唑烷類安全劑的三維定量構(gòu)效關(guān)系研究

趙青山, 付 穎, 趙李霞, 齊 勛, 葉 非*

(1. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室管理處, 哈爾濱 150030; 2. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院, 哈爾濱 150030)

噁唑烷類化合物是一類新型除草劑安全劑,是氯代乙酰替苯胺類和硫代氨基甲酸酯類除草劑的良好解毒劑[1-4]。國(guó)外從 20 世紀(jì) 70 年代就已經(jīng)開(kāi)始研究其合成及應(yīng)用,并且相繼開(kāi)發(fā)了許多不同的品種(如:AD-67,R-28725,R-29148)。為了尋找具有較高保護(hù)活性的二氯乙酰基噁唑烷類物質(zhì),探討噁唑環(huán)上引入不同的取代基對(duì)其保護(hù)活性的影響,本研究采用三維定量構(gòu)效關(guān)系(3D-QSAR)[5-7]中常用的比較分子力場(chǎng)(CoMFA) 方法[8]和比較分子相似性指數(shù)分析(CoMSIA)方法[9-10]建立模型,針對(duì) 25個(gè)噁唑烷類化合物進(jìn)行研究,根據(jù)三維等勢(shì)圖分析,全面直觀了解噁唑烷類化合物結(jié)構(gòu)的除草劑安全劑活性,為設(shè)計(jì)更加有效的除草劑安全劑提供新的思路。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文研究所用的25個(gè)噁唑烷類化合物(見(jiàn)表1)均由本課題組合成,化合物都采用硅膠柱層析法純化,并經(jīng)過(guò)核磁共振氫譜(1H NMR)分析、核磁共振碳譜(13C NMR)分析和元素分析確認(rèn)結(jié)構(gòu)。生物活性以玉米根部GST恢復(fù)率為30%所需藥劑的摩爾濃度Rc30的負(fù)對(duì)數(shù),即pRc30進(jìn)行表示,得到活性數(shù)據(jù)。根據(jù)隨機(jī)和均勻分布的原則,并且考慮化合物結(jié)構(gòu)上的差異,以20個(gè)化合物作為訓(xùn)練集,用以構(gòu)建模型;以5個(gè)化合物作為測(cè)試集(表1中用*表示),用以檢測(cè)模型的可靠性和預(yù)測(cè)能力。

表1化合物的結(jié)構(gòu)與活性實(shí)測(cè)值1)

Table1Structureandexperimentalactivitiesofoxazolidines

No.R1R2R3R4R5R6pRc301C2H5C2H5HHHH11.892CH3CH2CH2CH3HHHH11.573CH3CH2CH(CH3)2HHHH11.764(CH2)4HHHH10.965CH3CH2CH2C6H5HHHH11.456CH3CH3CH3HHH11.777(CH2)4CH3HHH11.228(CH2)5CH3CH3CH3CH312.069HCH2CH2CH3HHHC2H510.6710(CH2)5HHHC2H511.1511HHC2H5HHH11.5412C6H5HC2H5HHH11.3213CH3C2H5C2H5HHH11.5714(CH2)4C2H5HHH11.7215CH3CH2CH2C6H5C2H5HHH12.1616(CH2)4HHCH3CH310.5117(CH2)5HHCH3CH310.9318(CH2)5CH2CH2CH3HHH11.5619(CH2)5CH2CH2CH3HCH3H11.3320(CH2)5HHHH11.6821*CH3C6H5HHHH11.6722*CH3C6H4OCH3HHHH12.0523*CH3C6H5CH3HHH11.3624*CH3CH3HHHH11.7525*CH3CH3C6H5HHH11.77

1) “*”測(cè)試集。下同。

“*”test set.The same below.

1.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化與分子疊合

25個(gè)噁唑烷類化合物的分子結(jié)構(gòu)在Sybyl 7.2軟件中用Sketch模塊構(gòu)建,然后用Minimize模塊對(duì)分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。在優(yōu)化的過(guò)程中,選擇Tripos力場(chǎng),所有化合物采用Gasteiger-Huckel電荷,優(yōu)化方法采用最快最有效率的Powell方法,能量梯度的收斂值設(shè)為0.005 kcal/(mol·?),迭代次數(shù)為1 000,其余參數(shù)設(shè)置均采用默認(rèn)[11-13]。本文研究的噁唑烷類化合物都有部分相同的結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1),所以采用公共骨架疊合的方法來(lái)進(jìn)行分子疊合。選擇活性最高15號(hào)的化合物作為模板分子,利用align database模塊按照它們的公共骨架進(jìn)行分子疊合[14](見(jiàn)圖2)。

圖1 噁唑烷類化合物結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of oxazolidine compounds

圖2 分子疊合圖Fig.2 Superposition of compounds

1.3 3D-QSAR模型構(gòu)建

將所有疊合好的分子放置到三維立體網(wǎng)格中,計(jì)算過(guò)程中該網(wǎng)格區(qū)域包含所有分子,介電常數(shù)為依賴距離的函數(shù),網(wǎng)格點(diǎn)的距離為2?,分子與網(wǎng)格邊界距離為4?,濾過(guò)值為2.0 kJ/mol。以帶一個(gè)單位正電荷的sp3雜化的C原子為探針,分別進(jìn)行靜電場(chǎng)、立體場(chǎng)、疏水場(chǎng)、氫鍵供體和氫鍵受體的能量計(jì)算,其余參數(shù)均采用默認(rèn)值[15-17]。CoMFA和CoMSIA方法采用偏最小二乘法(partial least square,PLS),對(duì)分子周?chē)植嫉膭?shì)場(chǎng)值與其生物活性進(jìn)行回歸分析[18-19]。首先用交叉驗(yàn)證Leave-One-Out方法檢驗(yàn)所得模型的預(yù)測(cè)能力,得到交叉驗(yàn)證的決定系數(shù)和最佳主成分?jǐn)?shù);然后在最佳主成分?jǐn)?shù)下選擇No Validation方法做非交叉驗(yàn)證,得到由所有訓(xùn)練集化合物建立的定量構(gòu)效關(guān)系模型。

2 結(jié)果與分析

2.1 3D-QSAR 模型

訓(xùn)練集 CoMFA 和 CoMSIA 模型的統(tǒng)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。在 CoMFA 模型中,抽一法交叉驗(yàn)證系數(shù)q2=0.647,最佳主成分?jǐn)?shù)n=12;非交叉驗(yàn)證系數(shù)r2=0.999,F=1 541.514,標(biāo)準(zhǔn)偏差s=0.014,立體場(chǎng)/靜電場(chǎng)的貢獻(xiàn)為0.696/0.304。在 CoMSIA 模型中,抽一法交叉驗(yàn)證系數(shù)q2=0.527,最佳主成分?jǐn)?shù)n=6;非交叉驗(yàn)證系數(shù)r2=0.949,F=40.574,標(biāo)準(zhǔn)偏差s=0.118,立體場(chǎng)/靜電場(chǎng)/疏水場(chǎng)/氫鍵供體/氫鍵受體的貢獻(xiàn)為0.187/0.141/0.502/0.000/0.170。從上述結(jié)果可知,兩種方法的q2值均大于0.5,Fisher檢驗(yàn)值F較大,標(biāo)準(zhǔn)偏差s較小,說(shuō)明得到的模型擬合能力較好,擁有良好的預(yù)測(cè)能力[20-21]。表 3 中顯示了化合物的活性實(shí)測(cè)值和兩個(gè)模型的預(yù)測(cè)值。

表2訓(xùn)練集CoMFA和CoMSIA模型的分析結(jié)果

Table2ResultsofCoMFAandCoMSIAanalyses

模型Model抽一法交叉驗(yàn)證系數(shù)q2最佳主成分?jǐn)?shù)n非交叉驗(yàn)證系數(shù)r2標(biāo)準(zhǔn)偏差S.E.Fisher檢驗(yàn)值F立體場(chǎng)Steric靜電場(chǎng)Electrostatic疏水場(chǎng)Hydrophobic氫鍵供體Hydrogen bond氫鍵受體Hydrogen receptorCoMFA0.674120.9990.0141 541.569.6%30.4%CoMSIA0.52760.9490.11840.57418.7%14.1%50.2%0.0%17.0%

表3化合物的活性實(shí)測(cè)值(pRc30)與預(yù)測(cè)值(pRc30)

Table3Experimentalactivities(pRc30value)and

predictedactivities(pRc30value)

No.pRc30活性實(shí)測(cè)值ObservedactivityCoMFA預(yù)測(cè)值Predicted activity byCoMFACoMSIA預(yù)測(cè)值Predicted activity byCoMSIA111.8911.8911.79211.5711.5811.65311.7611.7611.73410.9610.9610.94511.4511.4511.52611.7711.6911.73711.2211.2111.48812.0612.0711.97910.6710.6710.621011.1511.1511.101111.5411.5411.531211.3211.3211.291311.5711.5711.721411.7211.7111.561512.1612.1612.161610.5110.5310.521710.9310.9110.991811.5611.5611.601911.3311.3311.302011.6811.6911.7321*11.6711.5711.6922*12.0512.0312.1523*11.3611.2811.3424*11.7511.8711.7025*11.7711.6111.74

2.2 模型驗(yàn)證

對(duì) CoMFA 和 CoMSIA 模型的實(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)值進(jìn)行線性回歸分析,從圖3中可以發(fā)現(xiàn)測(cè)試集中的化合物pRc30(GST)的實(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)值均勻分布在直線Y=X附近,且比較接近,表明實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值之間存在良好的相關(guān)性,該模型有很好的預(yù)測(cè)能力[22-24]。

圖3 3D-QSAR模型中實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值之間的對(duì)照?qǐng)DFig.3 Contrast diagram between measured and predicted values of 3D-QSAR

2.3 CoMFA模型結(jié)果分析

以pRc30(GST)為活性參數(shù)得到的CoMFA等勢(shì)面圖(圖4)。該圖中綠色和黃色區(qū)域代表的是立體場(chǎng),而紅色和藍(lán)色區(qū)域代表的是靜電場(chǎng)。綠色區(qū)域表明在這附近添加大的基團(tuán)有利于化合物活性提高,而黃色區(qū)域表明在這附近添加大的基團(tuán)不利于化合物活性提高;紅色區(qū)域表明在這附近添加負(fù)電基團(tuán)有利于活性提高,而藍(lán)色區(qū)域表明在這附近添加負(fù)電基團(tuán)不利于活性提高[25-26]。

圖4 CoMFA等勢(shì)面圖Fig.4 Contour map of the CoMFA

2.4 CoMSIA模型結(jié)果分析

以pRc30(GST)為活性參數(shù)得到的CoMSIA立體場(chǎng)和靜電場(chǎng)的等勢(shì)面圖(圖5a)。該圖中綠色和黃色區(qū)域代表的是立體場(chǎng),而紅色和藍(lán)色區(qū)域代表的是靜電場(chǎng)。綠色區(qū)域表明在這附近添加大的基團(tuán)有利于化合物活性提高,而黃色區(qū)域表明在這附近添加大的基團(tuán)不利于化合物活性提高;紅色區(qū)域表明在這附近添加負(fù)電基團(tuán)有利于活性提高,而藍(lán)色區(qū)域表明在這附近添加負(fù)電基團(tuán)不利于活性提高。

以pRc30(GST)為活性參數(shù)得到的CoMSIA疏水場(chǎng)和氫鍵受體場(chǎng)的等勢(shì)面圖(圖5b)。該圖中黃色和白色代表的是疏水場(chǎng),紫紅色和紅色代表氫鍵受體。黃色區(qū)域表明在這附近添加疏水性基團(tuán)有利于化合物活性提高,而白色區(qū)域表明在這附近添加疏水性基團(tuán)不利于化合物活性提高;紫紅色區(qū)域表明在這附近添加氫鍵受體有利于化合物活性提高,而紅色區(qū)域表明在這附近添加氫鍵受體不利于化合物活性提高。

圖5 CoMSIA等勢(shì)面圖Fig.5 Contour maps of the CoMSIA

3 結(jié)論與討論

本研究對(duì)25個(gè)噁唑烷類化合物,以pRc30(GST)作為活性參數(shù)建立了CoMFA和CoMSIA兩個(gè)模型。這兩個(gè)模型的交叉驗(yàn)證系數(shù)q2均大于0.5,標(biāo)準(zhǔn)偏差s均較小,且Fisher檢驗(yàn)值F均較大,說(shuō)明得到的模型可靠且具有較好的預(yù)測(cè)能力。

在CoMFA模型中,立體場(chǎng)效應(yīng)是對(duì)化合物活性影響的主要因素,靜電場(chǎng)效應(yīng)也對(duì)活性有影響,但是不如立體場(chǎng)大。從模型中可以得知,在噁唑烷類化合物的R3和R4基團(tuán)的位置的附近有一個(gè)明顯的綠色區(qū)域,這就意味著在這個(gè)區(qū)域添加大的基團(tuán)有利于化合物活性的提高,而在R5和R6基團(tuán)的位置附近有黃色區(qū)域,說(shuō)明在這個(gè)區(qū)域添加大的基團(tuán)則不利于化合物活性提高;此外,在R1、R2基團(tuán)和R5、R6基團(tuán)的位置附近有紅色區(qū)域,這說(shuō)明在該區(qū)域添加負(fù)電性基團(tuán)可能對(duì)提高化合物活性有利,二氯乙酰基附近有代表靜電場(chǎng)的紅色和藍(lán)色區(qū)域,但這部分結(jié)構(gòu)是本文所研究的化合物的骨架結(jié)構(gòu),不易改變。

在CoMSIA模型中,立體場(chǎng)和靜電場(chǎng)提供的信息與CoMFA模型的結(jié)果基本一致。在噁唑烷類化合物的R1、R2基團(tuán)位置的附近有紫紅色區(qū)域和白色區(qū)域,說(shuō)明在這附近添加疏水性基團(tuán)不利于化合物活性提高,而在R1、R2基團(tuán)的位置添加氫鍵受體則有利于化合物活性的提高;在R3和R4基團(tuán)的位置附近有明顯的紅色區(qū)域,說(shuō)明在這附近添加氫鍵受體不利于化合物活性的提高,在R5、R6基團(tuán)位置的附近有黃色區(qū)域,說(shuō)明在這附近添加疏水性基團(tuán)有利于化合物活性提高。

通過(guò)CoMFA和CoMSIA兩個(gè)模型的比較,可以得出,在R1、R2位置引入大的基團(tuán)有利于化合物活性提高,且在該區(qū)域添加負(fù)電基團(tuán)、增加氫鍵受體或減少疏水性基團(tuán)也有利于化合物活性的提高;在R3、R4位置引入大的基團(tuán)有利于化合物活性的提高,但在該區(qū)域增加氫鍵受體則不利于活性提高;在R5、R6位置引入小的基團(tuán)有利于化合物活性的提高,且在該區(qū)域增加疏水性基團(tuán)也有利于活性提高。通過(guò)該模型的預(yù)測(cè),付穎等[27]合成了8個(gè)2,2,4,5-四取代-3-二氯乙酰基-1,3-噁唑烷類化合物,生物試驗(yàn)表明,化合物在R5、R6位置引入苯基作為疏水性基團(tuán),R3、R4位置引入乙基、丙基等較大官能團(tuán)有效提高了化合物的活性,可以一定程度地減少乙草胺對(duì)玉米的損傷;葉非等[28]合成了N-二氯乙酰基-5-芳基-1,3-噁唑烷,在R3、R4位置引入大的基團(tuán)苯基有效提高了化合物的生物活性,試驗(yàn)結(jié)果表明,此類化合物可以減輕氯磺隆對(duì)玉米的傷害;付穎等[29]利用上述模型結(jié)果,改變R1、R2取代基的結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)合成了11個(gè)N-對(duì)甲苯磺酰基-1,3-噁唑烷類化合物,生物活性測(cè)試表明,在R1、R2位置引入大的基團(tuán)提高了化合物的生物活性,擴(kuò)大了化合物的應(yīng)用范圍,所有的化合物均表現(xiàn)出在不同程度上降低氯磺隆對(duì)玉米的損傷,部分化合物的保護(hù)效果優(yōu)于R-28725;付穎等[30]拓展了本研究的結(jié)果,改變了化合物的母體結(jié)構(gòu),利用結(jié)構(gòu)活性相關(guān)理論及生物電子等排原理,以苯氧乙酰基取代二氯乙酰基,改變相應(yīng)位置的靜電場(chǎng),設(shè)計(jì)合成了11個(gè)N-苯氧乙酰基-2,4,5-三取代-1,3-噁唑烷類化合物,生物學(xué)試驗(yàn)表明,所有產(chǎn)品都能一定程度地保護(hù)2,4-D丁酯對(duì)大豆造成的損傷,有效拓展了化合物的應(yīng)用范圍。研究表明,CoMFA和CoMSIA模型的建立對(duì)噁唑烷類化合物活性和選擇性的優(yōu)化改造具有一定指導(dǎo)意義,為設(shè)計(jì)新的噁唑烷類潛在的除草劑安全劑提供了可靠信息。