黄顶菊除草提取物的量化参数与生物活性间的关系

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  黄顶菊是一种侵入中国的外来植物,国外对黄顶菊的研究多集中于光合生理特性与 C4 途径演化等方面,而关于黄顶菊提取物的研究相对较少,已有报道黄顶菊的提取物具有杀虫、杀菌和抗病毒活性和除草活性。李建强等从黄顶菊中分离得到的具有较高除草活性的成份,其结构为 4 - (2 -氨基丙酰胺基) -3,4,5,6,7,8,9,10 - 八氢 - 5,6,8 - 三羟基 -3 - 甲基异香豆素,这种成份属于香豆素类化合物。香豆素类化合物广泛分布于伞形科、菊科、芸香科、豆科、桑科、蔷薇科、茜草科、茄科等天然植物中。香豆素及其衍生物在医药领域中的研究与应用异常活跃,特别是用于抗癌药物的开发。

  香豆素是重要的农药中间体,Deshmuk 等发现羟甲香豆素的一溴、三溴取代的衍生物具有高效杀灭埃及伊蚊初孵幼虫的作用。香豆素是一种重要的异株克生化合物,呋喃香豆素具有很高的除草活性,浓度在 10- 9mol / L 时可抑制野芥菜等杂草种子萌发; Timothy 等从薰衣草中分离出香豆素和 7 - 甲氧基香豆素对一年生黑麦草有抑制作用; Sanghamitra 等以香豆素为模板合成的 4 - 羟甲基 -7 - 取代香豆素对绿豆有抑制作用;Apostolakos 等发现香豆素对鬼针草和稗草有抑制作用,能够抑制植物纤维素合成。

  由于药物的活性、作用机理与药物的分子结构和构象有密切的关系,因此通过量子化学计算可以从理论上对药物的活性部位进行分析。我们采用量子化学中 DFT 方法计算了 8 种含香豆素类化合物的电荷分布、前线轨道能级和轨道主要成分,探讨了这类化合物的量化参数与生物活性之间的关系,并为进一步改造药物结构提供理论依据。表 1 给出了香豆素类化合物的基本结构:

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  1、 计算方法

  采用量子化学 B3LYP 方法,在6 -31G 基组水平上,对8 种化合物分子进行全参数优化,得到各物质的结构与能量,并在同一水平上进行振动频率计算均为正值,证明它们是所得优化构型在对应势能面上的稳定点。全部计算工作用 Gaussian03程序完成。

  2、 结果与讨论

  2. 1 NBO 电荷布局分析

  表 2 列出了目标化合物的部分原子的 NBO 电荷分布,从结果来看,这些数据显示化合物的负电荷主要集中在苯环,可能与受体的正电性区域相结合。正电荷主要集中在吡喃环,可能与受体负电性区域相结合。从表中的电荷分布来看,结构的改变引起了电荷较大的改变。从 1 ~3 号分子,由于苯环上的氢原子被吸电子的羟基,乙酰氧基,乙酰基取代,C(7) 上正电荷增加很多。从药物效果上看,1 ~3 号分子药效较低,苯环的正电荷越多,分子生物活性越低。根据活性数据可以看出,当苯环C(5) 负电荷越多,C(8) 正电荷越多时,分子的生物活性相对较大,所以设计新的药物分子时,应该考虑 C(5) 和 C(8) 上所连基团的电子效应,以减少 C(8) 上的电荷分布,同时保证 C(5)上的负电荷量。

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  2. 2 分子的前线轨道能量分析及其分布

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  根据分子轨道理论,最高占有轨道和最低空轨道对活性的影响最大,活性分子与受体生物大分子的相互作用主要发生在两者的前沿分子轨道附近。EHOMO是分子最高占据轨道能级,与分子给电子能力有关; ELUMO是分子最低占据轨道能级,与分子接受电子的能力有关。对于农药分子而言,EHOMO过低或 EHOMO过高都意味着分子本身的活性太强,进入生物体内很容易被代谢或与其他受体作用,使得药物作用难以控制,因此农药分子的 EHOMO或 EHOMO值应有合适的预期估计值。

  从表 3 的数据来看,化合物 1 的 ELUMO能级相对最高,而化合物的 ELUMO能级越高越不容易接受电子,这类药物分子与受体作用时,不可能是药物分子接受受体提供的电子; 另一方面,化合物1 的 EHOMO能级最高,而 EHOMO能级越高其供电子能力越强,造成分子供电子能力过强,导致活性太强,从而易被代谢或与其他受体作用。这一理论分析结果与试验值符合。生物活性测试结果显示化合物 5,8 有较高的生物活性,通过量子化学计算,这些分子具有较低的 EHOMO能级,农药分子可以较稳定给出电子,因此香豆素类农药与受体作用时,可能是由农药分子向受体提供电子,形成电子转移配合物,发挥药效。

  为了更加形象直观地了解前沿分子轨道的分布,本研究计算并得到了几种化合物的 HOMO 和 LUMO 轨道图 (图 1,图2) 。由图可以清楚地看到轨道的组成和在空间的分布。由图中可看出,HOMO 轨道主要由苯环及吡喃环中氧原子和 3,4 碳原子组成,表明主要的供电部位是苯环及吡喃环中 3,4 碳原子的这二个部分。化合物中的氧原子上虽然带有较大的电荷,但在HOMO 中所占的比例很小,难以发挥给电子的作用,因此它很可能是通过氢键与受体结合。从最低空轨道(LUMO) 来看,化合物 8 与其它化合物相比,苯环中碳原子及附近取代基的贡献与其他分子的有明显的区别,最低空轨道的主要成分的差异造成化合物8 的 EHOMO能级相对较高,不易接受电子; 而其他化合物的 EHOMO能级相对不算太高,可能容易与非靶标化合物反应,从而影响农药化合物对靶标化合物的活性。苯环的取代基种类和位置的不同对化合物除草活性有很大的影响。

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  3、 结 论

  通过对香豆素类化合物的计算与分析,我们可以得到以下结论:(1) HOMO 和 LUMO 轨道的性质是影响化合物活性的主要因素;(2) 香豆素类农药与受体作用时,可能是由农药分子向受体提供电子,形成电子转移配合物,发挥药效;(3) 苯环上的取代基及苯环中 C(8) 电荷分布影响这类化合物的除草活性。

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