QSAR).構(gòu)建的比較分子力場(chǎng)分析(CoMFA)、比較分子近似指數(shù)分析(CoMSIA)和全息定量構(gòu)效關(guān)系(HQSAR)分子模型的交叉驗(yàn)證系數(shù)均大于0.5,非交叉驗(yàn)證系數(shù)r2都超過0.8,表明獲取的QSAR模型具有可信的預(yù)測(cè)能力.對(duì)CoMFA、CoMSIA模型的三維(3D)等勢(shì)圖分析,發(fā)現(xiàn)除了立體場(chǎng)和靜電場(chǎng)外,疏水場(chǎng)和氫鍵受體場(chǎng)也是影響大環(huán)內(nèi)酯類化合物除草活性的重要因素.構(gòu)建的HQSAR模型的原子貢獻(xiàn)圖提示的結(jié)構(gòu)改造信息與三維QSAR的結(jié)果基本一致.利用CoMFA、CoMSIA模型提供的信息,對(duì)目前已合成的活性最高化合物B1-3進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)改造,預(yù)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)部分化合物可能具有更好的除草活性.

比較分子力場(chǎng)分析;比較分子近似指數(shù)分析;全息定量構(gòu)效關(guān)系;大環(huán)內(nèi)酯;除草活性

苯氧羧酸類除草劑的研究與開發(fā)始于上世紀(jì)40年代,2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-D)是其成功的例子[1].其后,圍繞2,4-D的分子結(jié)構(gòu)開展的研究工作,促使更多具有更高除草活性或具有更廣除草譜的化合物商品化[2].我們?cè)谛罗r(nóng)藥的創(chuàng)制研究中,模仿具有廣譜生物活性的大環(huán)內(nèi)酯類化合物的結(jié)構(gòu),將大環(huán)內(nèi)酯環(huán)引入到芳氧羧酸類除草劑的分子結(jié)構(gòu)中,合成了一系列結(jié)構(gòu)新穎的含十六元環(huán)內(nèi)酯的芳氧羧酸酯類化合物[2].生物測(cè)試結(jié)果表明,它們對(duì)單子葉植物和雙子葉植物均具有較好的除草活性.為了探討其進(jìn)一步結(jié)構(gòu)改造的可能性,研究其構(gòu)效關(guān)系是必要的.在分子結(jié)構(gòu)與生物活性的定量構(gòu)效關(guān)系(QSAR)研究中,以80年代末發(fā)展起來的比較分子力場(chǎng)分析方法(CoMFA)[3]及在CoMFA方法基礎(chǔ)上擴(kuò)展起來的比較分子近似指數(shù)分析方法(CoMSIA)[4]最為有效,已成為藥物和農(nóng)藥領(lǐng)域重要的研究工具.國(guó)內(nèi)外一些研究小組在新農(nóng)藥的創(chuàng)制,特別是在除草劑的研究中,采用上述兩種方法研究其構(gòu)效關(guān)系,為進(jìn)一步的分子設(shè)計(jì)提供參考,加速了創(chuàng)制的進(jìn)程.研究的化合物類型主要包括:磺酰脲類[5],三唑并嘧啶磺酰胺類[6],氰基丙烯酸酯類[7],嘧啶苯甲酸類[8],咪唑啉酮類[9],異吲哚啉酮類[10],膦酸酯類[11],N-取代芐胺類[12],二苯醚類[13],單脒類[14].近年來,分子全息定量構(gòu)效關(guān)系(HQSAR)法由于具有模型建立快速、預(yù)測(cè)能力高且能直接給出分子中對(duì)活性起主要作用的原子等優(yōu)點(diǎn)成為一種新型高效的定量構(gòu)效關(guān)系研究方法[15],目前HQSAR技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用到許多不同類化合物的構(gòu)效關(guān)系研究當(dāng)中[16-18].本文采用CoMFA、CoMSIA和HQSAR法研究前面提到的大環(huán)內(nèi)酯類化合物的結(jié)構(gòu)與對(duì)莧菜除草活性之間的定量構(gòu)效關(guān)系,以便為進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)改造提供參考.

1 研究方法

本文所有計(jì)算均使用SGI分子設(shè)計(jì)工作站上安裝的Sybyl 7.3軟件完成[19],計(jì)算中所選用的參數(shù)均為默認(rèn)值.

1.1 目標(biāo)化合物

本文研究的化合物及其對(duì)莧菜的除草活性均來源于文獻(xiàn)[2],化合物的結(jié)構(gòu)通式見圖1,結(jié)構(gòu)及除草活性如表1所示.

圖1 研究化合物A,B及預(yù)測(cè)化合物P的結(jié)構(gòu)通式Fig.1 Structural formula of the studied compounds A,B and predicted compounds P

表1 研究化合物的結(jié)構(gòu)和對(duì)莧菜的除草活性(PLC50)Table 1 Structure and herbicidal activity(PLC50)to Amaranthus tricolor L.of the studied compounds

所研究化合物在結(jié)構(gòu)上有三處變化:大環(huán)內(nèi)酯環(huán)上C15上的取代基(R),側(cè)鏈上的芳基(Ar),和羧酸部分α-C上的取代基(R1,R2),除草活性采用致死中濃度的對(duì)數(shù)(PLC50)表示.

所有化合物因含肟醚結(jié)構(gòu)而存在順反異構(gòu).文獻(xiàn)[2]研究表明,對(duì)應(yīng)的順式異構(gòu)體和反式異構(gòu)體對(duì)莧菜的除草活性基本無差異,順反異構(gòu)體的除草活性等同于單一異構(gòu)體的除草活性.基于上述事實(shí),本文采用順反異構(gòu)體的生物測(cè)試數(shù)據(jù)表征順式和反式構(gòu)型化合物的各自除草活性,進(jìn)行QSAR建模.

1.2 分子構(gòu)象優(yōu)化

分子構(gòu)象的確定是建立有效3D-QSAR模型的首要前提.最好能獲取各個(gè)活性化合物的藥效構(gòu)象,但由于通?；衔锏陌袠?biāo)結(jié)構(gòu)未知,很難確定它們真正的藥效構(gòu)象,通常采用分子的最低能量構(gòu)象作為可能的藥效構(gòu)象進(jìn)行理論研究.

大環(huán)內(nèi)酯類化合物因含大環(huán)骨架結(jié)構(gòu)具有較大的柔性,因此,我們選取已經(jīng)報(bào)道的化合物A1-6的Z型異構(gòu)體的晶體結(jié)構(gòu)[2]為分子模板,利用單晶數(shù)據(jù)中大環(huán)母體骨架數(shù)據(jù)矯正并優(yōu)化其它分子結(jié)構(gòu),進(jìn)而使用Sybyl 7.3程序包做進(jìn)一步結(jié)構(gòu)優(yōu)化.通過對(duì)計(jì)算方法、分子力場(chǎng)、電荷參數(shù)的系統(tǒng)考察,確定適用于大環(huán)內(nèi)酯類化合物的最佳優(yōu)化參數(shù)包括:方法, Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno(BFGS);收斂梯度,0.21 kJ·mol-1·nm-1(即為0.005 kcal·(mol·?)-1);力場(chǎng),MMFF94;電荷,MMFF94,其它參數(shù)選取默認(rèn)值.在上述優(yōu)化參數(shù)的條件下,獲得Z型A1-6分子構(gòu)象較接近其單晶結(jié)構(gòu),如圖2所示.

1.3 分子疊加

CoMFA和CoMSIA方法均是在分子周圍三維網(wǎng)格上建立相關(guān)分子場(chǎng),分析其與生物活性的相關(guān)性,網(wǎng)格點(diǎn)上能量的大小與分子的相對(duì)位置密切相關(guān).因此,確定分子的取向是CoMFA和CoMSIA研究的關(guān)鍵步驟之一.所有分子需要選取一定的定位規(guī)則在空間疊合,才能保證分子場(chǎng)取向的一致性.目前廣泛采用的定位方式是fit atoms,即以較高活性的分子為模板,選定基本骨架相似的原子,使其它要定位分子的相應(yīng)原子與模板中原子的距離均方根偏差(RMSD)最小,此方法又稱atoms-by-atom[20].

圖2 A1-6的Z型晶體結(jié)構(gòu)[2](a)與優(yōu)化后的構(gòu)象(b)Fig.2 Crystal structure[2](a)and optimizedconformation(b)of Z-A1-6

圖3 E-A1(a)與Z-A1(b)的大環(huán)骨架Fig.3 Skeletons of macrocycle of E-A1(a)and Z-A1(b)

我們分別選取活性較好、具有一定代表性的A1-11的Z型和E型異構(gòu)體為模板,以大環(huán)骨架及肟酯結(jié)構(gòu)為疊合基本骨架(圖3),運(yùn)用Sybyl 7.3中的alignment database模塊進(jìn)行自動(dòng)疊合,以保證所有分子在三維網(wǎng)格中的取向具有一致性,使分子間相互重疊時(shí)均方根偏差最小.疊合結(jié)果如圖4所示,所有分子的疊合效果是令人滿意的.

1.4 CoMFA和CoMSIA模型建立

圖4 研究化合物的E-系列(a)與Z-系列(b)分子疊合圖Fig.4 Maps of superimposition of E-series(a)and Z-series(b)

所有CoMFA和CoMSIA研究均在Sybyl 7.3的QSAR模塊中進(jìn)行.選取sp3雜化的C+作為分子探針,對(duì)疊合分子外圍網(wǎng)格點(diǎn)上的各種場(chǎng)能大小和分布進(jìn)行計(jì)算.網(wǎng)格點(diǎn)步長(zhǎng)設(shè)置為0.2 nm,場(chǎng)能的截?cái)嘀翟O(shè)置為125.4 kJ·mol-1,柱過濾值設(shè)置為8.36 kJ·mol-1.在CoMFA研究中考慮立體場(chǎng)(steric)和靜電場(chǎng)(electrostatic);在CoMSIA計(jì)算中引入立體場(chǎng)、靜電場(chǎng)、疏水場(chǎng)(hydrophobic)、氫鍵受體場(chǎng)(acceptor).在PLS分析時(shí),首先采用抽一法(LOO)進(jìn)行交叉驗(yàn)證,求得交叉驗(yàn)證系數(shù)用來衡量模型的預(yù)測(cè)能力,一般認(rèn)為,當(dāng)時(shí)模型具有可信的預(yù)測(cè)能力,可繼續(xù)進(jìn)行非交叉驗(yàn)證),然后通過確定的最優(yōu)主成分?jǐn)?shù)進(jìn)行非交叉驗(yàn)證回歸分析,得到非交叉驗(yàn)證系數(shù)r2,建立相應(yīng)的3D-QSAR模型[21].最后,采用Stedev coeff方法[22]顯示所構(gòu)建的3D-QSAR模型的三維等勢(shì)圖,直觀地反映各個(gè)分子場(chǎng)對(duì)化合物生物活性的貢獻(xiàn).通過對(duì)訓(xùn)練集分子和新設(shè)計(jì)的化合物的活性預(yù)測(cè),評(píng)價(jià)所建3D-QSAR模型的預(yù)測(cè)能力.

1.5 HQSAR模型的建立

分子全息結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系技術(shù)(HQSAR)是將系列化合物的分子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為分子碎片數(shù)目,然后用偏最小二乘回歸方法將分子碎片數(shù)目的類型即分子全息與生物活性之間建立相關(guān)關(guān)系.HQSAR方法只要求輸入分子的二維結(jié)構(gòu)和生物活性數(shù)據(jù),分子碎片和全息的產(chǎn)生完全是自動(dòng)的,非常迅速.HQSAR方法不但避免了經(jīng)典QSAR方法的共線性和參數(shù)計(jì)算與選擇的問題,而且不需要面對(duì)3D-QSAR中難以確定的疊合規(guī)則困難,具有極大的優(yōu)點(diǎn)和廣泛的應(yīng)用前景.

采用Sybyl 7.3軟件在SGI工作站上進(jìn)行分子模擬,HQSAR模塊產(chǎn)生分子全息.首先,每個(gè)分子的結(jié)構(gòu)被劃分為包含一定原子個(gè)數(shù)的分子碎片,其中,碎片中包含的原子數(shù)目被定義為碎片大小參數(shù);碎片中所包含的結(jié)構(gòu)類型有原子、鍵、連接方式、氫和手性等.根據(jù)碎片中包含原子數(shù)目的多少,分為較小原子碎片(1-3個(gè)原子),中等原子碎片(4-7個(gè)原子)和較大原子碎片(3-10個(gè)原子)三種情況.然后,對(duì)應(yīng)于一個(gè)分子的所有亞結(jié)構(gòu)碎片按照CYC算法[23]映射成一定長(zhǎng)度的整數(shù)串,這即分子全息.整數(shù)串的長(zhǎng)度稱為分子全息長(zhǎng)度參數(shù),在HQSAR模塊中,提供12個(gè)缺省的質(zhì)數(shù)(53,59,61,71,83,97,151,199, 257,307,353和401)作為全息長(zhǎng)度.通過調(diào)整碎片類型、碎片長(zhǎng)度以及全息長(zhǎng)度等參數(shù),改善模型的統(tǒng)計(jì)能力.

采用PLS進(jìn)行建模和交叉驗(yàn)證.分別以“逐一剔除”和“分組剔除”的交叉驗(yàn)證相關(guān)系數(shù)平方值來反映模型的穩(wěn)健性和預(yù)測(cè)能力,用非交叉驗(yàn)證相關(guān)系數(shù)平方值r2和標(biāo)準(zhǔn)估計(jì)誤差SEE表征模型的擬合程度.采用不同顏色對(duì)分子的各個(gè)原子進(jìn)行編碼,以反映各原子對(duì)生物活性貢獻(xiàn)的大小,從而快速指導(dǎo)新配體的合成.

2 結(jié)果與討論

2.1 CoMFA模型分析與討論

我們對(duì)所選取的29個(gè)化合物進(jìn)行CoMFA模型構(gòu)建,計(jì)算結(jié)果如表2所示.獲得CoMFA模型的統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)為:對(duì)于E系列化合物,其交叉驗(yàn)證相關(guān)系數(shù),對(duì)Z系列化合物,得到的交叉驗(yàn)證系數(shù),表明模型具有較好的可靠性和預(yù)測(cè)能力;由最佳主成分?jǐn)?shù)確定的CoMFA模型的非交叉驗(yàn)證系數(shù)分別為r2=0.948(E系列),r2=0.944(Z系列);對(duì)于E系列化合物,立體場(chǎng)和靜電場(chǎng)對(duì)模型的貢獻(xiàn)分別為62.7%和37.3%,Z系列化合物的立體場(chǎng)和靜電場(chǎng)對(duì)模型的貢獻(xiàn)分別為63.9%和36.1%,可見,無論是E系列還是Z系列,立體場(chǎng)的貢獻(xiàn)明顯大于靜電場(chǎng),說明立體場(chǎng)對(duì)大環(huán)內(nèi)酯類化合物與其靶標(biāo)的相互作用影響更為顯著.通過上述一系列的研究結(jié)果表明,盡管E系列與Z系列化合物在結(jié)構(gòu)上有一定差異,但其生物活性具有很大的相似性,這與實(shí)測(cè)結(jié)果是一致的[2].

利用建立的CoMFA模型對(duì)部分訓(xùn)練集分子進(jìn)行除草活性預(yù)測(cè),評(píng)價(jià)模型的實(shí)際預(yù)測(cè)能力,計(jì)算結(jié)果如表3所示.可見,無論是E構(gòu)型還是Z構(gòu)型, CoMFA模型對(duì)大環(huán)內(nèi)酯類化合物除草活性的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合度都較高,差值在誤差允許范圍內(nèi),這表明構(gòu)建的3D-QSAR模型具有很好的重現(xiàn)性和預(yù)測(cè)能力,能夠進(jìn)一步對(duì)同類其它大環(huán)內(nèi)酯類化合物的除草活性進(jìn)行預(yù)測(cè).

CoMFA方法由于使用的自變量遠(yuǎn)大于因變量,故難以用數(shù)學(xué)函數(shù)表示,多采用直觀的三維圖形表示3D-QSAR模型的計(jì)算結(jié)果,從中分析化合物各個(gè)取代基性質(zhì)及位置變化對(duì)活性的影響,獲取系列化合物結(jié)構(gòu)改造的信息.為了作出更好說明,選擇具有最高生物活性的化合物B1-3作為參考分子,采取Stedev coeff方法獲得CoMFA模型分子場(chǎng)的三維等勢(shì)圖(圖5).在立體場(chǎng)等勢(shì)圖中,綠色區(qū)域表示在該區(qū)域存在體積大的基團(tuán)有利于活性的提高,黃色區(qū)域表示在該區(qū)域不宜引入位阻大的基團(tuán);在靜電場(chǎng)等勢(shì)圖中,紅色區(qū)域表示引入電負(fù)性基團(tuán)有利于提高生物活性,藍(lán)色區(qū)域表明引入正電性基團(tuán)有利于生物活性的提高.

表2 E、Z兩個(gè)系列化合物CoMFA建模結(jié)果Table 2 CoMFA models of E-and Z-series compounds

表3 部分訓(xùn)練集分子的除草活性(PLC50(mg·L-1))及采用CoMFA模型預(yù)測(cè)結(jié)果Table 3 Experimental and predicted herbicidal activity results(PLC50(mg·L-1))for some compounds in the training set by CoMFA model

如圖5所示,就E系列化合物而言,在大環(huán)內(nèi)酯骨架的C15位上,覆蓋有較大范圍的黃色區(qū)域,表明此位置不宜引入空間位阻較大的基團(tuán).我們正是在大環(huán)內(nèi)酯C15位引入了較小的甲基(R=Me)合成了系列化合物,有效地增加了化合物的除草活性.如表1所示,B系列化合物的活性明顯高于A系列化合物.同樣,在側(cè)鏈羧酸的α-位上也有黃色區(qū)域分布,說明這里也不宜引入體積過大的基團(tuán),如化合物A2-1(PLC50=1.35 mg·L-1)和化合物A3-1(PLC50= 1.54 mg·L-1),在該C原子上由一個(gè)甲基取代變成兩個(gè)甲基后,化合物活性明顯降低;此外,在苯環(huán)的對(duì)位覆蓋有明顯的綠色區(qū)域,說明在該位置引入空間位阻較大的基團(tuán)有利于大環(huán)內(nèi)酯類化合物活性的提高.如化合物A1-2(PLC50=1.74 mg·L-1)和化合物A1-3 (PLC50=1.69 mg·L-1)對(duì)比發(fā)現(xiàn),增大苯環(huán)對(duì)位取代基的體積,即甲基替換為甲氧基后,化合物的活性有一定提高.可見,在苯環(huán)對(duì)位較大的取代基對(duì)生物活性是有利的.

圖5還顯示,在苯環(huán)4位上覆蓋較大范圍的藍(lán)色區(qū)域,說明在該位置引入正電基團(tuán)有利于大環(huán)內(nèi)酯類化合物除草活性的提高.如對(duì)比化合物A1-1 (PLC50=1.86 mg·L-1)和A1-2(PLC50=1.74 mg·L-1)發(fā)現(xiàn),苯環(huán)對(duì)位為帶正電的甲基取代的化合物A1-2的活性要高些.此外,在苯環(huán)平面的上、下方覆蓋大面積的紅色區(qū)域,說明增加苯環(huán)的電負(fù)性會(huì)顯著提高化合物的生物活性.如化合物A1-1(PLC50=1.86 mg·L-1)和化合物A1-11(PLC50=1.23 mg·L-1),由于吸電子基團(tuán)—Cl,—Br的存在使得化合物A1-11的活性更高.對(duì)比圖5中Z系列的CoMFA模型與E系列的CoMFA模型,發(fā)現(xiàn)兩個(gè)系列的CoMFA模型圖像提供的結(jié)構(gòu)改造信息基本一致,這進(jìn)一步論證了該類化合物的順反異構(gòu)對(duì)除草活性的影響很小.

2.2 CoMSIA模型分析與討論

對(duì)疊加好的E、Z兩個(gè)系列的化合物進(jìn)行CoMSIA建模.在構(gòu)建CoMSIA模型過程中,考慮了立體場(chǎng)、靜電場(chǎng)、疏水場(chǎng)和氫鍵受體場(chǎng),經(jīng)過參數(shù)不斷調(diào)整與優(yōu)化,確定最佳的3D-QSAR模型.所有計(jì)算結(jié)果顯示,構(gòu)建的CoMSIA模型,說明具有較高的可信度.

為了作更好的解釋說明,選擇具有最高生物活性的化合物B1-3為參考分子,采取Stedev coeff方法獲得CoMSIA模型各個(gè)分子場(chǎng)的三維等勢(shì)圖.所構(gòu)建的CoMSIA模型的立體場(chǎng)和靜電場(chǎng)等勢(shì)圖(略)與前述分析討論的CoMFA模型的立體場(chǎng)和靜電場(chǎng)所提供的化合物結(jié)構(gòu)改造信息基本一致,這里不再累述.如圖6所示,在疏水場(chǎng)等勢(shì)圖中,黃色區(qū)域表示該區(qū)域取代基疏水性增強(qiáng)有利于增加化合物的生物活性,灰色區(qū)域表示該區(qū)域疏水性減弱將提高化合物的生物活性.對(duì)E系列化合物,芳香環(huán)上方覆蓋較大范圍的黃色區(qū)域,這說明芳香苯環(huán)的疏水作用對(duì)大環(huán)內(nèi)酯類化合物的除草活性極其重要,增加苯環(huán)的疏水性質(zhì),尤其是在2,3,5位增加取代基的疏水特征,可以有效的提高生物活性.在苯環(huán)4位分布有灰色區(qū)域,如若降低其取代基的疏水性質(zhì)有可能增加化合物的生物活性.Z系列化合物疏水場(chǎng)提供的結(jié)構(gòu)信息與E系列基本一致.

圖5 E系列(a)和Z系列(b)CoMFA模型的立體場(chǎng)和靜電場(chǎng)等勢(shì)圖Fig.5 Contour maps of steric and electrostatic fields for CoMFA models of E-series(a)and Z-series(b)

在氫鍵受體場(chǎng)等勢(shì)圖中,紅色區(qū)域表示增大氫鍵受體場(chǎng)有利于提高活性,紫色區(qū)域表示減小氫鍵受體場(chǎng)有利于化合物活性的提高.如圖7所示,無論是E系列化合物還是Z系列化合物,在大環(huán)內(nèi)酯羰基鄰位和側(cè)鏈肟酯羰基附近均分布有較大范圍的紅色區(qū)域,如若在該位置引入具有氫鍵受體特征的基團(tuán)將有利于增加大環(huán)內(nèi)酯類化合物的生物活性;而在大環(huán)內(nèi)酯羰基部位、側(cè)鏈肟酯的N原子上覆蓋有一定范圍的紫色區(qū)域,此處不宜引入氫鍵受體基團(tuán).

圖6 E系列(a)和Z系列(b)CoMSIA模型的疏水場(chǎng)等勢(shì)圖Fig.6 Contour maps of hydrophobic field for CoMSIA models of E-series(a)and Z-series(b)

圖7 E系列(a)和Z系列(b)CoMSIA模型的氫鍵受體場(chǎng)等勢(shì)圖Fig.7 Contour maps of hydrogen-bond acceptor field for CoMSIA models of E-series(a)and Z-series(b)

基于上述一系列的CoMFA和CoMSIA模型的研究結(jié)果,結(jié)合大環(huán)內(nèi)酯類化合物的結(jié)構(gòu)特征,我們發(fā)現(xiàn)除了立體場(chǎng)、靜電場(chǎng)以外,疏水場(chǎng)和氫鍵受體場(chǎng)也是影響大環(huán)內(nèi)酯類化合物除草活性的重要因素.

2.3 HQSAR模型分析與討論

圖8 A2-6的HQSAR模型的色碼圖Fig.8 Color coding figure of HQSAR model of A2-6

表4 不同碎片長(zhǎng)度得到的HQSAR模型aTable 4 Influences of various fragment size parameters on HQSAR modela

分別在碎片長(zhǎng)度為1-3、4-7和8-10范圍內(nèi)產(chǎn)生分子全息,得到一系列QSAR模型,列于表4.從模型“逐一剔除”的交叉驗(yàn)證結(jié)果來看,最佳模型處于分子碎片長(zhǎng)度為8-10范圍內(nèi),對(duì)應(yīng)分子全息長(zhǎng)度為97,交叉驗(yàn)證相關(guān)系數(shù)r2cv為0.680,模型的最佳主成分?jǐn)?shù)為4.這是因?yàn)檩^大的分子碎片長(zhǎng)度才能更詳盡地區(qū)分大環(huán)內(nèi)酯類化合物分子的不同結(jié)構(gòu)特征.為了考察不同類型的碎片區(qū)分因素對(duì)模型質(zhì)量的影響,在分子碎片長(zhǎng)度為8-10、分子全息長(zhǎng)度為97的條件下,改變所用的分子碎片區(qū)分參數(shù)例如原子類型A、化學(xué)鍵類型B、連接性Con、手性Ch、氫鍵給體和受體DA、氫原子H等,得到一系列的分子全息模型列于表5中.研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)考慮上述所有分子碎片區(qū)分參數(shù)組合時(shí)獲得的模型質(zhì)量最好,該HQSAR模型的統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)為0.713,最小標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測(cè)偏差SEP為0.204;非交叉驗(yàn)證相關(guān)系數(shù)r2為0.870,標(biāo)準(zhǔn)估計(jì)誤差SEE為0.137,最佳主成分?jǐn)?shù)為4.一般認(rèn)為,模型具有顯著的預(yù)測(cè)能力.可見,所有分子碎片區(qū)分參數(shù)都對(duì)大環(huán)內(nèi)酯類衍生物的除草活性有影響,尤其是氫鍵特征對(duì)生物活性的貢獻(xiàn)最大,它的引入可以較大程度的提高HQSAR模型質(zhì)量.

HQSAR的最大優(yōu)點(diǎn)是可以采用不同顏色對(duì)分子中的各原子進(jìn)行編碼,以反映各原子對(duì)生物活性貢獻(xiàn)的大小,從而快速直接地指導(dǎo)新配體的合成.處于光譜中紅色系的顏色反映的是不利貢獻(xiàn),從橙色、橙紅色到紅色這種不利影響依次增大,合成時(shí),應(yīng)盡量避免引入這些基團(tuán).處于光譜藍(lán)色系的顏色反映的是有利貢獻(xiàn),從黃色、藍(lán)綠色到綠色表示對(duì)活性的貢獻(xiàn)依次增大,在合成時(shí)這些基團(tuán)應(yīng)盡量保留.而白色,則表示對(duì)活性沒有影響.

以化合物A2-6為例對(duì)HQSAR模型進(jìn)行色碼解釋,如圖8所示.圖中青色為該系列化合物的共同結(jié)構(gòu).A2-6化合物R1位甲基上的氫原子呈現(xiàn)綠色或黃色,表明它們對(duì)化合物的活性有正性貢獻(xiàn),而R2位置的氫原子呈現(xiàn)白色對(duì)活性沒有影響.所以在化學(xué)合成過程中應(yīng)該盡可能保留R1位甲基取代,這一研究結(jié)果與之前CoMFA和CoMSIA模型中所指出的R1取代基體積不能過大的結(jié)論是一致的.其原因可能是只有合適大小的取代基如一個(gè)CH3,才能與靶標(biāo)有較好的結(jié)合作用;若R1和R2同時(shí)取代,會(huì)導(dǎo)致空間位阻過大,不利于與受體很好的作用.取代基R位置上的氫原子呈現(xiàn)橙紅色,表明該位置原子對(duì)活性的貢獻(xiàn)是不利的,應(yīng)該考慮引入新的取代基團(tuán).我們實(shí)驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)證實(shí),R位置被甲基取代后化合物活性有顯著提高(如化合物B1-2的活性為PLC50=0.90 mg·L-1,化合物A1-9的活性為PLC50=1.29 mg·L-1).苯環(huán)3位被取代的原子呈現(xiàn)黃色或綠色,表明該位置取代對(duì)活性是有利的,在合成過程中應(yīng)盡量保留3位的取代,實(shí)驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)充分證實(shí)了這一點(diǎn)(如化合物B1-2的活性為PLC50=0.90 mg·L-1,化合物B1-3的活性為PLC50=0.53 mg·L-1). 4位氫原子呈現(xiàn)紅色,說明對(duì)活性是不利的,因此在具體的合成過程中應(yīng)該考慮設(shè)計(jì)其它基團(tuán)取代,這與CoMFA和CoMSIA模型中指出的在苯環(huán)對(duì)位引入具有特性的取代基團(tuán)對(duì)該系列化合物的除草活性是非常有利的結(jié)論相吻合,我們?cè)趯?shí)驗(yàn)過程中已經(jīng)充分考慮到這一點(diǎn),基本上設(shè)計(jì)的都是在4位引入不同取代基團(tuán)來提高系列化合物活性.與肟酯中N相鄰的大環(huán)內(nèi)酯上的氫原子呈現(xiàn)綠色,對(duì)活性正性貢獻(xiàn),其它距離較遠(yuǎn)的氫原子為紅色或橙色對(duì)活性負(fù)性貢獻(xiàn).

表5 碎片區(qū)分因素對(duì)HQSAR模型質(zhì)量的影響aTable 5 Influences of various fragment type parameters on HQSAR modela

2.4 新分子活性預(yù)測(cè)

結(jié)合上述構(gòu)建的CoMFA、CoMSIA模型的研究結(jié)果,以目前合成的大環(huán)內(nèi)酯類化合物中活性最好的B1-3(PLC50=0.53 mg·L-1)為母體,分別對(duì)大環(huán)母體、側(cè)鏈及側(cè)鏈苯環(huán)上取代基進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造,運(yùn)用CoMFA模型對(duì)其除草活性進(jìn)行預(yù)測(cè),期望能獲取具有更高除草活性的新型分子.設(shè)計(jì)的部分新化合物結(jié)構(gòu)及其預(yù)測(cè)的PLC50值如表6所示.

結(jié)合CoMFA模型的立體場(chǎng)等勢(shì)圖信息,對(duì)大環(huán)內(nèi)酯骨架部分的羰基和甲基進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造,將B1-3大環(huán)內(nèi)酯骨架上的—CH3換成—F、—CF3、—CH2CH3、—OCH3、—CN后,預(yù)測(cè)活性有所降低(如P1),這進(jìn)一步證明保留大環(huán)內(nèi)酯骨架上的—CH3對(duì)活性是有利的;考慮CoMSIA模型的氫鍵受體場(chǎng)等勢(shì)圖結(jié)果,大環(huán)部分的羰基作為氫鍵受體不應(yīng)削弱,當(dāng)羰基變?yōu)榱螋驶?預(yù)測(cè)活性明顯降低(如P2).

根據(jù)CoMFA模型的立體場(chǎng)和靜電場(chǎng)信息,對(duì)B1-3側(cè)鏈羰基上的α-CH2進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造.將兩個(gè)—H中的一個(gè)用強(qiáng)電負(fù)性的—F取代,活性有所提高(如P3);但將兩個(gè)—H均由—F取代后,可能由于空間位阻的原因,活性下降(如P4).

對(duì)B1-3苯環(huán)部分的改造:根據(jù)CoMFA模型的立體場(chǎng)和靜電場(chǎng)等勢(shì)圖結(jié)果,結(jié)合CoMSIA模型的疏水場(chǎng)等勢(shì)圖信息,保持對(duì)位Cl原子不變,在鄰、間位上引入空間位阻大、或電負(fù)性強(qiáng)、或疏水性強(qiáng)的基團(tuán),如—CN、—CF3、苯基、環(huán)己基、環(huán)丙基等,結(jié)果發(fā)現(xiàn)只有在間位上單一引入這些取代基團(tuán),生物活性才有望提高(如P7、P8、P9、P10、P11).可見,在以后的結(jié)構(gòu)改造中應(yīng)著重針對(duì)苯環(huán)間位進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造.此外,在保留間位CH3的情況下,將對(duì)位上的Cl原子替換為Br原子后預(yù)測(cè)活性有所下降(P5);但將其替換為電負(fù)性更強(qiáng)的NO2后,預(yù)測(cè)活性顯著提高(P6),這可能是因?yàn)椤狽O2疏水性弱的緣故.同時(shí)將側(cè)鏈羧酸α-C上的—H替換為—F及苯環(huán)對(duì)位Cl替換成NO2,同樣可以獲取良好的效果,活性有很大的提高(如P13、P14).因此,在后續(xù)的結(jié)構(gòu)改造過程中,建議在側(cè)鏈羧酸α-C上引入F,在苯環(huán)對(duì)位引入NO2,而間位則引入體積更大、給電子和疏水性均強(qiáng)的烴基等基團(tuán),有望獲得除草活性更好的新型大環(huán)內(nèi)酯類化合物.

表6 部分設(shè)計(jì)化合物的結(jié)構(gòu)及除草活性的預(yù)測(cè)Table 6 Structure and predicted herbicidal activity of designed compounds

3 結(jié) 論

運(yùn)用比較分子力場(chǎng)分析(CoMFA)、比較分子相似性指數(shù)分析(CoMSIA)和全息定量構(gòu)效關(guān)系(HQSAR)方法構(gòu)建了具有除草活性的大環(huán)內(nèi)酯類系列化合物的定量構(gòu)效關(guān)系模型.對(duì)部分已知化合物進(jìn)行除草活性的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值相當(dāng),說明所構(gòu)建的模型具有良好的預(yù)測(cè)能力.研究結(jié)果表明,由CoMFA和CoMSIA模型獲得的結(jié)構(gòu)改造信息基本一致,除了立體場(chǎng)和靜電場(chǎng)外,疏水場(chǎng)和氫鍵受體場(chǎng)也是影響上述大環(huán)內(nèi)酯類衍生物除草活性的重要因素.通過構(gòu)建最優(yōu)HQSAR模型給出的原子貢獻(xiàn)圖提示的化合物結(jié)構(gòu)改造信息與三維QSAR提供的結(jié)果相吻合.根據(jù)構(gòu)建的CoMFA和CoMSIA模型,以B1-3為母體,分別對(duì)大環(huán)內(nèi)酯環(huán),側(cè)鏈及側(cè)鏈苯環(huán)上的取代基進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造,并對(duì)其除草活性進(jìn)行預(yù)測(cè),結(jié)果獲得數(shù)個(gè)可能具有更高活性的化合物,為大環(huán)內(nèi)酯類化合物通過結(jié)構(gòu)改造獲得活性更高的化合物奠定了基礎(chǔ),也為其它類型大環(huán)化合物的構(gòu)效關(guān)系研究提供了借鑒.

Supporting Information Available： CCDC 689231 contains the supplementary crystallographic data for this paper. These data can be obtained free of charge from the CCDC,12 Union Road,Cambridge CB2 1EZ,UK;Tel:(44)01223 762910; E-mail:deposit@ccdc.cam.ac.uk.

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19 SYBYL 7.3 is available from Tripos Associates Inc.,1699 S. Hanley Rd.,St.Louis,MO631444,USA

20 Xu,X.J.;Hou,T.J.;Qiao,X.B.;Zhang,W.Computer-aided drug design.Beijing:Chemical Industry Press,2004 [徐筱杰,侯廷軍,喬學(xué)斌,章 威.計(jì)算機(jī)輔助藥物分子設(shè)計(jì).北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004]

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22 Jiang,Y.R.;Qin,W.Acta Phys.-Chim.Sin.,2008,24(10):1859 [蔣玉仁,秦 偉.物理化學(xué)學(xué)報(bào),2008,24(10):1859]

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November 27,2009;Revised:January 25,2010;Published on Web:March 9,2010.

QSAR of Macrolactone Derivatives with Herbicidal Activity

DUAN Hong-Xia WANG Rui-Gang ZHANG Jian-Jun DONG Yan-Hong LIANG Xiao-Mei*WU Jing-Ping WANG Dao-Quan*
(Key Laboratory of Pesticide Chemistry and Application Technology,Ministry of Agriculture, Department of Applied Chemistry,China Agricultural University,Beijing 100193)

Westudiedthequantitativestructure-activityrelationships(QSAR)ofmacrolactone derivatives.Statistical results fromthe established comparative molecularfield analysis(CoMFA),the comparative molecular similarity indices analysis(CoMSIA),and the hologram quantitative structure-activity relationship(HQSAR)models showed believable predictability based on the cross-validated value(r2cv＞0.5)and the non cross-validated value(r2＞0.8).A contour maps analysis of the CoMFA and CoMSIA models showed that the hydrophobic and hydrogen-bond acceptor fields are important factors that affect the herbicidal activity of macrolactone compounds except for the steric and electrostatic fields.The structural modification information from the different atom contributions in the HQSAR model is in agreement with those of the 3D-QSAR models.According to the results from the CoMFA and CoMSIA models,the structure of compound B1-3 with the best herbicidal activity was modified and some designed compounds were predicted to have higher activity.

CoMFA;CoMSIA;HQSAR;Macrolactone;Herbicidal activity

O641

*Corresponding authors.Email:wangdq@cau.edu.cn,liangxiaomeim@yahoo.com.cn;Tel:+86-10-62732219.

The project was supported by the National Key Basic Research Program of China(973)(2003CB114407).

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)(2003CB114407)資助項(xiàng)目

王道全,1978年10月考取北京大學(xué)分子工程與化學(xué)學(xué)院(原化學(xué)系)研究生,師從張滂院士,從事有機(jī)合成研究,1984年3月獲理學(xué)博士學(xué)位.