黃頂菊活性成分的構型及其除草活性作用機制

王俊敏+馮濤+趙影

摘要：黃頂菊提取物中含有除草活性成分，針對這些活性基團合成一些具有除草活性的分子，采用B3lyp/6-311G（d，p）對7種化合物進行全參數優化，得到其穩定構型。并對化合物中原子的NBO電荷分布、前線分子軌道能級、靜電勢等性質進行了分析，結果表明，化合物的除草活性與分子的各種參數存在一定的聯系，藥物分子與受體作用時是噻吩環接受電子，苯環、吡啶環或嘧啶環提供電子，達到藥物的作用效果，在藥物分子發揮藥效時主要是連在苯環、吡啶環或嘧啶環酰胺基這部分提供電子，與蛋白質或酶相互作用形成電子轉移過程，從而達到除草效果。

關鍵詞：黃頂菊；除草活性；量子化學研究；前線分子軌道

中圖分類號： O621.13文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）06-0226-03

收稿日期：2015-12-14

基金項目：國家自然科學基金 （編號：31171877）；河北省保定市科技局指導性計劃（編號：13ZF080）。

作者簡介：王俊敏（1978—），女，河北景縣人，碩士，講師，主要從事物理化學研究。E-mail：wang_jm12@163.com。黃頂菊也稱為“生態殺手”，黃頂菊所分泌和釋放的化感物質對馬唐、反枝莧、棉花、玉米等具有很強的抑制作用。對黃頂菊的研究多集中于光合生理特性，而關于黃頂菊提取物的研究相對較少，已有報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]。國內對黃頂菊的研究多集中于生物學、發生特點與危害等方面[4]。已經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構，并從黃頂菊的提取物中分離得到了活性較強的化感物質[5]，筆者所在項目組通過分子設計和衍生合成了7種有機分子，并得到這些藥物分子對油菜、馬唐的除草活性數據。通過量子化學計算可以從理論上對藥物的活性部位進行分析，為了明確這些藥物的除草活性及作用機制，采用密度泛函理論（DFT） 中的B3LYP 方法，對化合物中原子的NBO電荷分布、前線分子軌道能級、靜電勢等性質與除草活性的關系進行了分析，闡明了這些分子的構效關系與作用機制，為進一步改造藥物結構提供理論依據，而且也為除草劑的創新提供新的分子源，促進新型除草劑的研制。

1計算方法

計算使用Gaussview軟件構建出7種待分析化合物的結構，運用密度泛函理論DFT/B3LYP方法，在6-311G（d，p）基組水平上，化合物進行分子的全參數幾何優化，對計算結果的頻率分析顯示無虛頻，說明已經得到能量最小的穩定構型[6]。全部計算工作用Gaussian03[7]程序完成。

2結果與分析

2.1優化后化合物的穩定構型及參數的選取

以分子經過優化后的穩定結構為基礎，計算了各分子的NBO電荷，軌道能量，并從計算結果中提取出EHOMO（最高占據軌道能）、ELUMO（最低未占據軌道能量）、ΔE（軌道躍遷能，即ELUMO-EHOMO），分子的偶極矩、四級矩以及分子的藥物活性數據列于表1中，各種軌道圖以及分子的靜電勢圖見圖1。

2.2分子前線軌道能量分析

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

從表1數據來看，EHOMO能級最高的是化合物3，化合物的供電子能力隨著EHOMO能級的升高而增強，這就會使分子活性過強，從而在與受體作用時易被分解；ELUMO能級最高的是化合物1，化合物接受電子的能力隨ELUMO能級的升高而減弱，當藥物與受體作用時，化合物接受受體提供的電子較為困難。此分析結果與實驗值相符。根據已經取得的活性數據，化合物5、化合物6的生物活性較高，這與量子化學計算結果相吻合，即化合物5、化合物6具有較低的EHOMO能級，且ΔE值相對較低，當藥物分子與受體接觸時，可以穩定地給受體提供電子，形成電子轉移配合物，以保證藥效的發揮。化合物2的ΔE值較高，為4.83，活性較低，這與活性數據相符合。從偶極矩和四級矩數據看出，其數據規律和前線軌道數據規律一致，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主要由噻吩環組成，HOMO多集中在苯環、吡啶環、嘧啶環上。這說明藥物分子與受體作用時是噻吩環接受電子，苯環、吡啶環或嘧啶環提供電子，形成配合物，達到藥物的作用效果。從 HOMO 軌道圖上可以看出，化合物5、化合物6苯環上電子分布較多，所以活性較高。同時，也可以從軌道圖上觀察到，取代基種類和位置的不同對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中數據是7種化合物進行NBO計算后部分原子的自然原電荷分布，從結果可以看出，噻吩環呈負電性，可能與受體的正電性區域相結合，且7種化合物噻吩環上電荷分布基本相同，因此噻吩環對藥物分子活性的影響不大。化合物1的吡啶環和其他化合物電荷相比負電性更強，化合物1對油菜的除草活性最強，所以吡啶環的NBO電荷對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，吡啶環上的氫原子被三氟甲基取代，化合物3的噻吩環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的吸電子基，降低了吡啶環上的電子密度，所以活性相比化合物1有所降低，在對油菜進行處理時，化合物3比化合物5的50%最大效應濃度低，可能是因為有烷氧羰基的存在，所以化合物1、3、4這3種藥物分子對闊葉類植物的處理效果較好；化合物5和化合物6的苯環的NBO電荷最高，苯環上氫被氟原子取代，在處理馬唐時所需劑量較少，所以氟原子的存在可能會對化合物活性有所提升，在處理尖葉植物時效果較好；化合物7中氮原子取代了苯環上的1個碳，在處理油菜時效果不如化合物4好。所以根據活性數據和分析可以得到如下結論：吡啶環和苯環上氟原子的引入對馬唐的處理效果較好，含有活性基團吡啶環的分子對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靜電勢分析

靜電勢是電子密度的反映，紅色表明此處電子所處能級高，電子數量較大，易于給出電子。本研究中根據量子化學的計算結果，使用Gaussview繪制出幾個化合物的靜電勢圖（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、三氟甲基上也有較高的電荷密度，反應時主要是由這一部分給出電子。在靜電勢圖上顯示噻吩環呈藍色，說明噻吩環上聚集了較多的正電荷，在與受體作用時，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吸電子作用，導致在這一部分聚集了較多的負電荷，從而使化合物3在與受體作用時，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，因為氟有較強的電負性，使得在這2個原子附近聚集了小部分負電荷，容易提供電子給受體，從而發揮藥效。

3結論

通過對目標化合物數據和能級圖的分析，以及與活性數據的比較，可以得出以下結論：（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，ΔE越小，除草活性較好，藥物分子與受體作用時是噻吩環接受電子，苯環、吡啶環或嘧啶環提供電子，達到藥物的作用效果。（2）吡啶環和苯環上氟原子的引入對馬唐的處理效果較好，含有活性基團吡啶環的分子對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）從靜電勢圖上可以看出，連在苯環、吡啶環或嘧啶環酰胺基上顯紅色，為靜電勢負區，藥物分子在發揮藥效時主要是這部分提供電子，與蛋白質或酶相互作用形成電子轉移過程，從而達到除草效果。

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