萜类驱避化合物与引诱物三分子缔合的计算研究

【目的】目前驱避剂的作用机理研究还不理想,本研究从单个萜类驱避化合物分子与不同种类引诱气味分子同时相互缔合的角度入手,通过理论计算探究该缔合与蚊虫驱避作用的关系,从而为驱避作用机理研究提供新认识。【方法】利用Gaussian View 4.1和Gaussian 03W软件构建和优化萜类驱避化合物单体、单体与引诱物L-乳酸及氨分子同时缔合后三分子缔合体的结构,获得其最低能量结构和缔合能;通过程序Ampac 8.16将前述结构导入到程序Codessa 2.7.10,计算各类结构描述符;再利用Codessa 2.7.10的启发式方法得到一系列缔合体结构描述符与驱避活性之间的定量关系模型,并通过转折点确定、模型验证后确定最佳定量关系计算模型。【结果】三分子缔合的缔合能基本上在20~50 kJ/mol的范围,所得最佳三参数定量计算模型的R²值为0.9098,包含的3个结构描述符分别是三分子缔合体的maximum nucleophilic reactivity index for a C atom,topographic electronic index (all bonds) ［Zefirov’s PC］和exchange energy + e-e repulsion for a H-O bond。【结论】萜类驱避化合物分子可同时与2个不同种类的引诱物分子发生缔合作用,该缔合作用符合氢键的能量基本特征;缔合体的碳原子最大原子核反应指数、所有键的拓扑电子指数、氢氧键电子间交换互斥能对驱避活性影响显著。这些结果初步说明萜类驱避化合物与引诱物三分子缔合作用确实存在,且该缔合作用对驱避活性具有显著影响,这为驱避机理的研究提供了新的理论依据。     

定量计算萜类蚊虫驱避化合物与羧酸缔合作用对其驱避活性的影响

【目的】驱避剂是防止蚊虫叮咬的良好个人防护用品,但其作用机理一直未被解释清楚。本研究利用化学计算手段对4种重要的人体引诱物（乙酸、丙酸、丁酸和戊酸）与22个萜类驱避化合物的缔合作用以及该作用对驱避活性的影响进行了研究,以期为蚊虫驱避机理研究提供新思路。【方法】利用GAUSS View软件构建引诱化合物分子、驱避化合物分子以及二者可能形成的缔合体结构,再利用GAUSSIAN软件优化所有结构,并计算它们的能量和各类参数;借助AMPAC和CODESSA软件计算出所有结构的描述符;以萜类驱避化合物对白纹伊蚊Aedes albopictus校正驱避率的对数值（logCRR）为活性数据,利用CODESSA软件建立描述符与驱避活性的定量构效关系模型。【结果】4种羧酸与萜类驱避化合物相互缔合的缔合能量大多在18~20 kJ/mol之间,缔合距离和角度分别在2.0~2.5 Å 和110°~180°内波动,符合氢键相互作用的特征。4个最优定量构效关系模型的R²值均大于0.9,模型中的参数都包含缔合体的描述符,表明引诱物 驱避物缔合作用与校正驱避率的对数值显著相关。【结论】4种羧酸与萜类驱避化合物之间存在中等强度的氢键缔合作用,该缔合作用对驱避活性具有重要影响。研究初步揭示了引诱物 驱避物缔合作用的存在,也为从新的角度研究蚊虫驱避机理提供了前期研究基础。     

酰胺类蚊虫驱避化合物与引诱物氨分子缔合作用的计算

【目的】为了探究驱避机理,此前选择萜类驱避化合物及与DEET(避蚊胺)具有类似结构的酰胺类驱避化合物,开展了驱避化合物与引诱气味组分(L-乳酸、羧酸等)缔合作用对驱避活性影响的研究。为了扩大驱避化合物的类型,本研究选择另外一组43个酰胺类驱避化合物,计算了它们与蚊虫引诱物氨之间的双分子缔合作用,以及该缔合作用对驱避活性的影响,从而为驱避机理研究提供帮助。【方法】用Gaussian 03软件优化驱避化合物单体和双分子缔合体的三维结构式;通过Ampac和Codessa软件建立结构与驱避活性之间的定量构效关系模型。【结果】驱避化合物与氨分子的缔合距离、角度和缔合能量分别是2.2~3.0,128~180°和14~25 k J/mol;最佳四参数模型中R2为0.8987,其中2个参数来自驱避化合物单体,分别是(1/6)X GAMMA polarizability(DIP)和ESPminimum net atomic charge for an H atom,另外2个参数来自双分子缔合体,分别是ESP-DPSA-2 difference in CPSAs(PPSA2-PNSA2)[Quantum-Chemical PC]和Minimum valency of a C atom。模型检验中训练集和测试集的相关系数平方的平均值分别为0.9013和0.8666。【结论】驱避化合物与氨分子之间存在弱氢键力缔合作用,驱避化合物分子的极化度及其与氨分子之间的极性相互作用、缔合体中分子间键相互作用及其电荷分布均对驱避活性产生显著影响,说明双分子缔合对驱避活性具有显著影响。模型检验表明最佳四参数模型具有良好的稳定性和预测能力。本研究可为寻找新型蚊虫驱避剂和揭示蚊虫驱避剂的作用机理提供参考。     

蚊虫驱避化合物与人体分泌的引诱物L-乳酸分子间弱相互作用的计算

【目的】驱避剂是蚊虫防治的重要手段之一。前期研究发现,在驱避剂的使用过程中,驱避化合物分子与人体分泌的引诱物分子存在相互作用。为深入了解这种相互作用的本质,本研究从量子化学的角度分析了3种驱避化合物分子与引诱物分子L-乳酸相互作用过程中几何结构、结合能、电荷布居和热力学参数等量化参数的变化,以期从计算机模拟角度揭示驱避化合物分子与引诱物分子相互作用的形式、强度和规律。【方法】本研究选择了3种在驱蚊方面具有代表性的驱避化合物,即8-羟基别二氢葛缕醇甲酸酯(R1)、羟基香茅醛-1,2-丙二醇缩醛(R2)和N,N-二乙基间甲基苯甲酰胺(避蚊胺)(DEET),使用Gaussian 09量子化学计算程序包对驱避化合物分子单体R1,R2,DEET和人体引诱物分子单体L-乳酸以及驱避化合物分子与L-乳酸的缔合体进行结构构建;在M06-2X-D3/6-311G(d,p)水平上优化所有单体、缔合体的几何结构,并做振动频率计算;在M06-2X-D3/6-311+G(d,p)水平上对单体、缔合体进行单点能计算。【结果】驱避化合物分子R1,R2和DEET与L-乳酸的缔合距离在2.64~2.74之间,缔合角度在170~175°之间,缔合后,L-乳酸羧基上氧氢键分别伸长0.019,0.029和0.022;R1,R2和DEET与L-乳酸缔合过程的结合能ΔE依次为-50.278,-72.385和-66.977 k J/mol,焓变ΔH分别为-43.715,-65.559和-60.465 k J/mol,熵变ΔS分别为-0.138,-0.159和-0.157 k J/mol·K,自由能变ΔG分别为-2.652,-18.090和-13.784 k J/mol;R1,R2和DEET与L-乳酸缔合过程中,L-乳酸的总净电荷由0 e分别变为-0.0248,-0.0250和-0.0168 e。【结论】计算结果表明,驱避化合物分子R1,R2和DEET与L-乳酸均通过中强氢键缔合,并且R2与L-乳酸的氢键作用最强,形成的缔合体也最为稳定。     

芳香羧酸衍生物驱避剂的非线性定量构效关系

【目的】驱避剂可使害虫不敢接近受用者从而保护受用者免遭其害。建立高精度、可解释性强的非线性定量构效关系(quantitative structure activity relationship, QSAR)模型对设计合成新的高效昆虫驱避剂有重要意义。【方法】基于37个芳香羧酸类化合物对家蝇Musca domestica的驱避活性,以量子化学计算软件PCLIENT获取每一化合物初始描述符,以二元矩阵重排过滤器、多轮末尾淘汰实施特征非线性筛选,以支持向量回归(support vector regression, SVR)建立非线性QSAR模型,以SVR非线性解释体系分析各保留描述符对驱避活性的影响。【结果】1 542个初始描述符的SVR模型F=1.2,特征筛选后6个保留描述符的SVR模型F=184.6,特征筛选对QSAR模型精度有重要影响。6个保留分子描述符的重要性依次为p4BCD>GATS7v>T(O..O)> JGI8>SssO>nArCONR2。【结论】保留描述符与芳香羧酸类化合物对家蝇驱避活性的非线性关系明显,获得了高精度、普适性强的非线性SVR-QSAR模型。     

香茅醛缩醛类化合物的合成及其对小黄家蚁的驱避活性

【目的】香茅醛类化合物具有较好的蚂蚁驱避活性,本研究旨在筛选具有良好驱避活性的新的萜类蚂蚁驱避剂。【方法】以香茅醛为原料合成了香茅醛二甲缩醛、香茅醛二乙缩醛、香茅醛二正丙缩醛、香茅醛二异丁缩醛、香茅醛乙二缩醛、香茅醛1,2-丙二缩醛和香茅醛1,3-丙二缩醛等化合物。所得产品经纯化后,用IR, MS, ¹H NMR及¹³C NMR进行结构表征,并在不同浓度下对小黄家蚁Monomorium pharaonis进行驱避活性测试。【结果】各化合物对小黄家蚁具有一定的驱避活性：在10 mg/mL的浓度下,除香茅醛二甲缩醛以外,其他化合物的驱避率均达到70%以上,其中香茅醛二乙缩醛、香茅醛乙二缩醛和香茅醛1,3-丙二缩醛对小黄家蚁的驱避率分别为87.47%,100%和97.53%。浓度为2.5 mg/mL时,其中5个化合物的驱避效果明显下降,但香茅醛乙二缩醛和香茅醛1,3-丙二缩醛仍然表现出很好的驱避活性,驱避率分别为85.33%和97.10%。方差分析也表明,香茅醛1,3-丙二缩醛在同一浓度下驱避效果最佳,其次是香茅醛乙二缩醛。【结论】结果说明,香茅醛二乙缩醛、香茅醛乙二缩醛和香茅醛1,3 丙二缩醛可以用作小黄家蚁驱避剂,而香茅醛乙二缩醛和香茅醛1,3-丙二缩醛可以达到更好的驱避效果,使用浓度为2.5 mg/mL即可。本研究为良好萜类蚂蚁驱避剂的筛选提供了参考依据。     

羟基香茅醛缩醛类化合物的合成及对蚊虫的驱避活性

为了寻找新的萜类驱避剂, 以羟基香茅醛为原料, 合成羟基香茅醛二甲缩醛、 羟基香茅醛乙二醇缩醛、 羟基香茅醛1, 3-丙二醇缩醛和羟基香茅醛1, 2-丙二醇缩醛, 用红外光谱IR、 质谱MS分析其结构, 对羟基香茅醛1, 2-丙二醇缩醛还进行了¹H NMR及¹³C NMR分析。按国标GB/T 13917.9-2009测定了它们对白纹伊蚊Aedes albopictus、 中华按蚊Anopheles sinensis及淡色库蚊Culex pipiens的驱避活性。结果表明: 10%（质量分数）羟基香茅醛二甲缩醛和羟基香茅醛1, 2-丙二醇缩醛对中华按蚊的驱避时间均达到国标B级; 羟基香茅醛1, 2-丙二醇缩醛还对其他的蚊虫具有驱避作用, 20%（质量分数）羟基香茅醛1, 2-丙二醇缩醛对白纹伊蚊的驱避时间超过国标B级; 10%（质量分数）羟基香茅醛1, 2-丙二醇缩醛对淡色库蚊的驱避时间超过国标A级。这些结果说明它们对不同蚊种驱避活性的差别, 为不同场合的驱蚊需要提供了理论基础。     

多炔类化合物对亚洲玉米螟产卵驱避作用及玉米螟的触角电位反应

以茵陈二炔为结构母体,人工合成了11个多炔类化合物。采用蜡纸接卵法,测定了11 个化合物对亚洲玉米螟Ostrinia furnacalis的产卵驱避活性。结果表明: 当处理浓度为20 μg/cm²时,受试的化合物对亚洲玉米螟的产卵行为具有一定程度的驱避作用,其中化合物9（1-苯基-4-甲基-丁二炔）对亚洲玉米螟产卵驱避作用明显, 调查处理后的3天、4天、 5天和6天,其产卵驱避率分别为85.71%、80.00%、61.27%和62.51%。触角电位测定表明,受试的11个化合物对亚洲玉米螟成虫触角感受器具有刺激作用,其中化合物6和化合物9能强烈地刺激产生高振幅的动作电位。10 mg/mＬ浓度处理,测得化合物6触角电位相对值, 雌、雄虫分别为68.22% 和106.60%,化合物9分别为199.19% 和220.60%。经回归分析所测11个化合物的产卵驱避活性与触角电位反应相对值,两者呈现一定程度上的相关性。还讨论了合成的多炔类化合物对亚洲玉米螟可能的作用靶标和结构与活性间的关系。     

迷迭香植物精油对白纹伊蚊的驱避作用及其化学成分

应用水蒸气蒸溜法和超临界二氧化碳萃取法提取生长于云南的迷迭香茎叶植物精油,测试2种精油对白纹伊蚊Aedes albopictus Skuse的驱避作用,并利用GC/MS联用仪分析2种精油的化学成分。结果表明:超临界二氧化碳提取的迷迭香精油对白纹伊蚊的驱避时间是(5.82±1.13)h,达到国标驱避剂评价的B级标准。2种精油化学成分中都含有驱纹活性物质:柠檬烯、樟脑、Eucalyptol、(+)-4-Carene、1-methyl-4-(1-methyle thylidene)-cyclohexene、Beta-pinene等,且驱蚊活性成分在挥发油中占有较高比例,显示该植物精油在驱蚊方面有一定开发价值。     

四种植物精油对德国小蠊的驱避效果

室内测定4种蚊虫驱避效果较好的植物精油(香叶醇、芳樟醇、柠檬醛和茴香醛)对德国小蠊雄性成虫的驱避性,并与传统上常用的驱避剂DEET作对比研究,以期从中筛选出对德国小蠊驱避效果较好的驱避剂。每种植物精油设置4个剂量,即1,10,100和1000μg/cm2。结果表明,每种植物精油的驱避性均随剂量的增加而升高,4种精油的驱避性均高于DEET,驱避性最好的是芳樟醇;当剂量为100和1000μg/cm2时,每种植物精油的驱避性与对照组相比均有显著差异(P<0·05);除芳樟醇外,其余植物精油在剂量为1000μg/cm2时的驱避性与100μg/cm2的驱避性相比差异显著(P<0·05)。提示芳樟醇可能是一种很有发展前景的德国小蠊驱避剂。     

Molecular interactions between terpenoid mosquito repellents and human-secreted attractants

Molecular interactions between terpenoid mosquito repellents and three typical human-secreted attractants, ammonia, 1-octen-3-ol, and formic acid were studied. Relative energies, bond distances, and bond angles of the molecular interactions were obtained at HF level to evaluate the interaction intensity and types. The effects of molecular interactions on repellency were investigated by the subsequent quantitative structure–activity relationship (QSAR) study. The results of this study suggest that attractant–repellent interaction should not be ignored and could be helpful for future research on the repelling mechanism of mosquito repellents.     

Rise in CO<Subscript>2</Subscript> affects soil water transport through repellency

Several studies have shown improved soil stability under elevated atmospheric CO₂ caused by increased plant and microbial biomass. These studies have not quantified the mechanisms responsible for soil stabilisation or the effect on water relations. The objective of this study was to assess changes in water repellency under elevated CO₂. We hypothesised that increased plant biomass will drive an increase in water repellency, either directly or through secondary microbial processes. Barley plants were grown at ambient (360 ppm) and elevated (720 ppm) CO₂ concentrations in controlled chambers. Each plant was grown in a separate tube of 1.2 m length constructed from 22 mm depth × 47 mm width plastic conduit trunk and packed with sieved arable soil to 55% porosity. After 10 weeks growth the soil was dried at 40°C before measuring water sorptivity, ethanol sorptivity and repellency at many depths with a 0.14 mm radius microinfiltrometer. This provided a microscale measure of the capacity of soil to rewet after severe drying. At testing roots extended throughout the depth of the soil in the tube. The depth of the measurement had no effect on sorptivity or repellency. A rise in CO₂ resulted in a decrease in water sorptivity from 1.13 ± 0.06 (s.e) mm s^−1/2 to 1.00 ± 0.05 mm s^−1/2 (P < 0.05) and an increase in water repellency from 1.80 ± 0.09 to 2.07 ± 0.08 (P < 0.05). Ethanol sorptivity was not affected by CO₂ concentration, suggesting a similar pore structure. Repellency was therefore the primary cause of decreased water sorptivity. The implications will be both positive and negative, with repellency potentially increasing soil stability but also causing patchier wetting of the root-zone.     

Discovery of substituted phenyl urea derivatives as novel long-acting β2-adrenoreceptor agonists

The synthesis of diverse functionalized ureas in a semi-parallel fashion is described, as well as their β₁/β₂-adrenergic activities and the corresponding structure-activity relationship (SAR). We have focused on lipophilicity and duration of action, and we have discovered a strong correlation in this series of molecules. A quantitative structure-activity relationship (QSAR) analysis will be presented that quantifies this relationship.     

二氧化碳储存通量对森林生态系统碳收支的影响

涡度相关系统观测高度以下的CO₂储存通量对准确评价森林生态系统与大气间净CO₂交换量（NEE）有着重要的影响.本研究以长白山阔叶红松林为研究对象,利用2003年的涡度相关观测数据以及CO₂浓度廓线数据,分析了CO₂储存通量的变化规律及其对碳收支过程的影响.结果表明：涡度相关观测高度以下的CO₂储存通量具有典型的日变化特征,其最大变化量出现在大气稳定与不稳定层结转换期.利用涡度相关系统观测的单点CO₂浓度变化方法与利用CO₂浓度廓线方法计算的CO₂储存通量差异不显著.忽略CO₂储存通量,在半小时尺度上会造成对夜间和白天的NEE分别低估25%和19%,在日和年尺度上,会对NEE低估10%和25%;忽略CO₂储存通量,会低估Michaelis-Menten光响应方程及Lloyd-Taylor呼吸方程的参数,并且对表观初始量子效率α和参考呼吸R_ref的低估最大;忽略CO₂储存通量,在半小时、日及年尺度上,均会对总光合作用（GPP）和生态系统呼吸（R_e）低估约20%.     

Molecular insight into the micro-behaviors of CH4 and CO2 in montmorillonite slit-nanopores

Abstract

The Grand Canonical Monte Carlo (GCMC) and molecular dynamics (MD) simulation methods were used to investigate the adsorption and diffusion properties of CH₄ and CO₂ in montmorillonite slit-nanopores. It is found that, both CH₄ and CO₂ could adsorb closely onto the pore surface, while different adsorption states occur for CH₄ and CO₂, respectively, in montmorillonite slit-nanopores. Competitive adsorption of CO₂ over CH₄ exists in montmorillonite slit-nanopores, especially at the lower pressures, which is attributed to the different interaction intensity between the CH₄–CO₂ molecules and the pore surface. The diffusion coefficients of CH₄ and CO₂ both decrease with the enhanced pressures, while the CO₂ has a relative weak diffusion coefficient comparing with CH₄. A well displacement of the residual CH₄ by CO₂ in montmorillonite slit-nanopores was investigated, which is found that the displacement efficiency increases with the enhanced bulk pressures. It was determined that, the CO₂ can be captured and reserved in the montmorillonite slit-nanopores during the displacement, and the sequestration amount of CO₂ gets enhanced with the bulk pressure increasing. This study provides micro-behaviours of CH₄ and CO₂ in montmorillonite slit-nanopores, for the purpose to give out useful guidance for enhancing shale gas extraction by injecting CO₂.