新型偶氮基咪唑[1,2-a]吡啶衍生物的合成、表征及生物学评价：体外和计算机模拟研究

《ACS Omega》：Synthesis, Characterization, and Biological Evaluation of Novel Azo-Based Imidazo[1,2-a]pyridine Derivatives: In Vitro and In Silico Investigations

抗多重耐药菌的咪唑[1,2-a]吡啶偶氮衍生物合成及活性研究。采用溶剂-free条件合成并表征了咪唑[1,2-a]吡啶偶氮衍生物（4a-f），通过DFT计算分析其电子结构、电荷分布及 frontier轨道特性，发现ΔEgap在2.96-3.22 eV间，与抗菌活性相关。体外测试显示4e对大肠杆菌和铜绿假单胞菌的MIC为0.5-1.0 mg/mL，4c对多重耐药菌株（如CTXM和NDM1）的MIC为0.5-0.7 mg/mL，且4b和4c抑制生物膜形成（0.4 mg/mL）。分子对接显示4b与GyrB结合能-10.4 kcal/mol，4d与PBP3结合稳定。ADME分析表明多数化合物符合药代动力学特征。

　　这项研究聚焦于一种新型的azo基咪唑并吡啶衍生物的合成与全面表征，以及其抗菌和抗生物膜活性的评估。通过结合化学合成、分子结构分析、电子特性研究和分子模拟技术，研究人员对这些化合物的生物活性机制进行了深入探讨，为未来抗菌药物的开发提供了潜在的分子骨架。以下是对研究内容的详细解读。

### 合成与表征

研究人员通过一种高效且简便的方法合成了azo基咪唑并吡啶衍生物（4a–f）。合成过程首先通过无溶剂条件下的缩合反应，从2-氨基吡啶和苯乙基溴化物中制备了2-苯基咪唑并吡啶衍生物。随后，通过硝化反应和锌介导的还原反应，制备了2-苯基咪唑并吡啶-3-胺衍生物。最终，通过偶联反应将这些中间体与酚类化合物结合，得到了目标化合物4a–f。所有合成的化合物均通过核磁共振（NMR）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和质谱（MS）进行了表征，以确保其结构正确性。

NMR谱图显示了化合物4a–f的特征信号。例如，化合物4a的NMR谱中，OH质子表现出强烈的单峰，表明其具有显著的氢键相互作用。苯环和吡啶环的质子信号也显示出特定的分布模式，反映出分子的构型。FT-IR光谱则提供了分子中官能团的特征吸收峰，如O–H、C–H、N＝N、C＝N、C＝C、C–O和C–C等。质谱分析则确认了化合物的分子量，并通过实验数据验证了其理论分子质量的准确性。

### 分子特性分析

为了深入了解这些化合物的电子结构和反应性，研究团队采用了密度泛函理论（DFT）进行计算。DFT计算在B3LYP/6-311++G(d,p)水平上进行了优化，以确定稳定的分子构型。优化后的分子结构显示，咪唑并吡啶核心呈现出主要的平面构型，而偶联的azo（–N＝N–）基团则通过电子离域作用增强了分子的电子特性。这些分子的平面结构也有助于π–π堆积相互作用，这在与生物靶点如细菌酶和DNA的结合中可能发挥关键作用。

进一步的分析揭示了这些化合物的前线分子轨道（FMOs）和全球反应性描述符。HOMO（最高占据分子轨道）和LUMO（最低未占据分子轨道）的分布表明，电子在分子的整个框架内有显著的离域作用，从而促进了电荷转移和电子通信。这种广泛的电子离域作用对分子的电子特性、反应性和生物活性具有重要影响。此外，HOMO–LUMO能隙（ΔEgap）作为分子稳定性和反应性的关键描述符，显示了各化合物的电子行为。例如，化合物4c具有最小的ΔEgap（2.96 eV），表明其具有较高的反应性，而化合物4e的ΔEgap（3.22 eV）稍大，表明其具有较高的稳定性。然而，这些化合物的生物活性并非仅由单一描述符决定，而是多种电子和结构因素的综合作用。

### 抗菌活性评估

在抗菌活性方面，化合物4a–f被评估了对六种细菌菌株的抑制效果，包括革兰氏阴性菌（如大肠杆菌、肺炎克雷伯菌和铜绿假单胞菌）、革兰氏阳性菌（如金黄色葡萄球菌）以及多药耐药菌株（如大肠杆菌CTXM和肺炎克雷伯菌NDM）。结果显示，化合物4e在多种菌株中表现出最强的抗菌活性，其最小抑制浓度（MIC）低至0.5–1.0 mg/mL，且在耐药菌株中也保持了良好的活性。化合物4c和4b则在抑制生物膜形成方面表现出色，分别在0.4 mg/mL的浓度下对大肠杆菌显示出显著的抗生物膜活性。

这些结果表明，化合物的抗菌活性与其电子特性密切相关。例如，化合物4e的高电荷亲和性（ω = 5.99 eV）可能使其能够与细菌蛋白质中的电子富集残基形成共价或半共价相互作用，从而提高其抗菌效果。而化合物4c的卤素取代可能通过增强膜渗透性和促进疏水性相互作用，提高了其对特定菌株的活性。相比之下，化合物4f由于其较低的电荷亲和性和较弱的极性，表现出较差的抗菌活性。

### 抗生物膜活性分析

所有化合物在不同浓度下均显示出对生物膜形成的抑制作用。其中，化合物4c、4d和4e在0.4 mg/mL的浓度下对大肠杆菌显示出显著的抗生物膜活性。这种生物膜抑制效果可能与化合物的结合能力有关，例如对关键酶如PBP3的结合亲和力。此外，分子对接研究显示，化合物4b在与GyrB的结合中表现出最高的结合能（?10.4 kcal/mol），表明其具有良好的结合潜力。

### 分子对接与动态模拟

分子对接分析进一步揭示了这些化合物与细菌靶点之间的结合能力。化合物4b在GyrB的结合能最高，显示出其在抗菌活性中的重要作用。而化合物4c和4d在与OXA-1的结合中也表现出良好的结合能。这些结果表明，某些化合物可能通过多靶点机制发挥抗菌作用，从而提高其活性。

为了验证分子对接结果的动态稳定性，研究人员进行了分子动力学（MD）模拟。模拟结果显示，化合物4b与GyrB的结合在100 ns的轨迹中保持稳定，表明其能够维持在结合口袋中。此外，RMSD（均方根偏差）分析表明，蛋白质和配体的构型在模拟过程中保持相对稳定，进一步支持了这些化合物的结合能力。

### 药代动力学与药物相似性预测

通过in silico方法对化合物的药代动力学（ADME）和药物相似性进行了预测。结果显示，大部分化合物具有良好的口服生物利用度和安全特性。例如，化合物4e和4f表现出较高的水溶性（LogS），而化合物4c和4d的脂溶性（LogP）较低，这可能影响其吸收和分布。此外，所有化合物均符合Lipinski规则，表明其具有药物样特性。

### 结论

综上所述，这项研究为azo基咪唑并吡啶衍生物作为新型抗菌药物的开发提供了坚实的理论和实验基础。这些化合物不仅表现出良好的抗菌和抗生物膜活性，还具有较高的药物相似性和药代动力学特性，显示出在临床应用中的潜力。未来的研究将集中在这些化合物的体内活性、毒性和结构-活性关系（SAR）优化上，以进一步提高其治疗效果和安全性。