均三氮苯類除草劑的定量構效關系研究

劉 翠, 金 飆, 金 俏

(1.沈陽化工大學環境與生物工程學院,遼寧沈陽110142; 2.北京石油化工學院化學工程學院,北京102600)

均三氮苯類除草劑在國內外應用廣泛,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,并易對水體造成污染,對生物和人類具有蓄積毒性,因此,該類除草劑所帶來的環境問題也日益受到人們的關注[1-7].目前,對于除草劑類物質的定量結構-活性相關(Quantitative Structure-Activity Relationship,QSAR)研究發展迅速,而量子化學參數由于計算簡便、物理化學意義明確,在建立QSAR模型中得到廣泛關注和應用[8-13].本研究運用量子化學參數法建立均三氮苯類除草劑的QSAR模型,在最穩定的分子構型下得到該類物質的除草活性與其結構之間的量變關系,為預測相似結構化合物的除草活性提供依據.

1 研究方法

研究對象選用應用十分廣泛的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雜草的抑制中濃度的負對數 PI50值作為該類化合物的除草活性數據,PI50值引自文獻[14].

研究方法采用量子化學方法.量子化學參數比傳統的經驗參數在描述化合物結構上要更加全面,物理意義更加明確,利用量化參數研究化合物的生物活性以及預測化學品的理化性質已獲得很大成功.所以,將量子化學方法引入QSAR研究已成為一個大方向[15-20].研究采用 HF方法和密度泛函理論中的B3LYP方法,對化合物的分子結構及化學性質進行系統的理論研究,通過量子化學計算,可全面獲得有關分子的電子結構和幾何結構的信息,如分子軌道能量、偶極矩、原子電荷密度等,并利用計算獲得的量子化學參數建立均三氮苯類除草劑的定量構效關系模型.

運用Chem3D、ChemDraw等化學繪圖及模擬軟件進行均三氮苯類化合物的分子設計和構型設計;在B3L YP/6-31G＊和 HF/6-31G＊水平下,對化合物進行幾何構型優化,使用 Gaussian03軟件計算得出化合物的偶極矩、電子親和勢、EHOMO和 ELUMO等量化參數,并對 PI50值與各量化參數進行相關性分析;應用SPSS 11.5統計程序,在95%置信區間內,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構之間的QSAR相關模型,為預測該類化合物的除草活性以及相似結構化合物的除草活性提供理論依據.

2 結果與討論

2.1 量子化學計算結果

在B3L YP/6-31G＊和 HF/6-31G＊水平下,計算得出所選取的10種均三氮苯類化合物的分子總能量 E、零點振動能 EZP、最低振動頻率 fL、最高占據軌道能量 EHOMO、最低空軌道能量ELOMO、最高占據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、苯環上取代基氮原子所帶的電荷數Q1、Q2等量子化學參數.計算結果見表1,量化參數見表2和表3.

表1 10種均三氮苯類化合物總能量 E(kJ/mol)、零點振動能 EZP(kJ/mol)、頻率(cm-1)(紅外振動強度)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參數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參數Table 3 Quantum chemistry and activities parameters of herbicides at the level of HF/6-31G＊

2.2 參數選擇和相關性分析

應用SPSS 11.5軟件對PI50值與各量化參數間進行相關性分析,見表4和表5.

表4 B3L YP/6-31G＊水平下均三氮苯類化合物 PI50的相關系數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的相關系數Table 5 Coefficients of independent variables at the level of HF/6-31G＊

正數為正相關,負數為負相關.在回歸中將體現相關性,對于大于0.5的為強相關,對回歸方程為重要變量;對于小于0.5的或為負的均為弱相關或不相關,在回歸中將不考慮他們對回歸方程的影響.

在相關系數表中,可以明顯地看出每個參數之間的相關性.對均三氮苯類化合物預測的決定因素做出了比較.對決定物質除草活性的主要因素也能夠得到初步的體現,更具體的將在回歸方程中體現.

由表4和表5可看出:兩表中μ與μ2的相關系數均高達0.977,根據統計學原理,兩變量間相關系數超過0.98,則認為其存在共線性現象,不能同時出現在同一方程中,必須刪去其一.

2.3 建立QSAR方程

運用SPSS軟件采用多元逐步回歸的方法對數據進行處理,最后得到如下回歸方程:

B3L YP回歸方程: HF回歸方程:

其中,R是相關系數,R2表示決定系數,F是檢驗值(用來檢驗回歸擬和程度的好壞),SE是標準誤差,kVIF是變異膨脹系數,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(即其對雜草的抑制中濃度的負對數PI50)與化合物分子偶極距的平方μ2和苯環上取代基氮原子所帶的電荷數Q1呈負相關關系. μ2和 Q1越大,該類化合物對雜草的抑制作用PI50就越小,除草活性則越小.

極性是分子重要的理化參數,并且偶極矩反映了整個分子的極性,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構參數——偶極矩對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

對B3L YP和 HF兩種方法 PI50的實驗值與計算值進行殘差分析,見表6和表7.

表6 在B3L YP/6-31G＊水平下根據方程(1)得出的 PI50計算值與實驗值的殘差Table 6 The calculation and residuals at the level of B3L YP/6-31G＊

表7 在HF/6-31G＊水平下根據方程(2)得出的PI50計算值與實驗值的殘差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的計算值與實驗測定值基本符合.

3 結 論

分別采用B3L YP和 HF兩種量子化學方法,使用6-31G＊基組計算了10種均三氮苯類除草劑的多個量子化學參數,建立該類化合物的除草活性與其結構間的QSAR模型.結果表明:均三氮苯類化合物對雜草的抑制中濃度的負對數PI50與其結構參數之間存在著一定的線性相關性.其除草活性 PI50與化合物分子偶極距的平方μ2和苯環上取代基氮原子所帶的電荷數Q1呈負相關關系.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上取代基氮原子所帶的電荷數是影響均三氮苯類除草劑除草活性的重要因素.

[1] 劉長令.世界農藥大全——除草劑卷[M].北京:化學工業出版社,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].計算機與應用化學,2005,9(22): 771-774.

[3] 張玉聚,張德勝,張俊濤,等.三嗪類除草劑的創制經緯[J].農藥,2003,42(4):42-44.

[4] 王麥華,王成業,張海申,等.降解均三嗪類除草劑的優勢菌的特性研究[J].農業與技術,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效關系研究[D].湖南:湖南農業大學,2005:45-48.

[8] 于瑞蓮,胡恭任.不同p H值下對發光菌的毒性及QSAR研究[J].環境科學與技術,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,張運陶.鹵代酚對水生梨形四膜蟲急銳毒性的QSAR研究[J].計算機與應用化學,2007,24 (1):87-90.

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

[14]趙善歡.植物化學保護[M].北京:中國農業出版社,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分析模型研究[J].計算機與應用化學,2004,21(2):224-226.

[17]毛明現,余訓民,胡立嵩,等.氯代苯及酚類化合物對生物毒性的定量研究[J].武漢工程大學學報, 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].華中師范大學學報,2001,35(1): 40-44.

[20]戴玄吏,王曉棟,黃宏,等.應用分子全息QSAR技術預測硝基芳烴的遺傳毒性[J].環境科學學報, 2003,23(5):674-678.