对羟苯基丙酮酸双氧化酶抑制剂的计算化学研究

【摘要】： 本论文围绕现在的几类高效的HPPD酶抑制剂进行了理论计算方面的研究,全文分两个部分,概述如下: 第一部分主要是对三酮类的苯甲酰环己二酮类HPPD酶抑制剂用量子化学从头算方法进行了研究,对其所有可能的异构体进行了HF/6-31G*水平的几何优化,并对能量低的三酮式和两个顺式烯醇式异构体进行了更广泛的计算,系统地考察了计算方法、基组大小对异构体相对稳定性的影响。另外,通过羟基氢旋转能的计算考察了各异构体分子内氢键的大小以及稳定性。并对两种烯醇式异构体用密度泛函方法(DFT)进行了分子内氢键的定域分析,得到的能量稳定次序与前面分析的结果一致。在此基础上,对该类化合物的烯醇-烯醇互变异构化平衡常数、能垒进行了计算,在平衡常数的计算中充分考虑了溶剂的影响并结合实验进行了分析。然后,对有代表性的苯环2-位取代衍生物进行了计算,发现互变异构自由能与其HPPD酶抑制活性之间存在着较好的相关关系。 我们研究了溶液中酮-烯醇异构化互变异构化平衡,无论是酮式-环内双键烯醇式异构体的平衡还是酮式-环外双键异构体的平衡反应都明显地偏向于烯醇式异构体,这与核磁谱图分析发现仅以烯醇式异构体存在的结果是一致的。 其后,比较了取代基对化合物几何的影响,邻硝基取代的苯甲酰环己二酮的空间位阻使苯环的构象发生改变,有利于苯环Π电子与苯环α位羰基的相互作用,由此推测其独特空间构象使其能够与靶标酶很好的结合,从而表现出较高的活性。我们继续对一系列2,4-二取代的化合物的互变异构进行了量化研究。比较了不同衍生物的几何,活性与由取代基引起的苯环构象变化似乎呈现出一定规律。2-硝基取代的衍生物的苯环与氢键所在平面的二面角较大,均接近90°,这些化合物普遍具有较高的活性值,这再一次验证了我们前面活性与苯环构象有关的假设。 接着,我们研究了三酮化合物的离子形式。由于三酮类化合物的烯醇异构体可以看作是插烯苯甲酸,我们对其所有可能的离子碱异构体形式进行了HF/6-31G*水平上的几何优化,并对得到的两种最稳定的构象进行了更高水平上的计算。溶剂效应对确定离子碱的优势构象是非常必要的。我们亦计算了在气相及溶液中两种稳定的离子碱之间的互变异构情况及平衡常数。 最后,我们用量化从头算方法计算了苯甲酰环己二酮及其衍生物的pKa值。另一方面,对三酮类化合物的pKa值进行了量化表示。首先用描述氢键的C-O-H键角、C-O键的旋转能垒以及pKa与化合物的Hammett参数(σ)进行了相关,定量地描述了表示由取代基性质引起的化合物的性质变化。由于σ可以非常好地定量化取代基对苯甲酰环己二酮化合物酸度的影响,我们进一步用几种表征电性的量化参数氧原子及氢原子所带的电荷、前线最高占据轨道能量(Ehomo)作为结构描述子对pKa进行预测,结果这些参数与pKa之间均表现出良好的相关。 第二部分集中在对两类有良好HPPD酶抑制活性的化合物进行定量构效关系研究。我们用半经验AM1方法计算的参数及比较分子场分析法(CoMFA)研究了环己二酮类HPPD酶抑制剂的结构与活性的关系。用动力学模拟褪火方法得到的模板化合物的低能构象作为活性构象, CoMFA分析得到了较好的模型。(交叉验证回归系数q2=0.655,模型的线性回归系数r2=0.965)。然后用CoMFA方法研究了两类HPPD酶抑制剂环己二酮类及3-烷基酸-2-环己烯酯类化合物的结构与活性的关系。我们从蛋白酶与底物动力学模拟的复合物结构出发构建两类抑制剂化合物分子的构象,并进行了全空间搜索,CoMFA分析得到的交叉验证回归系数q2= 0.779,模型的线性回归系数r2=0.989。 另外,我们还用CoMFA方法分析了苯甲酰环己二酮除草剂的结构和除草活性间的关系,研究了化合物苯环的间位和对位取代效应,结果得到的交叉验证回归系数q2为0.722。芳环3位和4位为体积大的取代基时有利于提高除草活性。而且,电负性强的间位取代对除草活性是有利的。抑制剂可能通过电子转移作用与受体形成了复合物,烯醇氧原子是这类化合物可能的药效团。最后,对一大类苯甲酰环己二酮类除草剂进行了多元线性回归分析及BP人工神经网络研究,结果同样表明电荷转移复合作用