新型咪唑烷-4-酮衍生物（F7-F11）的合成、表征、抗菌活性及密度泛函理论（DFT）/SwissADME/分子对接研究

《Results in Chemistry》：Synthesis, characterization, biological activity, density functional theory (DFT) and molecular docking of some new imidazolidin-4-one derivatives

　　

新型咪唑烷-4-酮衍生物（F7-F11）已通过相应腙（hydrazones）与甘氨酸（glycine）在无水乙醇中的环化反应合成。所合成化合物经傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、核磁共振氢谱（¹H NMR）、核磁共振碳谱（¹³C NMR）、元素分析和薄层色谱（TLC）表征。采用琼脂孔扩散法在三个浓度下测试化合物对金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）和大肠杆菌（Escherichia coli）的抗菌活性，并以氨苄西林（ampicillin）作为参考抗生素。在0.01 mg/mL时，化合物[F9]对S. aureus的抑菌圈最大（26 mm），化合物[F8]对E. coli的抑菌圈最大（20 mm）。在B3LYP/6-311G(2d,2p)理论水平上采用密度泛函理论（DFT）确定所研究化合物的电子性质。[F9]具有最小化学硬度（η = 0.0622）和最大全局亲电性指数（ω = 0.4415）。使用SwissADME获得的理化性质和类药性预测为所研究化合物提供了理论见解。化合物针对E. coli生物素羧化酶（biotin carboxylase）（PDB ID: 3JZF）和S. aureus生物素蛋白连接酶（biotin protein ligase）（PDB ID: 4DQ2）进行分子对接。[F8,F9]分别具有较好的预测对接分数?6.3和?7.5 kcal/mol。

研究背景与问题：咪唑烷-4-酮（imidazolidin-4-one）是含氮五元杂环，存在于多种药理活性物质中。咪唑类杂环因结构和电子构型可与受体、酶等生物靶标相互作用，具有抗菌、抗真菌、抗炎、抗病毒、抗寄生虫和抗癌等药理活性；咪唑还作为组氨酸和嘌呤结构的一部分参与生物体系分子相互作用。自Debus于1858年以乙二醛、氨和甲醛首次合成咪唑以来，多种合成方法被提出，其中Schiff碱或含C=N官能团的腙与氨基酸反应可用于构建含氮杂环。咪唑烷-4-酮衍生物因含羰基的五元杂环而受到关注。已有研究多集中于实验生物评价，较少将生物实验与计算分析结合以探索其分子特征和相互作用；DFT可提供前沿分子轨道、化学硬度和全局亲电性等电子性质信息，SwissADME可预测理化与药理特征。因此，本研究设计合成新F7-F11，并整合实验合成、抗菌评价、电子结构分析、类药性预测和分子对接，以研究其抗菌潜力和分子特征。研究人员设计、合成并表征F7-F11，评价其对S. aureus和E. coli的抗菌活性，采用DFT研究电子行为，采用SwissADME预测理化与类药性，并采用分子对接研究细菌靶点相互作用。结论显示F9对S. aureus抑菌圈最大，F8对E. coli抑菌圈最大；F9在DFT中化学硬度最低、全局亲电性指数最高；对接中F8和F9对选定靶点显示有利预测结合。该研究的意义在于提供实验与计算结合框架，为后续优化和机制研究提供基础，但理论预测需实验验证。

关键技术方法：相应腙（F2-F6）与甘氨酸在无水乙醇中环化合成F7-F11，经FT-IR、¹H NMR、¹³C NMR、元素分析（C,H,N）和薄层色谱（TLC）表征；抗菌用琼脂孔扩散法测试S. aureus和E. coli（菌株来源于Tikrit University中心实验室），以氨苄西林为对照，在0.01、0.001、0.0001 mg/mL下37 °C孵育24 h测抑菌圈；DFT用Gaussian 09在B3LYP/6-311G(2d,2p)水平优化并计算最高占据分子轨道（HOMO）/最低未占分子轨道（LUMO）、化学势（μ）、化学硬度（η）和全局亲电性指数（ω）；SwissADME预测理化、药代与类药性并按Lipinski五规则评价；分子对接用ChemDraw/Chem3D构建配体、MM2能量最小化，AutoDock Vina对接E. coli生物素羧化酶（3JZF）和S. aureus生物素蛋白连接酶（4DQ2），Discovery Studio 2020 Client分析相互作用；未行天然共结晶配体重对接验证及RMSD计算。

研究结果：3.1 Diagnosis of imidazolidin-4-one（咪唑烷-4-酮衍生物的结构诊断）：通过FT-IR、¹H NMR、¹³C NMR和元素分析确认结构。FT-IR中F7-F11的NH伸缩在3165-3252 cm^?1，芳香CH在3034-3078 cm^?1，脂肪CH在2920-2962和2837-2912 cm^?1；环化后腙特征C=N吸收带消失，出现1649-1662 cm^?1羰基C=O吸收带；Br、Cl、NO₂、CH₃、OH取代基引起频率变化但不改变总体光谱模式。¹H NMR中亚甲胺质子信号消失，新NH在6.78-6.51 ppm，咪唑烷-4-酮CH在6.35-5.30 ppm，环CH₂在3.02-2.71 ppm，芳香质子在7.90-6.80 ppm，酰胺NH在10.01-9.19 ppm。¹³C NMR中亚甲胺碳信号消失，羰基碳在167.56-162.64 ppm，CH在89.82-67.15 ppm，环CH₂在64.43-44.67 ppm，芳香碳在149.13-122.48 ppm。元素分析实验值与理论值在±0.4%内，支持目标衍生物成功合成。3.2 Evaluation of the biological activity of prepared compounds（制备化合物的生物活性评价）：采用琼脂孔扩散法，在0.01、0.001、0.0001 mg/mL下测试，氨苄西林为对照。抑菌圈随浓度增加而增大，提示抗菌活性呈浓度依赖性。F9对S. aureus抑菌圈最大（26 mm，0.01 mg/mL），F8对E. coli抑菌圈最大（20 mm，0.01 mg/mL）。两菌响应差异可能与其细胞结构差异有关；琼脂孔扩散法不能确定确切抗菌机制。与氨苄西林相比，合成化合物抑菌圈较小但仍具活性；F7-F11活性差异可能归因于取代基的电子和结构性质，需进一步实验建立构效关系（SAR）。3.3 DFT theory study（DFT理论研究）：在B3LYP/6-311G(2d,2p)水平计算HOMO/LUMO能量及μ、η、ω。F9带吸电子硝基，具有最低LUMO能量（?0.172145 Ha）、最低化学硬度（η = 0.062183 Ha）和最高全局亲电性指数（ω = 0.441518 Ha），提示较大接受电子密度倾向和较高电子柔软度。F11带羟基，具有最高化学硬度（η = 0.101960 Ha）和最低全局亲电性指数（ω = 0.216756 Ha），提示较大抗电子变形能力。化学势范围为?0.234328至?0.205320 Ha，F9最负。硝基和羟基产生对比性电子描述符谱；计算提供理论比较，但不能单独确定抗菌效力或最小抑菌浓度（MIC）。3.4 Analysis of SwissADME (pharmacokinetics) results（SwissADME药代动力学结果分析）：预测理化与类药性参数显示，分子量388-453 g/mol，均低于500 g/mol；LogP为1.54-2.77，F8（2.77）和F7（2.76）最高，F9（1.54）最低；F9的拓扑极性表面积（TPSA）最高（106.27 ?²）；F11预测水溶性最高（LogS = ?3.62），F7最低（LogS = ?4.67）；氢键供体数（nHBD）为2-3，F11为3；氢键受体数（nHBA）为3-5，F9为5。卤代F7、F8因较高LogP更易渗透，F11最易水溶；化合物符合Lipinski规则中分子量低于500 Da和LogP低于5。上述均为计算预测，不能替代实验数据。3.5 Comparing practical results with the final theory (theoretical vs experimental)（实验与理论比较）：所有化合物满足标准Lipinski标准；F9对S. aureus抑菌圈最大，同时具有最低LogP、最高TPSA和最大nHBA（5），这些特征可影响分子相互作用谱，但当前不能建立因果联系；F9的LogKp为?7.24，提示低皮肤渗透，但仅凭皮肤渗透不能判断其更适合系统或口服给药。SwissADME提示F7-F11具进一步研究性质，F11水溶性最高，F9亲脂性较低但TPSA和氢键受体较高；计算信息有助于解释实验，但不能单独确认安全性、良好药代特征或抗菌作用方式。3.6 Molecular docking study（分子对接研究）：对F8和F9针对E. coli生物素羧化酶（PDB ID: 3JZF）和S. aureus生物素蛋白连接酶（PDB ID: 4DQ2）进行对接。F8与3JZF的预测亲和力为?6.3 kcal/mol，RMSD l.b.和u.b.分别为2.048 ?和4.501 ?，NH与GLY:B:114形成氢键，并有van der Waals和π-alkyl相互作用；F8与4DQ2为?5.6 kcal/mol，RMSD l.b.和u.b.分别为2.764 ?和4.008 ?，SER:A:318与NH和羰基形成氢键，ASN:A:179参与，并有van der Waals、π-π stacked和π-alkyl相互作用。F9与3JZF为?6.3 kcal/mol，RMSD l.b.和u.b.分别为3.031 ?和6.182 ?，NH与GLU:B:162形成氢键，并有van der Waals和π-alkyl相互作用；F9与4DQ2为?7.5 kcal/mol，RMSD l.b.和u.b.分别为3.468 ?和5.593 ?，HIS:A:126与NH、GLU:A:187与羰基形成氢键，并有van der Waals、π-donor hydrogen bond、π-π stacking、π-alkyl和π-sigma相互作用。F8对3JZF比4DQ2更有利，F9对4DQ2更有利。对接结果与F8、F9抗菌实验一致，但仅为in silico预测，不能单独确认生物抑制或抗菌机制。

讨论总结：取代基性质影响化合物的电子参数、抗菌活性和预测ADME性质；DFT描述符不能单独确定抗菌效应和MIC；SwissADME结果仅为预测，不能单独确认安全性、良好药代特征或作用机制；分子对接评分不能作为酶抑制的直接证据，需进一步实验验证。研究结论翻译：新型咪唑烷-4-酮衍生物F7-F11的成功合成经FT-IR、¹H NMR、¹³C NMR和元素分析（C,H,N）确认。光谱数据与所得衍生物 proposed 结构一致，尤其是相应腙的典型亚甲胺基消失，并出现新形成的咪唑烷-4-酮环系特征信号和吸收带。衍生物对S. aureus和E. coli的抗菌活性存在差异。通常，抑菌圈随衍生物浓度增加而增大。在0.01 mg/mL浓度下，F9对S. aureus抑菌圈最大（26 mm），F8对E. coli抑菌圈最大（20 mm）。抗菌活性差异可能与所得衍生物的电子和结构特征有关；但目前尚无关于结构与活性关联的数据。DFT方法结果显示F7-F11的电子性质存在差异。化合物F9具有最低化学硬度（η = 0.0622）和最高全局亲电性指数（ω = 0.4415），提示在所研究分子中具有较高柔软性和亲电性。然而，上述性质为理论数据，不能单独用于确定化合物的抗菌效应和MIC。分子对接研究结果表明F8和F9可与选定细菌靶点形成氢键和其他非共价键。F8对生物素羧化酶（PDB ID: 3JZF）的预测对接能为?6.3 kcal/mol，F9对生物素蛋白连接酶（PDB ID: 4DQ2）的预测对接能为?7.5 kcal/mol。总之，当前结果表明所选细菌菌株对[F8,F9]敏感。然而，对接研究显示的是关于结合的计算预测，需进一步实验验证以确认预测相互作用的机制和生物学相关性。