張莉，劉潔，吳倩，賀攀華，朱華玲，黃治強(qiáng)

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含甘二肽甲酯結(jié)構(gòu)的β-二酮衍生物的合成、除草抑菌活性及構(gòu)效關(guān)系

張莉，劉潔，吳倩，賀攀華，朱華玲通信作者，黃治強(qiáng)

（天津農(nóng)學(xué)院基礎(chǔ)科學(xué)學(xué)院，天津300384）

合成了兩個(gè)新的含甘二肽甲酯結(jié)構(gòu)的β-二酮衍生物，采用IR，UV，1H NMR以及元素分析方法對(duì)合成的化合物進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征。采用平皿法測(cè)定了化合物的除草活性，結(jié)果表明：含噻吩環(huán)和氟原子的化合物B2在濃度為100 μg/mL時(shí)，對(duì)狗尾草的抑制率基本達(dá)到100%，甚至好于對(duì)照草甘膦；采用單片紙碟法測(cè)定了化合物的抑菌活性，結(jié)果表明含噻吩環(huán)和氟原子的化合物B2具有較好的抑菌活性。

β-二酮；甘二肽甲酯；合成表征；生物活性；量化計(jì)算

功能化的β-二酮衍生物在臨床上具有重要的應(yīng)用，被廣泛用作抗菌劑[1-3]，抗病毒劑[4]，殺蟲(chóng)劑[5]，抗氧化劑[6]，潛在的預(yù)防性抗腫瘤藥物[7]，抗遮光劑[8]和抗HIV-1[9]試劑等。甘二肽在體內(nèi)具有轉(zhuǎn)運(yùn)能低，轉(zhuǎn)運(yùn)速度快，載體不易飽和，能以肽的形式被完全吸收等特點(diǎn)，常被用作動(dòng)物飼料添加劑。甘二肽衍生物具有助長(zhǎng)[10]、抗癌[11]、抗菌[12]、抗氧化和免疫調(diào)節(jié)[13-14]等生物功能，目前已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、化妝品、保健品、香料、動(dòng)物飼料添加劑[15]中。利用活性基團(tuán)疊加原理將甘二肽與β-二酮結(jié)合對(duì)功能化β-二酮的開(kāi)發(fā)和利用必將起到積極的推動(dòng)作用?；瘜W(xué)結(jié)構(gòu)修飾是目前減少藥物毒副作用的重要途徑之一，阿昔洛韋二肽酯前藥的合成就是很典型的例子[16-18]。本研究綜合上述設(shè)想合成了甘二肽甲酯修飾的β-二酮衍生物，并測(cè)試其抗菌和除草活性，以期為功能化β-二酮化合物的開(kāi)發(fā)提供參考。

1 材料與方法

1. 1 試劑和儀器

甘二肽甲酯采用文獻(xiàn)[19-20]中的方法合成。 其他化學(xué)試劑均為分析純。 Carlo-Erba 1106 元素分析儀，Perkin–Elmer FTIR 傅里葉變換紅外光譜儀（KBr 壓片法），WRS-1B 熔點(diǎn)測(cè)定儀（未校正），UV-250IPC紫外分光光度計(jì)，Bruker Avance 400核磁共振儀（1H NMR-DMF-d7，TMS 為內(nèi)參比）。

1.2 標(biāo)題化合物的合成與表征

標(biāo)題化合物的合成路線和結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 標(biāo)題化合物的合成路線和結(jié)構(gòu)示意圖

合成步驟：攪拌條件下，在含0.010 mol β-二酮的50 mL乙醇溶液中滴加50 mL含0.010 mol 甘二肽甲酯的乙醇溶液，水浴回流8 h，冷卻到室溫，自然蒸發(fā)溶劑。5 d后析出固體，用乙醇重結(jié)晶。

化合物B1， 白色固體， 熔點(diǎn)：150～152 ℃, 元素分析，按 C10H16N2O4計(jì)算，C：52.63；H：7.02；N：12.28%。實(shí)測(cè)，C：52.68；H：6.96； N：12.31%。FT-IR（KBr，cm-1）max：3 296（m，NH），1 755（s，C＝O），1 662（s，COO），1 610（s，二酮C＝O），1 568（s，δN-H），1 203（s），1 030（s）。UV，246.5（2.20），269.5（1.30），279.0（2.70）。1H NMR（DMF-D7，400 Hz）δ：9.70（t，J＝2.6 Hz，1H），8.03（t，J＝3.4 Hz，1H），4.86（s，1H），3.88（d，J＝3.1 Hz，2H），3.32（d，J＝2.9 Hz，2H），3.44（s，3H），2.37（s，3H），1.90（s，3H）。

化合物B2，無(wú)色固體，熔點(diǎn)：61～62 ℃，元素分析，按C13H13N2O4F3S計(jì)算，C：44.57；H：3.71；N：8.00；S：9.14；F：16.29%。實(shí)測(cè)，C：44.68；H：3.73；N：7.89；S：9.17；F：16.30%。FT-IR（KBr，cm-1）max：3 290（w，NH），3 097（w，噻吩基-H），1 745（m，C＝O），1 674（s，COO），1 620（s，二酮C＝O），1 513（s，δN-H），1 232（s），1 097（s）。UV，232.5（3.30），250.5（3.70），285.0（0.15）。1H NMR（DMF-D7，400 Hz）δ：9.66（t，＝2.8 Hz，1H），8.20（t，＝3.4 Hz，1H），7.20～8.20（m，3H），6.95（s，1H），4.12（d，＝2.9 Hz，2H），3.98（d，＝3.7 Hz，2H），3.12（s，3H）。

1.3 抑菌活性

采用單片紙碟法，在37 ℃下測(cè)定化合物對(duì)大腸桿菌和枯草芽孢桿菌的抑菌活性。測(cè)試濃度為5.00，2.50，1.25 mg/mL 3個(gè)濃度，以二甲基甲酰胺（DMF）做空白對(duì)照，以商品諾氟沙星作為藥品對(duì)照，通過(guò)測(cè)定抑菌圈的大小來(lái)反映化合物的抑菌能力的高低。

1.4 除草活性

采用平皿法測(cè)定化合物的除草活性[21-23]，被試植物為小麥，油菜和狗尾草，通過(guò)測(cè)定化合物溶液對(duì)芽長(zhǎng)與根長(zhǎng)的抑制率來(lái)反映除草活性的好壞。具體步驟：分別稱(chēng)取待測(cè)化合物0.01 g，用適量DMF溶解，用水稀釋?zhuān)涑蓾舛葹?00、50、25 μg/mL的溶液。各取3個(gè)濃度的藥液2 mL，加至墊有2張均勻?yàn)V紙的9 cm培養(yǎng)皿中，在每個(gè)培養(yǎng)皿中加入顆粒均勻、剛露白的小麥、油菜和狗尾草種子各10粒，蓋上培養(yǎng)皿，在（27±1）℃，濕度（55±5）%下培養(yǎng)72 h，培養(yǎng)結(jié)束后，測(cè)定根長(zhǎng)和芽長(zhǎng)，并以相同濃度的N，N-二甲基甲酰胺的水溶液做空白對(duì)照，以商品除草劑草甘膦作為對(duì)照藥劑，最后計(jì)算平均值，按公式（1）計(jì)算抑制率。

抑制率＝[(空白對(duì)照處理-藥劑處理)/空白對(duì)照處理]×100% （1）

1.5 化合物構(gòu)效關(guān)系的量子化學(xué)研究

為了解化合物的結(jié)構(gòu)與活性之間的關(guān)系，運(yùn)用Gamess量子化學(xué)研究軟件[24]在RHF/6-311G（d）基組水平上對(duì)合成化合物進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和單點(diǎn)能計(jì)算，分析化合物的前沿軌道、電荷分布和各原子軌道對(duì)前沿軌道的貢獻(xiàn)等結(jié)構(gòu)參數(shù)與化合物的抑菌、除草活性之間的關(guān)系。所有圖形由程序Macmolplt 7.4.2[25]完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 光譜表征

化合物B1、B2的紅外光譜中，3 290～3 296 cm-1波數(shù)的弱吸收峰歸屬于N—H的伸縮振動(dòng)，N—H的彎曲振動(dòng)峰落在1 513～1 568 cm-1波數(shù)處，1 610～1 620 cm-1處的吸收屬于b-二酮C＝O的伸縮振動(dòng)，在3 400～3 600 cm-1波數(shù)內(nèi)沒(méi)有—OH的吸收峰，所有這些都表明化合物B1、B2以烯胺酮式結(jié)構(gòu)存在。亞胺羰基的伸縮振動(dòng)峰落在1 745～1 755 cm-1，酯羰基的伸縮振動(dòng)峰落在1 674～1 662 cm-1表明化合物中存在甘二肽甲酯。1 232～1 203和1 097～1 030 cm-1的吸收峰分別屬于C—O—C的對(duì)稱(chēng)和不對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)。

在化合物B1、B2的紫外光譜圖中，232.5～246.5，250.5～269.5和 279.5～285.0 nm 處的吸收峰分別屬于共軛體系的芳環(huán)，π…π和 n…π躍遷，這表明合成的化合物分子中有較大的共軛體系存在。

在化合物的核磁共振譜中，9.66～9.70的單峰歸屬于亞胺N—H，8.03～8.20的單峰歸屬于新形成的N—H，在12.4～12.8處沒(méi)有—OH 的吸收峰，所有這些都表明化合物B1、B2以烯胺酮式結(jié)構(gòu)存在，這與紅外分析的結(jié)論一致。7.2～8.8處多峰屬于噻吩環(huán)的C—H吸收，3.32～4.12 處的峰屬于分子中2個(gè)—CH2的吸收，3.44～3.12和1.35～2.15 的吸收峰屬于—CH3的吸收。

2.2 抑菌活性

化合物對(duì)大腸桿菌和枯草芽孢桿菌的平均抑菌環(huán)直徑見(jiàn)表1。由表1可知，含噻吩基和氟原子的化合物B2對(duì)大腸桿菌和枯草芽孢桿菌具有更好的抑制活性，抑菌活性與諾氟沙星相當(dāng)，并且在某一濃度時(shí)抑菌效果最好。至于化合物B1，除噻吩基和氟原子外，其余部分與化合物B2相同，但B1卻幾乎沒(méi)有抑菌效果，這表明噻吩基和氟原子的存在對(duì)提高化合物的抑菌效果很有幫助。

表1 化合物的平均抑菌環(huán)直徑

2.3 除草活性

化合物對(duì)小麥、油菜和狗尾草的抑制率列于表2。由表2可知, 化合物B1、B2 在測(cè)試濃度下對(duì)小麥、油菜和狗尾草都具有一定的抑制活性，對(duì)狗尾草的抑制率最高，甚至高于對(duì)照物草甘膦，其次是小麥，最差的是油菜。化合物B2對(duì)小麥和狗尾草的抑制率明顯高于化合物B1，對(duì)油菜的抑制率差不多。這可能與化合物B2分子中含有噻吩環(huán)和氟原子有關(guān)。

表2 化合物對(duì)小麥和油菜的抑制率和偏差 %

化合物B1、B2對(duì)狗尾草的莖和根都有明顯的抑制效果，抑制率隨著濃度的增加而升高?；衔顱2在濃度為100 μg/mL時(shí)，對(duì)狗尾草的莖和根的抑制率幾乎達(dá)到100%，表明這類(lèi)化合物有望被進(jìn)一步開(kāi)發(fā)成為高活性除草劑。

2.4 構(gòu)效關(guān)系的量子化學(xué)研究

根據(jù)分子軌道理論，前線分子軌道（最高占據(jù)軌道HOMO和最低空軌道LUMO）及其附近的分子軌道對(duì)分子的生物活性影響最大。分子的前線軌道能如最高占有軌道能E（HOMO）或最低空軌道能E（LUMO）與生物活性反應(yīng)中分子的電子電離勢(shì)或親合力相關(guān)，活性分子與受體生物大分子的相互作用主要發(fā)生在兩者的前沿分子軌道附近[26-27]?；衔顱1和B2的前沿軌道占有情況和前線軌道能分布如圖2所示。

圖2 化合物B1（左）和B2（右）的前沿軌道能量

對(duì)以供電子為主的化合物來(lái)講，最高占有軌道和最低空軌道之間的能級(jí)差越小，電子躍遷越容易進(jìn)行，生物活性應(yīng)該越好[28-29]。從圖2可知，化合物B1的前沿軌道能量差（ELUMO-EHOMO）為13.24 eV，而化合物B2的前沿軌道能量差（ELUMO- EHOMO）為12.27 eV，這表明化合物B2最外層電子由最高占有軌道向最低空軌道的躍遷相對(duì)更容易些，其作為藥物時(shí)更容易提供電子與生物體內(nèi)含金屬離子的生命活動(dòng)中心發(fā)生作用從而影響生物正常的生命活性。

化合物B1、B2中各主要原子對(duì)分子軌道的貢獻(xiàn)百分比如表3所示。由表3可知，化合物B1的HOMO，LUMO主要集中在通過(guò)分子內(nèi)氫鍵N24—H18…O28作用形成的六元環(huán)的C4，N24，C9，C6，C10以及O28等原子。而化合物B2的HOMO，LUMO則主要集中在通過(guò)分子內(nèi)氫鍵N20—H15…O24作用形成的六元環(huán)的C3，N20，C5等原子以及噻吩環(huán)的C26，C27，S28以及C31等原子，這表明化合物B2的噻吩環(huán)是主要的提供和接受電子部位，是對(duì)其生物活性的影響作用較大的基團(tuán)之一。

表3 化合物B1，B2 中各主要原子對(duì)前線軌道的貢獻(xiàn)百分比 %

計(jì)算時(shí)化合物B1和B2的原子編號(hào)如圖3所示，對(duì)應(yīng)原子的電荷如表4所示。由圖3和表4可知，化合物B1的正電荷主要分布在C5，C6，C9等碳原子上，負(fù)電荷主要分布在C2，C7，N24，N25等原子上；而化合物B2的正電荷主要分布在C4，C6，C8等碳原子上，負(fù)電荷主要分布在C3，O24，N20，N21等原子上。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，化合物B2中噻吩環(huán)和氟原子的存在，使其C6，N21，O24原子雖與化合物B1中的C7，N25，O24原子所處的化學(xué)環(huán)境相似，但所帶電荷卻差別較大，這也是導(dǎo)致兩化合物生物活性差別大的原因之一。

圖3 化合物B1和B2的原子編號(hào)

3 結(jié)論

合成了2個(gè)含甘二肽甲酯結(jié)構(gòu)的β-二酮衍生物，測(cè)試了化合物的除草、抑菌活性。結(jié)果表明，化合物B2和諾氟沙星具有相當(dāng)?shù)囊志芰?，在濃度?00 μg/mL時(shí)，化合物B2對(duì)狗尾草的抑制率幾乎達(dá)100%，甚至高于草甘膦。量化計(jì)算結(jié)果表明，化合物B2的生物活性好于化合物B1主要是由于分子中存在噻吩環(huán)和氟原子。

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責(zé)任編輯：宗淑萍

Synthesis, Herbicidal and Antibacterial Activities, Quantum Chemical Calculation of New β-Diketone Derivatives Containing Glycylglycine Ester

ZHANG Li, LIU Jie, WU Qian, HE Pan-hua, ZHU Hua-lingCorresponding Author, HUANG Zhi-qiang

（College of Basic Science, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300384, China）

Two new β-diketone derivatives containing glycylglycine methyl ester were synthesized and characterized by IR, UV,1H NMR and Elemental analysis. The results of herbicidal activity tests indicated that the inhibition rates of compound B2 at 100 μg/mL to green-bristlegrass were nearly 100%, even higher than the contrast（Glyphosate）. The results of antibacterial activity tests indicated that compound B2 had higher antibacterial ability than compound B1. Theoretical study showed that the existing of thiophen ring and fluorine atoms in compound B2 was the important reason for its better biological activity.

β-diketone; glycylglycine methyl ester; synthesis; herbicidal and antibacterial activities; quantum chemical calculation

1008-5394（2017）01-0052-06

TQ215

A

2016-06-27

天津農(nóng)學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“含手性二肽片段的芳基吡唑除草劑的合成與構(gòu)效關(guān)系研究”（201610061081）；天津自然科學(xué)基金項(xiàng)目“含有磷酸酯結(jié)構(gòu)的苯甲酰脲類(lèi)殺蟲(chóng)劑的合成及活性研究”（14JCQNJC06300）

張莉（1994-），女，天津市人，本科在讀，主要從事應(yīng)用化學(xué)方面的研究。聯(lián)系電話：（022）23784019。

朱華玲（1975-），女，山東青州人，副教授，碩士，主要從事功能化合物的合成與活性研究。E-mail: zhuhualing2004@126.com。