黃頂菊活性成分的構(gòu)型及其除草活性作用機(jī)制

王俊敏+馮濤+趙影

摘要：黃頂菊提取物中含有除草活性成分，針對(duì)這些活性基團(tuán)合成一些具有除草活性的分子，采用B3lyp/6-311G（d，p）對(duì)7種化合物進(jìn)行全參數(shù)優(yōu)化，得到其穩(wěn)定構(gòu)型。并對(duì)化合物中原子的NBO電荷分布、前線分子軌道能級(jí)、靜電勢(shì)等性質(zhì)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，化合物的除草活性與分子的各種參數(shù)存在一定的聯(lián)系，藥物分子與受體作用時(shí)是噻吩環(huán)接受電子，苯環(huán)、吡啶環(huán)或嘧啶環(huán)提供電子，達(dá)到藥物的作用效果，在藥物分子發(fā)揮藥效時(shí)主要是連在苯環(huán)、吡啶環(huán)或嘧啶環(huán)酰胺基這部分提供電子，與蛋白質(zhì)或酶相互作用形成電子轉(zhuǎn)移過程，從而達(dá)到除草效果。

關(guān)鍵詞：黃頂菊；除草活性；量子化學(xué)研究；前線分子軌道

中圖分類號(hào)： O621.13文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2016）06-0226-03

收稿日期：2015-12-14

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金 （編號(hào)：31171877）；河北省保定市科技局指導(dǎo)性計(jì)劃（編號(hào)：13ZF080）。

作者簡介：王俊敏（1978—），女，河北景縣人，碩士，講師，主要從事物理化學(xué)研究。E-mail：wang_jm12@163.com。黃頂菊也稱為“生態(tài)殺手”，黃頂菊所分泌和釋放的化感物質(zhì)對(duì)馬唐、反枝莧、棉花、玉米等具有很強(qiáng)的抑制作用。對(duì)黃頂菊的研究多集中于光合生理特性，而關(guān)于黃頂菊提取物的研究相對(duì)較少，已有報(bào)道表明黃頂菊的提取物具有殺蟲活性[1-2]和殺菌抗病毒活性[3]。國內(nèi)對(duì)黃頂菊的研究多集中于生物學(xué)、發(fā)生特點(diǎn)與危害等方面[4]。已經(jīng)明確了外來入侵植物黃頂菊中具有較高除草活性的新型結(jié)構(gòu)，并從黃頂菊的提取物中分離得到了活性較強(qiáng)的化感物質(zhì)[5]，筆者所在項(xiàng)目組通過分子設(shè)計(jì)和衍生合成了7種有機(jī)分子，并得到這些藥物分子對(duì)油菜、馬唐的除草活性數(shù)據(jù)。通過量子化學(xué)計(jì)算可以從理論上對(duì)藥物的活性部位進(jìn)行分析，為了明確這些藥物的除草活性及作用機(jī)制，采用密度泛函理論（DFT） 中的B3LYP 方法，對(duì)化合物中原子的NBO電荷分布、前線分子軌道能級(jí)、靜電勢(shì)等性質(zhì)與除草活性的關(guān)系進(jìn)行了分析，闡明了這些分子的構(gòu)效關(guān)系與作用機(jī)制，為進(jìn)一步改造藥物結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)，而且也為除草劑的創(chuàng)新提供新的分子源，促進(jìn)新型除草劑的研制。

1計(jì)算方法

計(jì)算使用Gaussview軟件構(gòu)建出7種待分析化合物的結(jié)構(gòu)，運(yùn)用密度泛函理論DFT/B3LYP方法，在6-311G（d，p）基組水平上，化合物進(jìn)行分子的全參數(shù)幾何優(yōu)化，對(duì)計(jì)算結(jié)果的頻率分析顯示無虛頻，說明已經(jīng)得到能量最小的穩(wěn)定構(gòu)型[6]。全部計(jì)算工作用Gaussian03[7]程序完成。

2結(jié)果與分析

2.1優(yōu)化后化合物的穩(wěn)定構(gòu)型及參數(shù)的選取

以分子經(jīng)過優(yōu)化后的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，計(jì)算了各分子的NBO電荷，軌道能量，并從計(jì)算結(jié)果中提取出EHOMO（最高占據(jù)軌道能）、ELUMO（最低未占據(jù)軌道能量）、ΔE（軌道躍遷能，即ELUMO-EHOMO），分子的偶極矩、四級(jí)矩以及分子的藥物活性數(shù)據(jù)列于表1中，各種軌道圖以及分子的靜電勢(shì)圖見圖1。

2.2分子前線軌道能量分析

根據(jù)分子軌道理論及福井謙一的前線軌道理論，對(duì)分子活性影響最大的是最高占據(jù)軌道和最低未占據(jù)軌道，活性分子與目標(biāo)分子反應(yīng)時(shí)，主要是在分子前線軌道附近發(fā)生。農(nóng)藥分子的前線軌道能量對(duì)分子的活性有較大的影響，EHOMO過低或ELUMO過高都可能導(dǎo)致農(nóng)藥分子的活性過強(qiáng)，從而容易被分解或與其他受體作用，影響效果。所以，對(duì)于農(nóng)藥分子而言，EHOMO或ELUMO值應(yīng)該在一定的范圍內(nèi)[8-9]。

從表1數(shù)據(jù)來看，EHOMO能級(jí)最高的是化合物3，化合物的供電子能力隨著EHOMO能級(jí)的升高而增強(qiáng)，這就會(huì)使分子活性過強(qiáng)，從而在與受體作用時(shí)易被分解；ELUMO能級(jí)最高的是化合物1，化合物接受電子的能力隨ELUMO能級(jí)的升高而減弱，當(dāng)藥物與受體作用時(shí)，化合物接受受體提供的電子較為困難。此分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值相符。根據(jù)已經(jīng)取得的活性數(shù)據(jù)，化合物5、化合物6的生物活性較高，這與量子化學(xué)計(jì)算結(jié)果相吻合，即化合物5、化合物6具有較低的EHOMO能級(jí)，且ΔE值相對(duì)較低，當(dāng)藥物分子與受體接觸時(shí)，可以穩(wěn)定地給受體提供電子，形成電子轉(zhuǎn)移配合物，以保證藥效的發(fā)揮?；衔?的ΔE值較高，為4.83，活性較低，這與活性數(shù)據(jù)相符合。從偶極矩和四級(jí)矩?cái)?shù)據(jù)看出，其數(shù)據(jù)規(guī)律和前線軌道數(shù)據(jù)規(guī)律一致，分子的極性也是影響藥物活性的因素。

圖2是通過計(jì)算并繪制得到的這7種化合物的 HOMO、LUMO軌道圖。從圖2可以看出，分子的LUMO主要由噻吩環(huán)組成，HOMO多集中在苯環(huán)、吡啶環(huán)、嘧啶環(huán)上。這說明藥物分子與受體作用時(shí)是噻吩環(huán)接受電子，苯環(huán)、吡啶環(huán)或嘧啶環(huán)提供電子，形成配合物，達(dá)到藥物的作用效果。從 HOMO 軌道圖上可以看出，化合物5、化合物6苯環(huán)上電子分布較多，所以活性較高。同時(shí)，也可以從軌道圖上觀察到，取代基種類和位置的不同對(duì)分子軌道的組成也有很大影響，從而影響藥物活性。

2.3NBO電荷布局分析

表2中數(shù)據(jù)是7種化合物進(jìn)行NBO計(jì)算后部分原子的自然原電荷分布，從結(jié)果可以看出，噻吩環(huán)呈負(fù)電性，可能與受體的正電性區(qū)域相結(jié)合，且7種化合物噻吩環(huán)上電荷分布基本相同，因此噻吩環(huán)對(duì)藥物分子活性的影響不大。化合物1的吡啶環(huán)和其他化合物電荷相比負(fù)電性更強(qiáng)，化合物1對(duì)油菜的除草活性最強(qiáng)，所以吡啶環(huán)的NBO電荷對(duì)闊葉類的植物除草活性影響比較大；化合物3、化合物4和化合物1相比較，吡啶環(huán)上的氫原子被三氟甲基取代，化合物3的噻吩環(huán)上的氫原子還被烷氧羰基取代，由于三氟甲基和烷氧羰基均為強(qiáng)的吸電子基，降低了吡啶環(huán)上的電子密度，所以活性相比化合物1有所降低，在對(duì)油菜進(jìn)行處理時(shí)，化合物3比化合物5的50%最大效應(yīng)濃度低，可能是因?yàn)橛型檠豸驶拇嬖?，所以化合?、3、4這3種藥物分子對(duì)闊葉類植物的處理效果較好；化合物5和化合物6的苯環(huán)的NBO電荷最高，苯環(huán)上氫被氟原子取代，在處理馬唐時(shí)所需劑量較少，所以氟原子的存在可能會(huì)對(duì)化合物活性有所提升，在處理尖葉植物時(shí)效果較好；化合物7中氮原子取代了苯環(huán)上的1個(gè)碳，在處理油菜時(shí)效果不如化合物4好。所以根據(jù)活性數(shù)據(jù)和分析可以得到如下結(jié)論：吡啶環(huán)和苯環(huán)上氟原子的引入對(duì)馬唐的處理效果較好，含有活性基團(tuán)吡啶環(huán)的分子對(duì)油菜有較好的處理效果，氫原子被三氟甲基取代后有助于油菜的處理。

2.4靜電勢(shì)分析

靜電勢(shì)是電子密度的反映，紅色表明此處電子所處能級(jí)高，電子數(shù)量較大，易于給出電子。本研究中根據(jù)量子化學(xué)的計(jì)算結(jié)果，使用Gaussview繪制出幾個(gè)化合物的靜電勢(shì)圖（圖3），從圖3可以看出，酰胺基的羰基氧上的電荷密度較高，另外，在吡啶環(huán)、三氟甲基上也有較高的電荷密度，反應(yīng)時(shí)主要是由這一部分給出電子。在靜電勢(shì)圖上顯示噻吩環(huán)呈藍(lán)色，說明噻吩環(huán)上聚集了較多的正電荷，在與受體作用時(shí)，主要是接受受體提供的電子。在化合物3中，由于酯基和三氟甲基的強(qiáng)吸電子作用，導(dǎo)致在這一部分聚集了較多的負(fù)電荷，從而使化合物3在與受體作用時(shí)，由于活性較高，極易釋放電子給受體，使該分子的活性受到影響。在化合物5、化合物6分子中，分別有氫被氟取代，因?yàn)榉休^強(qiáng)的電負(fù)性，使得在這2個(gè)原子附近聚集了小部分負(fù)電荷，容易提供電子給受體，從而發(fā)揮藥效。

3結(jié)論

通過對(duì)目標(biāo)化合物數(shù)據(jù)和能級(jí)圖的分析，以及與活性數(shù)據(jù)的比較，可以得出以下結(jié)論：（1）這些藥物分子的除草活性與分子的HOMO和LUMO分布，以及能量差ΔE密切相關(guān)，ΔE越小，除草活性較好，藥物分子與受體作用時(shí)是噻吩環(huán)接受電子，苯環(huán)、吡啶環(huán)或嘧啶環(huán)提供電子，達(dá)到藥物的作用效果。（2）吡啶環(huán)和苯環(huán)上氟原子的引入對(duì)馬唐的處理效果較好，含有活性基團(tuán)吡啶環(huán)的分子對(duì)油菜有較好的處理效果，氫原子被三氟甲基取代后有助于油菜的處理。（3）從靜電勢(shì)圖上可以看出，連在苯環(huán)、吡啶環(huán)或嘧啶環(huán)酰胺基上顯紅色，為靜電勢(shì)負(fù)區(qū)，藥物分子在發(fā)揮藥效時(shí)主要是這部分提供電子，與蛋白質(zhì)或酶相互作用形成電子轉(zhuǎn)移過程，從而達(dá)到除草效果。

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