多金属氧酸盐催化剂作用下汉茨施反应的选择性控制：1,4-二氢吡啶类化合物的合成、生物活性及分子对接研究

《Journal of Molecular Structure》：Selectivity control of Hantzsh reaction under polyoxometalates catalysts: Synthesis, Biological activities and Molecular docking studyof 1,4-dihydropyridines

　　费拉·加德|萨布丽娜·哈利特|马利卡·马克卢菲-谢布利|塔萨迪特·马扎里|萨米亚·德尔梅什|苏希拉·布阿齐兹-特拉谢|莉扎·萨赫尔|弗拉维安·布尔德鲁|奥雷莉·达蒙|凯瑟琳·罗什|谢里法·拉比亚

通过绿色汉茨施反应，利用三种组分在温和条件下实现了1,4-二氢吡啶类化合物的高效一锅法合成。在所测试的杂多酸中，H?PMo??O??表现出最高的催化活性，能以80%的优异产率生成目标化合物。研究团队成功合成了多种1,4-二氢吡啶衍生物，并通过1H NMR、13C NMR、FT-IR、UV–Vis光谱、质谱分析以及熔点测定对其进行了全面表征，同时提出了合理的反应机理。该类化合物的抗氧化活性通过DPPH自由基清除试验进行评估，抗菌活性则针对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌进行了检测。分子对接研究表明，活性最强的化合物与过氧化还原酶5及DNA旋转酶B具有很强的结合能力。初步的计算机毒性预测显示，这些活性最强的衍生物具有可接受的毒性水平。

引言
组合化学，亦即多组分反应，能够通过一步反应从三种或更多种化合物中合成具有生物活性的杂环化合物[1]。这类反应可显著缩短反应时间、减少副反应和溶剂使用量，同时提高产率，且以较低能耗产生高度选择性的产物[3,4]。所有这些优势使得多组分反应符合绿色化学和可持续发展的理念[5]。因此，多组分反应在合成具有治疗作用的分子方面越来越受到重视，比如汉茨施反应所实现的二氢吡啶类化合物的合成。1882年，阿瑟·汉茨施通过两种β-酮酯、一种醛类物质以及氨源的缩合反应，首次合成了二氢吡啶类化合物[6]，此后又有多种合成方法被开发出来[7,8]。

三十多年来，1,4-二氢吡啶类化合物一直是治疗高血压最常用的钙通道阻断剂。它们可通过L型通道抑制细胞外钙离子的流入，同时也被用于治疗心血管疾病[9,10]。此外，包括硝苯地平、氨氯地平、尼莫地平、非洛地平和尼卡地平在内的十余种具有临床意义的商业药物，其结构中都含有1,4-二氢吡啶母核[11]。另外，这类衍生物还具备显著的抗氧化和抗菌特性[12,13]。抗氧化活性指的是清除活性氧物种、减轻氧化应激的能力，而氧化应激在许多疾病的发病机制中起着重要作用[14,15]。抗菌活性则是指抑制病原菌的生长或裂解的能力[16]。这些化合物在体外和体内实验中均展现出良好的效果，因此成为进一步药理研究的理想候选对象[17]。它们还具有多种生物活性，包括抗心绞痛、抗炎、抗结核、镇痛、抗利什曼病、抑制细胞增殖以及抵御氧化应激的保护作用[18]。

开发高效、可回收且环保的催化体系，用于合成具有生物活性的杂环化合物，仍是当前研究的重要目标之一[19,20]。在各类催化材料中，多金属氧酸盐，尤其是具有凯金结构的那些，已在多种酸性和氧化反应中展现出出色的效率，无论是在均相还是非均相环境中都是如此[21,22]。凯金型多金属氧酸盐由通式为[XM??O??]3?（X=磷、硅；M=钼、钨）的杂多阴离子以及相应的阳离子（质子、金属元素、无机基团等）构成，既具有布朗斯特酸性和/或路易斯酸性，还具备氧化性质[23]。这些性质很大程度上取决于构成多金属氧酸盐的元素组成及性质，可根据所需的反应路径进行调整[24]。如果反应需要酸性位点，就需要选择质子作为阳离子。由于质子与阴离子框架的结合较弱，因此能够轻易参与催化过程[25]。此外，金属中心的高氧化态（VI价）赋予了这些材料较强的氧化性，使其易于被还原。在钒和钼存在时，这种氧化还原行为比在钨存在时更为明显[26]。值得注意的是，即使经过有机底物的还原，多金属氧酸盐的框架仍能保持结构完整，这体现了其在催化反应条件下的极高稳定性[27]。而且，多金属氧酸盐易于合成，相比以往研究中使用的催化剂更具环境友好性[28]。

在之前的研究中，我们发现多种凯金型和道森型多金属氧酸盐，如H4SiMo12O40、H4SiW12O40、H3PMo12O40、(NH4)3PMo12O40、K3HPMo11VO40、H4PMo11VO40、α-K6P2W18O62、β-(NH4)6P2W18O62以及K6P2W12Mo6O62，在通过比吉内利缩合反应一步合成3,4-二氢嘧啶酮类化合物方面具有很高效率[29]。此外，其中几种催化剂与Ag3PMo12O40、Cs3PW12O40一起，在通过佩奇曼反应合成4-甲基香豆素的过程中也表现出了同等的效果[30]。

作为这些研究的延续，我们采用了系列凯金型杂多酸，即H?PMo??O40、H?PW??O40、H4SiW??O40、H4SiMo12O40、H4PMo??V?O40、H5PMo10V2O40以及H6PMo9V3O40，作为催化剂，在室温下通过简单的一步汉茨施缩合反应，以芳香醛类化合物(1)、乙酰乙酸乙酯(2)和醋酸铵(3)为原料，合成了一系列1,4-二氢吡啶类衍生物[4]（见图1）。在现有文献中，使用传统的布朗斯特酸（如HCl、H?SO?/SiO?、醋酸）[[31],[32],[33]]以及路易斯酸（如I?、FeCl?、AlCl?、Yb(OTf)?）[[34],[35],[36]]进行汉茨施反应，也能以较高产率得到二氢吡啶类产物。但从环境角度考虑，由于其腐蚀性强、不可回收，且常常需要使用有机溶剂，这类催化剂的应用仍然存在局限。其他催化体系，如沸石[37]、改性硅胶[38]、磁性材料（如Fe?O4@Phen@Cu、Fe?O4@cysteine、Fe?O4@glutathione）[39]，虽然也能表现出较高的催化性能，但制备过程复杂、合成成本高，且操作要求严格。为了简化汉茨施反应，使其在经济和环境层面都更加高效，我们选择了多金属氧酸盐作为催化剂，因为其在比吉内利反应和佩奇曼反应中已展现出良好的效果。相比传统矿物酸，多金属氧酸盐挥发性低、腐蚀性弱，且毒理学性质更优[40]。

我们采用多种技术对合成的1,4-二氢吡啶衍生物4进行了表征，并评估了它们的生物活性。此外，还对这类衍生物进行了分子对接研究，以探究它们与抗氧化和抗菌相关靶标之间的相互作用模式。

材料与方法
所用的化学试剂和溶剂均为Aldrich公司产品，无需进一步纯化。熔点测定是在配有显微镜的Stuart scientific SPM3仪器上进行的，数据未经校正。红外光谱是在Thermo scientific EVOLUTION 220仪器上记录的，未使用KBr压片。核磁共振谱则是在Bruker公司的AVANCE 1-300 MHz仪器（配备BBFO探针，1H-NMR频率为300 MHz，13C-NMR频率为75 MHz）以及AVANCE 400 MHz仪器（1H-NMR频率为400 MHz，13C-NMR频率为101 MHz）上测得的。

分子对接研究
为进一步评估合成化合物的生物活性，并从分子层面了解其活性机制，我们对两种具有治疗意义的蛋白质靶标进行了分子对接研究。为探究其抗氧化潜力，选择了人类过氧化还原酶5（PRDX5，PDB编号：4IQK）作为靶标，因为它在维持氧化还原平衡以及清除活性氧物种方面起着关键作用。同时，为了评估其抗菌活性，也进行了相应研究。

反应条件优化
为了获得最高的二氢吡啶类化合物产率，我们研究了在H?PMo??O40催化剂存在下的各种合成条件，包括反应时间与温度、溶剂种类、催化剂用量以及反应物比例等。需要特别注意的是，反应瓶必须用铝箔完全覆盖，以防止二氢吡啶类化合物氧化成吡啶[67,68]。

X射线构象与对接构象的比较
为验证应用于合成化合物的分子对接方法的准确性，我们将共结晶的IQK配体重新对接到人类过氧化还原酶5的活性位点上（PDB编号：4IQK）。实验得到的结构（白色碳原子）与预测的对接构象（绿色碳原子）的叠加情况如图6A所示。两者之间的RMSD值为0.49 ?，表明晶体学结构与预测的结合模式高度一致，从而证明了该分子对接方法的可靠性。

结论
在本研究中，我们测试了多种凯金型杂多酸催化剂，即H?PMo??O40、H?PW??O40、H4SiW??O40、H4SiMo12O40、H4PMo?1V?O40、H5PMo10V2O40以及H6PMo9V3O40，它们均可在汉茨施一锅法反应中，以三种起始化合物为原料，用于合成1,4-二氢吡啶类化合物4a。在各类杂多酸中，H?PMo??O40表现出最高的催化活性，在室温下，使用乙醇与水的混合溶液（体积比为80:20），再加入0.25摩尔百分比的该催化剂，即可获得约80%的高产率。

致谢
作者们要感谢朗斯市科学学院阿尔图瓦校区的催化与固态化学实验室（UCCS），尤其要感谢杰雷米·特内尔，他在本研究的初期阶段协助进行了核磁共振分析工作。

作者贡献声明
费拉·加德：论文撰写——审阅与编辑、论文撰写——初稿、可视化分析、结果验证、方法设计、研究实施。萨布丽娜·哈利特：论文撰写——初稿、可视化分析、研究实施。马利卡·马克卢菲-谢布利：论文撰写——审阅与编辑、可视化分析、结果验证、项目监督、项目管理、方法设计、概念构思。塔萨迪特·马扎里：论文撰写——审阅与编辑、结果验证、项目监督、资源协调、项目管理、研究实施、概念构思。萨米亚·德尔梅什：

利益冲突声明
作者们声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。