2,4-双(4-溴苯氧基)-5-甲基嘧啶的超分子组装：晶体学见解、量子化学及抗菌机制研究

《Journal of Molecular Structure》：Supramolecular Assembly of 2,4-bis(4-bromophenoxy)-5-methylpyrimidine: Crystallographic Insights, Quantum Chemical, and Antibacterial Mechanism Investigations

　　

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  一种结构柔性的溴化嘧啶衍生物的合成与单晶X射线衍射研究。
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  超分子网络通过Br···Br/Br···H卤键和$\pi$···$\pi$相互作用得以稳定。
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  能量框架和QTAIM分析证实了色散力的主导地位。
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  DFT/MEP映射验证了溴的$\sigma$空穴和高反应性亲电位点。
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  分子对接揭示该化合物通过保守构象体与抗菌靶标（InhA和IleRS）具有强亲和力。

引言

研究小分子的晶体学及其在有机晶体中的非共价相互作用，对于现代基于结构的药物设计以及我们对抗蛋白-配体结合机制的基本理解而言至关重要[1]。虽然大分子X射线晶体学（如蛋白质数据库中发现的结构）提供了蛋白质活性位点的整体拓扑结构，但蛋白质晶体固有的柔性和较低分辨率往往会掩盖结合几何构型的精确原子级细节[1]。为了真正理解这些结合机制，结构生物学家转向了小分子晶体学[2]。通过系统地挖掘晶体结构，可以描绘出三维空间中优先用于相互作用的片段，定义氢键等相互作用的严格几何约束，甚至识别全新的非共价接触，如不寻常的金属-螯合物堆积相互作用[3,4]。这种高分辨率数据可直接转化为预测性药物设计[5]。

抗菌耐药性的产生通常表现为精巧的结构适应，精确平衡了排除体积庞大的药效团与保留必需的内源性底物结合能力。在结核分枝杆菌中，经典的rpoB Ser450Leu突变将体积庞大的异丁基侧链引入RNA聚合酶的DNA/RNA通道，在空间上消除了利福平结合的同时允许正常的核苷酸掺入[6]。类似地，DNA回旋酶的靶位修饰通过将亲水锚定残基替换为疏水氨基酸来赋予氟喹诺酮类耐药性，从而破坏了药物正确配位所必需的关键水-金属离子桥[7]。核糖体翻译通过23S rRNA A2058位点的点突变或酶促甲基化来抵御大环内酯类的抑制，这在新生肽链出口隧道中制造了一个微小的空间障碍，严格排除了药物的宏环结构[8]。此外，耐药性还可通过获得结构迥异的替代酶而产生，以耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）中由mecA编码的PBP2a为例；该转肽酶通过一个热力学封闭的活性位点绕过β-内酰胺类抑制，该活性位点严格要求由天然肽聚糖底物进行变构激活——一种抗生素根本无法触发的构象门控机制[9]。

小分子对其蛋白质靶标的亲和力和特异性由一系列精细的、协同的经典和非经典非共价相互作用网络决定。虽然经典氢键作为关键几何锚点，决定了严格的结合特异性，但复合物的整体热力学驱动力通常由疏水相互作用主导，后者通过从结合口袋中置换高度有序的水分子来熵稳定体系。在这些基础力之外，现代结构生物学和药物设计越来越强调一系列非传统接触来微调结合亲和力。例如，卤键发生在重卤素原子缺电子的外瓣（即$\sigma$空穴）与蛋白质中的亲核体或Lewis碱形成高度方向性的吸引静电相互作用时。同时，无处不在但较弱的相互作用，如C-H···O（非经典氢键）和C-H···π相互作用，提供了必要的稳定接触，通常将配体的脂肪族或芳香族质子锚定在苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸等残基的π电子云上。最后，短程色散力，包括C-Br···H和H···H接触，对于最大化范德华力形状互补性至关重要。这些精确的原子堆积确保小分子完美匹配疏水受体裂隙的拓扑细节，最小化空隙并最大化药物的总体效能[10]。

嘧啶分子作为基本杂芳香骨架，展现出非凡的固态特性，这些特性源于其平面几何结构、缺电子π体系和参与多样化非共价相互作用的能力[[11], [12], [13]]。在晶体环境中，嘧啶通常表现出通过其环氮原子形成氢键、芳香层间的π-π堆积以及微妙的C-H···N接触来稳定其特征堆积模式的特性[[14], [15], [16], [17]]。它们的结构特征，包括杂芳香环上电子密度的分布以及在2-、4-和6-位进行取代的潜力，允许微调分子间相互作用和晶体堆积排列[18,19]。这些特性不仅决定了嘧啶基固体的稳定性和形貌，还支撑了它们在药物、光电材料和超分子组装中的功能角色，在这些领域中，受控堆积和可预测的分子间力对性能至关重要[20]。因此，嘧啶衍生物作为多功能构建模块，其固态行为反映了电子结构和分子间力的微妙平衡，使其成为基础晶体工程和应 用材料科学的核心。这促使我们设计和合成一种嘧啶化合物，以研究其晶体中的Br···Br、Br···H和C-Br···π相互作用。

这促使我们设计和合成一种嘧啶化合物，以研究其晶体中的Br···Br、Br···H和C-Br···π相互作用。在本研究中，合成并全面评估了2,4-双(4-溴苯氧基)-5-甲基嘧啶，以弥合固态晶体工程和生物靶标识别之间的差距。实验X射线晶体学结合量子化学研究，包括DFT、QTAIM和Hirshfeld表面分析，揭示了主要由色散力、高度方向性的卤键和π···π堆积稳定的超分子架构。至关重要的是，决定这种晶体堆积的构象偏好和非共价相互作用模式直接决定了该分子的生物学行为。分子对接证实，该化合物自然保持其空间松弛的垂直几何构型，以高亲和力成功锚定在关键抗菌酶（InhA和IleRS）的活性位点中，展示了固态相互作用分析如何为基于结构的抗菌药物设计提供信息并优化设计。

章节摘要

化合物的选择、设计和合成

化合物2,4-双(4-溴苯氧基)-5-甲基嘧啶具有一个中心嘧啶环，对称地取代了两个通过醚键连接的溴化苯基，有意设计用于研究晶体排列中卤键的重要性——具体包括Br···Br、Br···H和C-Br···π相互作用。其分子结构包含多个促进方向性非共价相互作用并支持超分子组织的元素。该嘧啶

合成

将2,4-二氯-5-甲基嘧啶与4-溴酚按0.01:0.025的摩尔比混合为熔融态，随后在室温下冷却混合物。向反应物中加入0.025摩尔的粉末状无水K?CO?并充分混合。然后在油浴上以最佳反应温度加热混合物并冷却。一段时间后将5% KOH（20mL）加入，分离出一种油状物质。用己烷-乙醚{1:1}提取该油状物，然后用稀KOH洗涤

结论

总之，2,4-双(4-溴苯氧基)-5-甲基嘧啶的合成和全面结构分析为研究非共价相互作用在固态和生物环境中的复杂相互作用提供了强有力的平台。SCXRD分析成功阐明了高度有序的超分子架构，该架构主要由色散驱动力稳定，具有突出的π···π堆积、C-H···N氢键和高度方向性的Br···Br

CRediT作者贡献声明

Provash Joarddar：方法学，形式分析。

Bishnu Prasad Mukhopadhyay：方法学，形式分析。

Goutam Biswas：软件，形式分析，数据整理，结构分析。

Nayim Sepay：写作——审阅与编辑，写作——原始草稿，可视化，验证，监督，软件，项目管理，方法学，概念化。

Atish Dipankar Jana：写作——审阅与编辑，写作——原始草稿，可视化，验证，监督，软件，项目管理，

数据可用性

数据可根据要求提供。

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Provash Joarddar：方法学，形式分析。Bishnu Prasad Mukhopadhyay：方法学，形式分析。Goutam Biswas：方法学，形式分析，数据整理。Nayim Sepay：写作——审阅与编辑，写作——原始草稿，可视化，验证，监督，软件，项目管理，调查研究，概念化。Atish Dipankar Jana：写作——审阅与编辑，写作——原始草稿，可视化，验证，监督，软件，项目管理，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争经济利益或个人关系，这些关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

作者（G.B.）衷心感谢已故的Bose Institute化学系Prof. Dolly Ghosh教授，她提供了本研究中评估的改性2,4-双(芳氧基)嘧啶和2,4-双(芳氨基)嘧啶的单晶样品。同时也特别感谢Bose Institute生物物理系前系主任Prof. Asok Banerjee教授，他在结构和构象

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