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青蒿素类抗疟药物定量构效关系研究 摘要 青蒿素( a r t e m i s i n i n ) 是我国学者1 9 7 2 年从中药青蒿中提取分离出的对抗 药性疟疾有特效的新型抗疟药物。药物化学工作者改造青蒿素侧链、修饰母环， 以期改善其水溶性和生物利用度，提高抗疟活性。但对于青蒿素类药物的结构与 活性之间的规律还没有很好的总结，定量构效关系研究有待进一步深入。本文选 择9 1 个青蒿素类化合物，应用从头算、分子力学等量子化学方法计算它们的电 子结构，寻找化合物结构与活性间定量构效关系，从而进一步探讨该类药物的作 用机制，为设计合成活性更高的青蒿素类抗疟药物提供参考。 主要结论如下 1 通过分子力学u f f 法，半经验p m 3 量子化学方法，以及在不同基组水 平上的五种从头算方法h f s t o 3 g 、h f 3 2 1 g 、h f 6 3 1 g 、h f 6 3 1 g * 和 h f 6 3 1 g ”，对青蒿素构型进行优化计算，所得构型与其晶体结构相比较，结果 表明使用h f 3 2 1 g 方法优化所得构型与晶体构型符合程度高，且耗时较短。通 过计算l o 一脱氧青蒿素核磁共振化学位移，与实验值相比较后也得到相同结论。 因此本文中化合物的优势构型采用该方法计算。 2 应用h f 3 2 1 g 方法计算1 0 - o 及1 6 - c 取代两组青蒿素衍生物电子结构， 提取反映其结构的各种量子化学指数和拓扑指数，并用回归分析方法寻找其结构 指数与抗疟活性间关系，建立了较为显著的q s a r 模型。结果表明： 1 ) 过氧桥环为其抗疟活性必要基团； 2 ) 支持了过氧桥裂解在1 位o 形成r o 自由基的裂解机制： 3 ) 取代基链长增加对抗疟活性提高有利，但取代基过大反而降低活性，因 此取代基链长不宜过长可在端处分支： 4 ) r 、s 异构体，有利于减小的分子表面积的构型，有利于抗疟活性提高； 5 ) 取代基为吸电子基团有利于抗疟活性的提高。 关键词：青蒿素，抗疟药物，构型优化，量子化学，q s a r 。i!j!一 a b s t r a c t a r t e m i s i n i n ( q i n g h a o s u ) w a sf i r s t i s o l a t e di n1 9 7 2f r o ma r t e m i s i aa n n l l al ；b yc h i n e s e r e s e a r c h e r si ti sa l le f f e c t i v ea n t i m a l a r i a la g e n ta g a i n s tc h l o r o q u i n e - r e s i s t a n t p l a s m o d i u m f a l c i p a n u ns t r a i n sa n dc e r e b r a lm a l a r i a w i t hl o wt o x i c i t y i no r d e rt od e v e l o pm o r ep o t e n t ，b e t t e r w a t e r - s o l u b l e ，l e s sn e u r o t o x i ca g e n t s ，al a r g em o u n to f a r t e m i s i n i na n a l o g sh a v eb e e ns y n t h e s i z e d b y t h es i d ec h a i n c h a n g i n g o rs t r u c t u r e s i m p l i f y i n g h o w e v e r , t h e d e t a i l e dm e c h a n i s mo f a r t e m i s i n i nd e r i v a t i v e sj se l u s i v e i na t t e m p t st ou n d e r s t a n dt h em e c h a n i s ma n dt h er e l a t i o n s h i po f t h ea n t i m a l a r i a la c t i v i t yb e t w e e nt h e i rs t r u c t u r e s ，t h eq u a n t i t a t i v es t r u c t u r e - a c f i v i t yr e l a t i o n s h i p s w e r es t u d i e di nt h i st h e s i s 9 1a r t e m i s i m nd e r i v a t i v e s s t r d c t u r ew e r ec a l c u l a t e db yh f 3 2 1 g m e t h o da n dt h e i rq u a n t u mi n d i c e sw e r ec a l c u l a t e di nt h e o r y t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： t h ea r t e m i s i n i n sc o n f o r m a t i o n sc o m p a r i s o n ，w h i c hw e r eo p t i m i z e d b ys e r i e sq u a n t u m c h e m i s t r ym e t h o d sr e s p e c t i v e l y , a n dt h ec o m p a r i s o no f c h e m i c a ls h i f t s ，w h i c hw e r ep r e d i c t e d b a s e do n1 0 - d e o x o a r t e m i s i n i n sc o n f o r m a t i o n s ，b o t hs h o w e dt h a tt h eh f 3 21w a saq u i t e a c c u r a t em e t h o d c o n c e r n i n gt h ea c c u r a c ya n dt h em o u n to fc p u t i m e ，h f 3 21 gm e t h o d w a ss e l e c t e dt oo p t i m i z et h ea r t e m i s i n i na n a l o g sf o rt h eb u i l d i n go f q s a rm o d e l 。 t h eq u a n t u mi n d i c e sw e r ee x t r a c t e db a s i n go na r t e m i s i n i na n a l o g u e s e l e c t r o n i cs t r u c t u r e t h ec o m p a r a t i v e l ys i g n i f i c a n tq s a rm o d e l sw e r eb u i l tb yr e g r e s s i o na n a l y s i s t h em o d e l s i n d i c a t e dt l l a t ： a 。t h ep e r o x o b r i d g ei se s s e n t i a lb a s eg r o u pf o rt h ea n t i m a l a r i a la c t i v i t y , b s u p p o r t t i n gt h em e c h a n i s m t h a tt h ec r e a t i o no f t h ef r e er a d i c a lr o 。o no ( 1 ) ， c i n c r e a s i n g t h e l e n g t h o f t h es u b s t i t u e n t i sc o n d u c i v e t o a n t i m a l a r i a la e t i v i t y b u t t h e v o l u m e i n c r e a s i n gi sd i s a d v a n t a g e o u sf o rt h e1 0 - oa n d1 6 - cs u b s t i t u t e da r t e m i s i n i na n a l o g s ，s ot h ef o r d e d c h a i no f s u b s t i t u e n ts h o u l db r a n c h e sa tt h eh e a d g r o u p , d t h ero rsi s o m e ri sc o n d u c i v et oa n t i m a l a r i a l a c t i v i t yf o r t h em o l e c u l a ra r e a r e d u c i n g ， e s u b s t i t u t i n go f e l e c t r ow i t h d r a w i n gg r o u p si m p r o v e st h ea n t i m a l a r i a la c t i v i t y k e y w o r d s ：a r t e m i s i n i nd e r i v a t i v e s ，a n t i m a l a r i a l ，q u a n t u mc h e m i s t r y , q s a i l 2 青蒿素类抗疟药物定量构效关系研究 引言 青蒿素( a r t e m i s i n i n ) 是我国学者1 9 7 2 年从中药青蒿即菊科植物黄花蒿的 叶和花蕾伪r t e m i s i af l n u al ) 中分离获得的，它是具有高效、低毒和对抗药性疟 疾有特效的新型抗疟药物。但是由于青蒿素水中溶解度极低，造成生物利用度不 高，为改善水溶性和生物利用度，药物化学工作者不断改造其侧链，修饰母环， 咀寻找活性更强的青蒿素衍生物或类似物。药物的定量构效关系( q u a n t i t a t i v e s t r u c t u r e a c t i v i t yr e l a t i o n s h i p s 简称q s a r ) 研究，正是近代按此思路下解决如何 开发新药的个重要手段，是药物分子的结构改造理论基础，对新的高活性类似 药物合成，具有重大指导意义。 如何开发高效低毒的新药大致经历了三个发展阶段：第一阶段由远古至1 9 世纪末是发展药物时期( d i s c o v e r ) ，如植物药、生物碱等。第二阶段由2 0 世纪 初至五十年代是药物开发时期( d e v e l o p ) ，如合成药物的出现，典型的例子是磺 胺系列药物。第三阶段由2 0 世纪六十年代初多种学科的相互渗透配合，使药物 开发方式起进入药物设计时期( d e s i g n ) 。 2 0 世纪六十年代，由于电子计算机的广泛使用，随着数学、物理、药理、 生物化学和药物化学等诸领域的互相渗透，作为药物分子设计这一药物研究的中 心内容逐渐由定性转向定量。于是药物的定量构效关系( q s a r ) 的研究应运而 生，并逐步获得广泛应用口- 4 。q s a r 理论所建立的方程，即在同源化合物系列物 理化学参数中选取主要参数与药物的生物活性之间的相关方程“1 。 传统的药物设计方法是改造具有生物活性的先导化合物( 1 e a dc o m p o u n d ) 的结构，采取“泛泛合成，随机筛选”的方法。且不论药物化学家在进行合成时 所耗费的人力物力，仅从药理筛选工作而言工作量已是非常惊人。将量子化学计 算、q s a r 研究与药理学结合起来以后，在合成新药前先依据量子化学计算及 q s a r 研究所获得信息，有目的有方向地改变影响活性的主要结构，即所谓“药 物设计( d r u gd e s i g n ) ”，按设计后药物分子的结构再进行进一步量子化学计算， 可预测其可能活性，然后进行取舍，这将会大大减少合成和筛选的化合物数目， 对寻找高活性药物的研究有着不可估量的价值。 青蒿素分子含有4 2 个原子，其中包括五个氧原子，其结构特殊，是含有过 氧基的新型倍半萜内酯，其衍生物分子更是结构复杂，其结构的非平面及低对称 引言 性决定了量子化学计算研究工作量巨大，对其进行q s a r 研究存在较大的困难， 这是一直以来未能对其进行深入的量子化学研究的主要原因。 进入2 l 世纪，随着科技的发展，计算机性能的突飞猛进和广泛普及，量子 化学计算技术及能力迅速提升，为青蒿素及其衍生物的量子化学计算与q s a r 研究提供了可能。本文应用分子力学和量子化学方法，试图从微观电子结构着手， 寻找青蒿素类化合物结构与其抗疟活性间定量构效关系，为以后药物的结构改造 和合成高效、低毒的新药提供理论的依据和参考。 青蒿素类抗疟药物定量构效关系研究 第一章青蒿素及其衍生物研究现状 1 1 青蒿素简介 青蒿素( a r t e m i s i n i n ) 是继氯喹、乙氨嘧啶、伯喹和磺胺之后最热门的抗疟 特效药，尤其对脑型疟疾和抗氯喹疟疾具有速效和低毒的特点，己成为世界卫生 组织推荐的药t 6 1 。近年来发现，青蒿素衍生物不仅具有抗疟活性，还具有抗其 他寄生虫病、抗癌等多种生理活性【7 】o 青蒿入药，最早见之于马王堆三号汉墓出土的帛书五十二病方( 公元前 1 6 8 年左右) ，其后在神农本草经，大观本草及本草纲目等均有收录。 从历代本草及方书医籍的记载，青蒿入药治疗疟疾是经过长期的临床实践经验所 肯定的。1 9 7 1 年以来，中医研究院青蒿素研究小组通过整理有关防治疾病的古代 文献和民间单验方，结合实践经验，发现中药青蒿的乙醚提取物中性部分具有显 著的抗疟作用。在此基础上，于1 9 7 2 年从青蒿中分离出活性物质青蒿素， 并于1 9 7 6 年通过化学反应、光谱数据和x 射线单晶衍射方法证明其为一种含有过 氧基的新型倍半萜内酯，分子式为c 1 5 h 2 2 0 5 ，其分子结构如图1 1 所示m j ，其绝 对构象由刘静明等通过旋光色散和氧原子的反常散射测定【9 】。青蒿素为无色针状 结晶，可溶于氯仿、乙酸乙酯、石油醚、乙醇等有机溶剂，但几乎不溶于水，熔 点为1 5 6 1 5 t c ， 口】：+ 6 8 。，高分辨质谱m e 2 8 2 1 4 7 2 ( m + ) 。 图1 1 青蒿素分子结构 药用青蒿素是从中药青蒿即菊科植物黄花蒿的叶和花蕾叫r l e m i m aa n n u a 三1 中分离获得的。青蒿的采购、收获，直至工厂加工提取，环节较多，费时费力成 本较高，且不同采集地和不同采集期青蒿品质有很大的差别，致使其在贫困地区 广泛使用受到一定限制。自从1 9 9 7 年世界卫生组织( w n 在马尼拉会议上制订 了青蒿琥酯的标准剂量疗程【l 叫( s t a n d a r dt r e a t m e n tr e g i m e n sf o ri nv i v ot e s t s ) 、1 9 9 9 年w h o 将青蒿琥酯和蒿甲醚列入国际药则“1 ( e s s e n t i a lm e d i c i n e sl i s t ) 之后，在 世界范围内再次引起了人们浓厚的兴趣。国内外已有千余篇论文报道该类化合物 第一章苛蒿素及其衍生物研究现状 的化学、药学、药理和i 临床的研究结果。 8 0 年代，在青蒿素结构的测定基础上，许杏祥等1 1 副在1 9 8 3 年完成了从青 蒿酸到青蒿素的半合成，总反应经8 步完成。青蒿素的全合成也在1 9 8 3 年完成， s c h m i l 等【1 3 】首先报道了一条全合成路线，反应以( 一) 异薄勒醇为原料，反应经 1 3 步完成，总产率为2 1 。同年，许杏样从香草醛起步，先合成青蒿酸，后通 过半合成制得青蒿素，反应步骤为2 0 步，产率为o 2 5 。到1 9 9 2 年，a v e r t y 等 1 1 4 又以薄勒醇为原料设计出一条合成路线，步骤为1 0 步，产率为3 6 ，中间 体与前两种反应相似，较之前两者的优点是产物为单一的立体异构体。全合成反 应在产量上大大高于人工栽培，但全合成技术难度大，而且其产率己很难提高。 相对来说，半合成工艺在大批量生产上很有潜力。 药物化学工作者对青蒿素侧链及母环进行了大量修饰性合成，然而这种合成 带有一定的盲目性，目前实际用于临床的最重要衍生物只有二氢青蒿褰、蒿甲醚、 蒿乙醚及青蒿琥酯，而一些结构简化的青蒿素类似物有的也具有较高体外活性， 但是其高毒性阻止了它们成为药物的可能。今后要进一步有目的性的设计合成具 有较好水溶性及高的生物利用度的青蒿素类似物或衍生物，需要我们进一步研究 其作用机理及构效关系。深入的量子化学理论研究及定量构效关系( q u a n t i t a t i v e s t r u c t u r e - a c t i v i t yr e l a t i o n s h i p ，q s a r ) 研究对新的高活性类似物合成具有重大 指导意义。 1 2 青蒿素衍生物及类似物 1 2 1 青蒿素衍生物 青蒿素由于存在近期复燃性高，在水中的溶解度低，难以制成合适的剂型等 不足，对其结构进行改造、寻找合适的青蒿索衍生物工作成为当今研究的热点。 目前，已发现不少抗疟活性更高的衍生物。 1 2 1 1 醚类青蒿素衍生物 李英旧报道，由二氢青蒿素2 合成了蒿甲醚( 3 a ) 和蒿乙醚( 3 b ) ，它们对疟原 虫无性体有较强的杀灭作用，对抗氯喹株恶性疟有同样效果，其活性高于青蒿素， 现已应用于临床。 青蒿素类抗疟药物定量构效关系研究 图1 。2 青蒿素衍生物 1 。2 1 2 羧酸酯、碳酸酯类青蒿素衍生物 李英等在制得化合物3 的同时，用吡啶作催化荆，二氢青蒿素2 与酸酐 或酰氯作用，合成了羧酸酯( 4 a ) 类和碳酸酯( 5 ) 类衍生物。1 9 8 2 年，李英等”1 报 道，以二氢青蒿素出发制各了一系列羧酸酯类和碳酸酯类衍生物4 b 4 f 。经在 鼠疟抗氯喹疟原虫株上筛选发现，不少化合物的抗疟活性比青蒿索高多倍。 1 。2 1 3 芳胺类青篙素衍生物 1 9 9 0 年l i n 等”1 由脱水二氢青蒿素6 经溴加成，最后与相应芳胺缩合，合成 了+ 系列芳胺类青蒿素衍生物7 a 7 f 。由抗恶性疟原虫活性试验发现该类化合 物有很高的抗疟活性，尤其是化台物7 b ，氟取代的苯基衍生物活性最高，但抗 鼠疟活眭并不高。 6 图1 3 芳胺类青蒿素衍生物 = 碧：书n m 。电一”呷) 一= 一一 。r 第一章青蒿素及其衍生物研究现状 1 。2 ，1 40 - 1 6 取代青蒿素衍生物 1 9 9 7 年，p a i t a g a t a t 等报道，以青蒿素为原料，合成了一系列c 1 6 取代青 蒿素衍生物，它们均有很好的抗疟活性。 1 2 2 青蒿素类似物 图1 4 c 一1 6 取代青蒿素类似物 1 2 。2 1 脱桥氧青蒿素类似物 1 9 8 9 年，b i n y e 等” 以a r t e n n u i ca c i d 为原料，合成了青蒿素类似物8 。1 9 9 0 年，m a n k i lj u n g 等1 2 0 合成了1 位脱氧的青蒿素类似物9 。经抗疟活性试验，发现 它们均无抗疟活性。实验表明破坏了过氧桥结构，化台物也就失去了抗疟生理活 性。由此可知过氧桥结构是青蒿素很重要的抗疟活性基团。 1 2 2 2 脱甲基青蒿素类似物 脱桥氧青蒿素类似物 1 9 8 9 年a v e 等 2 h 以四氢吡咯环己烯为原料，合成了6 ，9 - 脱甲基青蒿素类 似物，经抗恶性疟原虫活性试验，发现其具有显著的抗疟活性。认为6 ，9 位甲 基不是青蒿素抗疟所必需的活性基团。 1 2 2 3 脱羰基氧青蒿素类似物 青蒿素类抗疟药物定量构效关系研究 1 9 9 0 年j u n g 等口明年1 b i n y e 2 2 等分别成功地合成了1 0 一脱羰基氧青蒿素类似 物1 0 ( 文献中脱桥氧青蒿素与1 0 - 脱羰基氧青蒿素均有称作脱氧青蒿素 d e o x o a r t e m i s i n i n ，本文其后提到脱氧青蒿素均指l o 一脱羰基氧青蒿素) 。经体外 抗恶性疟原虫活性试验，发现1 0 - 脱羰青蒿素类似物抗疟活性较青蒿素高。 h 1 0 图1 6 脱羰基氧青蒿素类似物 1 2 。2 。4 甾类青蒿素类似物 图1 7 甾类青蒿索类似物 1 9 9 3 年r o n gy a j i n g 等2 3 1 将胆固醇结构引入青蒿素分子结构中，合成了甾 类青蓠素类似物，初步抗鼠疟活性试验，发现其抗疟活性比青蒿素高。 1 2 2 5 1 1 一氮杂青蒿素类似物 图1 81l 一氮杂青蒿素类似物 1 9 9 5 年t o r o k 等将青蒿素分子内酯结构转变为对酸性环境更稳定的内酰 胺结构，合成了一系列l l 一氮杂青蒿素类似物。经体外抗恶性疟原虫活性试验， 发现它们的抗疟活性比青蒿素高。 第一章青蒿素及其衍生物研究现状 1 2 2 6 无0 环青蒿素类似物 2 0 0 0 年，易天等【2 5 l 报道，以天然( 一) 一香芹酮为原料，设计、合成了无c 环 青蒿素类似物，但产率较低，产物无抗疟活性。 图1 9 无c 环青蒿素类似物 1 2 2 7 无d 环青蒿素类似物 1 9 9 1 年，g a r yh ，p o s n e r 等1 2 q 报道，合成了几个无d 环青蒿素类似物，它们 与奎宁类药物抗疟模式完全不同，与青蒿素有着相似的抗疟活性。认为d 环不是 抗疟活性必需基团。 图1 1 0 无d 环青蒿素类似物 1 2 2 8 含有过氧基的环状类似物 2 0 0 1 年h y e s o o kk j m 等报道，合成了系列含有过氧基的l ，2 ，4 ，5 四氧 环烷，它们的活性与环的大小相关，但是其活性均小于青蒿素。c w j e f r o r d 等也报道了一些其它化合物，如r 0 4 2 1 6 1 1 ( a r t e f l e n e ) 和b 0 7 有较好的对抗疟 活性和安全系数。 ，2 , 4 ，5 一四氧环烷b 0 7 图i ，儿含有过氧基的环状类似物 彩 。印； 青蒿素类抗疟药物定量构效关系研究 1 3青蒿素类药物抗疟作用机制 1 3 1铁介导的自由基生成及烷化蛋白质作用 业已证明，铁( 包括游离铁和血红素结合铁) 能催化过氧化氢和有机过氧化物 的分解，产生自由基活性代谢物，损伤机体细胞膜结构和烷化生物大分子。青蒿 素类药物为过氧化物，且过氧桥结构为其药理活性所必须。近年来，先后采用问 接和直接的实验方法逐步证明，青蒿素类药物的抗疟作用与铁介导的药物分子内 过氧桥裂解产生的自由基有关。 早期的实验观察结果表明，青蒿素具有选择性的杀灭红内期疟原虫作用，且 虫体发育愈成熟，即疟色素( 正铁血红素) 含量愈高，对青蒿素愈敏感2 ”。疟色 素含量不足的伯氏疟原虫氯喹抗性株对青蒿素不敏感，而富含疟色素的恶性疟原 虫氯喹抗性株和伯氏疟原虫对青蒿素均较为敏感p “。上述实验结果提示青蒿素类 药物的抗疟作用具有铁依赖性。 体外实验结果表明，青蒿素类药物的抗疟活性与红细胞的氧张力呈正相关关 系【3 1 】。疟原虫的过氧化物酶和过氧化氢酶受咪康唑抑制后，青蒿琥酯的疗效明显 提高。阿霉素、维生素b 2 及甲萘醌等自由基引发剂与青蒿琥酯具有协同抗疟作 用，而自由基清除剂过氧化氢酶、生育酚、抗坏血酸、谷胱甘肽及二硫苏糖醇等 则能降低青蒿素的抗疟作用p 。体内实验结果证实，抗氧化剂对青蒿素抗疟 具有拮抗作用【3 ”。上述实验结果提示，氧自由基等参与了青蒿素类药物的抗疟作 用。 同位素示踪法观察表明，体外恶性疟原虫经碳标记的青蒿素或二氢青蒿素作 用后，放射性物质选择性浓缩于食物泡内，与疟色素呈结合态【35 ，3 6 】。加合物亦分 别经蛋白电泳、光谱、质谱、高效液相和薄层层析等方法证实。应用循环伏安电 化学方法进一步证明，青蒿素或二氢青蒿素与氯化血红素结合后，还原电位有明 显的变化，提示它们发生了不可逆裂解p “。此后，不同的实验室应用电子顺磁共 振或电子自旋共振技术，从氯化血红素或游离铁与青高素或其衍生物蒿甲醚、蒿 乙醚的反应液中，检测到氧自由基和碳自由基的存在 3 8 - 4 0 。这两种自由基是不 稳定的，生成后瞬间经重排迅即转化成其它具有生物活性的中间产物f 4 ”。 1 3 2 铁介导的青蒿素类药物过氧桥裂解机制 a n n er o b e r t 等综合报道青蒿素类抗疟药物的一些抗疟机理。p o s n e r 等 4 3 】和 第一章青蒿索及其衍生物研究现状 h a y n e s 等报道了铁介导的青蒿素类药物过氧桥裂解机制。 嚣 一1 二 1 3 1 92 0 图1 1 2p o s n e r 等报道的有关铁介导的青蒿素类药物过氧桥裂解机制 。乇。 1 讹七h o x y c y c l o p e n 七8 n _ ：一y 上o x y l一】 5 一r a d i c a lo fm e t h y l p e n t a n o a t e h e a t so ff o r m a t i o n ：一5 9 k c a l m o l _ 上h e a t so ff ：r 舶t 1 ：一7 7k c a l 。二l 一1 图i 1 30 中心自由基向c 中心自由基异构化 如图i 1 2 所示，p o s n e r 等认为青蒿素经铁介导可按路线1 ，2 断开过氧键， 在青蒿素1 号或2 号氧原子上形成r o 自由基。由2 号氧原子形成r o ( 2 ) 自由 基1 1 按路线i 形成后，3 ，4 号位碳原子问c c 键的均裂重整，产生无空间位 阻的c ( 4 ) 中心的自由基1 2 。由于缺少转变为烷基化物的底物，这个自由基在f e o l 处发生环收缩，释放出亚铁盐，反应生成化合物1 3 。这个反应假设邻近的c c 键 也发生断裂，导致0 中心自由基与c 中心自由基问可以迅速地异构化。这种假设 己被j e f f o r d 用含过氧键化合物b 0 7 ( 图1 1 1 ) 作为例子加以证明【4 5 。形成酯是中 间体自由基化合物1 2 重排的推动力，通过计算化合物1 4 和1 5 的生成热，比较 说明o 中心自由基转变为c 中心自由基是一个自发过程f 2 8 】( 图1 。1 1 ) 。 o 9 ，一般认为回 青蒿素类抗疟药物定量构效关系研究 归效果显著。 对回归方程的显著性检验，就要看白变量孙x 2 ，南从整体上r 痧是否有 明显影响。由此建立多元线性回归方程显著性检验的臌计量。 f 2 揣f ( p ，胛一p 一1 ) ( 2 t 3 5 ) 对于给定的数据( 靖1 ，x 1 2 ，x i p ，且) ，i = l ，2 ， ，依照( 2 3 8 ) 式得 到f 的值，再由给定的显著性水平位，查，分布表，得临界值r p ， ，p ) 。当p r ， 即认为在显著性水平c c 下，y 对礼。x 2 ，而有显著的线性关系；反之，认为回 归方程不显著。 ( 2 3 8 ) 式是对整个回归方程的显著性检验，在多元线性回归中，还须对每 个自变量进行t 显著性检验。可采用下式 t = 蒜叫唧卅 ( 2 3 6 ) ( o ，是正规方程系数矩阵的逆矩阵( 工z ) 。主对角线上第价元素) 来检验卢，是否为零，a p x i 对y 的影响是否显著。对于给定的数据( 蔚l ，托， x i p ，y i ) i = 1 ，2 ，h ，依照( 2 3 7 ) 式得到，的值，再由给定的显著性水平a ， 查f 分布表，得临界值f 。( n - p - 1 ) 。当 站，认为在显著性水平q 下，对y 的影响显 著；反之，认为蔚对 的影响不显著。 d ) 逐步回归 通过f 检验，认识到多元回归方程中不是所有自变量都对因变量有显著影响。 设萝= 反+ 届x ，+ 岛x ：+ + p p x 。是所求的多元线性回归方程，如果从这p 个自变量中剔除x ，则回归平方和将减少为u = s 总- q 7 由于为一定数，u u = s 总- q - s 总+ q ，= q 一q 记_ = q 一q ，k 就是端在这p 个自变量的回归方程中的贡献，称k 为自变量 归) ：业 c p x 的偏回归平方和。可证巧= 序知其中“是正规方程系数矩阵的逆矩阵 ( x x ) 。主对角线上第i 个元素。+ 般用下面记号表示- , x i 的偏回归平方和 如果要在回归方程中剔除不显著的变量，则首先应从已引入变量中剔除对因 第= 章理论部分 变量贡献最小的。不妨设为第j 个变量，即 巾= m i n v f ”) 集合 k ，) 中的元素是已被引入回归方程的自变量相应的偏回归平方和，i 是已引入变量的序号。对v ，( p 作显著性检验： r 1 ( p ) 1 气地一川) 匆 妲。3 7 如果气e ，则应从回归方程中剔出自变量；反之，则应将峥继续保留在 回归方程中。 在引进某个自变量时与上述方法类似。设为未引入回归方程的变量，现设 ( 川) 一( 庳川) 2 1 。 一” 它将作为第升1 个变量进入回归方程，则有 在回归计算的某一步需要引入的变量应该是所有还未进入回归方程的变量 中最显著的一个，不妨设其序号为k ，即碟川= m a x v , 川 集合 一印“) 中的元素是所有还未被引入回归方程的变量的相应的偏回归平 方和，i 是未引入变量的序号。对应的f 检验值为： 矿( ，+ 1 ) 吒2 i n 一( j p + 1 ) - l 】羔而 ( 2 3 8 ) z 如果f 进 巴，则将该变量引入回归方程，否则不予引入。 逐步回归的基本思想就是“有进有出”地选择变量。具体做法是将变量一个 一个引入，引入变量的条件是其偏回归平方和经检验是显著的，每引入一个新的 变量后，对已选入的变量要逐个检验，当原引入的变量由于后面变量的引入而变 得不再显著时，就将其剔除。引入一个变量或从回归方程中剔除一个变量，为逐 步回归的一步，每一步都要进行f 检验，以确保每次引入新的变量之前回归方程 中只包含显著的变量。这个过程反复进行，直到既无显著的自变量选入回归方程， 也无不显著的自变量从回归方程中剔除为止。这样就保证了最后所得的回归子集 是“最优”回归子集。 青蒿素类抗疟药物定量构效关系研究 第三章几何构型优化方法的选择 3 1计算使用软件和硬件 药物分子的构型优化以及量子化学指数的计算采用的软件为g a u s s i a n 9 8 w 、 g a u s s v i e w 2 1 、c h e m o f f i c e 2 0 0 2 、h y p e r c h e m 7 0 以及m o p a c 2 0 0 0 等软件。 建模的软件则采用e x c e l 2 0 0 0 、o r i g i n 6 1 、s p s s l 0 0 。 计算主要使用的计算机配置为奔腾5 5 0 ，5 1 2 m 内存：部分该配置下无法 计算的分子使用配置为奔腾i v1 9 g ，5 1 2 md d r 内存，操作系统为 w i n d o w s 2 0 0 0 。 3 2 青蒿素的几何优化 青蒿素及其类似物抗疟作用机制还不清楚，构效关系的研究也还主要停留在 定性阶段。要深入研究青蒿素类药物与受体的微观作用机制，定量研究化合物电 子结构与其活性间的关系，得到准确的化合物电子结构模型是这些研究的基础。 青蒿索衍生物或类似物分子较大，结构复杂，合成困难，通常缺乏其晶体结构数 据，因此他们的分子构型必须选用恰当的量子化学方法进行几何优化，依靠理论 预测得到。使用不同的优化方法，得到的分子最优构型多少有些不同，因此选择 合适的优化方法和基组是很重要的。本文选用具有晶体结构实测数据的青蒿素分 子，采用多种不同方法和基组优化得到分子的几何构型，通过比较不同方法优化 得到的优势构型与晶体结构问的差别来直接评价各种方法对该化台物构型优化 情况。再综合考虑所需计算精度与所需时间，选择合适的优化方法。 图3 1 青蒿素的结构 采g a u s s i a n9 8 w 软件的分子力学u f f 法【”，”】，半经验p m 3 量子化学方法 【8 3 8 ”，以及在不同基组水平上的五种从头算方法 6 5 ” h f s t o 3 g 、h f 3 2 1 g 、 h f 6 3 1 g 、h f 6 - 3 1 g + 和h f 6 - 3 1 g ”分别对青蒿素分子进行几何优化，得到7 种 优势构型，与晟新报道的青蒿素晶体结构进行比较，统计分析各种构型的误 第三章几何构型优化方法的选抒 差情况。其中每个构型的几何数据包括4 5 个键长、9 1 个键角和1 5 0 个扭转角； 除去与h 原子相关几何数据则包括2 3 个键长、3 8 个键角和5 7 个扭转角。 统计分析结果中的相关系数的平方( s q u a r co f c o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t s ，r 2 ) ，标准偏 差( s t a n d a r dd e v i a t i o n 。s d ) 和均方根误差( r o o tm e a ns q u a r ee r r o r , r m s ) 能很 好反映各种优势构型与晶体结构的符合程度。将之列入表3 。l ，并同时列入优化 所需c p u 时间。 表3 1 不同优势构型与晶体结构参数统计参数表 对表3 1 进行分析，h f 6 3 1 g 和h f 3 - 2 l g 的键长与晶体实测键长的相关系 数的平方均最高，达到o 9 9 4 9 ，且其标准偏差和均方根偏差也是最小的，h f 3 2 1 g 的键长与晶体实测键长的均方根偏差较甚至更小。表明h f 3 2 1 g 的键长和 h f 6 - 3 1 g 的键长与晶体实测键长符合程度最高。h f 3 2 1 g 的键角与晶体实测键 角的相关系数的平方也最高，达到o 9 0 1 2 ，标准偏差和均方根偏差最小，表明 h f 3 - 2 i g 计算的键角与晶体实测键角符合程度最高。在二面角方面，h f 6 3 1 g 方法优化所得构型的二面角最接近晶体结构的二面角，h f 6 3 1 g 、h f 6 3 1 g * 、 h f 6 3 l g ”和h f 3 2 i g 计算结果相近，h f 3 2 1 g 方法优化所得构型的二而角与 晶体结构二面角符合程度仅略低于h f 6 3 1 g 。而不同方法优化的构型优劣统计 分析结果中，键长的统计意义较大【6 “，综合考虑键长、键角和二面角，h f 6 3 1 g n h f 3 2 1 g 方法优化构型与晶体结构符合程度均最高，但从时间效率来考虑， 使用h f 6 - 3 1 g 方法优化所需时间是使用h f 3 2 1 g 方法优化所需时间的两倍。从 时间上考虑，如果进行定量构效关系研究，使用从头算3 - 2 1 g 基组，估计仅对数 十个较青蒿素分子大的青蒿素衍生物或类似物的优化耗时就达到两个月，进行频 率计算等则较优化耗时更多，整体半年的计算时问是较为合理的：从精度上考虑 从头算使用3 - 2 1 g 或6 - 3 1 g 基组各有优劣，相差不大。 分子力学方法u f f 和半经验p m 3 量子化学方法的优化结果，与从头算方法 青蒿素类抗疟药物定量构效关系研究 优化结果还是比较接近的，但优化时间短得多，因此对于无晶体结构青蒿素类似 物，分子初步构型可由分子力学方法确定。 另外注意到，使用极化基组优化青蒿素，所得构型与晶体结构的符合程度并 没有提高，可能与青蒿素分子内并无第三周期元素有关。 3 3 脱氧青蒿素的核磁共振谱及其分子几何构型的研究 对于采用不同方法优化后的构型与实际构型的符合程度的评判，如果没有晶 体结构，一般是对不同构型的总能量、轨道能、电荷密度等量子化学指数进行比 较，但这些量子化学指数一般不能与实验结果进行直接比较。 核磁共振谱1 h - n m r 和”c n m r 是反映化合物的结构的最常见谱图，而其中 的氢谱更能反映h 原子所处的化学环境，即反映分子的空间构型。本文尝试对有 详细核磁共振谱图的脱氧青蒿素分子进行理论计算；通过计算值与实验值的直接 比较，判断用不同方法得到的构型何种更优。由于计算结果为n m r 化学位移， 可以与实验的n m r 结果进行直接比较，因此结果可信度较高，成为对青蒿素类 似物分子构型几何优化方法的选择有力依据之一。 s t e v e n s 等”1 最先使用自恰场波函数s c f 计算屏蔽常数。核磁屏蔽张量可用下 式计算【“，使量子化学计算化学位移成为可能： 。：旦 ( 3 6 ) ”a , , , o a a p 这里。和毋分别是外加磁场和诱导磁场的部分。屏蔽常数其实是二阶的，屏蔽常 数由九个独立部分组成。大多数情况下，分子不是单个存在的，所以平均后是各 向同性的。实验值为主要张量的平均值唧j 。 1 ， 、 j 。= 言【吒+ j 。十盯。 ( 3 7 ) 相同原子核，由于所处化学环境不同，产生的共振吸收峰也就不同。这种不 同也就产生了化学位移。通常可以表示为： a 2 气孑x 1 0 6 = 卺嚣川2 ( 一一) 枷6 。8 实验得到的化学位移值是与标准化合物( 参考物) 的相对值，标准化合物通常是 四甲基硅烷( t m s ) 。 第三章几何构型优化方法的选扦 国3 2 脱氧青蔫素的结构与立体构型 3 3 1 计算方法 脱氧青蒿素分子几何构型使用分子动力学方法u f f 、半经验p m 3 量子化学方 法和四种从头算方法h f s t o 一3 g 、h f 3 - 2 1 g 、h f 6 3 1 g 及h f 6 - 3 l g + 进行一系列 优化计算，得到六种优势构型。核磁共振化学位移61 h - n m r 并r l6b c - n m r 的计 算则使用两种最常见的规范方法g i a o ( g a u g e i n d e p e n d a n t a t o m i co r b i t a l ) 【9 0 ，9 l 】 和c s g t ( i n d i v i d u a lg a u g ef o rl o c a l i z e do r b i t a l ) 9 2 , 9 3 1 进行计算。通过比较计 算值与实验值【舛】问的标准偏差( s d ) 、相关系数( r ) 和f 检验值等，判断各优势 构型与真实构型的符合程度，从而选择使用何种方法对其它青蒿素衍生物构型进 行优化。 使用o i a o 和c s g t 方法基于从头算得到的四种优势构型，使用构型优化时相 同的基组和6 311 + g ( 2 d ，p ) 基组分别计算核磁共振化学位移。并使用g i a o 方法基 于u f f 和p m 3 方法优化得到的构型，在6 3 1 l + g ( 2 d ，p ) 基组水平上计算化学位移。 所有化学位移计算值均以与之对应完全相同方法计算出的t m s 为参考物；所涉及 的量子化学计算均使用g a u s s i a n 9 8 w 软件。 3 3 2 结果与讨论 表3 2 、3 3 分别列出了不同方法计算的脱氧青蒿素核磁共振化学位移 61 h - n m r 、6 ”c - n m r 计算值及相应实验值。不同的数据组使用上、下标进行 标示，下标1 6 分别用来区分构型优化方法h f s t o 3 g 、h f 3 2 1 g 、h f 6 3 1 g 、 h f 6 3 1 g + 、u f f 和p m 3 ，0 则表示该值为实验值：下标g 和c 则用来区分计 算化学位移时使用的规范方法g i a o 和c s g t ；上标“”则用来表示化学位移 计算时所使用的基组为6 - 3 1 l + g ( 2 d ，p ) ，与优化方法时所用基组不同。 表3 4 为不同方法得到的计算值与实验值间的误差统计和相关系数表，标准 偏差( s t a n d a r dd e v i a t i o n ) 、均方根误差( r m se r r o r ) 和最大误差( m a x i m u me r r o r