《Journal of Fluorine Chemistry》：Exploring the Conformation of the Difluoromethyl Motif in Sulfentrazone and Related PPO Inhibitors
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氟化杀菌剂中二氟甲基基团的构象稳定性及对PPO抑制酶的影响研究表明，通过密度泛函理论计算发现Lewis型相互作用（立体和偶极）主导构象稳定，而非gauche效应。磺entrazone的合成类似物显示二氟甲基的合成构象能量更低，氟原子与氨基酸残基的相互作用可能影响生物活性。
马特乌斯·P·弗雷塔斯（Matheus P. Freitas）
巴西米纳斯吉拉斯州拉夫拉斯联邦大学（Federal University of Lavras）自然科学研究所化学系，邮编37200-900
摘要
氟化除草剂在农化学中起着重要作用，尤其是在原卟啉原IX氧化酶（protoporphyrinogen IX oxidase，简称PPO）抑制剂中，例如乙氟氟草（acifluorfen）和磺草酮（sulfentrazone）。虽然乙氟氟草中的三氟甲基（trifluoromethyl）基团的影响已经得到充分证实，但磺草酮中的二氟甲基（difluoromethyl）基团的构象作用，以及含有噁唑酮（oxazinone）和噻唑（thiazole）环的PPO抑制剂中的类似作用，仍不够明确。为了解决这个问题，利用密度泛函理论（density functional theory）研究了磺草酮中二氟甲基部分的旋转行为，以及代表性的噁唑酮和噻唑衍生物中的旋转行为，重点关注路易斯型（立体和偶极）和非路易斯型（电子离域）因素对构象稳定性的影响。在所有三种情况下，路易斯型相互作用占主导地位，甚至超过了通常归因于超共轭稳定的“左旋”（gauche）效应。这些发现强调了在设计依赖于C–F键构象动力学的PPO抑制剂时，最小化大体积或极性基团之间的立体和偶极排斥的重要性。
引言
原卟啉原IX氧化酶（PPO）抑制剂是新一代除草剂，广泛用于大豆等作物的萌前和萌后杂草控制。乙氟氟草（Acifluorfen，图1）是一种成熟的商业PPO抑制剂，其中含有一个三氟甲基基团，该基团对其生物活性至关重要。这个氟化基团位于PPO活性位点附近，靠近FAD479辅因子以及几个关键氨基酸残基（ALA172、ILE419、VAL170和VAL314），对分子识别和结合亲和力有显著贡献[1]。
磺草酮（Sulfentrazone）是另一种常用的PPO抑制剂，其特征是一个二氟甲基（-CHF2）基团。尽管该基团在结构上很重要且具有除草效果，但其构象行为尚未得到充分研究，尽管它可能显著影响生物活性。尽管蛋白质数据库中没有磺草酮的生物活性构象信息，但通过对接模拟预测了其可能的生物构象[2]。结果表明其构象为“反式”（anti），其中二氟甲基的氢原子朝向羰基氧原子，而氟原子似乎与GLY175和THR176残基发生相互作用（图1）。
二氟乙基（difluorothethyl）和二氟亚甲基（difluoromethylene）基团是小分子药物和农化品设计中常见的结构基团[3]。它们可以增强构象稳定性，调节分子极性，并影响挥发性、气味等物理性质[4][5][6][7][8][9]。在取代的乙烷体系中，-CHF2基团通常表现出“左旋”效应，即C–F键相对于相邻的C–X键（X为电负性取代基）采用“顺式”（synclinal）取向，这是由于有利的超共轭相互作用（σCH?→?σ*CX/CF）[10]。相反，当乙烷片段含有连位氟原子时（如1,1,2-三氟乙烷和1,1,2,2-四氟乙烷），相邻的氢原子倾向于采用“反式”取向[11]。
在磺草酮中，二氟甲基基团与一个噻唑环相连。涉及C–H和C–F键的键内和空间相互作用可以影响分子的构象偏好和稳定性。
本研究对磺草酮中N–C(HF2)键周围的旋转行为进行了量子化学分析。为了更好地理解周围环系统如何影响二氟甲基基团的构象，通过用2-磺酰基-1,3-噻唑（2-sulfanyl-1,3-thiazole）或2H-1,4-噁唑-3(4H)-酮（2H-1,4-oxazin-3(4H)-one）基团替换1,2,4-三唑-3-酮（1,2,4-triazol-3-one）环，设计了理论模型（图1）。这些杂环化合物与已知的苯并噻唑（benzothiazole）和苯并噁唑酮（benzoxazinone）PPO抑制剂在结构上相关，研究表明它们可以影响除草效力[2][12][13][14][15][16][17]。
计算方法
由于缺乏磺草酮的实验测定结构，最初使用Spartan程序中实现的基于随机方法的构象分布方法[18]，在半经验AM1水平[19]上对其构象进行了探索。然后对最稳定的构象进行了DFT B3LYP/6-31G(d,p)水平下的二面角（24步，每步15°）扫描（O=）C–N–C–H(F2）扭转角。每个得到的最小值都进一步进行了优化。
结果与讨论
磺草酮在(O=)C–N–C–H(F2)二面角周围发生旋转异构化，通过理论扫描确定了能量最小值（图2）。发现了两种构象，分别位于0°（“顺式”，syn）和180°（“反式”，anti），其中“顺式”构象比“反式”构象稳定5.0 kcal mol?1，这是通过B3LYP-GD3BJ/6-311++G(d,p)计算得出的。这种显著的能量差异导致“顺式”构象的比例预测为100%。类似的构象偏好也出现在其他研究中
结论
乙氟氟草中连接在苯环上的三氟甲基基团在PPO抑制活性中起关键作用。类似地，磺草酮、苯并噻唑-邻苯二甲酰亚胺（benzothiazole–phthalimide）杂化和苯并噁唑酮衍生物中的二氟甲基基团也预期会发挥类似的作用——尽管这种基团可以进行旋转异构化。因此，-CHF2基团中氟原子的取向可能对PPO活性位点内的结合亲和力至关重要
CRediT作者贡献声明
马特乌斯·P·弗雷塔斯（Matheus P. Freitas）：撰写原始稿件、方法论设计、研究实施、资金筹集、数据分析及概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢巴西高等教育部人员培训协调委员会（Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de Nível Superior，资助代码001）、巴西国家科学技术发展委员会（Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico，资助编号306830/2021-3）以及米纳斯吉拉斯州研究基金会（Funda??o de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais，FAPEMIG）对这项研究的财政支持。
