苯并呋喃—芳氨基噻唑衍生物杀虫活性的拓扑研究

                                                  冯惠    高源

                               (徐州工程学院化学化工学院，徐州 221111)

摘要：基于拓扑方法计算了22种苯并呋喃-芳氨基噻唑衍生物的电性距离矢量和Kappa形状指数。通过最佳变量子集回归建立这22种苯并呋喃-芳氨基噻唑衍生物对蚕豆蚜的杀虫活性与电性距离矢量及Kappa形状指数的定量构效关系模型(QSAR)，它的判定系数(R²)为0.877。经R²、VIF试验证明上述模型具有良好的稳健性及预测能力。根据进入这些模型的两个电性距离矢量和一个Kappa形状指数M₁₃、M₄₃、²k可知，影响苯并呋喃-芳氨基噻唑衍生物杀虫活性的主要因素是分子的二维结构特征C－、 >C<  、－O－、－S－、－X等结构碎片及原子的空间密度。结果表明，电性距离矢量和Kappa形状指数对苯并呋喃-芳氨基噻唑衍生物杀虫活性的表征是合理有效的。

关键词：苯并呋喃-芳氨基噻唑衍生物；蚕豆蚜；拓扑指数；电性距离矢量；Kappa分子形状指数；杀虫活性

     呋喃酚( 2，3-二氢-2,2-二甲基-7-苯并呋喃酚或7-羟基苯并呋喃) 是制造克百威、丙硫克百威、丁硫克百威、呋线威等大吨位氨基甲酸酯类农药的重要中间体。 氨基甲酸酯类农药的活性高，应用广泛，但毒性较大，因此需要开发毒性较低、活性较好的替代产品，以满足市场的需求。通常，一个新农药品种的开发需要的时间为8 ~10年，加上目前新农药品种登记所需的资料和项目多，所需费用达数亿美元，因此世界新农药创制公司将部分精力转移到用已有中间体来开发农药新品种，目的是缩短开发周期，减少开发费用。自1976年日本保土谷化学工业公司和三菱油化精细化学公司成功开发保松噻杀虫剂以来，国外的一些药物公司相继成功地开发了数十个噻唑类杀虫剂品种，如：噻唑硫磷、噻唑磷、噻虫嗪等^[1-3] 。噻唑类化合物具有抗病毒、抗菌和杀虫等作用．现在，人类越来越关注环境和自身健康，因此开发“高效，低毒，低残留”的农药品种已经成为开发新农药的主流^[4]。噻唑类化合物具有低毒、优良的生物活性和结构变化多样等特点。因此，这类化合物已经成为近年来绿色农药研究的一个热点^[5]。

      定量构效方法（quantitative structure-activity relationship，QSAR）是应用最为广泛的药物设计方法。所谓定量构效方法就是通过一些数理统计方法建立一系列化合物的生理活性或某种性质与其物理化学性质之间的定量关系。通过这些定量关系可以预测化合物的生理活性或某些性质，指导我们设计出具有更高活性的化合物。定量构效关系已经被大量地应用于环境科学研究其数学模型对于有机化学品的生物毒性评价与预测具有广阔的应用前景^[6] 。由于该方法具有简单、方便、使用参数不依赖于实验等优点，从而被广泛地应用于预测有机污染物的各种生物活性和毒性的研究中^[7]。目前毒理学上QSAR方法所用到的物理化学参数主要是疏水参数、电性参数、空间结构参数、分子连接性和拓扑指数等。而利用拓扑指数( MTI) 进行物质构效学研究则是其中愈益受到重视和发展较快的方法之一^[8-10] 。罗先福等^[11]基于药效团呋喃酚与噻唑，将其组合在同一分子中合成了22 种苯并呋喃芳氨基噻唑衍生物，并测定其对蚕豆蚜的杀虫活性。本文根据拓扑指数及多元统计回归方法建立苯并呋喃芳氨基噻唑衍生物生物活性的定量构效关系，对于了解苯并呋喃-芳氨基噻唑衍生物杀虫活性的影响因素，以及苯并呋喃-芳氨基噻唑衍生物的杀虫作用机理都具有重要意义。

1 理论与方法

1.1 苯并呋喃-芳氨基噻唑衍生物的杀虫活性

     目前呋喃酚的商品化衍生物好安威、克百威、丙硫克百威、丁硫克百威等大吨位氨基甲酸酯农药存在着毒性大的特点，将逐渐地那被淘汰。因此，需要开发新的低毒高效广谱农药品种，以满足现代农药需求。本课题研究的是由农药药效基呋喃酚与噻唑拼合而成的22种苯并呋喃-芳氨基噻唑衍生物的杀虫活性。其母体结构见图1，当R基不同时，可得到

                                图1 苯并呋喃-芳氨基噻唑衍生物的母体结构

22种苯并呋喃-芳氨基噻唑的衍生物。R依次为：1:R=H; 2:R=2-CH₃; 3:R=3-CH₃; 4:R=4-CH₃; 5:R=3-OH; 6:R=2-CH₃O; 7:R=4-CH₃O; 8:R=2-F; 9:R=2-Cl; 10:R=4-Cl; 11:R=2-Br; 12:R=3-Br; 13:R=2-NO₂; 14:R=4-NO₂; 15:R=3-CF₃; 16:R=4-CF₃; 17:R=2,4-diCH₃; 18:R=3,4-diCH₃; 19: R=2,6-diCH₃; 20:R=3-Cl-4-F; 21:R=2,3-diCl; 22: R=3,4-diCl。

      他们将带有三日龄蚕豆芽的蚕豆苗剪下，放在已经配置好的药液中浸渍10秒，然后取出，插到已经吸足水的海绵上，罩上马灯罩，重复处理两次。处理完毕以后，放到观察室内培养，定时观察。72小时后检查并记载其死亡情况，计算死亡率。具体的杀虫活性数据见表1^[11]。

表1 22种苯并呋喃-芳氨基噻唑衍生物的毒性测定值及结构描述符

1.2 Kappa形状指数

     表征分子形状的参数常用分子体积（V）、表面积（S），但其本能只是反映分子的大小。对于实验测定两个分子的V或S相同，但其形态未必相同。目前建立描述分子形状参数侧重于量子化学法与拓扑指数法，后者以其简便性及在构效关系中常可获得良好的相关性,更受世人青睐。表征分子形状的拓扑指数常用Kier的Kappa形状指数（^mK），具体计算过程见文献[12]。

      Kappa形状指数中的¹K所显示的结构信息主要为分子结构的复杂度，确切地说反映了分子的环性程度；² K主要揭示分子中原子的空间密度，均有一定的优点。但是，由于^mK对分子的结构选择性较低，不能区分邻位、间位、对位取代的异构体，因此^mK指数在建模时一般都与其它类型的拓扑指数结合使用。如上述电性拓扑状态指数等，联合使用可以取长补短，使所构建的模型相关性良好。

1.3 分子电性距离矢量

     分子电性距离矢量（Molecular Electronegativity Distance Vector，MEDV）是一种用来描述分子二维结构的拓扑描述子，最初由刘树深等人提出^[13]。MEDV 引入了相对电负性和相对键长的概念，适用于含多个杂原子、饱和键与不饱和键、环和非环等结构，具有良好的分辨率和高度的相关性，是一种通用性更强的新型描述子。目前，MEDV己用于各种定量结构与物理化学性质和生物活性的研究中。分子电性距离矢量即是由化学分子图论方法结合相互作用关系衍生推导得出结构参数的一种矢量。通常分子由各种不同属性的原子按不同连接方式构成。而原子之间的相互作用与原子电性及相隔距离密切相关。 一般而言，依据库仑定律可知，电性越大，距离越小，相互作用就越大。另一方面，不同原子类型之间的相互作用方式也不同。原子间相互作用取决于各原子相对电负性和它们之间的相对距离。具体计算方法见文献[14]。

1.4统计回归分析

     在建立多元回归方程的过程中，按偏相关系数（R）的大小次序将自变量逐个引入方程，对于引入方程的每个自变量的R值进行统计检验，效应显著的自变量留在回归方程内，循此继续选择下一个自变量。如果效应不显著，停止引入新的自变量。由于新自变量的引入，原先已经引入方程的自变量由于变量之间的相互作用其效应有可能变得不显著的，经统计检验确证后要随时从方程中剔除，只保留效应显著的自变量。直至不再引入和剔除自变量为止，从而得到最优的回归方程。“最优”的回归方程就是包含所有对因变量有影响的自变量，而不包含对因变量影响不显著的自变量的变量回归方程。

2 结果与讨论

2.1、利用SPSS程序建立QSAR模型

      用Matlab程序计算了22种苯并呋喃-芳氨基噻唑衍生物的4种Kappa形状指数、91种分子电性距离矢量这二种拓扑指数。将计算得到的拓扑结构参数及毒性数据（LnIC）输入SPSS统计分析软件进行多元回归分析。通过逐步回归，得到最佳变量。

      将LnIC作为因变量，将计算得到的所有拓扑结构参数作为自变量进行逐步回归分析。进入回归方程的自变量名称只有²K和M₁₃。所以我们只选择对4种Kappa形状指数和91种分子电性距离矢量这两种拓扑指数进行研究。通过逐步回归，得到最佳变量组合（见表2）。

表2  22种苯并呋喃-芳氨基噻唑衍生物毒性的逐步回归结果

       为了保所建立的数学模型具有稳定性及可靠性，通常将有效性及重要性程度较高的变量选入模型; 另一方面是尽量用较少的变量表征分子，以提高样本容量与变量数目的比值，即提高数学模型的稳定性. 根据统计学规则，这个比值应大于或等于 5. 在本实验中有 22个化合物，但有5个化合物的㏑IC未知。因此可建立三元回归模型。依据评价标准，建立最佳三元回归模型为:

                  LnIC=43.915-1.981ײK+1.526×M₁₃+5.805×M₄₃，             （11）

                  n=17,R=0.936,R²=0.877，R²_adj=0.848,F=30.754,S=0.22402

式中：n为样本容量，R为相关系数，R²为判定系数，R²_adj为调整判定系数，F为显著性检验，s 为标准偏差. 用(11)式得到的计算值也列于表 1。

2.2 QSAR模型的模型稳健性检验

     为避免随机相关,采用“Jackknife^[15]” 法对方程(11)进行稳健性检验。鉴于所研究的样本为小样本( n< 30)，选用“逐一剔除”即每次只剔除1种化合物,以余下的16个化合物建模,得其相关系数。共建模17个，这 17个相关系数的分布为: 0.940以上的有4个，0.940-0.932 间有7个，0.932以下的有4个,基本呈正态分布,它们的平均值为0.9364，与(11)式的相关系数0.936非常接近，说明样本中不存在对模型(11)有显著影响的异常值,所建模型不存在随机相关,具有可被接受的总体稳健性。

     另外，该模型²K、M₁₃、M₄₃的变异膨胀因子（Variance inflation factors，VIF)^[16]分别为2.006、1.252、1.988，也是一个非常有利的佐证。这是因为当 VIF ＜5 时，该模型是稳定的，方程中各自变量的多重相关性较低; 该模型的 VIF均较低小于5，说明3个变量的没有明显的自相关性，说明该模型具有良好的稳健度及预测能力。

2.3 QSAR模型的解释

2.3.1 用电性距离矢量对QSAR模型进行分析

     进入模型的电性距离矢量为M₁₃和M₄₃，M₁₃是第一类原子（如-CH₃）与第十三类原子（如-F ，-Cl，-Br，-I）之间的相互作用，M₄₃是第四类原子（如>C<）与第十类(如-O-)原子之间的相互作用。①当苯并呋喃-芳氨基噻唑衍生物的R基为H时，根据MEDV的定义，分子中有第1（-CH₃）、第2（-C=）、第3（C=）、第4（>C<）、第6（-N-、-N=）、第10（-S-、-O-）。因为进入模型的电性距离矢量只有M₁₃和M₄₃，所以我们只看第1、第4、第10、第13这四种类型的原子。当不考虑R基时，在进入模型的电性距离矢量中，只有M₄₃是有数值的，因为存在第4和第10类原子，它们可以组合。而只有当R基为第10类原子时，M₁₃才会有数值。这就解释了表1中为什么不论R基为何种基团时M₄₃均有数值，M₁₃只有在R基为卤素时才有数值。②在QSAR模型中，M₄₃的系数为正值，而表3中M₄₃均为负值，说明第4和第十类原子越多，M₄₃的绝对值越大，LnIC值越低，杀虫活性也就越低。M₁₃的系数也为正值，但表1中M₁₃均为正值，所以第1和第13类原子越多，M₁₃的值越大，㏑IC值越高，杀虫活性就越好。

2.3.2 用Kappa形状指数对QSAR进行分析

     从表3中可以看出，²K大致是按R基为-F，-Cl，-Br，-Cl， -diCl的顺序递增的。²K所表示的是分子中原子的空间密度，因为在原子数相同的条件下，分子越似球体，其²P值越大，该分子的体积越小，原子空间密度越大。本文构建的kappa分子形状指数,充分考虑了取代基R基对苯并呋喃-芳氨基噻唑衍生物杀虫活性的影响。²K主要揭示分子中原子的空间密度. 因为在原子数 n_j相同时，分子越似球体，其²P 值越大,该分子体积越小，相应分子的原子空间密度越大,根据式（11)可知，该分子的²K越小，所以当R基为-F时，杀虫效果较好。

3 结论

    本文基于电性距离矢量和Kappa形状指数，通过SPSS程序对22个苯并呋喃-芳氨基噻唑衍生物进行多元统计分析。

(1) 模型（11）具有统计学意义，其传统的判定系数R²为0.877，表明该模型具有良好的稳健性及预测能力。

(2) 根据进入模型（11）的两个电性距离矢量M₁₃、M₄₃可知，影响苯并呋喃-芳氨基噻唑衍生物杀虫活性的主要因素是其分子的二维结构: C－、 >C<  、－O－、－S－、－X等结构碎片。

（3）根据进入模型的Kappa形状指数²K可知，影响苯并呋喃-芳氨基噻唑衍生物杀虫活性的因素还有分子种原子的空间密度。

      综上所述，利用电性距离矢量和Kappa形状指数对苯并呋喃-芳氨基噻唑衍生物杀虫活性的表征具有合理性与有效性。本文为估算和预测苯并呋喃-芳氨基噻唑衍生物杀虫活性提供了一种简便有效的方法。

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