吡啶连接的1,3,4-噁二唑类化合物经二级胺修饰后作为α-淀粉酶抑制剂：合成、晶体结构、酶动力学及计算研究

《Journal of Molecular Structure》：Pyridine-Linked 1,3,4-Oxadiazoles Decorated with Secondary Amines as α-Amylase Inhibitors: Synthesis, crystal structure, enzyme kinetics and Computational Studies.

α-淀粉酶抑制活性研究：新型1,3,4-噁二唑衍生物（5a-j）通过分子杂交策略合成，其中5c展现最强抑制（IC50=106.1±1.21 μM），非竞争抑制机制及晶体结构、计算化学、ADME分析证实其药效团和成药潜力。

　　在当今全球范围内，糖尿病已成为一种严重影响公共健康的慢性代谢性疾病。根据国际糖尿病联合会（IDF）发布的《糖尿病地图》2025年数据，20至79岁成年人中有约11.1%患有糖尿病，其中超过40%尚未被诊断。预计到2050年，糖尿病患者人数可能达到8.53亿。这种疾病的高发病率和广泛影响促使科学家不断探索新的治疗方法和药物，以有效控制血糖水平，降低并发症风险，并改善患者的生活质量。

在众多治疗策略中，抑制α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶被认为是管理餐后高血糖的重要手段。α-淀粉酶是一种存在于唾液和胰腺中的酶，能够将α-连接的多糖分解为麦芽糖，随后α-葡萄糖苷酶进一步将二糖分解为葡萄糖。这一过程在糖尿病患者的体内尤为关键，因为餐后血糖水平的升高是2型糖尿病（T2D）的一个早期特征。通过抑制这些酶，可以延缓碳水化合物的消化过程，从而控制血糖的上升速度，对糖尿病的治疗具有重要意义。

近年来，研究人员发现一些具有特定结构的化合物，如吡啶、噁二唑和哌嗪等，能够有效抑制α-淀粉酶，进而显示出良好的抗糖尿病潜力。噁二唑是一种五元杂环化合物，具有多种异构形式，其中1,3,4-噁二唑因其独特的化学结构和广泛的生物活性而受到关注。这种化合物的低芳香性和–N=C–O–键的结构使其在药物开发中具有优势，能够增强与靶标蛋白的相互作用，提高药物的生物利用度和代谢稳定性。

吡啶作为一种常见的杂环化合物，因其稳定性、溶解性和氢键能力而被广泛应用于药物设计中。它常被用作氨基、酰胺和苯环的生物等排体，能够改善药物的理化性质和生物活性。在抗糖尿病药物中，吡啶的引入有助于提高酶的结合能力、药物的口服生物利用度和代谢稳定性。例如，一些已上市的药物如烟酸、吡罗昔康和异烟肼均含有吡啶结构，显示出良好的药效。

哌嗪和吗啉等二级胺化合物也被认为是药物开发中的关键结构。这些化合物因其在药物分子中的普遍性和对药物性质的改善而受到重视。哌嗪在药物中的重要性仅次于哌啶和吡啶，能够提高药物的溶解性、灵活性和生物利用度。吗啉及其硫代衍生物（硫吗啉）则能够增强药物的药代动力学行为和靶标结合能力，使其成为许多已批准和正在研发药物中的重要药效团。

基于上述结构的药物开发潜力，研究人员开始探索将吡啶和1,3,4-噁二唑结构与二级胺（如哌嗪）进行分子杂化，以增强对α-淀粉酶的抑制能力，并进一步提升抗糖尿病的药效。这种分子杂化策略不仅能够结合不同结构的优势，还可能产生新的药效特征，为开发新型抗糖尿病药物提供新的思路。

在本研究中，科学家们成功合成了一个新的系列的吡啶连接的1,3,4-噁二唑衍生物（5a–5j），这些化合物的结构通过核磁共振（NMR）光谱和质谱分析得到了确认。其中，化合物5c表现出最强的α-淀粉酶抑制能力，其半数抑制浓度（IC??）为106.1±1.21 μM，显著优于标准药物阿卡波斯（acarbose）的IC??值35.8±1.25 μM。通过酶动力学研究（Lineweaver-Burk分析），发现化合物5c的作用机制为非竞争性抑制，其Km值从27.36 μM（对照组）增加到135.77 μM，同时Vmax值从1.55 μM min?1降低到0.135 μM min?1。这些结果表明，化合物5c能够有效干扰α-淀粉酶的活性，从而减缓碳水化合物的消化过程。

为了进一步验证化合物5c的结构和药效，研究人员采用了单晶X射线衍射技术对其晶体结构进行了分析。同时，通过Hirshfeld表面分析，研究人员发现化合物5c分子之间存在重要的分子间相互作用，其中氢键（H···H）占比最高，达到45.1%，其次是氢键与氮原子（H···N）和氢键与碳原子（H···C）的相互作用，分别占18.4%和12.6%。这些相互作用对于化合物与酶的结合能力至关重要，有助于提高其抑制效果。

在计算化学方面，研究人员利用密度泛函理论（DFT）计算方法对化合物5c的电子结构进行了研究。计算结果表明，化合物5c的HOMO-LUMO间隙为3.898 eV，这一数值与化合物的中等电子反应性相一致。这表明化合物5c具有一定的电子转移能力，可能在与酶的相互作用中发挥重要作用。此外，分子对接研究显示，化合物5c能够与α-淀粉酶形成多个氢键（2.4–3.6 ?），同时还能通过π–π堆积和疏水相互作用与酶的活性位点紧密结合，其对接能量为-7.7到-8.0 kcal mol?1，优于标准药物阿卡波斯的对接能量，显示出更强的抑制效果。

药物的理化性质和生物利用度是评估其作为候选药物的重要指标。在本研究中，研究人员对化合物5c进行了ADME（吸收、分布、代谢和排泄）性质的分析。结果表明，化合物5c具有良好的口服生物利用度，其分子量（MW）为323.35 g·mol?1，辛醇-水分配系数（logP）为0.42，拓扑极性表面积（TPSA）为84.07 ?2，且无任何Lipinski违反项。这些参数表明化合物5c符合药物的理化性质要求，具有良好的药代动力学行为，适合作为口服药物使用。

综上所述，本研究通过实验和计算方法的结合，成功开发出一系列新型的吡啶连接的1,3,4-噁二唑衍生物，并对其药效进行了深入研究。其中，化合物5c在α-淀粉酶抑制方面表现出优异的活性，其作用机制为非竞争性抑制，能够有效延缓碳水化合物的消化过程，控制餐后血糖水平。此外，化合物5c的结构和理化性质均符合药物的要求，显示出良好的药物潜力。这些发现为开发新型抗糖尿病药物提供了重要的基础，也为进一步的药物优化和临床研究奠定了基础。

在药物开发过程中，分子杂化策略是一种有效的方法，能够结合不同结构的优势，从而提高药物的活性和选择性。通过将吡啶和1,3,4-噁二唑结构与哌嗪等二级胺结合，研究人员成功开发出一系列具有潜在抗糖尿病作用的化合物。这些化合物的结构不仅能够增强与酶的相互作用，还能够提高药物的稳定性和生物利用度，为未来的药物设计提供了新的思路。

此外，计算化学方法在现代药物开发中发挥着越来越重要的作用。分子对接、ADME预测和密度泛函理论（DFT）研究等计算手段能够帮助研究人员快速评估药物的活性和药代动力学行为，从而减少实验成本和时间。在本研究中，计算方法不仅验证了化合物5c的结构和电子性质，还进一步揭示了其与α-淀粉酶的相互作用机制，为药物设计提供了重要的理论支持。

药物的开发是一个复杂的多步骤过程，涉及化学合成、结构确认、生物活性评估和理化性质分析等多个环节。在本研究中，科学家们通过系统的实验和计算方法，成功完成了这些步骤，并验证了化合物5c的药效。这些结果表明，化合物5c不仅具有良好的生物活性，还符合药物的理化性质要求，具有良好的口服生物利用度，适合作为抗糖尿病药物的候选。

为了进一步推动药物的开发和应用，研究人员还需要进行更多的实验和计算研究，以全面评估化合物5c的药效和安全性。此外，还需要探索其他可能的分子杂化策略，以开发更多具有潜在抗糖尿病作用的化合物。这些研究不仅能够为糖尿病的治疗提供新的药物选择，还能够为其他相关疾病的治疗提供新的思路。

总之，本研究通过合成和表征一系列新型的吡啶连接的1,3,4-噁二唑衍生物，验证了其在α-淀粉酶抑制方面的优异活性，并进一步分析了其作用机制和理化性质。这些发现为开发新型抗糖尿病药物提供了重要的基础，也为未来的药物优化和临床研究奠定了基础。同时，本研究也展示了分子杂化策略在药物开发中的潜力，以及计算化学方法在现代药物研究中的重要性。这些成果不仅有助于改善糖尿病患者的治疗效果，还可能为其他相关疾病的治疗带来新的突破。