5-芳亚甲基 -2-硫酮噻唑烷 -4-酮衍生物的设计、绿色合成与生物学评价：实验与计算研究

《Journal of Molecular Structure》：Design, Green Synthesis and Biological Evaluations of 5-arylidene-2-thioxothiazolidin-4-one Derivatives: Experimental and Computational Investigations

　　

## 摘要要点

• 开发了绿色离子液体催化的5-亚芳基亚甲基-2-硫代噻唑烷-4-酮B2(a–f)的合成方法。
• 该高效方法在温和条件下以优异的收率（88–93%）获得了目标衍生物。
• 所合成的化合物展现出良好的ALR1和ALR2抑制活性。
• 衍生物对HepG2、PC-3和B16-F10细胞表现出抗增殖活性。
• 通过对接、DFT和POM分析阐明了构效关系及药效团特征。

## 引言

杂环化合物是有机分子中最为重要且结构多样的类别之一，在药物和制药化学中占据着突出地位。其独特的结构特征、多样的理化性质以及与广泛生物靶标建立特异性相互作用的能力，使杂环骨架成为生物活性分子和治疗剂设计与开发中不可或缺的基本单元[1,2]。在环状骨架中引入杂原子，特别是氮、氧和硫，可以赋予理化性质，显著影响分子识别和生物活性[3,4]。在含硫和含氮杂环中，噻唑烷酮衍生物因其独特的结构特征而成为药物化学中重要的骨架类别。特别是2-硫代噻唑烷-4-酮，通常称为rhodanine（硫代二氢噻唑-4(3H)-酮），同时包含硫和氮杂原子以及羰基（C=O）和硫代羰基（C=S）官能团，形成了一种独特的电子环境，可以影响分子反应活性和生物相互作用[5,6]。在结构上，rhodanine核由一个五元杂环组成，C-2位带有硫代羰基（C=S）基团，C-4位带有羰基（C=O）基团（图1）[7,8]。C-5位活性亚甲基基团的存在，加之N-3位取代的可能性，为结构多样化提供了相当大的范围。特别是N-3位和C-5位的官能化使得可以构建一系列结构多样的类似物，并具有可调的电子、理化及生物性质[9]。这些结构特征使rhodanine骨架成为设计和开发化学多样性和生物相关性衍生物的多功能平台。

羰基和硫代羰基官能团的组合、杂原子以及高度活泼的C-5亚甲基中心，赋予rhodanine骨架相当大的结构多样化潜力。C-5位的活泼亚甲基基团容易进行官能化，便于合成多种5-取代衍生物，尤其是5-亚芳基亚甲基类似物[10]。这些有利的结构和合成特征使噻唑烷-4-酮及其硫代羰基功能化衍生物成为构建具有潜在生物和药理学相关性的结构多样分子的多功能杂环骨架[11]。

如图2所示，2-硫代噻唑烷-4-酮（rhodanine）因其作为醛糖还原酶抑制剂和抗糖尿病药物的潜力而备受关注，突出了该多功能骨架在开发针对糖尿病及其相关并发症的治疗候选药物中的潜力[12]。此外，含有酚羟基和其他氧化还原活性功能的衍生物展现出良好的抗氧化活性，强调了噻唑烷酮骨架内结构修饰增强其生物和治疗潜力的能力[13]。硫代羰基功能化的噻唑烷酮在抗感染药物研发中也备受关注。多种衍生物表现出显著的抗病毒活性，包括对HIV、单纯疱疹病毒（HSV）和人疱疹病毒6型（HHV-6）的抑制作用[14]。此外，该骨架的结构多样化获得了具有抗结核和抗菌活性的化合物，可对抗不同的病原微生物[15]。某些衍生物还作为细菌酶抑制剂进行了研究，包括Mur连接酶，突出了其干扰细菌肽聚糖生物合成的潜力，并为抗菌药物开发提供了额外策略[16]。这些化合物的广泛生物活性谱可以归因于多种药效团特征，特别是硫代羰基（C=S）、羰基（C=O）、硫和氮官能团，以及易于修饰的芳香族和杂芳香族取代基。2-硫代噻唑烷-4-酮（rhodanine）及其衍生物表现出广泛的药理学活性，包括抗菌、抗真菌、抗病毒、抗结核、抗癌、抗炎、抗氧化、抗糖尿病、抗寄生虫、抗惊厥和镇痛活性[[17], [18], [19], [20], [21]]。该骨架出色的生物多样性，加上其结构灵活性和易于取代的特性，使2-硫代噻唑烷-4-酮衍生物成为设计和开发新型生物活性分子的有价值杂环骨架。

rhodanine衍生物可以通过相对简单且经济的合成方法获得，最常用的是在适当的反应条件下将rhodanine与各种羰基化合物进行缩合[[22], [23], [24]]。多年来，已开发了多种催化体系和反应介质以促进该转化，包括2,2,6,6-四甲基哌啶[25]、NH?Cl/NH?OH[26]、K?CO?/[bmim]BF?/H?O[27]、NaOAc/HOAc[28,29]、甘氨酸[30]、乙酸铵[31,32]、1-丁基-3-甲基咪唑氢氧化合物[33,34]、四丁基溴化铵[35]和K?CO?/Al?O?[36]。尽管这些方法在rhodanine衍生物合成中展现了相当大的实用性，但一些报道的方法存在一些缺点，如反应时间过长、产物收率中等或偏低、使用有毒或对环境不友好的溶剂、催化剂或试剂相对昂贵，以及分离纯化操作繁琐。

鉴于硫代羰基功能化噻唑烷酮骨架的药理学重要性以及对可持续合成方法日益增长的需求，本研究旨在通过绿色高效的催化方案设计和合成一系列新的硫代羰基功能化噻唑烷酮衍生物B2(a–f)。采用可重复使用的Br?nsted酸离子液体三乙基铵硫酸氢盐[Et?NH][HSO?]作为催化剂，提供了一种温和、操作简便且环境友好的合成方法。随后通过醛糖还原酶（ALR1）和醛糖还原酶（ALR2）的抑制研究评估了所合成衍生物的生物潜力，特别关注其与抗糖尿病药物开发的潜在相关性。同时，使用MTT法评估了其对HepG2肝癌细胞、PC-3前列腺癌细胞和B16-F10小鼠黑色素瘤细胞系的抗增殖潜力，以(R)-木酚素作为参照标准。为补充实验研究并从分子水平了解其生物行为，还进行了分子对接、密度泛函理论（DFT）计算和POM分析。因此，本工作将绿色合成、生物评价和计算研究相结合，探索硫代羰基功能化噻唑烷酮作为多功能杂环骨架的潜力，并识别可能指导未来潜在抗糖尿病和抗癌药物开发的结构和药效团特征。

## 实验部分

所有溶剂和试剂均购自商业供应商（Spectrochem、Rankem和Sigma-Aldrich），未经进一步纯化直接使用。反应进程和产物纯度通过薄层色谱（TLC）在预涂有硅胶60-F254的铝板上监测（Merck，德国），斑点在紫外灯下观察或通过碘蒸气显色。熔点由开口毛细管法测定，未校正。1H NMR谱在Bruker Avance仪器上记录。

### 离子液体催化剂[Et?NH][HSO?]

棕橙色固体；收率：99%；pH：4.1（0.1 mM水溶液）；熔点：82.5–83.5 °C。FT-IR（KBr，ν_max，cm?1）：3410.07，3037.53，2811.64，2726.48，2512.48，1614.29，1469.35，1397.13，1153.49，1026.85，845。1H NMR（400 MHz，DMSO-d?，δ ppm）：8.95（s，1H，可交换质子），3.03–3.04（m，6H，3 × CH?），1.13（t，J = 7.3 Hz，9H，3 × CH?）。13C NMR（100 MHz，DMSO-d?，δ ppm）：46.2（CH?），9.0（CH?）。

### (Z)-5-(4-(二甲氨基)苯亚甲基)-2-硫代噻唑烷-4-酮（B2a）

橙色固体。熔点：284–286 °C。收率：91%。FTIR（KBr）ν：3035.1（Ar–C–H伸缩振动），2977.3。

## 理论研究

采用密度泛函理论（DFT）对合成的2-硫代噻唑烷-4-酮衍生物B2(a–f)的分子结构进行几何优化，使用Becke三参数Lee-Yang-Parr（B3LYP）杂化泛函和6-31G(d,p)基组[37,38]。所有量子化学计算均使用Gaussian 09W软件包完成，GaussView 09W用于分子可视化和图形分析[39,40]。几何结构优化时未施加对称性约束。

## 酶抑制研究

本研究在位于古吉拉特邦艾哈迈达巴德的Genexplore Diagnostics & Research Centre Pvt. Ltd.进行。用于酶提取的所有化学品均为分析纯级别。酶抑制活性在96孔板中使用ELISA微孔板读数仪在340 nm处进行评估。样本装载使用Gilson微量移液器完成。使用葡萄糖醛酸钠和DL-甘油醛作为底物，NADPH（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，Sigma-Aldrich）作为辅因子。

## 细胞增殖实验

使用标准MTT比色法（Sigma）评估5-亚芳基亚甲基-2-硫代噻唑烷-4-酮衍生物的抗增殖活性。位于古吉拉特邦艾哈迈达巴德的Genexplore Diagnostics & Research Centre Pvt. Ltd.进行了细胞毒性测试，细胞购自印度马哈拉施特拉邦浦那的国家细胞科学中心（NCCS）。简言之，三种人类癌细胞系——HepG2（肝细胞癌）、PC-3（前列腺癌）和B16-F10（小鼠黑色素瘤）——被用于实验。

## 分子对接

使用AutoDock（ADT）软件版本1.5.7对合成的化合物B2(a–f)与醛糖还原酶蛋白的结合亲和力和结合模式进行了分子对接研究，采用人ALR2的晶体结构（PDB ID：1US0），对接参数设置参照我们之前的工作报道[42,43]。使用Discovery Studio可视化软件以二维和三维形式展示对接复合物的结合亲和力和结合模式。

## 化学合成

目标5-亚芳基亚甲基-2-硫代噻唑烷-4-酮衍生物B2(a–f)的合成是通过2-硫代噻唑烷-4-酮（rhodanine）（1）与一系列取代芳香醛2(a–f)在无溶剂条件下进行Knoevenagel缩合反应获得，使用三乙基铵硫酸氢盐[Et?NH][HSO?]（20 mol%）作为离子液体催化剂。反应在80 °C无溶剂条件下进行，高效进行，获得了相应的目标衍生物B2(a–f)。

### B2a的克级合成

为证明所开发方法的放大性和实际应用性，进行了B2a的克级合成。将2-硫代噻唑烷-4-酮（1）（1.33 g，10 mmol）和对-二甲氨基苯甲醛（2a）（1.49 g，10 mmol）在[Et?NH][HSO?]（20 mol%，2 mmol，0.40 g）存在下于80 °C无溶剂条件下反应30分钟。反应以91%的分离收率获得了5-(4-(二甲氨基)苯亚甲基)-2-硫代噻唑烷-4-酮（B2a）（2.40 g，9.1 mmol），表明该方法具有良好的放大性。

## 光物理研究

使用紫外-可见吸收和荧光光谱学研究了合成的(Z)-5-亚芳基亚甲基-2-硫代噻唑烷-4-酮衍生物B2a–B2f的光物理性质（图4a和b）。B2a–B2f的紫外-可见吸收和荧光发射光谱显示出明显的谱学特征。吸收最大波长范围为378至475 nm，发射最大波长范围为450至585 nm。B2a表现出最大红移的吸收和发射峰，而B2c和B2d表现出相对较小的红移。

## 反应机理

[Et?NH][HSO?]催化的2-硫代噻唑烷-4-酮（rhodanine）（1）与取代芳香醛进行Knoevenagel缩合反应的可能机理如图4所示。离子液体作为Br?nsted酸催化剂，促进羰基活化、C–C键形成、质子转移步骤以及随后的脱水，生成相应的5-亚芳基亚甲基衍生物B2(a–f)。首先，醛基羰基氧与离子液体的酸性质子相互作用。

## 离散傅里叶变换（DFT）

如今，DFT已成为药物设计中一种重要的计算工具，特别是用于分析分子结构和电子性质[51,52]。通过将空间和电子数据转换到频率域，DFT有助于评估药物分子的反应活性、稳定性和与生物靶标的结合相互作用。药物化学家广泛使用DFT研究量子化学描述符，如HOMO-LUMO能量和静电势。

## 抗糖尿病活性

对新合成的5-亚芳基亚甲基-2-硫代-1,3-噻唑烷-4-酮衍生物B2(a–f)进行了醛糖还原酶（ALR1）和醛糖还原酶（ALR2）的体外酶抑制活性评估。以丙戊酸作为醛糖还原酶的参考药物，以舒林酸作为醛糖还原酶的参考药物，分别以葡萄糖醛酸钠和DL-甘油醛作为底物。计算了化合物的IC??±SEM（μM）值。

## 分子对接研究

分子对接是药物设计中广泛采用的计算策略，可预测小分子在靶蛋白活性结合位点中的结合亲和力和结合位置。它提供了关于结合亲和力、相互作用模式和决定生物活性的药效团特征的有价值见解[59,60]。醛糖还原酶（ALR1；AKR1A1）和醛糖还原酶（ALR2；AKR1B1）是醛酮还原酶（AKR）超家族的NADPH依赖性酶。

## POM分析与药效团位点鉴定

POM理论（Petra/Osiris/Molinspiration）由Taibi Ben Hadda及其同事与NCI和TAACF合作开发，提供分子的多维轮廓，整合理化、生物利用度、稳定性和毒性参数[[61], [62], [63]]。它是早期药物发现中有价值的工具，用于识别药效团位点和优先筛选先导化合物。使用POM流程图（图10）对测试化合物B2(a–f)进行分析以调节其参数。

## 抗肿瘤药效团位点鉴定与构效关系研究

5-亚芳基亚甲基-2-硫代噻唑烷-4-酮衍生物B2(a–f)的合成与评价突显了结构变化对其抗肿瘤活性影响的重要性。根据POM（Petra/Osiris/Molinspiration）理论，鉴定了两个重要的抗肿瘤活性位点：羰基酰胺（O=C–NH）和硫代羰基酰胺（S=C–NH）基团。在这些基团中，氧和硫原子带有部分负电荷（δ?），而NH基团带有部分正电荷（δ?）。

## 结论

总之，成功在绿色无溶剂条件下使用可回收离子液体催化剂[Et?NH][HSO?]合成了新型(Z)-5-亚芳基亚甲基-2-硫代噻唑烷-4-酮衍生物（B2a–B2f），获得了优异的收率并具有良好的绿色化学指标。

该合成方法不仅确保了优异的产率、原子经济性和可持续性，还生成了具有双重药理活性的生物活性支架。光物理研究表明吸收光谱显示…

CRediT作者贡献声明

Bhavesh S Hirani：撰写—原始稿件；Khairi M Fahelelbom：概念化；Sevak B Gurubaxani：监督及撰写—审阅与编辑；Sumeer Ahmed：数据管理与软件；Younis A. Hajam：调查研究；Ajmal R Bhat：项目管理及软件；Palani Elumalai：调查研究；Mohammad Altaf：撰写—审阅与编辑。

利益冲突

作者声明不存在竞争性经济利益。

数据可用性声明

支持本研究所有相关发现的数据可在本文及其补充信息文件中获取。

资助

沙特阿拉伯利雅得沙特国王大学持续研究资助计划（ORF-2026-972）。

CRediT作者贡献声明

Bhavesh S Hirani：撰写—原始稿件。Khairi M Fahelelbom：概念化。Sevak B Gurubaxani：撰写—审阅与编辑、监督。Sumeer Ahmed：软件、数据管理。Younis A. Hajam：调查研究。Ajmal R Bhat：软件、项目管理。Palani Elumalai：调查研究。Mohammad Altaf：撰写—审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益或可能影响本文所述工作的个人关系。

致谢

我们衷心感谢印度古吉拉特邦瓦尔萨德县帕尔迪的政府科学学院化学系提供的设施和资源。作者还感谢沙特阿拉伯利雅得沙特国王大学持续研究资助计划（ORF-2026-972）提供的资金支持。

Bhavesh S Hirani | Khairi M Fahelelbom | Sevak B Gurubaxani | Sumeer Ahmed | Younis A. Hajam | Ajmal R Bhat | Palani Elumalai | Mohammad Altaf