5-氯-6-氟-2-(2-吡嗪基)-1H-苯并咪唑的多功能潜力：从理论光谱、拓扑分析到抗微生物活性及分子对接研究

《Scientific Reports》：Comprehensive Theoretical, Spectroscopic, Solvent, Topological and Antimicrobial investigation of 5-Chloro-6-fluoro-2-(2-pyrazinyl)-1H-benzimidazole

为解决日益严峻的抗生素耐药性问题，研究人员对5-氯-6-氟-2-(2-吡嗪基)-1H-苯并咪唑(5CF2PB)开展了综合性研究。通过DFT计算、光谱分析及Hirshfeld表面分析，证实了其稳定的电子结构和分子间相互作用。体外抗菌实验显示其对铜绿假单胞菌和黑曲霉的抑制活性优于标准药物环丙沙星，分子对接和分子动力学模拟进一步揭示了其与靶蛋白(6TE7, 5O4L)的强结合亲和力，表明该化合物是一种具有开发前景的多功能先导分子。

　　

在当今全球公共卫生领域，感染性病原体带来的挑战日益严峻。随着传统抗生素的广泛使用，微生物展现出强大的耐药性进化能力，例如金黄色葡萄球菌对甲氧西林和青霉素的耐药，以及肺炎链球菌对大环内酯类和氟喹诺酮类的耐药。面对日益增长的耐药性，全新作用机制的新抗生素研发却进展缓慢，大多数进展依赖于对现有药物进行化学修饰以增强其效力。在这一背景下，含有苯并咪唑骨架的化合物因其在药物化学中的广泛应用和多样化的药理活性（如抗癌、抗菌、抗真菌和抗病毒）而备受关注。这些杂环结构为结构修饰提供了重要基础，通过引入卤素和杂原子等取代基，可以调控化合物的电学特性和非共价相互作用模式，从而增强其与生物靶点的结合亲和力和特异性。

本研究聚焦于一种新型苯并咪唑衍生物——5-氯-6-氟-2-(2-吡嗪基)-1H-苯并咪唑(5CF2PB)。该化合物分子量为248.64 g/mol，沸点为479°C。基于文献调研，目前尚未有关于该化合物的振动分析或量子化学研究的报道。因此，本研究旨在通过综合的理论、光谱学、拓扑学和生物学研究，全面评估5CF2PB的物理化学行为及其作为生物活性分子的潜力。

关键研究方法

本研究采用多学科交叉的研究策略，结合实验与理论计算，对5CF2PB进行了全面表征。实验方面，利用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、傅里叶变换拉曼光谱(FT-Raman)、核磁共振氢谱(¹H NMR)和紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)对化合物进行了光谱学表征。理论计算方面，采用密度泛函理论(DFT)在B3LYP/6-311++G(d,p)基组水平上对分子进行几何结构优化，并计算了其振动频率、自然键轨道(NBO)、前沿分子轨道(FMO)和分子静电势(MEP)。此外，还利用Hirshfeld表面分析、电子定域化函数(ELF)、定域化轨道定位器(LOL)、相互作用区域指示剂(IRI)和约化密度梯度(RDG)等方法对分子的拓扑性质和电子结构进行了深入分析。生物学评价方面，通过体外抗菌实验测试了化合物对革兰氏阳性菌（金黄色葡萄球菌、粪肠球菌）、革兰氏阴性菌（铜绿假单胞菌、大肠杆菌）和真菌（黑曲霉、白色念珠菌）的抑制活性。最后，通过分子对接和分子动力学(MD)模拟，研究了5CF2PB与潜在靶蛋白（PDB ID: 6TE7, 5O4L）的相互作用模式及结合稳定性。

研究结果

分子几何结构与振动分析

通过势能面(PES)扫描，确定了5CF2PB分子的最稳定构象。优化后的几何结构参数（键长、键角）与文献报道的类似苯并咪唑衍生物结构高度一致。例如，C-Cl键长为1.748 ?，N-H键长为1.009 ?，这些数值均符合预期范围。理论计算与实验测得的FT-IR和FT-Raman光谱表现出极好的一致性，相关系数分别达到0.99966和0.99924。通过势能分布(PED)分析，对振动模式进行了精确归属，例如N-H伸缩振动在3449 cm^-1，C-H伸缩振动在3077-3023 cm^-1，C=C和C-N伸缩振动在1650-1500 cm^-1区域，C-F和C-Cl伸缩振动则分别出现在1148 cm^-1和678 cm^-1附近。

电子结构与反应性

自然键轨道(NBO)分析揭示了分子内电荷离域和给体-受体相互作用。最显著的稳定化作用来自于苯并咪唑和吡嗪环共轭体系内的π→π离域，其中N4-C9(π)→C7-C8(π)相互作用的稳定化能高达173.76 kcal mol^-1，表明分子具有高度的共轭稳定性和刚性。前沿分子轨道(FMO)分析显示，最高占据分子轨道(HOMO)和最低未占分子轨道(LUMO)的能量分别为-6.6001 eV和-2.5568 eV，能隙为4.043 eV，表明该分子具有适中的化学活性和稳定性。理论计算的UV-Vis吸收光谱与实验结果吻合良好，主要吸收峰对应于HOMO→LUMO的π→π*电子跃迁。

分子间相互作用与拓扑分析

Hirshfeld表面分析表明，晶体堆积中占主导地位的是卤素-氢和卤素-氮相互作用，其中H···Cl和H···F接触的贡献分别达到36%和20%。分子静电势(MEP)图显示，负电势区域主要分布在氯和氟原子周围，而正电势区域则集中在苯并咪唑环的N-H位点和吡嗪环的氢原子上，这些区域是潜在的亲电和亲核攻击位点。拓扑分析（ELF, LOL, IRI, RDG）进一步证实了分子中存在丰富的非共价相互作用区域，这些相互作用对于分子在生物环境中的识别和结合至关重要。

体外抗菌活性

体外抗菌筛选结果显示，5CF2PB对多种微生物表现出显著的抑制活性。特别值得注意的是，在25 μg/mL浓度下，该化合物对铜绿假单胞菌的抑菌圈直径达到15 mm，优于标准药物环丙沙星（12 mm）；对黑曲霉的抑菌圈直径同样为15 mm，远高于环丙沙星（6 mm）。这表明5CF2PB对革兰氏阴性菌和真菌具有优异的抑制效果。

分子对接与分子动力学模拟

通过PASS在线预测，5CF2PB显示出显著的抗分枝杆菌活性（Pa = 0.584）。分子对接研究进一步证实了其与靶蛋白6TE7（L,D-转肽酶）和5O4L（FAD依赖性氧化还原酶）的强结合亲和力，结合能分别为-5.11 kcal/mol和-4.97 kcal/mol。分子动力学模拟结果表明，5CF2PB与靶蛋白形成的复合物在100 ns的模拟时间内保持稳定，均方根偏差(RMSD)和均方根涨落(RMSF)值均处于较低水平，表明结合构象稳定。MM-GBSA结合自由能计算显示，5CF2PB与5O4L蛋白的结合自由能(ΔG_bind)为-31.1 ± 2.7 kcal mol^-1，与6TE7蛋白的结合自由能为-23.4 ± 3.0 kcal mol^-1，进一步验证了其与靶蛋白的强相互作用。

结论与讨论

本研究对5-氯-6-氟-2-(2-吡嗪基)-1H-苯并咪唑(5CF2PB)进行了全面而深入的理论、光谱学、拓扑学和生物学研究。理论计算与实验光谱数据的高度吻合，证实了DFT方法在研究该分子结构性质方面的可靠性。NBO和FMO分析揭示了其稳定的电子结构和适中的化学活性，为其生物活性提供了理论基础。Hirshfeld表面和拓扑分析则从分子层面阐明了其丰富的非共价相互作用，这些相互作用是其在生物环境中发挥功能的关键。

最令人鼓舞的结果来自于体外抗菌实验。5CF2PB对铜绿假单胞菌和黑曲霉表现出优于标准药物环丙沙星的抑制活性，这为解决当前日益严峻的耐药性问题提供了新的候选分子。分子对接和分子动力学模拟研究从原子层面揭示了5CF2PB与潜在靶蛋白（6TE7和5O4L）的相互作用机制，证明了其能够形成稳定且高亲和力的复合物，为其抗微生物活性提供了分子水平的解释。

综上所述，本研究通过多学科交叉的研究策略，不仅全面表征了5CF2PB的物理化学性质，更重要的是，通过体外和计算机模拟研究，揭示了其作为新型抗微生物先导化合物的巨大潜力。该研究为后续基于苯并咪唑骨架的药物设计和开发提供了坚实的理论基础和实验依据。