一种哌若烷衍生物的合成、结构解析、Hirshfeld表面分析、密度泛函理论（DFT）研究、药效团分析以及计算机模拟研究：一项基于实验和理论方法的研究

《Journal of Molecular Structure》：Synthesis, structural elucidation, Hirshfeld surface, DFT, pharmacophore, and in silico studies of a piperonal derivative: A study based on experimental and theoretical methods

吡喃酮衍生物3a的合成与结构表征显示其具有显著的抗炎和抗癌潜力，通过氢键、π-π堆积及DFT计算验证了与蛋白5F19的相互作用机制。

　　

Darshan D|Santhosh C|Ravi Singh K|Chethan B S|Lohith T N|Sadashiva M P|Sunil K|Hemalatha P

印度卡纳塔克邦Tumkur市SSAHE的Sri Siddhartha理工学院化学系，邮编572105

摘要

本文合成了一种新型哌酮衍生物2-((benzo[d][1,3]dioxol-5-ylmethyl)amino)-2-thioxo-N-(p-tolyl)acetamide（3a），并利用先进的光谱技术（FT-IR、NMR）、单晶X射线衍射、Hirshfeld表面分析、密度泛函理论（DFT）计算和分子对接研究对其进行了全面表征。结构分析证实了酰胺键的存在，并揭示了主要由氢键（N-H...O）和C-H...π堆叠相互作用稳定的独特超分子结构。Hirshfeld表面映射量化了分子间相互作用，显示出芳香族堆叠接触的显著贡献。DFT计算使用了B3LYP泛函和6–311++G (d,p)基组。量子化学分析表明分子内电子分布广泛，电子描述符的细微差异表明其具有较高的反应性。该化合物的能隙为4.000 eV。通过分子对接分析发现，该化合物能与蛋白质5F19结合，该蛋白质通过抑制可溶性环氧水解酶发挥双重作用，用于治疗炎症和肿瘤发生。

引言

尽管在新型药物和疫苗的开发方面取得了进展，癌症仍然是工业化国家和发展中国家的主要死亡原因之一。仅2012年，全球癌症病例就达到了约1410万例，导致820万人死亡。东南亚地区报告了大量危及生命的癌症病例，包括乳腺癌、胃癌、结直肠癌和肝细胞癌[[1], [2], [3], [4]]。癌症源于基因突变的逐渐积累，这些突变将正常细胞转变为恶性细胞。这些细胞和分子层面的改变带来了复杂性，使得有效治疗变得困难[[5], [6], [7], [8]]。传统的治疗方法如化疗、放疗和手术仍然是癌症管理的主要手段。然而，晚期患者或患有实体瘤的患者由于转移和各种遗传或表观遗传异常，往往预后较差，这凸显了现有疗法的局限性。因此，迫切需要开发更有效的早期和晚期癌症治疗药物[[9], [10], [11], [12]]。

天然存在的杂环化合物在药物化学领域做出了重要贡献，尤其是在肿瘤学领域。氨基取代的杂环化合物（如aplysinopsine和clathridine）因其在对抗癌症、炎症以及阿尔茨海默病和唐氏综合征等神经系统疾病方面的潜力而受到广泛研究[[13], [14], [15], [16]]。Leucettamine B是一种从Leucetta microraphis中提取的化合物，含有氨基咪唑环和哌酮结构，也属于这一类。然而，其抗癌潜力尚未得到充分探索。在本研究中，我们评估了leucettamine B及其衍生物对多种癌细胞系的影响。除了这些化合物外，许多其他杂环化合物在药物发现中发挥了重要作用[[17], [18], [19]]。值得注意的例子包括噻唑烷酮、噻唑硫酮-4-酮和乙内酰脲衍生物。特别值得关注的是噻唑烷-2,4-二酮（TZD）结构，它已被广泛应用于治疗开发。例如，第一个抗高血糖药物ciglitazone于20世纪80年代问世，为后续药物如englitazone和rosiglitazone的研发奠定了基础[[20], [21], [22]]。

化合物2-((benzo[d][1,3]dioxol-5-ylmethyl)amino)-2-thioxo-N-(p-tolyl)acetamide（3a)基于其结构和电子特性，显示出良好的抗癌和抗关节炎活性潜力。其中包含的benzo[d][1,3]dioxole环常见于生物活性天然产物中，可能通过DNA插入、活性氧（ROS）调节或微管蛋白抑制等机制发挥抗癌作用。噻氧基（C=S）能够促进亲电相互作用，使其能够与生物靶标（包括与癌症相关的酶和富含半胱氨酸的蛋白质位点）发生共价结合。此外，乙酰胺和对甲苯基官能团有助于形成氢键和疏水相互作用，从而增强其在生物靶标中的结合亲和力。从抗关节炎的角度来看，该化合物的结构与已知的COX-2抑制剂相似，分子静电势（MEP）分析显示其电子丰富区域有利于与COX-2活性位点残基相互作用（如阿司匹林乙酰化后的COX-2 [PDB: 5F19）[23]）。该化合物还含有抗氧化官能团，可能减轻与关节炎相关的氧化应激和炎症。这些特性共同支持了该分子可作为兼具抗癌和抗炎作用的双重作用治疗剂的假设，需要通过分子对接、ADMET预测和生物实验进一步验证。

材料与方法

本研究中使用的所有化学品均从Merck、TCI和Sigma Aldrich等知名供应商处购买，按原样使用，无需进一步纯化。反应在0°C至室温范围内使用磁力搅拌器进行。通过60-F₂₅₄预涂硅胶板（厚度0.25 mm）上的薄层色谱法（UV灯，254 nm）监测所有反应过程。所有实验操作均使用双去离子水进行。

合成

采用多种光谱技术（如FTIR光谱、核磁共振（NMR）和高分辨率质谱（HRMS）对合成化合物3a的结构进行了严格验证。3a的1H NMR谱在CDCl₃溶液中、400 MHz Bruker光谱仪上记录，显示了16个不同的质子峰。其中，两个特征性的单峰分别位于10.13和9.73 ppm，对应于两个非等价的酰胺和硫酰胺NH基团。

结论

本研究结合实验、量子化学和计算方法，评估了新型哌酮衍生物（3a）的抗癌潜力。晶体结构分析表明，该化合物属于单斜晶系，空间群为P2₁/n。分子间相互作用（如N-H???O和C-H???π）对其自组装和晶体结构稳定性至关重要。Hirshfeld表面分析显示，范德华力（特别是H...H

未引用的参考文献

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CCDC-2475700包含本文的补充晶体学数据。这些数据可通过https://www.ccdc.cam.ac.uk/structures/免费获取，或通过电子邮件mailto:[e-mail]索取，也可联系剑桥晶体学数据中心（地址：12 Union Road, Cambridge CB2 1EZ, UK；传真：[phone],033）。

CRediT作者贡献声明

Darshan D：概念构思、形式分析、可视化、初稿撰写。Santhosh C：方法学研究、初稿撰写。Ravi Singh K：实验研究、方法学研究、初稿撰写。Chethan B S：软件应用、可视化、初稿撰写。Lohith T N：资源准备、可视化、初稿撰写。Sadashiva M P：审稿与编辑。Sunil K：项目管理、审稿与编辑。Hemalatha P：项目管理、监督、撰写。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。