吡啶并嘧啶类衍生物抗癌活性与电子结构关系的量子化学研究

作者：吴洪廖 全德 上官宝土 李明峰 连志斌

【摘要】 采用量子化学密度泛函理论(DFT)方法，在B3LYP/631G*基组水平上对吡啶并嘧啶类衍生物进行了几何构型优化和电子结构计算。根据计算结果分析了吡啶并嘧啶类衍生物抗癌活性与电子结构的构效关系，结果表明: 吡啶并嘧啶类衍生物抗癌活性与最低空轨道的能量，分子的偶极矩、苯环上5位碳原子的电荷密度及苯环上总电荷密度相关。

【关键词】 量子化学； 电子结构； 吡啶并嘧啶类衍生物； 构效关系

二氢叶酸还原酶是细胞内叶酸代谢的关键酶， 二氢叶酸还原酶(DHFR)抑制剂能选择性地与DHFR结合，抑制其催化还原活性，使二氢叶酸不能顺利转变为四氢叶酸，阻碍叶酸代谢，干扰DNA和蛋白质的合成，最终导致细胞死亡，所以，DHFR抑制剂具有抗癌、抗菌和抗疟作用。以二氢叶酸还原酶(DHFR)为靶点设计高选择性的抑制剂作为抗癌的药物，是目前国内外药物开发研究的热点。吡啶并嘧啶类化合物是二氢叶酸还原酶的抑制剂。 目前，对药物分子抗癌活性与电子结构关系的研究，大多是在分子水平上进行的［1］，在电子结构水平上对药物的定量构效关系进行研究的报道较少。随着计算机技术的进步和量子化学方法的发展，使得这样从更微观的角度来研究成为可能。本研究应用量子化学密度泛函理论计算方法，从前线轨道能级，电荷密度分布，偶极矩等量化参数的角度来研究吡啶并嘧啶类衍生物抗癌活性与电子结构的关系，以期为此类化合物的结构改造和合成二氢叶酸还原酶的高效抑制剂提供理论信息和参考依据，为新药的设计和开发服务。

1 计算方法 对32种2，4二氨基5甲基6(取代苯胺基)甲基吡啶［2，3ｄ］并嘧啶类化合物进行研究，活性用这类化合物对L1210细胞株抑制生长50%时的摩尔浓度的负对数(Log1/C)来表示［2］，用图形输入的方式，利用MOPAC软件包中的半经验MNDO模块搜寻具有最低势能函数的分子构象，对图形进行初始优化。 吡啶并嘧啶类系列衍生物的结构组成和量化参数见图1和表1。用Gaussian 03程序包中密度泛函理论(DFT)的B3LYP方法在631G*基组水平上对表1中32种化合物进行几何结构优化，并做电子结构计算［3］。构效关系计算则采用Origin7.0软件完成。

图1 吡啶并嘧啶衍生物的分子结构（略） 2 结果分析

2.1 参数的选择与回归分析 从众多的参数中提取了有关分子整体和局部信息的11个量化参数，其中包括:最高占据轨道的能量EHOMO，最低空轨道的能量ELUMO，以及两者的能量差ΔE。苯环上各碳原子的电荷密度：Q1，Q2，Q3，Q4，Q5，Q6及苯环上的总的净电荷Q总和偶极矩μ。对上述参数进行了回归分析，为使所得的数学模型比较稳定，参数不能引入太多［4］，对以上11个参数与活性指标进行回归处理，筛选出了7组重要的参数，结果列于表2。 表2中对应于每增加一个变量，列出了最好的变量组合及其相关系数R值和F值及偏差SD的值。可以看出，随着变量个数的增加，相关系数也增加。当加入Q5，使变量个数由3增加为4时，变量组合为ELUMO、μ、Q5和Q总，相关系数由0.227增加到0.624，其后继续增加变量个数，相关系数的提高缓慢，且F值也有下降的趋势。可见，变量的最优选择为ELUMO、μ、Q5和Q总，的组合。因此，用ELUMO、μ、Q5和Q总这4个变量与活性指标进行相关性分析。

表1 吡啶并嘧啶类类系列衍生物活性及量化参数（略）

表2 线性回归结果（略）

回归得到含有32个化合物的QSAR方程： Log1/c=6.222+ 2.557ELUMO -5.353Q5+ 0.572Q总+0.00448μ N=32 R=0.624 SD=0.570 F=11.206 化合物8、15、18、26实验值与计算值的残差的绝对值高于标准偏差，将它们作为奇异点舍去。这样得到了含有28个化合物的QSAR方程： Log1/c=4.830- 5.372ELUMO -3.214 Q5+ 3.712 Q总+ 0.290 μ N=28 R=0.920 SD=0.270 F=66.242 可见所得方程的相关性系数较高，达到了0.920。 表3列出了活性的实验值obsd和计算值calcd及标准偏差|Δ|。 可以看出，计算值与实验值符合得较好， 方程的相关性较高，标准偏差也较小。通过比较还发现，改换或增加其他量化参数，都会使方程的相关性降低。 为了直观地反映方程的线性显著性， 以活性参数实验值为纵坐标， 以活性参数计算值为横坐标作图， 得图2。

图2 方程计算值与实验值的对比（略）

表3 活性的obsd和calcd及|Δ|值（略）

2.2 多元线性方程的相关性分析 相关性方程表明吡啶并嘧啶类类系列衍生物的活性与最低空轨道的能量ELUMO、苯环上5位碳原子的电荷密度Q5、苯环总净电荷Q总、以及偶极矩μ相关。其中ELUMO的系数为负，表明最低空轨道能量低的化合物其活性较最低空轨道能量高的好， ELUMO低意味着是较好的电子接受体。 Q5在方程中的系数也为负，表明苯环5位碳原子的电荷密度大对于活性不利的。相反地， Q总在方程中的系数为正，即苯环上总的电荷多对活性有利，所以能使苯环上电荷的分布成为: 5位碳原子电荷密度小而其他位电荷密度大的取代基将是活性强的。 偶极矩μ在相关性方程中的系数为正，表明极性大的化合物活性好。 综合比较诸因素在QSAR方程中系数的大小还可以看出，虽然ELUMO的系数较大， 达到5.372， 但是因为ELUMO本身的值很小，都在10-2次方数量级，因此，其对活性大小的贡献并不大。例如ELUMO最小的0.06与最大的0.08对Log1/c的贡献只差0.1， 相反地，μ在相关性方程中的系数虽小，仅仅0.29，但其本身的值大，数量级在100，因此，对活性的贡献就很大，例如μ最小的3.0与最大的8.3对Log1/c的贡献相差达1.5，可见分子偶极矩的作用是至关重要的。 偶极矩的大小是与电荷在分子中的分布相关的。从吡啶并嘧啶类系列衍生物的分子结构可以看出， 苯环上电荷密度的大小显然会对整个分子的极性有很大影响。 由此可见，相关性方程的后3项表明：吡啶并嘧啶类系列衍生物活性的大小取决于衍生物中取代基对分子电荷分布和极性的影响。而这也表明，这类化合物的抑制活性的作用机理主要是静电的授受作用，即抑制剂与目标物之间的极性相互作用，使吡啶并嘧啶环与二氢叶酸还原酶结合以阻碍二氢叶酸还原为四氢叶酸。

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