新型吡啶并[2,3-b]吡嗪类亚胺衍生物的设计、合成、抗菌评价、分子对接、ADMET预测及DFT研究

《Scientific African》：Design, Synthesis, Antibacterial Evaluation, Molecular Docking, ADMET Prediction, and DFT Study of Novel Pyrido[2,3-b]pyrazine-Based Imine Derivatives

　　

摘要
通过7-溴吡啶并[2,3-b]吡嗪-2,3(1H,4H)-二酮与脂肪族伯胺的缩合反应，合成了一系列新型吡啶并[2,3-b]吡嗪类亚胺衍生物（2a–2c），并利用核磁共振（NMR）波谱和高分辨率质谱（HRMS）对其进行了表征。采用纸片扩散法、最低抑菌浓度（MIC）和最低杀菌浓度（MBC）测定法，评价了所合成化合物对选定细菌菌株的抗菌活性。结果表明，所有化合物均表现出抗菌活性，其中化合物2b的效力最高。针对DNA促旋酶B的ATP结合域进行的分子对接研究揭示了有利的结合相互作用，支持了基于酶抑制的潜在作用机制。此外，计算机模拟的药物类药性和ADMET预测表明，这些化合物具有合适的药代动力学特性，包括高肠道吸收、符合Lipinski五规则以及低预测毒性。密度泛函理论（DFT）计算进一步揭示，所有化合物具有相似的电子特性，具有适中的HOMO–LUMO能隙和均衡的反应活性。总体而言，研究结果凸显了吡啶并[2,3-b]吡嗪类亚胺衍生物作为有前景的抗菌剂的潜力。其中，化合物2b因其生物活性、结合亲和力和药代动力学特性之间的最佳平衡而成为先导候选化合物。

**新型吡啶并[2,3-b]吡嗪类亚胺衍生物的抗菌研究：集成实验与计算方法的综合解读**

**研究背景与问题**

氮杂环化合物是众多生物活性分子和药物的重要结构基序，尤其在抗生素和天然产物领域。其中，融合二嗪体系如吡啶并[2,3-b]吡嗪，因其结构多样性和已报道的生物活性（特别是在抗菌药物发现中）而备受关注。席夫碱以亚胺（>C=N–）官能团为特征，是药物化学中的一类重要化合物，可通过缩合反应轻松合成，并表现出广谱生物活性，包括抗菌和抗真菌作用。其生物活性通常归因于偶氮甲碱基团，该基团能与生物靶标相互作用并参与配位过程。已有研究报道吡啶并[2,3-b]吡嗪衍生物具有令人鼓舞的抗菌活性，并可作为包括DNA促旋酶靶标在内的酶抑制剂。然而，尽管抗菌药物耐药性迅速出现推动了对新化合物的持续搜索，但吡啶并[2,3-b]吡嗪类亚胺衍生物的抗菌潜力，特别是烷基取代基对其生物学和分子性质的影响，仍未得到充分探索。因此，本研究旨在合成一系列新型吡啶并[2,3-b]吡嗪类亚胺衍生物，系统评价其抗菌活性，并通过分子对接、ADMET预测和DFT计算揭示其作用机制和理化性质。

**研究内容与结论**

研究人员通过7-溴吡啶并[2,3-b]吡嗪-2,3(1H,4H)-二酮与三种不同链长的脂肪族伯胺（乙胺、戊胺和辛胺）的缩合反应，成功合成了一系列新型亚胺衍生物（2a–2c），并利用核磁共振（NMR）波谱和高分辨率质谱（HRMS）对其进行了全面表征。抗菌活性评价采用纸片扩散法、最低抑菌浓度（MIC）和最低杀菌浓度（MBC）测定法，针对四种细菌菌株进行。分子对接研究针对DNA促旋酶B的ATP结合域，以阐明其潜在作用机制。此外，还进行了计算机模拟的药物类药性、ADMET预测和DFT计算，以全面评估这些化合物的成药潜力。研究结论表明，所有合成的化合物均表现出抗菌活性，其中化合物2b表现出最高的效力。分子对接研究揭示了化合物与DNA促旋酶B ATP结合域的有利相互作用，支持了基于酶抑制的潜在作用机制。ADMET预测显示这些化合物具有良好的药代动力学特性，符合Lipinski五规则，且预测毒性低。DFT计算表明所有化合物具有相似的电子特性，具有适中的HOMO–LUMO能隙。这项研究的重要意义在于，其综合实验和计算方法揭示了吡啶并[2,3-b]吡嗪类亚胺衍生物作为新型抗菌剂的潜力，化合物2b因其生物活性、结合亲和力和药代动力学特性之间的最佳平衡而成为先导候选化合物。该论文发表在《Scientific African》。

**关键技术与方法**

本研究采用了多种关键技术方法。合成方面，通过7-溴吡啶并[2,3-b]吡嗪-2,3(1H,4H)-二酮与线性脂肪族伯胺（乙胺、戊胺、辛胺）在乙醇中回流缩合，以乙酸为催化剂合成目标化合物。表征方面，使用核磁共振（NMR）波谱（包括¹H和¹³C NMR）和高分辨率质谱（HRMS）确认化合物结构。抗菌活性评价采用纸片扩散法、肉汤稀释法测定MIC和MBC。计算机模拟方面，使用AutoDock Vina进行分子对接研究，靶向DNA促旋酶B（PDB ID: 1KZN）的ATP结合域；使用SwissADME网络服务器进行药物类药性和ADMET预测，包括Lipinski五规则、Veber标准和Egan过滤器；使用Gaussian 09软件包，在B3LYP/6-31G(d,p)理论水平下进行密度泛函理论（DFT）计算，以探索电子结构和反应性描述符。

**主要研究结果**

**合成与表征**：通过关键中间体7-溴吡啶并[2,3-b]吡嗪-2,3(1H,4H)-二酮与三种不同链长的脂肪族伯胺（乙胺、戊胺、辛胺）缩合，成功合成了目标亚胺衍生物2a–2c，产率81-89%。NMR和HRMS分析确证了亚胺（C=N）键的形成，其特征性¹³C NMR信号出现在δ 176–178 ppm。

**生物活性评价**：纸片扩散法结果显示，化合物2b对大肠杆菌（14 mm）、金黄色葡萄球菌（10-11 mm）和肠道沙门氏菌（10-11 mm）表现出最广谱的抗菌活性。MIC/MBC测定进一步证实，化合物2b对大肠杆菌具有最低的MIC值（0.125%），表现出最强的抑制潜力。化合物2c对大肠杆菌也显示出良好活性（MIC=0.25%）。所有化合物对蜡状芽孢杆菌均不敏感，这可能归因于疏水性化合物在琼脂培养基中的扩散受限。MIC与MBC的比较揭示了化合物的不同作用模式，对大肠杆菌的活性主要表现为杀菌作用，而对其他菌株则表现为抑菌或浓度依赖的杀菌作用。

**分子对接研究**：所有化合物均能良好地适配于DNA促旋酶B的ATP结合口袋，并与关键氨基酸残基（如Asp73、Gly77、Ile78、Pro79和Val120）发生相互作用。结合亲和力范围为-6.4至-7.3 kcal/mol，其中化合物2b的结合亲和力最强（-7.3 kcal/mol），其次是2c（-7.0 kcal/mol）。研究发现，增长的烷基链能增强疏水相互作用，有利于提高结合亲和力。

**药物类药性与ADMET预测**：所有化合物均符合Lipinski五规则，无违规情况。它们具有适中的脂溶性（LogP 1.59-3.01），低分子量（269.1-353.26 g/mol），以及与良好口服吸收相关的拓扑极性表面积（约73.9 ?2）。ADMET预测显示所有化合物均具有高人体肠道吸收（>89%）、低血脑屏障通透性，且AMES毒性预测为阴性，表明其具有良好的安全性和药代动力学特性。

**DFT研究**：所有化合物具有几乎相同的HOMO-LUMO能隙（4.16-4.17 eV），表明其化学稳定性与反应活性达到良好平衡。HOMO主要定位在杂环核心和亚胺部分，而LUMO则分布在杂环和羰基区域。全局反应性描述符表明，化合物具有中等的化学硬度、柔软度和亲电性，暗示其在相互作用中具有适应性。分子静电势（MEP）图显示，富电子区域集中在羰基氧原子附近，而缺电子区域则位于NH氢原子附近。

**讨论与结论**

讨论部分指出，化合物的抗菌活性受烷基链长度和脂溶性的显著影响，增长的碳链有助于增强膜穿透能力。分子对接结果证实了DNA促旋酶B作为潜在靶标，但实验与计算结合亲和力之间存在差异，这强调了药代动力学性质在决定整体抗菌效果中的重要性。DFT结果支持了结构灵活性而非电子效应是活性差异的主要原因。结论部分强调，该系列化合物是有前景的抗菌先导物，特别是化合物2b，因其在对大肠杆菌的活性、优异的结合亲和力和良好的药代动力学特性之间取得了最佳平衡。未来研究可通过优化烷基链或引入其他药效团，以期获得更强效的抗菌药物（基于DNA促旋酶抑制机制）。