三唑并嘧啶衍生物抑菌活性的定量构效关系模型

三唑并嘧啶衍生物抑菌活性的定量构效关系模型 Quantitative Structure-Activity Relationship of the Fungicidal Activity for Triazolo Pyrimidine Derivatives first-author 李鸣建，女，教授，现从事物质构效学研究. E-mail:lmj@xzit.edu.cn 李鸣建，女，教授，现从事物质构效学研究. E-mail: lmj@xzit.edu.cn lmj@xzit.edu.cn corresp 冯长君, E-mail:fengcj@xzit.edu.cn 冯长君, E-mail:fengcj@xzit.edu.cn fengcj@xzit.edu.cn 徐州工程学院 化学化工学院，江苏 徐州 221111 徐州工程学院 化学化工学院，江苏 徐州 221111 School of Chemistry and Chemical Engineering, Xuzhou Institute of Technology, Xuzhou 221111, Jiangsu, China School of Chemistry and Chemical Engineering, Xuzhou Institute of Technology, Xuzhou 221111, Jiangsu, China 基于分子图论，计算21种三唑并嘧啶衍生物的电性距离矢量，通过最佳变量子集回归建立这些化合物对小麦赤霉病菌抑菌活性的最佳三元定量构效关系模型.交叉验证和预测结果表明, 该模型具有良好的稳定性和预测能力，分析显示, 与三唑并嘧啶衍生物对小麦赤霉病菌抑菌活性相关的5个结构碎片分别为—S—, —O—, X—, ~CH~及—C—. Based on the molecular graphic theory, molecular electronegativity distance vectors of 21 triazolo pyrimidine derivatives were calculated. The best 3-variable quantitative structure-activity relationship (QSAR) model between the descriptors and fungicidal activity of above-mentioned compounds to Gibberella zeae was developed using leaps-and-bounds regression. Cross validation and prediction results show that the model is of good stability and powerful prediction ability. Results show that the main structural factors influencing the fungicidal activity of the derivatives are the 5 sub-structures such as —S—, —O—, X—, ~CH~ and —C—. 三唑并嘧啶衍生物 小麦赤霉病菌 抑菌活性 电性距离矢量 构效关系 triazolo pyrimidine derivative Gibberella zeae fungicidal activity electronegativity distance vector quantitative structure-activity relationship 引言 1 三唑并嘧啶类杂环化合物的分子结构中含有三唑和嘧啶两种重要的活性结构基团，因而表现出广谱的生物活性 [ 1 1 ] ；噻二唑类杂环化合物的抗癌、杀菌、抗病毒、抗痉挛等广泛的生物活性也颇受人们的青睐 [ 2 2 ] ；第三类活性亚结构基团—CONHNCH—，即酰腙类化合物也大都具有良好的杀菌、除草等生物活性 [ 3 3 ] .因此，龙德清等 [ 4 4 , 5 5 ] 将噻二唑、酰腙等基团分别引入三唑并嘧啶类化合物的分子中，获得具有良好抑菌活性的三唑并嘧啶类化合物，并采用离体平皿法测试了上述化合物对小麦赤霉病菌( Gibberella zeae )的抑菌活性. 定量构效关系(quantitative structure-activity relationship，QSAR) [ 6 6 ~ 10 10 6~10 ] 是利用化学理论及数学图论等计算方法获得表征微观分子结构差异的描述符(如拓扑指数、量子化学参数等)，运用各种数理统计方法构建定量描述化合物宏观生物活性(如抑菌、杀虫活性以及其它生物医学性能)的数学模型，从而实现以分子的微观结构来预测该种化合物宏观活性，并以此推测相应的微观作用机理.本文采用定量结构与活性相关(QSAR)方法，建立上述三唑并嘧啶类化合物对小麦赤霉病菌的抑菌活性与电性距离矢量( m t ) [ 11 11 ~ 14 14 11~14 ] 的最佳三元数学模型，经统计诊断该模型具有良好的稳健性与预测能力. 材料与方法 1 数据来源 2 本研究数据来源于龙德清等 [ 4 4 , 5 5 ] 合成的21种三唑并嘧啶类化合物，其母体结构见 图 1 图 1 .这些化合物在浓度为50 mg·L -1 下对小麦赤霉病菌的抑菌活性为抑菌率 G z . G z 的具体数值来自文献[ 4 4 , 5 5 ]， G z 在90%以上，视为抑菌效果良好. 电性距离矢量的构建方法 2 将抽象的分子结构予以数值化表征，是进行物质构效学(主要是QSAR)研究的关键步骤.刘树深等 [ 11 11 ~ 14 14 11~14 ] 依据分子图论，考察了多种著名拓扑指数，提出能够较为全面反映分子的拓扑结构及电性特征的电性距离矢量.其计算过程主要分为3步进行：一是给分子中常见非氢原子进行分类，每个非氢原子均有自己的原子类型( K i =1, 2, …, 13) 与原子属性( I i )；二是考虑非氢原子 i 在分子中并非孤立存在的，还受非氢原子 j 的影响，相应扰动值为Δ I ij ，因此，相应每个非氢原子的电性状态指数( d i )为： http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=4460842&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=4460842&type=small http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=4460842&type=middle 三是综合考虑不同原子类型的非氢原子之间的电性及拓扑作用，即构成分子的电性距离矢量91个 m t 变量( t =1~91) [ 11 11 ~ 14 14 11~14 ] . 本文三唑并嘧啶类化合物分子中共有8种原子类型： K i =1, 2, 3, 6, 7, 9, 10, 13；它们两两组合，理论上可以构成36个 m t 值，再利用Matlab程序计算21种三唑并嘧啶类化合物的上述拓扑指数. 统计回归方法 2 采用统计分析软件Mintab中最佳变量子集回归方法对小麦赤霉病菌的抑菌率(抑菌率 G z 表示)数据与其分子描述符电性距离矢量( m t )数据之间的线性关系进行拟合，建立QSAR预测模型，并对模型的稳定性、预测能力及泛化能力予以统计检验，如使用Akaike信息判据、Kubinyi函数 [ 15 15 , 16 16 ] 等统计指标进行检验. 采用逐 n 剔除法(Leave- n -out，LNO， n =1, 2, 3, …)进行内部验证，以检验模型的稳定性及内部预测能力, 以其交叉验证相关系数( R cv- n 2 )评价.其中逐一剔除法(LOO)的检验标准 R cv-1 2 ≥0.5(简称“ R cv 2 ”), 对应模型具有良好的鲁棒性与预测能力 [ 17 17 ] .QSAR模型的外部预测能力通过对未参与建模的化合物进行预测以验证，即以训练集样本建立QSAR模型，再对预测集化合物进行预测. 结果与讨论 1 G z 与 m t 的QSAR模型 2 将每种化合物的 m t 作为自变量集， G z 为因变量，通过最佳变量子集回归选择最佳变量组合，建立相应定量结构-抑菌活性的QSAR模型，结果见 表 1 表 1 .其中 R 2 、 R adj 2 、 R cv 2 、 A IC 、 F IT 、 F 、 S D 分别为判定系数、校正判定系数(以消除自变量个数及样本容量对判定系数的影响)、LOO相关系数、Fisher统计值、估计标准误差. No. R 2 R adj 2 R cv 2 A IC F IT S D F Variables 1 0.715 0.700 0.641 299.02 2.167 15.27 47.571 m 33 2 0.802 0.780 0.707 282.72 2.916 13.07 36.389 m 33 , m 25 3 0.840 0.812 0.743 288.12 2.975 12.09 29.714 m 33 , m 25 , m 14 4 0.864 0.830 0.363 834.17 2.747 11.47 25.471 m 33 , m 25 , m 14 , m 1 表 1 表 1 显示，模型中自变量数增多， R 2 、 R adj 2 渐增，而 S D 、 F 渐减，这4种指标不能用来确定最终的数学模型.其他3种指标呈现转折， F IT 、 R cv 2 的转折点在三元方程，而 A IC 的转折点在二元方程. 根据 f / K ≥5( f 为样本容量， K 为变量数)的经验规则 [ 18 18 ] ，本文的 K ≤4，故选择三元方程为最佳QSAR模型： http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=4460848&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=4460848&type=small http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=4460848&type=middle 该模型给出21个化合物的抑菌率估算值见 表 2 表 2 的CAL a 列，与相应实验值EXP [ 4 4 , 5 5 ] 基本吻合. Me, Et, Pr, Bu, Hex, Ph依次为甲基、乙基、丙基、丁基、己基和苯基； a 为模型(2) 的估算值， b 为模型(4) 的估算值与预测值( * )， * 为测试集化合物 2 No. 2 R 2 m 14 2 m 25 2 m 33 3 G Z /% EXP [ 4 4 , 5 5 ] CAL a CAL b 1 H 27.180 0 0.000 0 0.000 0 23 14 11 2 * 4-Cl 19.329 0 3.815 7 0.000 0 55 33 31 3 3-Cl 18.928 0 3.728 2 0.000 0 35 33 31 4 4-Me 19.093 0 0.000 0 0.000 0 20 20 17 5 4-NO 2 10.726 0 0.000 0 0.000 0 33 26 24 6 3-NO 2 11.308 0 0.000 0 0.000 0 19 26 24 7 4-N(Me) 2 20.454 0 0.000 0 0.000 0 0 19 16 8 2, 4-Cl 2 11.449 0 6.601 0 0.000 0 37 48 48 9 4-OH 17.929 0 0.000 0 0.000 0 0 21 18 10 2-NO 2 13.267 0 0.000 0 0.000 0 18 24 22 11 * 2-OH 19.552 0 0.000 0 0.000 0 21 20 17 12 4-OMe 19.524 0 0.000 0 0.980 7 10 7 4 13 2-Cl 20.745 0 3.201 0 0.000 0 45 30 28 14 n-Pr 1.568 5 0.000 0 -2.836 7 77 68 70 15 * n-Bu 3.928 7 0.000 0 -2.865 2 65 67 69 16 n-Hex 9.538 4 0.000 0 -2.913 3 69 64 65 17 —CH 2 CO 2 Et 0.068 8 0.000 0 -3.477 3 70 78 80 18 —CH 2 Ph 30.944 0 0.000 0 -3.492 5 45 55 56 19 —CH 2 (4-NO 2 Ph) 12.280 0 0.000 0 -3.537 1 86 69 71 20 —CH 2 (2-MePh) 22.519 0 0.000 0 -3.701 3 65 64 66 21 * —CH 2 (2-Cl-6-F-Ph) 13.900 0 8.251 4 -3.865 9 92 100 105 质量检验 2 变异膨胀因子(variance inflation factors， V IF )定义 [ 19 19 ] 为： http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=4460854&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=4460854&type=small http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=4460854&type=middle (3) 式中， β 2 为自变量集 X 中某一变量与余下变量之间的判定系数.模型(2) 中 m 33 ， m 25 ， m 14 的 V IF 依次为：1.106，1.000、1.106，均非常接近于1，表明这些变量之间几乎完全不相关，且无随机相关 [ 16 16 ] .结合 R 2 =0.840≥0.8、 R cv 2 =0.743≥0.5，且同 F IT 一起转折，显示模型(2) 具有良好的鲁棒性与预测能力.在置信度为95%时，模型(2) 的标准 t 值 t σ /2, 17 =2.110.其中， m 14 的 t 值为-2.012，其绝对值非常接近2.110，而 m 25 ， m 33 的 t 值分别为3.077，-7.641，绝对值均大于2.110，表明有95%的把握，模型(2) 是稳健的. 为了建立鲁棒性与预测能力均较优的训练集，进行LNO检验( n ≥2) 的检验，结果见 表 3 表 3 . n 1 2 3 4 5 6 R cv- n 2 0.743 0.706 0.764 0.794 0.766 0.761 表 3 表 3 给出扣除4个化合物后建模，其 R cv-4 2 最优，达到0.794.即用17个化合物作为训练集建模最佳，因此，随机扣除化合物2、11、15、21(组成测试集)，余下17个化合物(组成训练集)建模为： http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=4460860&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=4460860&type=small http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=4460860&type=middle http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=4460866&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=4460866&type=small http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=4460866&type=middle 表 2 表 2 的CAL b 列为模型(4) 给出的 G z 估算值，与对应实验值EXP的误差均在±2 S D 范围内，说明该模型中不存在异常值. 构效分析 2 根据分子电性距离矢量相关理论 [ 11 11 ~ 14 14 11~14 ] 可知，与 m 14 描述子变量相关的分子结构基团为~CH~(“~”代表芳环或其他共轭体系中的化学键)或—C—之间的相互作用， m 25 描述子变量相关的分子结构基团为~CH~或—C—与卤素X—之间的相互作用， m 33 则描述子变量相关的分子结构基团为~C＜与—O—、—S—之间的相互作用.模型(2) 显示 m 14 与G z 负相关，说明分子中亚甲基越多，相应抑菌能力越弱； m 25 与G z 正相关，表明分子中亚甲基与卤素越多，其抑菌能力越强. m 33 与G z 负相关，表明分子中~C＜与—O—越多，其抑菌能力越低；但~C＜与—S—的 m 33 本身为负值，说明—S—与抑菌能力同向变化.模型(2) 的标准方程为： http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=4460872&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=4460872&type=small http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=4460872&type=middle 模型(5) 中 m 33 ， m 25 ， m 14 的标准化回归系数( S R )依次为-0.780，0.299，-0.205，根据其绝对值可知，抑菌能力影响顺序由大到小为： m 33 ， m 25 ， m 14 ，分子结构基团为—S—，—O—，X—，~CH~及—C—等起到重要作用.另外，模型(2) 的削减误差比例 R 2 =0.840，只有近16%的未知因素未被揭示，也证明 m 33 ， m 25 ， m 14 与常数项共同揭示了影响21种三唑并嘧啶类化合物对小麦赤霉病菌的本质因素. 结论 1 本文依据拓扑理论，计算21种三唑并嘧啶类化合物分子的电性距离矢量，并通过最佳变量子集回归方法，建立了上述化合物对小麦赤霉病菌抑菌活性的QSAR模型.得到结论如下：1) 电性距离矢量对三唑并嘧啶类化合物的分子结构实现惟一性表征，呈现良好的结构选择性，如 表 1 表 1 中21种分子的 m 14 均有不同数值；2) 所建最佳三元QSAR模型的质量指标检验显示其具有良好的相关性、稳健性及预测能力，且训练集、测试集给出一致的结果；3) 根据选入模型中的 m 33 ， m 25 ， m 14 可知，影响三唑并嘧啶类化合物对小麦赤霉病菌的抑菌活性的主要结构基团为—S—，—O—，X—，~CH~及—C—等基团. 本研究结果可望用于此类化合物对小麦赤霉病菌抑菌活性的准确估算与预测，而且依据影响抑菌活性的重要分子结构碎片，可为高效、低毒的该类抑菌剂的结构修饰及分子设计提供理论参考. 参考文献 杨莉, 房晓敏, 陈伟, 等.三唑并嘧啶类农药活性化合物的研究进展[J].现代农药, 2014, 13 (1):1-8. 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