张莉，刘洁，吴倩，贺攀华，朱华玲，黄治强



含甘二肽甲酯结构的β-二酮衍生物的合成、除草抑菌活性及构效关系

张莉，刘洁，吴倩，贺攀华，朱华玲通信作者，黄治强

（天津农学院基础科学学院，天津300384）

合成了两个新的含甘二肽甲酯结构的β-二酮衍生物，采用IR，UV，1H NMR以及元素分析方法对合成的化合物进行了结构表征。采用平皿法测定了化合物的除草活性，结果表明：含噻吩环和氟原子的化合物B2在浓度为100 μg/mL时，对狗尾草的抑制率基本达到100%，甚至好于对照草甘膦；采用单片纸碟法测定了化合物的抑菌活性，结果表明含噻吩环和氟原子的化合物B2具有较好的抑菌活性。

β-二酮；甘二肽甲酯；合成表征；生物活性；量化计算

功能化的β-二酮衍生物在临床上具有重要的应用，被广泛用作抗菌剂[1-3]，抗病毒剂[4]，杀虫剂[5]，抗氧化剂[6]，潜在的预防性抗肿瘤药物[7]，抗遮光剂[8]和抗HIV-1[9]试剂等。甘二肽在体内具有转运能低，转运速度快，载体不易饱和，能以肽的形式被完全吸收等特点，常被用作动物饲料添加剂。甘二肽衍生物具有助长[10]、抗癌[11]、抗菌[12]、抗氧化和免疫调节[13-14]等生物功能，目前已被广泛应用于医药、化妆品、保健品、香料、动物饲料添加剂[15]中。利用活性基团叠加原理将甘二肽与β-二酮结合对功能化β-二酮的开发和利用必将起到积极的推动作用。化学结构修饰是目前减少药物毒副作用的重要途径之一，阿昔洛韦二肽酯前药的合成就是很典型的例子[16-18]。本研究综合上述设想合成了甘二肽甲酯修饰的β-二酮衍生物，并测试其抗菌和除草活性，以期为功能化β-二酮化合物的开发提供参考。

1 材料与方法

1. 1 试剂和仪器

甘二肽甲酯采用文献[19-20]中的方法合成。 其他化学试剂均为分析纯。 Carlo-Erba 1106 元素分析仪，Perkin–Elmer FTIR 傅里叶变换红外光谱仪（KBr 压片法），WRS-1B 熔点测定仪（未校正），UV-250IPC紫外分光光度计，Bruker Avance 400核磁共振仪（1H NMR-DMF-d7，TMS 为内参比）。

1.2 标题化合物的合成与表征

标题化合物的合成路线和结构如图1所示。

图1 标题化合物的合成路线和结构示意图

合成步骤：搅拌条件下，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，冷却到室温，自然蒸发溶剂。5 d后析出固体，用乙醇重结晶。

化合物B1， 白色固体， 熔点：150～152 ℃, 元素分析，按 C10H16N2O4计算，C：52.63；H：7.02；N：12.28%。实测，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，无色固体，熔点：61～62 ℃，元素分析，按C13H13N2O4F3S计算，C：44.57；H：3.71；N：8.00；S：9.14；F：16.29%。实测，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

采用单片纸碟法，在37 ℃下测定化合物对大肠杆菌和枯草芽孢杆菌的抑菌活性。测试浓度为5.00，2.50，1.25 mg/mL 3个浓度，以二甲基甲酰胺（DMF）做空白对照，以商品诺氟沙星作为药品对照，通过测定抑菌圈的大小来反映化合物的抑菌能力的高低。

1.4 除草活性

采用平皿法测定化合物的除草活性[21-23]，被试植物为小麦，油菜和狗尾草，通过测定化合物溶液对芽长与根长的抑制率来反映除草活性的好坏。具体步骤：分别称取待测化合物0.01 g，用适量DMF溶解，用水稀释，配成浓度为100、50、25 μg/mL的溶液。各取3个浓度的药液2 mL，加至垫有2张均匀滤纸的9 cm培养皿中，在每个培养皿中加入颗粒均匀、刚露白的小麦、油菜和狗尾草种子各10粒，盖上培养皿，在（27±1）℃，湿度（55±5）%下培养72 h，培养结束后，测定根长和芽长，并以相同浓度的N，N-二甲基甲酰胺的水溶液做空白对照，以商品除草剂草甘膦作为对照药剂，最后计算平均值，按公式（1）计算抑制率。

抑制率＝[(空白对照处理-药剂处理)/空白对照处理]×100% （1）

1.5 化合物构效关系的量子化学研究

为了解化合物的结构与活性之间的关系，运用Gamess量子化学研究软件[24]在RHF/6-311G（d）基组水平上对合成化合物进行结构优化和单点能计算，分析化合物的前沿轨道、电荷分布和各原子轨道对前沿轨道的贡献等结构参数与化合物的抑菌、除草活性之间的关系。所有图形由程序Macmolplt 7.4.2[25]完成。

2 结果与分析

2.1 光谱表征

化合物B1、B2的红外光谱中，3 290～3 296 cm-1波数的弱吸收峰归属于N—H的伸缩振动，N—H的弯曲振动峰落在1 513～1 568 cm-1波数处，1 610～1 620 cm-1处的吸收属于b-二酮C＝O的伸缩振动，在3 400～3 600 cm-1波数内没有—OH的吸收峰，所有这些都表明化合物B1、B2以烯胺酮式结构存在。亚胺羰基的伸缩振动峰落在1 745～1 755 cm-1，酯羰基的伸缩振动峰落在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的吸收峰分别属于C—O—C的对称和不对称伸缩振动。

在化合物B1、B2的紫外光谱图中，232.5～246.5，250.5～269.5和 279.5～285.0 nm 处的吸收峰分别属于共轭体系的芳环，π…π和 n…π跃迁，这表明合成的化合物分子中有较大的共轭体系存在。

在化合物的核磁共振谱中，9.66～9.70的单峰归属于亚胺N—H，8.03～8.20的单峰归属于新形成的N—H，在12.4～12.8处没有—OH 的吸收峰，所有这些都表明化合物B1、B2以烯胺酮式结构存在，这与红外分析的结论一致。7.2～8.8处多峰属于噻吩环的C—H吸收，3.32～4.12 处的峰属于分子中2个—CH2的吸收，3.44～3.12和1.35～2.15 的吸收峰属于—CH3的吸收。

2.2 抑菌活性

化合物对大肠杆菌和枯草芽孢杆菌的平均抑菌环直径见表1。由表1可知，含噻吩基和氟原子的化合物B2对大肠杆菌和枯草芽孢杆菌具有更好的抑制活性，抑菌活性与诺氟沙星相当，并且在某一浓度时抑菌效果最好。至于化合物B1，除噻吩基和氟原子外，其余部分与化合物B2相同，但B1却几乎没有抑菌效果，这表明噻吩基和氟原子的存在对提高化合物的抑菌效果很有帮助。

表1 化合物的平均抑菌环直径

2.3 除草活性

化合物对小麦、油菜和狗尾草的抑制率列于表2。由表2可知, 化合物B1、B2 在测试浓度下对小麦、油菜和狗尾草都具有一定的抑制活性，对狗尾草的抑制率最高，甚至高于对照物草甘膦，其次是小麦，最差的是油菜。化合物B2对小麦和狗尾草的抑制率明显高于化合物B1，对油菜的抑制率差不多。这可能与化合物B2分子中含有噻吩环和氟原子有关。

表2 化合物对小麦和油菜的抑制率和偏差 %

化合物B1、B2对狗尾草的茎和根都有明显的抑制效果，抑制率随着浓度的增加而升高。化合物B2在浓度为100 μg/mL时，对狗尾草的茎和根的抑制率几乎达到100%，表明这类化合物有望被进一步开发成为高活性除草剂。

2.4 构效关系的量子化学研究

根据分子轨道理论，前线分子轨道（最高占据轨道HOMO和最低空轨道LUMO）及其附近的分子轨道对分子的生物活性影响最大。分子的前线轨道能如最高占有轨道能E（HOMO）或最低空轨道能E（LUMO）与生物活性反应中分子的电子电离势或亲合力相关，活性分子与受体生物大分子的相互作用主要发生在两者的前沿分子轨道附近[26-27]。化合物B1和B2的前沿轨道占有情况和前线轨道能分布如图2所示。

图2 化合物B1（左）和B2（右）的前沿轨道能量

对以供电子为主的化合物来讲，最高占有轨道和最低空轨道之间的能级差越小，电子跃迁越容易进行，生物活性应该越好[28-29]。从图2可知，化合物B1的前沿轨道能量差（ELUMO-EHOMO）为13.24 eV，而化合物B2的前沿轨道能量差（ELUMO- EHOMO）为12.27 eV，这表明化合物B2最外层电子由最高占有轨道向最低空轨道的跃迁相对更容易些，其作为药物时更容易提供电子与生物体内含金属离子的生命活动中心发生作用从而影响生物正常的生命活性。

化合物B1、B2中各主要原子对分子轨道的贡献百分比如表3所示。由表3可知，化合物B1的HOMO，LUMO主要集中在通过分子内氢键N24—H18…O28作用形成的六元环的C4，N24，C9，C6，C10以及O28等原子。而化合物B2的HOMO，LUMO则主要集中在通过分子内氢键N20—H15…O24作用形成的六元环的C3，N20，C5等原子以及噻吩环的C26，C27，S28以及C31等原子，这表明化合物B2的噻吩环是主要的提供和接受电子部位，是对其生物活性的影响作用较大的基团之一。

表3 化合物B1，B2 中各主要原子对前线轨道的贡献百分比 %

计算时化合物B1和B2的原子编号如图3所示，对应原子的电荷如表4所示。由图3和表4可知，化合物B1的正电荷主要分布在C5，C6，C9等碳原子上，负电荷主要分布在C2，C7，N24，N25等原子上；而化合物B2的正电荷主要分布在C4，C6，C8等碳原子上，负电荷主要分布在C3，O24，N20，N21等原子上。对比发现，化合物B2中噻吩环和氟原子的存在，使其C6，N21，O24原子虽与化合物B1中的C7，N25，O24原子所处的化学环境相似，但所带电荷却差别较大，这也是导致两化合物生物活性差别大的原因之一。

图3 化合物B1和B2的原子编号

3 结论

合成了2个含甘二肽甲酯结构的β-二酮衍生物，测试了化合物的除草、抑菌活性。结果表明，化合物B2和诺氟沙星具有相当的抑菌能力，在浓度为100 μg/mL时，化合物B2对狗尾草的抑制率几乎达100%，甚至高于草甘膦。量化计算结果表明，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环和氟原子。

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责任编辑：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

天津农学院大学生创新创业训练计划项目“含手性二肽片段的芳基吡唑除草剂的合成与构效关系研究”（201610061081）；天津自然科学基金项目“含有磷酸酯结构的苯甲酰脲类杀虫剂的合成及活性研究”（14JCQNJC06300）

张莉（1994-），女，天津市人，本科在读，主要从事应用化学方面的研究。联系电话：（022）23784019。

朱华玲（1975-），女，山东青州人，副教授，硕士，主要从事功能化合物的合成与活性研究。E-mail: zhuhualing2004@126.com。