三氟甲基芳酰胺类化合物的合成及其对光合作用电子传递影响的理论研究

杨关天，张 晓 编译

(华东理工大学 药学院，上海 200237)

在光合作用中，一系列的电子传递反应使得高等植物、蓝藻和某些细菌可以将光能转化为化学能。农化公司基于部分化合物能够干扰光合电子传递这一特性，开发了一系列除草剂来控制杂草(图1)。光合抑制剂的作用主要是阻断电子在光系统II中的传递，或者分流光系统I中的电子。

作物具有解毒酶，能够在除草剂应用的情况下生存。然而，除草剂对杂草有高的选择压，在使用后几年内，杂草一般会快速产生抗性，大多数除草剂的商业寿命会大大地缩短。因此持续需要发现用于管理杂草抗性的新的具有活性的化合物骨架。

图1 抑制光合作用的商品化除草剂

如图1所示，多种光合作用抑制剂都有酰胺结构。事实上，该类官能团或氨基甲酸酯基团是作用于光合作用器除草剂常见的结构特征。在本文中介绍了一系列三氟甲基芳酰胺类化合物的合成，研究了在离体条件下对光合作用电子传递链的抑制和活体条件下对蓝藻菌株的生长抑制作用。另外，还对芳酰胺进行了理论研究(分子建模和构-效关系)，并将研究结果与试验研究、化学知识和相关文献进行了比较。

1 材料与方法

1.1 通用方法

分析纯1-氟-2-硝基-4-三氟甲基苯、哌啶、吗啉、环己胺、二乙胺、4-溴苯胺、吡咯烷、异烟酰氯盐酸盐、烟酰氯盐酸盐、2-氯吡啶-3-羧酸和苯甲酰氯均购自Sigma-Aldrich (St.Louis，MO，USA)，使用时不需要进一步纯化。无水氯化锡和三乙胺均购自Vetec(巴西里约热内卢)并按标准使用。以CDCl3和CD3OD作为氘代试剂，化合物的1H NMR和13C NMR的核磁图谱由Varian Mercury 300仪器(Varian，Palo Alto，CA，USA)分别在300 MHz和75 MHz下表征。使用具有高性能金刚石ATR附件的Varian 660红外光谱仪，扫描范围4 000～500 cm－1，以及Perkin Elmer Paragon 1000傅立叶转换红外分光光度计(Perkin Elmer do Brasil Ltda，SãoPaulo，Brazil)，用溴化钾做基线，扫描范围600～4 000 cm－1，测定并记录红外数据。用MQAPF-301熔点仪(Microquimica，Campinas，Brazil)测定化合物熔点。在覆盖有60GF254硅胶的TLC板上进行薄层色谱分析。柱色谱使用60～230目硅胶作为固定相。

1.2 合成

1.2.1 1-(2-硝基-4-(三氟甲基)苯基)哌啶(2)

将100 mL圆底烧瓶置于冰浴中，分别加入8.60 mL(88.2 mmol)哌啶、4.10 mL二甲基甲酰胺(DMF)和4.20 mL (28.7 mmol)1-氟-2-硝基-4-三氟甲基苯(1)。除去冰浴，将反应液在室温下磁力搅拌1.5 h。加入水，把反应液移入分液漏斗中。乙酸乙酯(4×80 mL)萃取水相。合并有机相，将所得有机相用饱和食盐水洗涤，无水硫酸钠干燥，过滤并减压浓缩。所得固体用甲醇重结晶。得到橙色固体2，收率91%(7.15 g，26.1 mmol)。

TLC Rf=0.40(乙酸乙酯-己烷16∶1，体积比)。熔点：50.1～50.7 ℃。IR(ATR，cm-1)¯νmax：2938，2867，2827，1621，1560，1528，1493，1449，1386，1323，1297，1260，1233，1211，1149，1115，1080，1064，1021，974，929，906，882，856，832，789，760，724，678，629，528。1H NMR(300 MHz，CDCl3)δ：1.61-1.75(m，6H)，3.12(t，4H，J=5.3 Hz)，7.14(d，1H，J=8.7 Hz)，7.60(dd，1H，J=8.7 Hz和J=2.3 Hz)，8.03(d, 1H, J=2.3 Hz。13C NMR(75 MHz,CDCl3)δ：24.0，25.8，52.3，120.6，120.9(q，JC-F=34.1Hz)，123.7(q，JC-F=269.6 Hz)，124.6(q，JC-F=4.0 Hz)，130.1(q，JC-F=3.4 Hz)，139.8，148.8。HRMS(M+H+)：C12H14F3N2O2分子质量的计算值：275.1007；实测值：275.0926。

硝基化合物3－7(图2)的合成与化合物2的相似。

1.2.2 2-(哌啶-1-基)-5-(三氟甲基)苯胺(8)

将50 mL圆底烧瓶置于冰浴中，分别加入10.8 mL(129.6 mmol)浓盐酸，6.71 g (35.4 mmol)氯化锡(II)，20.0 mL甲醇和1.50 g (5.47 mmol)1-(2-硝基-4-(三氟甲基)苯基)哌啶(2)。除去冰浴，在室温下持续搅拌反应液42 h。随后向反应液中加入氢氧化钠溶液，约至pH 10。然后把反应液转入分液漏斗中。乙酸乙酯(4×80.0 mL)萃取。合并有机相，将所得有机相用饱和食盐水洗涤，无水硫酸钠干燥，过滤并减压浓缩。浓缩物经硅胶柱层析纯化，用己烷-乙酸乙酯(11∶1，体积比)洗脱。得到白色固体8，收率78%(1.34 g，5.49 mmol)。

TLC Rf=0.48(己烷-乙酸乙酯11∶1，体积比)。熔点：50.0～50.5 ℃。IR(ATR，cm-1)¯νmax：3452，3355，2950，2865，2805，1611，1589，1512，1469，1439，1379，1328，1288，1256，1227，1205，1160，1104，1064，936，892,860,810,745,722,663,643。1H NMR(300 MHz，CDCl3)δ：1.60-1.75(m，6H)，2.88(brs，4H)，4.11(brs，2H，NH2)，6.93-7.03(m，3H)。13C NMR(75 MHz，CDCl3)δ：24.4，26.8，52.4，111.5(q，JC-F=3.5 Hz)，115.5(q，JC-F=4.1 Hz)，119.7，124.7(q，JC-F=270.0 Hz)，126.1(q，JC-F=31.9 Hz)，141.7，143.4。HRMS(M+H+)：C12H16F3N2分子质量的计算值：245.1266；实测值：245.1182。

由化合物3－7合成化合物9－13(图3)的方法与制备化合物8的相似。

图2 硝基化合物2－7的合成

1.2.3 N-(2-(哌啶-1-基)-5-(三氟甲基)苯基)异烟酰胺(14)

将25 mL圆底烧瓶置于冰浴中，分别加入0.629 g(3.389 mmol)异烟碱酰氯盐酸盐，0.800 mL三乙胺，8.00 mL二氯甲烷和0.400 g (1.64 mmol)2-(哌啶-1-基-5-(三氟甲基)苯胺(8)。除去冰浴，在室温下搅拌反应液3 h。然后，加入10. 0mL蒸馏水，并将反应液转移到分液漏斗中。水相用乙酸乙酯(4×30.0 mL)萃取。合并有机相，将所得有机相用饱和食盐水洗涤，无水硫酸钠干燥，过滤并减压浓缩。浓缩物经硅胶柱层析纯化，用己烷-乙酸乙酯(3∶1，体积比)洗脱。用丙酮进一步重结晶固体。得到白色固体化合物14，收率75%(430 mg；1.23 mmol)。

TLC Rf=0.13(己烷-乙酸乙酯3∶1，体积比)。熔点：95.6～96.7 ℃。IR(ATR，cm-1)vmax：3347，2945，2917，2811，1679，1611，1587，1556，1527，1455，1434，1380，1334，1308，1239，1165，1107，1093，1061，1022，915，895，878，839，826，751，728，681，662，644。1H NMR(300 MHz，CDCl3)δ：1.65-1.81(m，6H)，2.86(t，4H，J=5.1 Hz)，7.28(d，1H，J=8.4 Hz)，7.37(dd，1H，J=8.4 Hz和J=1.8Hz)，7.76(dd，2H，J=4.5 Hz和J=1.5 Hz)，8.83-8.85(m，3H)，9.55(s，1H，NH)。13C NMR(75 MHz，CDCl3)δ：24.0，27.1，53.8，116.6，120.8，121.1，121.6(q，JC-F=3.7 Hz)，124.2(q，JC-F=270.5 Hz)，127.5，(q，JC-F=32.3 Hz)，133.4，141.8，145.9，151.1，163.0。HRMS(M+H+)：C18H19F3N3O分子质量的计算值：350.1480；实测值：350.1420。

三氟甲基芳酰胺15－36(图4)的合成方法与化合物14的相似。

图3 胺8－13的合成

图4 三氟甲基芳酰胺化合物14－36的制备

1.3 生物测定

根据文献报道的方法(稍作调整)，从市售菠菜叶(Spinacia oleracea L.)中分离具有光合活性的类囊体膜。简单来说，将20 g植物材料悬浮于含有10 mmol/L NaCl、5 mmol/L MgCl2和0.4 mol/L蔗糖的100 mL预冷的20 mmol/L Tricine-NaOH缓冲液(pH=8.0)中，并在匀浆器中以最大速度匀浆30 s。用手术纱布过滤匀浆液，于4℃，以500×g转速离心滤液1 min；再以1500×g转速离心所得上清液10 min。将沉淀的叶绿体悬浮在无蔗糖缓冲液中进行渗透性溶胀，之后立即用蔗糖缓冲液以1∶1稀释，并在冰中和黑暗条件下保存以备使用。用80%(体积比)丙酮稀释后，根据Arnon公式计算叶绿素含量。通过光驱动铁氰化物还原来测量光合电子传递的基础速率。将相当于5 μg叶绿素等分的类囊体膜试样在24 ℃下加入含有10 mmol/LNaCl、5 mmol/L MgCl2、0.2 mol/L蔗糖和2 mmol/L K3[Fe(CN)6]的20 mmol/L Tricine-NaOH缓冲液(pH=8.0)中。暴露于[800 μmol/(m2·s)]饱和光下，20 min内每隔1 min测量1次铁氰化物还原速率，设置空白对照，检测波长420 nm。取曲线[摩尔消光系数1 000 (mol L-1)-1cm-1]的线性部分计算活性。将三氟甲基芳酰胺类化合物14－36溶于DMSO配制成20 mmol/L的溶液，然后用DMSO稀释为100倍的工作液，把稀释溶液加入到反应混合液中，使这些化合物的浓度为0.5～100 μmol/L，进行至少4次平行试验测定化合物对光合电子传递的影响，结果以处理组和对照组(相同体积的溶剂)的百分比表示。在其他条件不变，加入0.5 mmol/L ADP和2 mmol/L K2HPO4后研究磷酸化电子流情况。为了研究解偶联活性，在向基础反应混合物中加入2 mmol/L NH4Cl之后，每隔30 s测量1次铁氰化物还原物，一共测10 min。试验报告值是所有重复的平均值±标准误差。用Windows的Prism 6版本6.03(GraphPad Software，LaJolla，CA，USA)软件，通过非线性回归分析计算50%抑制浓度(IC50)及置信区间。

按文献报道在(24±1) ℃、14 h[150 μmol/(m2·s) PAR]光照和10 h黑暗中培养细长聚球藻(Synechococcus elongates)菌株PCC6301。然后，将对数生长期晚期的细胞进行4 000×g转速离心沉降5 min，接种到96孔板，每孔0.2 mL，使叶绿素初始浓度约为1.0 mg/L。每孔加入2 μL适度稀释的化合物溶液(溶解于DMSO)，化合物的最终浓度为0.5～200 μ/mol。采用完全随机设计，每处理重复4次。每个孔中的细胞生长1周，每天用Ledetect 96微孔板吸光度测读仪(Labexim，Lengau，Austria)测定吸光度，此仪器在660 nm处配备LED插件，以除去在750 nm处的吸收浊度。对数据进行对数转换，生长常数以各处理与对照(相同体积DMSO)的平均值百分比来表示(不少于16次重复)。数据为重复的平均值±标准误差。按上述方法计算50%抑制浓度(IC50)及其置信区间。把十二烷基硫酸钠(SDS)[160 μmol/L (0.02倍临界胶束浓度)]或Triton稀释100倍[25 μmol/L (0.1倍临界胶束浓度)]加入生长培养基用来评价表面活性剂对溴化酰胺类化合物抑制活性的影响，前期研究表明其影响蓝藻菌株PCC9438的聚磷酸盐吸收而不影响藻类生长。

1.4 分子模型和定量构效关系

对化合物14－36进行了分子建模和定量构效关系(QSAR)研究。虽然样本数量对于QSAR回归模型很少，但是根据ASTM标准，对光谱定量分析是合理的。该标准表明，对于复杂数据，如果使用3个或更少的因素构建多元模型，那么校正集应最少包含24个样品。

基于苯甲酰苯胺和其他含芳基小分子的晶体结构以及与蛋白质结合的配体(PDB编码2P16和2W26)，使用WebLab ViewerPro 4.0和GaussView 4.1.2进行分子建模。可以在高斯03W的AM1水平验证最稳定的构象。应用密度泛函理论(DFT)，首先在高斯03W的B3LYP/3-21G*水平，然后在B3LYP/6-31G**水平进行几何优化。其后，在相同的DFT水平下对自由基阴离子14*－－36*－进行几何优化，并计算原子电荷和自旋密度。使用Gaussian03W、MarvinView5.3.4和SymyxDraw3.3计算化合物14－36的分子描述符。电子亲和力(EA)为自由基阴离子与其相应的中性物质之间的电子能量差异。SCORE是相对于最简单的化合物34对生物活性的正、零或负贡献的描述符，根据先验法和密度泛函理论计算(DFT)的分子构象得到的。一共有146个分子描述符。

用数字滤波器识别和消除皮尔逊相关系数绝对值(|r|)与生物活性(pIC50=－log(IC50mol/L)小于0.5以及于pIC50在散布图中的异常散布的描述符。使最初146个描述符缩减为21。然后用预测子排序选择法(ordered predictor selection algorithm)选择变量，并用得到的5个分子描述符建立了最小二乘法(PLS)回归模型。利用QSAR建模软件进行PLS建模和模型验证(留一法和留多法交叉验证，y随机化和符号变化检验)。在化学计量分析之前，将描述符和生物活性自动标定(以均值为中心，并标定为统一方差)。

2 结果和讨论

2.1 酰胺的合成

三氟甲基芳酰胺14－36按如下3步制备：商品化的1-氟-2-硝基-4-三氟甲基苯(1)和不同胺之间发生亲核芳香取代反应，以81%～98%产率得到硝基化合物2－7(图2)。

然后，用SnCl2/HCl还原硝基化合物，得到相应还原胺8－13，产率为56%～94%(图3)。

最后，化合物8－13被不同的酰氯酰化，生成对应三氟甲基芳酰胺14－36(图4)。对这些酰胺化合物进行生物活性测试，研究了基团R1(与氮相连的脂肪族、芳香族和脂环族基团)和基团R2(与羰基相连的苯基和芳香杂环基团)对生物活性的影响。图4列出了化合物14－36的收率。

用红外和核磁(1H和13C)表征所有合成的目标化合物。用高分辨质谱确认了目标化合物的分子式。

2.2 生物活性测定

由于几种作用于光合系统的除草剂具有酰胺结构，通过测量分离的类囊体膜对铁氰化钾的光驱动还原作用，来研究三氟甲基芳酰胺类化合物14－36对叶绿体电子传递的影响。结果见表1，以抑制50%的活性的浓度(IC50)表示。

除化合物25和32外，其余化合物对从水到铁氰化钾的电子传递均存在不同程度的抑制作用。有趣的是，活性最高的化合物19、24、30和36具有共同的结构特征，即对溴苯基，此基团好像能够显著增加化合物骨架的抑制活性。

为了获得更多该类化合物的作用机制信息，对3个抑制作用最强的化合物进行了详细的研究。首先，分别在基本条件、解偶联和磷酸化条件下，评估了化合物浓度增加对铁氰化物的还原作用的影响。结果见图5的上排图，显示在所有条件下的结果十分相似。这些结果表明，三氟甲基芳酰胺既不为解偶联剂，也不为能量转移抑制剂，而是直接与电子传递链相互作用。然后，通过添加细胞色素b6f抑制剂2,5-二溴-3-甲基-6-异丙基-对苯醌(DB-MIB)，使基本条件下铁氰化物还原过程被阻断，添加苯二胺能够使不经过PSⅠ的水到铁氰化物的电子传递恢复。这些化合物也以相当的速度干扰电子传递(图5中下排图)，证明PSⅠ不是其作用靶标，并且大多数光合抑制剂除草剂，其作用靶标是PSⅡ。

图5 化合物19、24和36在基本的、解偶联和磷酸化条件下对光合电子流的影响(上图)，三氟甲基芳酰胺类化合物对铁氰化物在完整电子传递链中和单独的光系统II中还原的影响(下图)

表1 化合物14－36在离体条件下对功能完整的叶绿体a(取自菠菜叶片)中铁氰化物还原活性的影响

表2 溴苯基三氟甲基芳酰胺化合物19、24、30、36对细长聚球藻a生长影响的活体测试

能够干扰光合作用电子传递链的化合物对光合生物具有潜在的生物活性。然而，离体试验发现，低的细胞膜渗透性/溶解性、亚细胞区室和代谢/解毒反应的存在等若干因素可以使活性化合物在细胞内丧失抑制活性。为了验证以上观点，研究了在希尔反应中抑制作用最强的化合物对光合自养型蓝藻——细长聚球藻菌株PCC6301的生长抑制活性。结果见表2。

4种化合物都能显著抑制藻的生长。然而，在相对有效性和抑制斜率方面，活体试验与离体试验有所差异(图6)。化合物对细胞和类囊体膜的不同渗透性，或者蓝藻细胞对活性分子部分解毒的效率不同均可能造成这种差异。这些溴代苯基三氟甲基芳酰胺类化合物的活体活性较低(活体ID50比离体ID50高1至2个数量级)以及化合物19和30相对于化合物24和36抑制曲线的斜率明显不同(图6)，进一步证明了上述推断的可能性。为了证实该假设，将160 μmol/L十二烷基苯磺酸钠(SDS)或25 μmol/L稀释100倍的聚乙二醇辛基苯基醚(Triton)加入培养基中，来进一步评价三氟甲基芳酰胺类化合物对蓝藻生长的影响。试验数据表明，发现前一种表面活性剂增加了螺旋藻蓝藻对聚磷酸盐2054的吸收，且不影响藻类生长，而后者对聚磷酸盐代谢有不利影响。但是，在该情况下得到的抑制曲线与不加表面活性剂时得到的抑制曲线完全重叠(数据未显示)。

图6 化合物19、24、30和36对离体光合作用电子流动和活体蓝藻生长的影响比较

2.3 定量构效关系分析

为了获取酰胺化合物14－36的结构和干扰光合作用电子传递作用信息，进行了定量构效关系分析。表3列出了定量构效关系模型数据。表4为定量构效关系模型的相关矩阵和回归系数。所选的5个描述符是：LUC，原子轨道对连接-CF3基团的芳香族碳原子的LUMO轨道的贡献，为LUMO轨道的原子轨道系数的平方；PoI3D，Thole的分子极化率，为使用Marvin View 5.3.4计算的分子3D结构；wC，碳含量的质量百分比；EA，电子亲和力；和SCORE。测量的化合物14－36(表1)的离体活性(IC50)范围为2个数量级。根据Pearson相关系数的绝对值，描述符之间的相关系数为0.46～0.89，描述符与pIC50之间的中度相关系数为0.63～0.73(表4)。

表3 QSAR模型数据：分子描述符、生物活性的实测值与预测值，残差和残差百分比

表4 QSAR模型的相关矩阵与回归系数

最终该最小二乘回归(PLS)模型有1个潜在的可描述71.0%原始信息的变量。模型的基本统计量(R2= 0.677，Q2=0.603)满足QSAR的最低要求(R2＞0.6，Q2＞0.5)。标准误差(校正标准差SEC=0.473，验证标准差SEV=0.501)略高于pIC50(4.36)平均值的10%。表3显示，13个化合物的实测pIC50高于预测，10个低于预测，9个残差百分比超过10%，其中2个化合物(32和34)残差百分比高于20%。

根据文献对该模型进行了进一步验证。通过留N法交叉验证(LNO，图4)证实了优化模型的平稳性。Q2LNO平均值在一个较小范围内围绕Q2LOO(Q2来源于留一法交叉验证)摆动，而用三分之一样本交叉验证时相应标准差小。用y随机化分析检验偶然相关性。比较随机模型[即具有扰乱(scrambled)的pIC50的模型]和最终的QSAR模型，由于两者的参数不能满足偶然相关的最低标准：⑴ Q2＜0.1和R2＜0.4(图6)；⑵ R的散点(yal，y)对R2和R的散点(yal，y)对Q2的线性回归方程的截距分别小于0.3和0.05，所以其不是偶然相关。最后，检查QSAR模型的符号变化。由于模型相关性和相应回归系数具有相同的符号，所以描述符的符号基本没有变化(表4)。

对比本文的回归模型和2010年以来报道的PSII抑制剂的其他QSAR模型(表5)，就会发现该模型的质量令人满意。就分子数量而言，14－36的化合物库正好达到PLS的最低要求，这就是没有用数据分割模型验证(外部验证)的原因。2017年报道的最新模型是合理的，在所有报道的PSII抑制剂活性模型中，其所用的化合物(43个)数量最多。在这种情况下，几个验证模型均可被应用，避免使用PLS等基于压缩数据的回归分析。

根据本文的生物活性测定，活性最好的化合物有19、24、30和36(IC50为1～5 μmol/L或pIC50为5.3～6.0，表1)。预测活性以pIC50表示为5.4～6.1(表3)。这些值虽然较小，但与用细长聚球藻(Synechococcus elongates)蓝藻叶绿体进行的相似生测中，众所周知的商品化除草剂莠去津(IC50=0.23 μmol/L或pIC50=6.6)、敌草隆(IC50=0.27 μmol/L，pIC50=6.6)和莠去津衍生物TPA[1-三氟甲基-3-甲基-5-(4-三氟甲基苯基)甲氨基-2,4,6-三嗪(IC50=0.05 μmol/L，pIC50=7.3)]等的抑制活性相当。

表5 本文光系统Ⅱ抑制剂的最终QSAR模型和近期其他QSAR模型的比较

图7 在最大N代表样本最重要部分(43%)的留N法交叉验证(LNO，N=1，2，...，10)中，最终QSAR模型的性能

2.4 QSAR模型的化学分析

所选的QSAR模型5个分子描述符，即LUC，PoI3D，wC，EA和SCORE具有相当大的回归系数(绝对值为0.18～0.20，表4)。只有SCORE和Pol3D的回归系数为正。分子描述符可以指示良好的PSII抑制剂的分子特征：反应性、构象特征以及与受体的分子间的相互作用。三氟甲基芳酰胺14－36的作用很可能和文献中报道的作用于QB活性位点的质体醌-9(PQ-9)置换剂除草剂相似。

对于最简单的化合物34来说，描述符SCORE由于具有复杂性质——空间、电子分布、氢键和亲脂性特征对QSAR模型贡献很大。化合物离体活性随着SCORE正值的增加而增加，SCORE非负值的化合物为活性最高的19、24、30和36，以及活性次之的22和34。也就是，较好的PSII抑制剂具有1个扁平且较长的基团(或至少为占较小空间的1个基团)，主要为与胺相连的疏水基团[-N(H)-R]。活性最高的化合物对应的R为对溴苯基。化合物14-36的对溴苯基可能进入活性位点的疏水性环境(1个亚口袋或小口袋)。SCORE包含有2个对pIC50有积极贡献的因素：⑴ 与酰胺部分中的氮相连的芳基是苯基或邻氯吡啶基，而其他类型的芳基具有负贡献，这表明杂原子的存在与位置，决定了分子与受体的相互作用；⑵ 在胺[-N(H)-]部分和羰基(对于化合物15、26和32)之间形成的分子内氢键可以稳定分子构象，表明可能与受体形成更强的键。

图8 y随机化验证的最终的QSAR模型的性能：R2与Q2散点图

极化描述符PoI3D与离体活性呈正相关。通过观察分子结构(图4)和Pol3D(表3)可知，在胺[-N(H)-R]部分引入卤素原子(Br、Cl)和柔性环基团(苯基、环己基)，分子极化率值可增加到36Å3以上。一般来说，配体的分子极化能力意味着在受体—配体配合物形成过程中其在受体外部电荷重新分布的能力。活性最高的化合物19、24、30和36在取代胺基中具有对溴苯基，而在化合物24的芳酰胺部分中增加氯，则对分子极化率没有显著影响。对溴苯基除了是富电子且扁平的基团外，也是化合物1-36中拓扑意义上最长的取代基(从-NH-到末端溴之间存在5个键)，这使得这种取代基适合于增加分子极化率，并增强了三氟甲基芳基酰胺与PSII的复合体的形成。

描述符wC对模型的贡献度为负：具有较高含量碳原子的化合物为弱的PSII抑制剂，换句话说，具有较高含量的杂原子(卤素、氮和氧)的分子是较好的PSII抑制剂。活性最高的化合物19、24、30和36是碳原子含量最低的化合物(48%～55%)。此外，含氯化合物(20－23)的碳含量也较低(52%～56%)。碳原子含量较高或杂原子含量较低意味着其是更疏水的抑制剂分子，这不利于作用于PSII的QB活性位点。化合物14－36中的杂原子可以与受体建立强的氢键(N、O)和其他极性作用(N、O、F、Br、Cl)，增加分子极化率和溶解度，影响芳环中的电子离域。

电子亲和力(EA)与离体活性呈负相关。EA越小表明自由基阴离子越稳定，或者中性分子吸收电子的能力越强。酰胺化合物14－36都是电子受体，它们的EA为负值(表3)，但它们的化学结构(图4)和分子量(与EA的相关性为－0.84)具有明显差异。被吸收的电子更容易分布在大分子结构或含有杂原子的结构上。这就是活性最好的化合物具有最小EA的缘故，此外，高活性分子具有3个π电子体系，即电子受体芳基酰胺部分、三氟甲基苯基和对溴苯基。化合物20－24的芳基酰胺部分的3-吡啶基环上有1个氯原子，因此EA值最低[(－12)～(－26) kcal/mol]，而化合物14－19的4-吡啶基环上缺少氯原子[EA为(－11)～(－26) kcal/mol]。化合物25－30具有1个3-吡啶基环，稍大的EA[EA为(－6)～(－21) kcal/mol]。最弱的电子受体是在芳基酰胺部分有苯环的化合物31－36[EA为(－0.1)～(－16) kcal/mol]。

为了识别化合物14－36的反应基团，分析了高活性化合物19和非活性化合物25及其自由基阴离子19*－和25*－的电子特征，结果列于表6中。中性分子19和25吸收1个电子后其分子体积显著增加，电子重新分布和出现非零的自旋密度。根据非氢原子(ΣQ)的电荷总和，可以注意到，化合物19和25中的负电荷都集中于芳基酰胺和胺部分，而三氟甲基苯基部分带正电荷。在吸收电子后，19*－和25*－芳酰胺负电荷增加了0.7。然而，自由基的剩余负电荷分布不同：对于19*－和25*－，三氟甲基苯基的正电荷减少0.2，但19*－胺官能团负电荷增加而25*－胺官能团负电荷减少。通过分析非氢原子自旋密度(ΣS)的总和，可以很好地区分19*－和25*－中的3个分子片段：90%的自旋密度存在于酰胺部分(更确切地说，在与羰基共轭的芳香环中)，约9%存在于三氟甲基苯基，仅有约1%的自旋密度分布在胺上。19*－和25*－的羰基的自旋密度分别为39%和36%。这2个自由基阴离子的自旋密度没有本质区别，但是电子吸收之后电荷分布有差异。据推测，对于化合物集14－36来说，具有相似的趋势，即胺部分是最易变的分子片段，而且其只包含少部分自旋密度。

羰基是1个反应活性高、电子接受能力强的基团，可被PSII还原。Funar-Timofei等人最近通过对接分析表明，活性最高的除草剂可能作用于PSII的活性位点QB，与His215形成氢键，由此除草剂接受了1个光电子，成为自由基阴离子。化合物14－36也有此作用，含有三氟甲基苯基的酰胺作用于活性位点，其羰基与His215通过氢键相互作用。第3个分子片段——胺需要His215附近的1个亚口袋或新的小口袋。因此，此分子片段和三氟甲基苯基可以被认为是固定片段，而芳酰胺则是反应片段。胺部分与PSII相互作用，具有双重作用：固定功能和确定分子极化性作用。莠去津和溴苯腈是众所周知的与PSII对接时能与His215形成氢键的农药。

LUC是局部LUMO(最低未占轨道)描述符，与离体活性呈负相关性。该描述符解释了中心苯环上胺和芳酰胺部分的结构变化的影响以及该环内三氟甲基基团的诱导效应。对于所有这些变化，LUC是一个很好的“传感器”。没有其他与前沿分子轨道有关的描述符与离体活性具有显著相关性。预期化合物14－36分子中心片段的部分(三氟甲基苯基环)结构变化可能引起显著影响。已知三氟甲基基团为吸电子基团，对自由基稳定重要。例如，吸收电子后，在19*－和25*－中的-CF3的负电荷增加0.06。-CF3基团对于通过各种分子间相互作用来稳定分子复合物也是重要的。莠去津衍生物TPA的三氟甲基与PSII的活性位点QB存在分子间相互作用。LUC还可以“编码”在配体-受体复合物形成过程中和光电子的吸收后-CF3基团的变化。

表6 化合物19和25及其自由基阴离子19*-和25*-的电子特征(DFT计算)

3 结 论

本文通过3步反应以较高收率合成了23个三氟甲基芳酰胺类化合物。对其进行离体生物测试，结果表明，23个化合物中的20个化合物可以在微摩尔至毫摩尔范围内干扰光合作用电子传递。并发现含有4-溴苯基的化合物活性最高，其IC50接近1 μmol/L。以20 μmol/L的浓度添加进培养基中时，该类含有4-溴苯基衍生物中有2种能够完全抑制蓝藻生长。事实上，在QSAR研究中发现具有长且扁平的4-溴苯基结构的4种化合物活性最高。对QSAR模型的化学分析证实了其统计有效性，以及让人们更好地了解如何建立更有效的PSII抑制剂模型。分子描述符表明芳香片段和杂原子在PSII抑制剂分子结构中的重要性。因此，三氟甲基芳酰胺类化合物可作为开发除草剂活性分子的新颖骨架。目前在进一步研究该类化合物的作用方式，合成一系列具有更高活性的新苯基衍生物。