新型N-取代邻苯二甲酰亚胺衍生物的合成、单晶X射线结构、Hirshfeld表面及密度泛函理论（DFT）研究，结合机器学习辅助分子对接与ADMET预测，靶向恶性疟原虫质体DNA聚合酶

《Polyhedron》：Synthesis, single-crystal X-ray structure, Hirshfeld surface and DFT studies combined with machine learning-assisted molecular docking and ADMET prediction of novel N-substituted phthalimide derivatives toward Plasmodium falciparum apicoplast DNA polymerase

　　

摘要

合成了三种氯代氨基甲基邻苯二甲酰亚胺衍生物的位置异构体，并进行了结构表征。通过单晶X射线衍射确定了它们的分子结构，揭示了整体呈L形构象，且根据氯取代基的位置存在微妙的构象差异。采用Hirshfeld表面分析评估了超分子特征。在B3LYP/6-311+G(d,p)水平上进行的密度泛函理论（DFT）计算与实验几何构型吻合良好。自然键轨道（NBO）分析揭示了沿氨基甲基连接处存在n(N) → σ*(CN) 供体-受体相互作用，表明对电子结构存在中等程度的超共轭贡献。前线分子轨道分析为了解其电子性质和相对反应活性提供了依据。针对顶质体DNA聚合酶的分子对接研究得出所有化合物的对接分数约为?6.4 kcal/mol，表明在已识别的结合位点内存在能量上有利但程度温和的预测相互作用。这些结果应视为初步指标，因为对接分数并不代表经实验验证的结合亲和力。计算机模拟ADMET评估表明这些化合物总体具有可接受的类药性特征；然而，这些预测需要实验验证。总体而言，研究结果对基于邻苯二甲酰亚胺骨架与顶质体DNA聚合酶可能存在的相互作用提供了初步的计算评估，并支持进一步的实验研究。

引言

疟疾是一种全球范围内广泛流行的寄生虫病，持续对公共卫生造成沉重负担，尤其是在热带和亚热带地区。恶性疟原虫是造成感染最严重临床表现的主要病原体。这种单细胞顶复门寄生虫具有在人类宿主体内复制和存活所必需的专门细胞器。当前抗疟治疗的疗效正日益受到抗药性恶性疟原虫菌株不断出现的挑战[1]。对包括青蒿素联合疗法在内的广泛使用治疗方法的耐药性，加剧了对针对寄生虫特异性分子靶点的新治疗策略的迫切需求。鉴定与人体同源酶结构存在差异的酶尤为理想，以确保选择性抑制。这样的靶点之一是顶质体DNA聚合酶（apPOL），它是一种A族DNA聚合酶，负责恶性疟原虫顶质体基因组的复制[2]。该酶的晶体结构已被解析（PDB ID: 5DKT），从而使其催化架构和潜在配体结合区域的结构分析成为可能[3]。尽管apPOL保留了保守的A族聚合酶基序，但它与最接近的人体聚合酶Pol θ和Pol ν的序列一致性分别仅为23%和22%，而其他人体DNA聚合酶的序列一致性低于20%，这支持了其作为选择性靶点的潜力。相比之下，恶性疟原虫和间日疟原虫的apPOL序列一致性为84%，表明可能存在跨物种活性，从而具有更广泛的抗疟效果[4]。另一方面，与DOXP还原异构酶和脂肪酸生物合成（FASII）酶等其他顶质体相关靶点相比，后者在抗疟药物开发中已被更为广泛地研究，apPOL虽然具有重要的生物学功能，但仍相对未被充分探索，使其成为鉴定新型抑制剂的有前景但尚未被充分利用的靶点。

邻苯二甲酰亚胺衍生物是一种合成途径可及且结构刚性的骨架，在药物化学领域被广泛探索，与多种生物活性相关，包括显著的抗寄生虫和抗疟效果[5]。多项研究报告表明，功能化邻苯二甲酰亚胺衍生物对恶性疟原虫表现出显著的抑制活性，在体外和体内模型中均报道了微摩尔至亚微摩尔的效力[6], [7], [8], [9]。另一方面，apPOL催化结构域的芳香性特征和氢键特征可能有利于与邻苯二甲酰亚胺等刚性、富π骨架的相互作用。然而，据我们所知，基于邻苯二甲酰亚胺的骨架此前尚未作为apPOL靶向剂进行探索。

在本研究中，通过一种此前未报道的程序合成了一系列氨基甲基邻苯二甲酰亚胺衍生物，该程序涉及氨基甲烷磺酸衍生的邻苯二甲酰亚胺中间体、将其转化为相应的磺酰氯，以及与取代苯胺的后续反应，该过程与脱磺酸CN键形成一致。采用光谱分析对分子结构进行了评估，并通过单晶X射线衍射分析确定了其固态结构。进行了密度泛函理论（DFT）计算以评估其电子性质。随后，使用恶性疟原虫apPOL的晶体结构（5DKT）进行了分子对接研究，作为探索性计算方法，以考察邻苯二甲酰亚胺骨架在预测催化区域内可能存在的相互作用。对接结果应视为初步结果，需要实验验证。此外，采用计算机模拟ADMET分析来评估化合物的预测类药性特征。

章节摘要

化学

无水溶剂和所有试剂均购自Sigma-Aldrich（德国）。所有涉及对空气或水分敏感化合物的反应均在氩气气氛中使用干燥的玻璃器皿进行。 1H NMR光谱在Varian AS 400 Mercury Plus NMR波谱仪上扫描，使用DMSO-d₆作为溶剂。化学位移以百万分率（ppm）报告，偶合常数（J）以赫兹（Hz）表示。分析薄层色谱（TLC）在Merck

合成

在文献中，氨基甲基化邻苯二甲酰亚胺衍生物通常通过涉及邻苯二甲酰亚胺、甲醛和胺组分的Mannich型缩合反应获得，为进入N-功能化邻苯二甲酰亚胺骨架提供了直接途径（方案2-I）[10], [33], [34]。或者，相关衍生物已通过基于磺酰基的氨基甲基供体（如（苯氨基）甲烷磺酸钠和（2-萘酰胺基）甲烷磺酸钠）制备，其中磺酰基

结论

本研究建立了一种此前未报道的邻苯二甲酰亚胺衍生物的合成程序，以氨基甲烷磺酸作为氨基甲基来源。它还从结构与性质的角度提供了这些衍生物与其与顶质体DNA聚合酶计算预测相互作用关系的视角。晶体学和电子分析的结合同步揭示，氯取代基位置的微妙变化调节了分子构象和

CRediT作者贡献声明

Duygu Barut Celepci：撰写——审阅与编辑，可视化，调查研究，概念构思。 ?zlem Akgül：调查研究。 Muhittin Aygün：调查研究。 Varol Pabuccuoglu：调查研究。

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，这些关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

我们感谢Dokuz Eylül大学提供Rigaku Oxford Xcalibur Eos衍射仪的使用（在University Research Grant No: 2010.KB.FEN.13下购买）。本文所报告结构的晶体学数据（以.cif文件格式）已存入剑桥晶体学数据中心，其中CCDC 2535006对应1a，2535007对应1b，2535008对应1c。数据的副本可免费在http://www.ccdc.cam.ac.uk/conts/retrieving.html获得，或从剑桥

Duygu Barut Celepci|?zlem Akgül|Muhittin Aygün|Varol Pabuccuoglu

Dokuz Eylül大学理学院物理系，土耳其伊兹密尔