作者：吳洪廖 全德 上官寶土 李明峰 連志斌

【摘要】 采用量子化學(xué)密度泛函理論(DFT)方法，在B3LYP/631G*基組水平上對吡啶并嘧啶類衍生物進(jìn)行了幾何構(gòu)型優(yōu)化和電子結(jié)構(gòu)計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析了吡啶并嘧啶類衍生物抗癌活性與電子結(jié)構(gòu)的構(gòu)效關(guān)系，結(jié)果表明: 吡啶并嘧啶類衍生物抗癌活性與最低空軌道的能量，分子的偶極矩、苯環(huán)上5位碳原子的電荷密度及苯環(huán)上總電荷密度相關(guān)。

【關(guān)鍵詞】 量子化學(xué)； 電子結(jié)構(gòu)； 吡啶并嘧啶類衍生物； 構(gòu)效關(guān)系

二氫葉酸還原酶是細(xì)胞內(nèi)葉酸代謝的關(guān)鍵酶， 二氫葉酸還原酶(DHFR)抑制劑能選擇性地與DHFR結(jié)合，抑制其催化還原活性，使二氫葉酸不能順利轉(zhuǎn)變?yōu)樗臍淙~酸，阻礙葉酸代謝，干擾DNA和蛋白質(zhì)的合成，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡，所以，DHFR抑制劑具有抗癌、抗菌和抗瘧作用。以二氫葉酸還原酶(DHFR)為靶點(diǎn)設(shè)計(jì)高選擇性的抑制劑作為抗癌的藥物，是目前國內(nèi)外藥物開發(fā)研究的熱點(diǎn)。吡啶并嘧啶類化合物是二氫葉酸還原酶的抑制劑。 目前，對藥物分子抗癌活性與電子結(jié)構(gòu)關(guān)系的研究，大多是在分子水平上進(jìn)行的［1］，在電子結(jié)構(gòu)水平上對藥物的定量構(gòu)效關(guān)系進(jìn)行研究的報道較少。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和量子化學(xué)方法的發(fā)展，使得這樣從更微觀的角度來研究成為可能。本研究應(yīng)用量子化學(xué)密度泛函理論計(jì)算方法，從前線軌道能級，電荷密度分布，偶極矩等量化參數(shù)的角度來研究吡啶并嘧啶類衍生物抗癌活性與電子結(jié)構(gòu)的關(guān)系，以期為此類化合物的結(jié)構(gòu)改造和合成二氫葉酸還原酶的高效抑制劑提供理論信息和參考依據(jù)，為新藥的設(shè)計(jì)和開發(fā)服務(wù)。

1 計(jì)算方法 對32種2，4二氨基5甲基6(取代苯胺基)甲基吡啶［2，3ｄ］并嘧啶類化合物進(jìn)行研究，活性用這類化合物對L1210細(xì)胞株抑制生長50%時的摩爾濃度的負(fù)對數(shù)(Log1/C)來表示［2］，用圖形輸入的方式，利用MOPAC軟件包中的半經(jīng)驗(yàn)MNDO模塊搜尋具有最低勢能函數(shù)的分子構(gòu)象，對圖形進(jìn)行初始優(yōu)化。 吡啶并嘧啶類系列衍生物的結(jié)構(gòu)組成和量化參數(shù)見圖1和表1。用Gaussian 03程序包中密度泛函理論(DFT)的B3LYP方法在631G*基組水平上對表1中32種化合物進(jìn)行幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并做電子結(jié)構(gòu)計(jì)算［3］。構(gòu)效關(guān)系計(jì)算則采用Origin7.0軟件完成。

圖1 吡啶并嘧啶衍生物的分子結(jié)構(gòu)（略） 2 結(jié)果分析

2.1 參數(shù)的選擇與回歸分析 從眾多的參數(shù)中提取了有關(guān)分子整體和局部信息的11個量化參數(shù)，其中包括:最高占據(jù)軌道的能量EHOMO，最低空軌道的能量ELUMO，以及兩者的能量差ΔE。苯環(huán)上各碳原子的電荷密度：Q1，Q2，Q3，Q4，Q5，Q6及苯環(huán)上的總的凈電荷Q總和偶極矩μ。對上述參數(shù)進(jìn)行了回歸分析，為使所得的數(shù)學(xué)模型比較穩(wěn)定，參數(shù)不能引入太多［4］，對以上11個參數(shù)與活性指標(biāo)進(jìn)行回歸處理，篩選出了7組重要的參數(shù)，結(jié)果列于表2。 表2中對應(yīng)于每增加一個變量，列出了最好的變量組合及其相關(guān)系數(shù)R值和F值及偏差SD的值。可以看出，隨著變量個數(shù)的增加，相關(guān)系數(shù)也增加。當(dāng)加入Q5，使變量個數(shù)由3增加為4時，變量組合為ELUMO、μ、Q5和Q總，相關(guān)系數(shù)由0.227增加到0.624，其后繼續(xù)增加變量個數(shù)，相關(guān)系數(shù)的提高緩慢，且F值也有下降的趨勢。可見，變量的最優(yōu)選擇為ELUMO、μ、Q5和Q總，的組合。因此，用ELUMO、μ、Q5和Q總這4個變量與活性指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析。

表1 吡啶并嘧啶類類系列衍生物活性及量化參數(shù)（略）

表2 線性回歸結(jié)果（略）

回歸得到含有32個化合物的QSAR方程： Log1/c=6.222+ 2.557ELUMO -5.353Q5+ 0.572Q總+0.00448μ N=32 R=0.624 SD=0.570 F=11.206 化合物8、15、18、26實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值的殘差的絕對值高于標(biāo)準(zhǔn)偏差，將它們作為奇異點(diǎn)舍去。這樣得到了含有28個化合物的QSAR方程： Log1/c=4.830- 5.372ELUMO -3.214 Q5+ 3.712 Q總+ 0.290 μ N=28 R=0.920 SD=0.270 F=66.242 可見所得方程的相關(guān)性系數(shù)較高，達(dá)到了0.920。 表3列出了活性的實(shí)驗(yàn)值obsd和計(jì)算值calcd及標(biāo)準(zhǔn)偏差|Δ|。 可以看出，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值符合得較好， 方程的相關(guān)性較高，標(biāo)準(zhǔn)偏差也較小。通過比較還發(fā)現(xiàn)，改換或增加其他量化參數(shù)，都會使方程的相關(guān)性降低。 為了直觀地反映方程的線性顯著性， 以活性參數(shù)實(shí)驗(yàn)值為縱坐標(biāo)， 以活性參數(shù)計(jì)算值為橫坐標(biāo)作圖， 得圖2。

圖2 方程計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的對比（略）

表3 活性的obsd和calcd及|Δ|值（略）

2.2 多元線性方程的相關(guān)性分析 相關(guān)性方程表明吡啶并嘧啶類類系列衍生物的活性與最低空軌道的能量ELUMO、苯環(huán)上5位碳原子的電荷密度Q5、苯環(huán)總凈電荷Q總、以及偶極矩μ相關(guān)。其中ELUMO的系數(shù)為負(fù)，表明最低空軌道能量低的化合物其活性較最低空軌道能量高的好， ELUMO低意味著是較好的電子接受體。 Q5在方程中的系數(shù)也為負(fù)，表明苯環(huán)5位碳原子的電荷密度大對于活性不利的。相反地， Q總在方程中的系數(shù)為正，即苯環(huán)上總的電荷多對活性有利，所以能使苯環(huán)上電荷的分布成為: 5位碳原子電荷密度小而其他位電荷密度大的取代基將是活性強(qiáng)的。 偶極矩μ在相關(guān)性方程中的系數(shù)為正，表明極性大的化合物活性好。 綜合比較諸因素在QSAR方程中系數(shù)的大小還可以看出，雖然ELUMO的系數(shù)較大， 達(dá)到5.372， 但是因?yàn)镋LUMO本身的值很小，都在10-2次方數(shù)量級，因此，其對活性大小的貢獻(xiàn)并不大。例如ELUMO最小的0.06與最大的0.08對Log1/c的貢獻(xiàn)只差0.1， 相反地，μ在相關(guān)性方程中的系數(shù)雖小，僅僅0.29，但其本身的值大，數(shù)量級在100，因此，對活性的貢獻(xiàn)就很大，例如μ最小的3.0與最大的8.3對Log1/c的貢獻(xiàn)相差達(dá)1.5，可見分子偶極矩的作用是至關(guān)重要的。 偶極矩的大小是與電荷在分子中的分布相關(guān)的。從吡啶并嘧啶類系列衍生物的分子結(jié)構(gòu)可以看出， 苯環(huán)上電荷密度的大小顯然會對整個分子的極性有很大影響。 由此可見，相關(guān)性方程的后3項(xiàng)表明：吡啶并嘧啶類系列衍生物活性的大小取決于衍生物中取代基對分子電荷分布和極性的影響。而這也表明，這類化合物的抑制活性的作用機(jī)理主要是靜電的授受作用，即抑制劑與目標(biāo)物之間的極性相互作用，使吡啶并嘧啶環(huán)與二氫葉酸還原酶結(jié)合以阻礙二氫葉酸還原為四氫葉酸。

【