《Computational Biology and Chemistry》：Environmental Impact on the Tautomeric Equilibrium of a Pyrimidine-2,4-diol Scaffold: In Silico Parametrization, Structural Transformation, and Comparative Docking Analysis as Multi-Target Directed Ligands
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•溶剂性能分析揭示了向形成4的剧烈水溶液互变异构转变。•酰胺-内酰胺形式4可作为平衡的多靶点导向配体。•靶点活性位点对互变异构体状态发挥直接的局部控制作用。•扩展的网格盒参数成功消除了对接位阻陷阱。•计算工作流实现了低至0.50 ?的精确几何收敛。引言功能化含氮杂环化合物的合
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溶剂性能分析揭示了向形成4的剧烈水溶液互变异构转变。
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酰胺-内酰胺形式4可作为平衡的多靶点导向配体。
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靶点活性位点对互变异构体状态发挥直接的局部控制作用。
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扩展的网格盒参数成功消除了对接位阻陷阱。
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计算工作流实现了低至0.50 ?的精确几何收敛。
引言
功能化含氮杂环化合物的合成仍然是有机合成化学的基石，因其广泛应用于生物活性分子和药物制剂中（Aditi等，2026；Deng等，2025；Baziar等，2025；Manhas等，2025；Kaur等，2025；Alsibaee等，2023；Zayed，2023；Aldred等，2013a）。其中，嘧啶-2,4-二酮衍生物，特别是尿嘧啶类似物，作为药物化学中的基本骨架，发挥抗代谢物、抗癌剂、抗菌剂、抗真菌剂、抗病毒剂、抗寄生虫剂和酶抑制剂的多种功能（Ragab，2025；Lagoja，2005；Bardagí和Rossi，2009；Burnstock，2007；Curti等，2022）。嘧啶-2,4-二醇是尿嘧啶的烯醇式互变异构体，而尿嘧啶是RNA中一种必不可少的核苷碱基。
这些功能化框架的设计与开发得益于理论筛选与结构优化策略的结合，这与先进生物材料和制造流程中最近的突破相呼应（Yuan等，2025）。为弥合材料架构与生物化学功效之间的差距，现代发现框架中的跨学科结构优化仍居于核心地位。在这些结构中，未取代的嘧啶环体系是一种经典的芳香杂环；然而，作为独立核心，由于在复杂的细胞结合口袋中缺乏定向静电或位阻锚点，其治疗性结合亲和力可忽略不计（Yan等，2024）。只有在策略性地引入特定药效团后，才会出现选择性且稳健的生物活性。特别是涉及氨基嘧啶骨架的多靶点策略，需要先进的计算建模来描绘特定的药效团特征，才能投入实际的生物应用（Yan等，2024；Xie等，2019）。
表征尿嘧啶的互变异构对于理解生物化学过程至关重要。开发这些富氮杂环化合物面临的一个关键挑战是通过理论和实验的结合研究来解决其互变异构行为，因为活泼氢的明确位置决定了分子识别和生物活性（Araujo de Oliveira等，2024；Dhaked和Nicklaus，2024；Wieczorkiewicz等，2022；Jena，2020；Colasurdo等，2018；Wang等，2011；Eugene等，2001）。互变异构转变会重新定义药效团几何构型，改变氢键阵列和靶点亲和力。解决这些平衡问题可以防止计算分子对接过程中的结构模糊性，从而直接优化合成过程和小分子药效（Araujo de Oliveira等，2024）。我们最近报道了3-脲基丙酰胺和嘧啶-2,4-二醇衍生物的高效声化学合成（Farouk等，2026），建立了通过超声波辅助的碱性Lossen重排实现的一种从头合成、快速、一锅法合成途径。尽管Lossen重排是一种成熟的碳到氮迁移方法（Wang和Liu，2026；Johnson等，2025；Citarella等，2021；Thomas等，2019；Fahmy，2006；Gallop等，1960；VanVerst等，1979；Bauer和Exner，1974；Lossen，1872；Mittersteiner等，2021），但我们的声化学方法为尿嘧啶基杂环和N-氨基甲酰基-β-丙氨酸衍生物的分支合成提供了一个新平台。据我们所知，这是首次将超声波辅助的N-苯磺酰氧基琥珀酰亚胺衍生物的Lossen重排应用于同时生成具有生物活性的尿嘧啶基杂环核心和具有高原子经济性的线性N-氨基甲酰基-β-丙氨酸（3-脲基丙酰胺）体系（Farouk等，2026）。声学空化作用与传统热法相比显著缩短了反应时间（Fiego等，2021；Cella和Stefani，2009；Einborn等，1989；Ian等，1995）。尽管此前的工作已确立了合成的可行性，但特定衍生物——酰胺-内酰胺互变异构体4——的环境稳定性和互变异构行为仍未被探索。互变异构严重影响杂环的物理化学性质。对于嘧啶骨架，烯醇式和酮式之间的平衡高度依赖于取代基和周围介质（Wolken和Ture?ek，2000；Saunders等，1987；Aldred等，2013b；Ostapchuk等，2013）。这种结构转变在药物背景下至关重要，因为在有机溶剂（例如DMSO）中进行光谱表征时的主要物种可能与生理pH下存在的生物活性物种存在显著差异。虽然嘧啶-2,4-二醇通常被描绘为对称结构，但引入氨基和肼基取代基会形成复杂的电子环境，从而有利于特定的非对称互变异构体（Curti等，2022；Wolken和Ture?ek，2000）。这些衍生物的合成已在文献中其他地方进行了总结（Fahmy，2006；Ostapchuk等，2013；Farouk等，2013；Farouk等，2012；Connolly等，2005；Falsone和Kappe，2001）。
在本研究中，我们提出了功能化嘧啶-2,4-二醇骨架（Farouk等，2026）。选择这一基质是因为核心的嘧啶杂环作为特权结构"骨架"，能够模拟内源性核苷碱基，而双羟基取代建立了一个高度动态的电子环境。在此背景下，通过引入环外氨基和肼基取代基对嘧啶-2,4-二醇核心进行特异性修饰，创建了一种非对称的架构拓扑。与未取代的独立嘧啶环——作为缺乏复杂氢键供体和受体阵列的刚性简单芳香核心，无法锁定到不同的蛋白质结构域——不同，我们的功能化嘧啶基质提供了一种自适应的药效团环境。这种电子可塑性使小分子能够根据不同的催化位点的特定拓扑要求动态地重新排列其氢键网络，从而为其作为平衡的多靶点导向配体（Yan等，2024）（MTDL）的使用建立了稳健的结构依据。当通过预测计算框架解析此类复杂的小分子互变异构行为时，如果不考虑局部溶剂转移，将导致极端的结构模糊性，使后续的对接结果在生物学上不准确。在物理合成实施之前，通过计算建立这些动态参数是一个必不可少的、节约资源的预测过滤器（Yan等，2024）
在本研究中，我们超越合成方法，从多学科角度研究该骨架的多靶点潜力。通过将实验光谱表征与计算机模拟微物种分布分析相结合，我们发现从2,4-烯醇式形式3到嘧啶-2-酮互变异构体4存在显著的溶剂依赖性转变，发生在pH 3.0至7.0的生理范围内。为评估这一转变的治疗意义，我们对不同的药物靶点进行了比较分子对接研究：乳酸菌（LAB）、磷酸泛酰基转移酶分枝杆菌（PptAB）、人碳酸酐酶XII（CA XII）和细胞周期蛋白依赖性激酶2（CDK2）。我们的结果表明，pH诱导的互变异构体4提供了优于2,4-烯醇式形式3的药效团构型，用于多靶点抑制，突显了其作为竞争性MTDL的潜力。
章节摘要
材料与方法
无水溶剂按照标准实验室程序干燥（Perrin和Armarego，1988）。水合肼（60%，Sigma-Aldrich，德国）用作试剂级溶液。所有其他试剂均为分析级，未经纯化直接使用。熔点使用Thermo Scientific Electrothermal IA9100数字装置测定，未校正。1H NMR（500 MHz，400 MHz）和13C NMR（125 MHz，100 MHz）光谱在CDCl3和DMSO-d6中记录（使用TMS作为内标）
合成化学与结构表征
嘧啶-2,4-二醇衍生物3的合成是通过N-苯磺酰氧基琥珀酰亚胺2的一锅法声化学肼解法完成的。该反应利用声学空化提供高能微环境，推动碱性Lossen重排（Scheme 1）。在机理上，该过程涉及活化琥珀酰亚胺的去质子化，随后发生分子内碳到氮的迁移29。该迁移导致
结论
在本研究中，我们成功地部署了多学科计算框架，以解析环境溶剂变化对功能化嘧啶骨架结构平衡和生物识别模式的深远影响。虽然标准固态和有机相光谱测定证实了酰亚胺-内酰胺形式3的稳定性，但我们的预测性计算机模拟微物种分布分析揭示了
伦理批准与参与同意
不适用。本研究不涉及需要伦理批准的人类参与者或动物实验。
资金
未获得任何公共、私营或非营利资助机构的专项资助。
致谢
作者感谢瑞士生物信息学研究所（SIB）、洛桑大学（瑞士）以及汉堡大学（德国）ZBH生物信息学中心为SwissDrugDesign项目和Proteins.Plus服务器向全球科学界免费提供资源。
M. Farouk|S. Mahmoud|A. Imran|S. Mahmoud
