新型多苯并咪唑環芳識別氨基酸甲酯的分子動力學和密度泛函研究

婁永鋒，肖 蓉，向明禮，楊明理

(1.四川大學 a.華西醫院生物治療國家重點實驗室;b.華西醫院納米生物醫學技術與膜生物學研究所，成都 610041;2.四川大學 化工學院，成都 610065)

環芳是一類含有芳香環的環狀有機化合物［1］。環芳由于可能存在某種隙間共振效應(interstitial resonance effect)引起的芳香性改變以及在不同環中分別引入吸、供電子基團后將形成分子內配合物［2］等誘人特性而備受關注。自從1949年被首次發現［3］以來，環芳被廣泛應用于手性識別［4－6］、超分子［7］、分子催化［8］、抗菌［9］等領域。咪唑環芳更為特殊:1)咪唑既能作為質子受體又能作為質子供體，具有特殊親核、親電性［6］，是生物體系的重要基團［10］;2)含咪唑環的一些化合物具有抗炎活性［11］，并對細胞色素P450酶有抑制活性;3)咪唑衍生物的合成頗具挑戰性。由于上述諸多因素［12］，使得咪唑環芳的研究更為矚目。環芳的研究工作主要集中在合成品種不同、功能各異的環芳以及發展新的合成方法［6，13］方面，對于環芳識別氨基酸甲酯的分子作用機制的認識［6］，還有待深入。本文采用分子動力學與密度泛函理論相結合的研究方法，對筆者最新合成的一個多苯并咪唑環芳受體(A)［6］與一系列氨基酸甲酯配體(L)間的相互作用進行了探討。采用以密度泛函理論計算結果為核心參數的組合策略，來表達該多苯并咪唑環芳對一系列氨基酸甲酯的識別，獲得了與實驗數據一致的研究結果。

圖1 多苯并咪唑環芳結構

1 計算方法

如圖1所示，該多苯并咪唑環芳(MBICP)受體由2條醚鏈橋接2 個2，2’-二苯并咪唑構成。

MBICP所識別的5個氨基酸甲酯(AAME)配體分別為甘氨酸甲酯(LG)、丙氨酸甲酯(LA)、脯氨酸甲酯(LP)、亮氨酸甲酯(LL)和纈氨酸甲酯(LV)。因尚無該MBICP受體及其與AAME形成的復合物的晶體結構，故而對于該受體和這幾個配體的單體三維結構，筆者采用ChemBio3D構建并用Gaussian 03［14］在B3LYP/6-31G(d)理論水平上進行優化得到。

在選擇性的分子絡合中，受、配體結合位點間的互補性和復合物中配體的空間位阻是影響選擇性絡合的關鍵因素，而靜電作用、范德法力、氫鍵等也是形成分子復合物的推動力［15］。因此，在沒有晶體結構的情況下，如何獲得考慮了上述因素的復合物構象，對于用量子化學研究MBICP受體與AAME配體間的作用和識別機制，是很關鍵的。

本文采用基于模擬退火的分子動力學程序CDOCKER［16］，將AAME配體與MBICP受體對接。對接時，選用CHARMM力場，把受體的幾何中心默認為結合位點，球半徑參數設置為5 A。。每個AAME配體與受體對接，都產生1 000個隨機構象。對所產生的隨機構象進行逐漸升溫和模擬退火動力學模擬。對接和動力學模擬過程中的其余參數采用默認值。

要成功預測弱相互作用體系的結構、能量性質需要精確的計算。鑒于此，筆者把動力學模擬后得到的每種復合物的1 000構象，按能量高低順序排序，僅從中選出10個能量值為負值的最低能量構象。利用Turbomole［17］程序在BLYP/def-TZVP［18］水平進行優化。再將優化收斂后得到的最低能量構象在相同理論和基組下作NBO分析。對于之前結構優化后得到的MBICP受體和AAME配體，也在該條件下進行單點能計算，以便獲得受體與配體間的相互作用能。

2 結果與討論

2.1 多苯并咪唑環芳對氨基酸甲酯識別的復雜性

分子識別過程中所形成的復合物的最高占據軌道能級EHOMO、最低空軌道能級EHOMO、形成復合物過程中受、配體間所轉移的電荷量CT都是衡量復合物穩定性的重要指標。研究表明，結構相似的分子，最高占有軌道與最低空軌道的能量差越大，則分子越穩定;受體與配體間電荷轉移量越大，則配合物越穩定。

相互作用能ΔEint則更是衡量復合物穩定性的重要參數。ΔEint是指把單個受體(A)和單個配體(L)結合在一起，形成復合物的能量［19］，其定義如下:

MBICP-AAME復合物結合常數的實驗測定值［6］和相關參數計算值如表1所示，各項指標EHOMO、ELUMO、CT和ΔEint與實驗測定的復合物結合常數之間沒有簡單的對應關系。甚至在EHOMO、ELUMO、CT與ΔEint之間，也沒觀察到任何關聯。這清楚地表明，多苯并咪唑環芳對氨基酸甲酯的識別情況比較復雜，用單一的量子化學計算參數，很難表達和認識其間的作用機制。

2.2 組合策略及其對結合常數的計算

量子化學精確計算是深入理解主客體識別形成復合物作用機制的重要途徑。但不能忽視的是:實驗數據［6］是在氯仿溶劑環境下獲得的。另外，預組織、疏水相互作用以及形成復合物的單體間的空間位阻和結合位點間的互補置放等，都是影響分子識別的重要因素［15］。目前量子化學尚未能對溶劑效應、疏水相互作用等進行精確的計算。為此，筆者提出了以密度泛函理論計算的相互作用能ΔEint(見表1)為核心參數的組合策略，以期能對實驗測定的結合常數進行準確計算。

表1 MBICP-AAME復合物結合常數K［6］的實驗值、計算值及其相關參數

顯然，MBICP受體與5個AAME配體所形成的復合物的穩定性的差異源于各配體之間的差異。因為預組織和疏水相互作用等因素對分子間選擇性識別有重要貢獻，所以，如何體現各配體對預組織和疏水相互作用貢獻的差異就顯得很關鍵。為此，用ChemBio3D計算了優化后的AAME配體的脂水分配系數P和溶劑可及表面積SASA(計算數據見表1)。P可以作為表達各配體對疏水相互作用貢獻的描述符。由預組織原理［15］可知，在形成復合物前，受體和配體間組織得愈好，溶劑化程度愈低，則復合物愈穩定。而根據非靜電相互作用的連續模型，溶劑化自由能與SASA間有很好的線性關系。因此，SASA可以用來表達AAME配體的溶劑化作用。

由于影響MBICP受體與AAME配體間的相互識別的因素很多，個別描述符難以恰當地表述這種受、配體間的相互作用并與實驗測定的結合常數定量關聯，但也不能為了建立定量關系模型而無限制地加入描述符。數據的相關性分析表明，AAME配體的SASA與復合物的結合常數K間的相關度較高，而其P與結合常數間的相關性則差一些。這說明，對該MBICP受體而言，復合物的穩定性，更多地來自于AAME配體對預組織的貢獻。

因此，選定ΔEint作為核心參數，組合AAME配體的SASA，構建了MBICP識別AAME形成復合物結合常數的定量計算模型為:

其中，α、β和γ為待定參數。用表1中的數據，對(2)式進行多項式回歸最小二乘擬合求解。則得:－lgKcalc=－2.464 ×10－3× ΔEint+2.356 ×10－3×SASA– 3.664 ，計算值(見表1)與實驗值［6］之間有良好的相關性，相關系數達0.961。

2.3 識別機制的認識

2.3.1 預組織效應等因素的貢獻

從表1可知，配體LG的SASA最小。根據非靜電相互作用的連續模型和預組織原理［15］，該配體的溶劑化自由能最小，溶劑化程度最低，對復合物的穩定性貢獻最大。而配體LP和LL的SASA較大，溶劑化自由能較大，溶劑化程度較高，因而復合物的穩定性較差。這與實驗結果是一致的。

用Turbomole在BLYP/def-TZVP水平計算的各MBICP-AAME復合物的最低能量構象，如圖2所示。各配體與MBICP受體間的相互作用模式不盡相同。配體LV、LP、LL、LA，其氮端上的H與受體醚鏈上的O形成了氫鍵相互作用。在5個配體中，LG的體積最小。也只有LG在與MBICP形成復合物時，配體骨架與受體的苯并咪唑環平面平行，配體的酯甲基、羰基部分伸向溶液，而將α-氨基和α-碳嵌入苯并咪唑環平面之間。這是一種很恰當的空間互補作用模式。配體受體間有最大的范德法作用接觸面，而與溶劑作用的接觸面最小，溶劑化作用最小，因而A-LG復合物最穩定。

圖2 多苯并咪唑環芳受體(A)與氨基酸甲酯配體(L)間相互作用的作用模式

2.3.2 電荷轉移的影響

電荷轉移的情況比較復雜。為使問題簡化，僅選取5個復合物的最低能量構象進行討論。通常，電荷轉移是有利于分子識別的，而且電荷轉移量與復合物的穩定性是正相關的。但表1的電荷轉移數據顯示，在形成復合物的過程中有少量電子從受體MBICP向配體LV、LP、LL轉移;而對于配體LA和LG，則是少量電子向受體MBICP轉移。

仔細探究各配體在形成復合物前后分子內部的電荷變化情況時，發現了一個更加趣的現象。在LG形成復合物的過程中，其氮端氨基上帶負電的氮原子，負電荷增加了 0.017 2，電荷更負;帶正電的氫原子，正電荷也增加了0.008 3，電荷更正(見表2)。而在碳端，帶負電的羰基氧和帶負電的甲基碳，都在形成復合物后減少了負電荷。從BLYP/def-TZVP水平優化收斂得到的最低能量構象看(圖2 A-LG)，氨基是與受體最為靠近的基團。在這個基團上，電荷分離加強，極化增大，有利于配體與受體間的靜電相互作用，從而對體系的穩定做出貢獻。同時，在伸向溶劑的碳端，電荷分離被弱化，極性減小，改善了疏水性，更有利于復合物的穩定性。因此，A-LG復合物在5個復合物中最為穩定。

表2 不同配體分子中特定原子上NBO電荷的變化a

同樣，在LA中也觀察到氮端氨基的電荷分離加強的現象。帶負電的氨基上的氮原子，負電荷增加了0.015 3，電荷更負;氨基上帶正電的氫原子，正電荷也增加了0.029 1，電荷更正。配體與受體間的氫鍵作用得到加強，有利于復合物的穩定。伸向溶液的碳端羰基氧和甲基碳上的負電荷略有增加，碳端極性增加，疏水效應減弱。但因碳端電荷轉移的量較之于氮端小了一個數量級，因而在總體上表現為電荷轉移有利于復合物的穩定性。A-LA的電荷轉移量小于A-LG，因而穩定性不如A-LG。這與實驗結果是一致的。

總體而言，在其他3個配體中電荷從MBICP受體向配體轉移，使得這3個配體中伸向溶液的碳端上帶負電的羰基氧和帶負電的甲基碳，負電荷顯著增加。其結果是碳端極性顯著增大，導致疏水作用減弱，從而對復合物的穩定性產生負貢獻。雖然氮端氨基上的氮原子所帶負電荷和氫原子所帶正電荷也有增加的趨勢，但增加的量遠不如在LA和LG中那樣(見表2)。故而它們對復合物穩定性的貢獻相對較小。因此，這3個配體與MBICP受體形成的復合物穩定性都要差一些。這也同樣與實驗相符。

就個別而言，在這3個配體中，配體LV的氮端電荷增加最多，且碳端極化最小。所以，A-LV也是這3個相關復合物中最穩定的。

3 結語

為研究新型多苯并咪唑環芳(MBICP)受體對一系列氨基酸甲酯 (AAME)配體的識別作用，用ChemBio3D構建了受體和配體分子單體，并用Gaussian 03在B3LYP/6-31G(d)水平上優化結構，得到了受體和各配體的三維結構。用基于模擬退火的分子動力學程序CDOCKER，將結構優化后的AAME配體與MBICP受體對接。對于每一個復合物，從隨機產生的并經過升溫和退火動力學模擬的1 000個構象中，篩選出10個能量最低的復合物構象，作為復合物的初始構象。用Turbomole在BLYP/def-TZVP水平對每個復合物的10個合理初始構象進行優化。將收斂后得到的最低能量構象作為復合物的結構，并在相同理論和基組下作NBO分析。對此前得到的MBICP受體和AAME配體的優化結構，在該條件下進行單點能計算，獲得了受體與配體間的相互作用能。

常用于表達和解釋分子識別能力的量子化學計算參量如相互作用能、受體與配體間的電荷轉移等，在本體系中都與實驗測定的MBICP-AAME復合物的結合常數間沒有簡單關聯。各量子化學計算參數間也沒有關聯性。這表明MBICP和AAME間的相互識別與作用機制是相當復雜的。

采用組合策略，以密度泛函理論計算所獲得的受、配體間相互作用能ΔEint作為核心參數，引入能表達預組織效應的SASA參數，建立了表達MBICP-AAME復合物結合常數的定量關系模型。基于該模型計算的復合物結合常數，能較好地與實驗測定值吻合。表明了預組織效應對該MBICP受體與AAME配體間的相互作用，具有重要貢獻。

受體、配體間的電荷轉移，似乎無法解釋MBICP對AAME的識別能力。但用Turbomole程序在BLYP/def-TZVP水平分析形成復合物前后AAME氮端原子和碳端原子的NBO電荷變化，發現形成復合物前后有電荷分離現象。利用該分析結果，能為MBICP對AAME的識別能力的強弱，提供合理的解釋。MBICP受體與AAME配體間的作用模式分析表明，配體體積的大小也是影響復合物穩定性的重要因素。

［1］CRAM D J，CRAM J M.Cyclophane chemistry:bent and battered benzene rings［J］.Acc Chem Res，1971，4(6):204 －213.

［2］CRAM D J，STEINBERG H.Macro Rings.I.Preparation and Spectra of the Paracyclophanes［J］.J Am Chem Soc，1951，73(12):5691 －5704.

［3］BROWN C J，FARTHING A C.Preparation and Structure of Di-p-Xylylene［J］.Nature，1949，164:915 － 916.

［4］PU L.Enantioselective Fluorescent Sensors:A Tale of BINOL［J］.Acc Chem Res，2011，:DOI:10.1021/ar200048d.

［5］YANG L，QIN S，SU X，et al.1，1’-Binaphthyl-based imidazolium chemosensors for highly selective recognition of tryptophan in aqueous solutions［J］.Org Biomol Chem，2010，8(2):339 －348.

［6］XU X，WANG X，WU A，et al.Synthesis and molecular recognition of novel multiimidazole cyclophanes［J］.J Heterocyclic Chem，2009，46(6):1137－1141.

［7］CAMACHO D H，SALO E V，ZILLER J W，et al.Cyclophane-based highly active late-transition-metal catalysts for ethylene polymerization［J］.Angew Chem Int Ed，2004，43:1821 －1825.

［8］POYATOS M，MATA J A，PERIS E.Complexes with Poly(N-heterocyclic carbene)Ligands:Structural Features and Catalytic Applications［J］.Chem Rev，2009，109(8):3677 －3707.

［9］MELAIYE A，SUN Z，HINDI K，et al.Silver(I)-midazole Cyclophane gem-Diol Complexes Encapsulated by Electrospun Tecophilic Nanofibers:Formation of Nanosilver Particles and Antimicrobial Activity［J］.J Am Chem Soc，2005，127(7):2285 － 2291.

［10］YUAN Y，GAO G，JIANG Z，et al.Synthesis and selective anion recognition of imidazolium cyclophanes［J］.Tetrahedron，2002，58(44):8993 －8999.

［11］HERN N P，CABRERA M，LAVAGGI M L，et al.Discovery of new orally effective analgesic and anti-inflammatory hybrid furoxanyl N-acylhydrazone derivatives［J］.Bioorg Med Chem，2012，20(6):2158 －2171.

［12］GARRISON J C，SIMONS R S，TALLEY J M，et al.Synthesis and structural characterization of an imidazolium-linked cyclophane and the silver complex of an N-heterocyclic carbene-linked cyclophane［J］.Organometallics，2001，20(7):1276 － 1278.

［13］GABUTTI S，SCHAFFNER S，NEUBURGER M，et al.Planar chiral asymmetric naphthalenediimide cyclophanes:synthesis，characterization and tunable FRET properties［J］.Org Biomol Chem，2009(7):3222 －3229.

［14］FRISCH M J，TRUCKS G W，SCHLEGE H B，et al.Gaussian 03，Revision C.02［Z］.Wallingford CT:Gaussian Inc，2004.

［15］CRAM D J.The design of molecular hosts，guests，and their complexes［J］.J Incl Phenom，1988，6(4):397 －413.

［16］WU G，ROBERTSON D，BROOKS C，et al.Detailed analysis of grid-based molecular docking:A case study of CDOCKER-A CHARMm-based MD docking algorithm［J］.J Comput Chem，2003，24(13):1549 －1562.

［17］TREUTLER O，AHLRICHS R.Efficient molecular numerical integration schemes［J］.J Chem Phys，1995，102:346 －354.

［18］EICHKORN K，TREUTLER O，OEHM H，et al.Auxiliary basis sets to approximate Coulomb potentials［J］.Chem Phys Lett，1995，240(4):283 －289.

［19］MO Y，SUBRAMANIAN G，GAO J，et al.Cation-π Interactions:An Energy Decomposition Analysis and Its Implication in δ-Opioid Receptor-Ligand Binding［J］.J Am Chem Soc，2002，124:4832 － 4837.