新型吲哚基苯并咪唑-哌嗪甲酰胺（IBPCs）杂合体的设计、可扩展多步合成与计算评价

《Results in Chemistry》：Design and synthesis of unprecedented indolylbenzimidazoles piperazinecarboxamide (IBPCs) hybrids

　　

研究人员设计并合成了未见报道的吲哚基苯并咪唑-哌嗪甲酰胺（indolylbenzimidazoles piperazinecarboxamide hybrids, IBPCs）杂合体。研究人员开发了一种可扩展、操作简单的多步合成策略，用于构建新型IBPC杂合体；报道了NaHSO₃促进的环化、经Boc（tert-butoxycarbonyl）保护实现的哌嗪选择性单酰化以及HBTU（[benzotriazol-1-yloxy(dimethylamino)methylidene]-dimethylazanium hexafluorophosphate）/DIPEA（N,N-diisopropylethylamine）驱动的酰胺化，并获得良好收率；通过仔细选择缩合剂和反应条件，经连续酰胺键形成实现了核心骨架的后续多样化；所有合成衍生物的结构归属均通过综合光谱分析明确确认；代表性化合物8e的分子结构进一步通过单晶X射线衍射验证。

论文由Pallalu Devendra Reddy和Sathananthan Kannadasan完成，围绕吲哚基苯并咪唑-哌嗪甲酰胺（IBPCs）杂合体的设计与合成展开。研究背景在于含氮杂环是药物化学中重要结构基元，吲哚和咪唑骨架具有广泛药理意义并可结合多种生物靶点；吲哚衍生物存在于天然产物和药物中，具有多种生物活性，吲哚类药物已用于感染、代谢异常和神经疾病；咪唑衍生物因两性、氢键形成和与生物分子靶点相互作用而在药物开发中重要，具有抗真菌、抗菌、抗癌、抗高血压、抗氧化、抗溃疡、镇痛、抗炎和心血管活性，并用于农药、人工受体和仿生催化剂；吲哚-咪唑杂合体可提高结合亲和力、调节理化参数并提供多位点结构多样性，已用于癌症、微生物感染、神经疾病和代谢问题，部分进入临床前和临床。现有合成路线包括多组分合成、过渡金属催化偶联和可持续方法，扩展了化学空间并解决区域选择性、低收率和纯化问题，但仍存在可扩展性差和缺乏构效关系（structure-activity relationship, SAR）信息等主要缺点；克服这些障碍对进一步优化和发现下一代吲哚-咪唑杂合体治疗剂至关重要。研究人员开展了多步合成研究，合成吲哚C-3连接的1-(4-(1H-benzo[d]imidazole-4-carbonyl)piperazin-1-yl)ethan-1-one衍生物，并通过末端酰基多样化考察取代基变化对常见IBPC框架内预测蛋白识别的影响；化合物8a–8g经分子对接评估疾病相关蛋白，设参考配体对照和回顾性实验基准，并用ADMET（吸收、分布、代谢、排泄和毒性）预测识别理化和安全性考虑。该研究提供结构表征的IBPC杂合体平台，用于聚焦生物评价和后续结构优化；实验活性尚待建立。

主要关键技术方法（不超过250字）：研究采用多步有机合成，包括NaHSO₃介导缩合-环化、Boc（tert-butoxycarbonyl）保护哌嗪选择性单酰化、HBTU/DIPEA（O-苯并三氮唑-N,N,N',N'-四甲基脲六氟磷酸酯/N,N-二异丙基乙胺）酰胺化、脱保护和连续酰胺化；以综合光谱分析和单晶X射线衍射确认结构。分子对接使用Uni-Dock 1.2.0与Vina评分、detail search、exhaustiveness 512，每化合物-结构对18次搜索、总计7056次搜索，天然配体位姿恢复以2 ?重原子RMSD为准，参考药物比较需至少6/9位姿在2 ?内，并用GNINA辅助检查结合模式一致性。回顾性基准采用四个独立ChEMBL生化测定集的155个化合物（样本来源已注明），固定IC₅₀阈值，计算ROC-AUC（受试者工作特征曲线下面积）、5000次bootstrap 95%置信区间和top-decile富集；ADMET-AI 2.0.1用于预测。

结果与讨论：研究人员首先优化3a的合成。N-methyl-5-methoxyindole-3-aldehyde与3,4-diaminobenzoic acid在Et₃N/DMF/80–85 °C/12 h无环化产物；NaHCO₃/DMF、DMSO等条件失败；NaHSO₃/DMF/85 °C/12 h仅20%，升温至90、95、100 °C分别47%、62%、76%；丙酮无产物，乙腈中NaHSO₃为35%、Na₂CO₃为20%；最佳为NaHSO₃/DMF/100 °C/12 h。该条件用于3a–f，获很好至优异收率；3a克级规模收率不变；取代二胺经缩合环化得到3a–e，表明方法适用于结构多样二胺。随后用N-Boc保护哌嗪与3a形成酰胺，Boc抑制竞争二聚化、促进单官能化；EDC·HCl多种条件失败；HBTU/Et₃N/DMF/30 °C/12 h为25%，HBTU/DIPEA/DMF/30 °C/24 h最佳，得5为76%；Boc脱保护以3.3 M HCl/1,4-二氧六环/30 °C/16 h最佳，得6为90%。6与芳基羧酸经连续酰胺化得8；EDC·HCl失败，HBTU/Et₃N为25%，HBTU/DIPEA/DMF/30 °C/36 h最佳，得8为76%；丙酮/乙腈收率低；结构经光谱确认，8e经单晶X射线衍射确认。

分子对接与ADMET评价：8a–8g保留共同吲哚基苯并咪唑-哌嗪框架，末端基团在大小、芳香性和杂原子组成上不同；IRAK4共晶苯并咪唑配体T20（PDB 4RMZ）提供结构比较，抗EGFR研究提供文献先例，更广泛面板主要按疾病相关性和抑制剂定义口袋选择，支持潜在靶点探索但不把已知配体药理学赋予当前杂合体。预测8d在IRAK4中羰基氧接近Arg273（供体-受体距离3.29 ?，D–H···A角167.1°），并与Met192、Val200、Tyr262、Leu318接触；该为初始筛选位姿而非详细搜索代表位姿。全面板中类似物排序和结合模式一致性随受体和配体互变异构体变化；PfDHFR–TS中8f中位分数?9.657 kcal/mol，优于pyrimethamine的?8.912，但两个代表取向相距12.19 ?，最大位姿组3/9，第二组2个且与全部3个独立GNINA位姿一致；8e单一最大组含全部9个最高位姿，尽管中位分数较差?9.344；最强分数偏好不与最一致结合排列重合。所有56个保留结构通过天然配体位姿恢复；31个结构尝试参考药物对接，18个比较满足恢复标准（14个疾病相关靶点、4个选择性对照），13个不确定，25个缺乏单独药物比较；14个合格疾病相关比较中，最低评分杂合体在8个靶点上中位分数优于参考药物。代表性比较包括PfDHFR-TS（8f对pyrimethamine，Δ?0.745）、EGFR（8c对erlotinib，Δ?3.668）、PDE4D（8f对roflumilast，Δ?3.415）、PPARγ（8e对rosiglitazone，Δ?0.582）、ABL1（8c对imatinib，Δ+0.636）、PARP1（8b对olaparib，Δ+1.594）；负差不表示更高抑制效力。外部基准ROC-AUC为PfDHODH 0.864、PDE4D 0.672、EGFR 0.335、AKR1B1 0.566；仅PfDHODH的95%置信区间完全高于随机（0.748–0.956）；即使该靶点，全部25个基准活性化合物评分优于最高排名杂合体8d（最大位姿组3/9）；EGFR基准限制对8c–erlotinib有利分数差的解释，PDE4D和AKR1B1基准提供不确定活性区分。因此结果定义靶点依赖性结合假设用于生物测试，但不建立抗疟、抗癌、抗糖尿病或抗炎活性。ADMET预测显示六个化合物分子量>500 g/mol，参考互变异构体预测水log S为?5.72至?4.43；高肠道吸收预测伴随hERG（human ether-a-go-go-related gene）抑制高正类概率0.83–0.97和药物性肝损伤0.96–0.99；这些为模型输出而非实测吸收或毒性，蛋白结合预测>100%被排除；末端基团优化应平衡口袋互补性与改善溶解度和安全性。

讨论与结论译文：讨论部分将末端酰基变化与靶点依赖性对接偏好和结合模式一致性联系，并强调参考对照和外部测定基准对预测的限定，ADMET分析提示溶解度和安全性仍需进一步优化。研究结论（译文）：研究人员建立了一条高效、可扩展的多步合成路线，用于制备吲哚C-3连接的苯并咪唑-哌嗪甲酰胺杂合体。关键转化是NaHSO₃介导的N-methyl-5-methoxyindole-3-aldehyde与取代二氨基苯甲酸之间的缩合-环化，经系统优化反应参数后以良好至优异收率得到苯并咪唑稠合吲哚骨架。该方法底物范围广、操作简便、耐结构多样性，并成功在克级规模实施且收率不损失。核心骨架的多样化通过选择合适缩合剂和反应条件进行连续酰胺键形成实现；HBTU/DMF尤其在DIPEA存在下可靠地以高收率得到目标酰胺产物，而EDC·HCl在许多步骤中不成功。通过谨慎使用Boc保护哌嗪可实现选择性单官能化，显著减少不期望的二聚化。后续脱保护和下游酰胺化步骤进一步提高分子复杂性，最终获得目标化合物库。所有合成衍生物的结构经综合光谱分析确认，化合物8e的分子结构另经单晶X射线衍射验证。互补计算评价将末端酰基变化与靶点依赖性对接偏好和结合模式一致性联系起来；参考对照和外部测定基准对这些预测进行了限定，ADMET分析突出溶解度和安全性考虑以供进一步优化。因此，结构表征的IBPC杂合体为聚焦生物评价和后续结构优化提供平台；实验活性仍待建立。