基于Michael加成反应合成lawsone衍生的benzopyrans：抗菌、CREST与ADMET研究

《RSC Advances》：Michael addition-based synthesis of lawsone-derived benzopyrans: antibacterial, CREST and ADMET studiesOpen Access

　　

研究人员利用Michael加成（迈克尔加成）反应，开发了一种简便方法，在室温下以62–94%的优良收率合成新型lawsone（2-羟基-1,4-萘醌）基高取代benzopyrans（苯并吡喃类）。所有合成化合物均经1H NMR、13C NMR、FTIR与HRMS表征。相对构型由ROESY（旋转核Overhauser增强与交换谱）谱指派，显示H1与H3质子间存在1,3-syn相互作用，并进一步由CREST（Conformer Rotamer Ensemble Sampling Tool，构象旋转异构体集合采样工具）分析支持；其中具SSR构型的Structure-E在八种可能结构中相对电子能最低。随后以DNA促旋酶（DNA gyrase）为靶标，对合成化合物针对E. coli（PDB ID：1KZN）与S. aureus（PDB ID：3G75）两株菌开展体外抗菌评价。化合物3p带6,8-二氯与–OMe苯基，对E. coli的MIC为6.25 μg mL?1，对S. aureus为12.5 μg mL?1，抑菌活性最高。分子对接（molecular docking）显示3p对E. coli与S. aureus的结合自由能估计值分别为?9.3 kcal mol?1与?8.2 kcal mol?1。ADMET（吸收、分布、代谢、排泄与毒性）研究证实化合物具有良好药代与类药性质。体外与计算机模拟结果共同表明该类化合物具备抗菌候选价值。

研究背景方面，抗菌耐药（AMR，antimicrobial resistance）被WHO视为“沉默大流行”，相关死亡负担沉重，低收入与中等收入国家受影响尤为突出，新型抗菌骨架与结构多样化候选分子需求迫切。喹诺酮（quinone）类中，2-羟基-1,4-萘醌即lawsone（散沫花素）因结构简单、C-3位易于形成碳–碳键、具有氧化还原循环能力，成为药物化学中的重要支架。已有lapachol、atovaquone等lawsone天然与合成衍生物展现抗原虫、抗癌与抗菌潜力，但针对lawsone与硝基色烯经Michael加成构建高取代benzopyrans并系统评价其抗菌与类药性质的报道仍不充分，因此研究人员在《RSC Advances》发表该研究，旨在以简便合成策略拓展lawsone–chromene杂合支架并验证其抗DNA促旋酶抗菌前景。

关键技术方法上，研究人员以2-苯基-3-硝基-2H-chromene（3-硝基-2H-色烯）与2-羟基-1,4-萘醌为模型底物，用三乙胺（Et₃N）在甲苯中室温优化Michael加成条件；以¹H NMR、¹³C NMR、FTIR、HRMS进行结构表征，以ROESY判断H₁/H₃的1,3-syn关系；用量子化学方法B3LYP/6-311++G(d,p)结合CREST做八种构象集合与相对电子能比较；抗菌实验采用E. coli MTCC 614与S. aureus MTCC 7443，以抑菌圈（ZI，zone of inhibition）和最小抑菌浓度（MIC，minimum inhibitory concentration）评价，并以ciprofloxacin（环丙沙星）作阳性对照；分子对接选用E. coli DNA gyrase（PDB ID：1KZN）与S. aureus DNA gyrase（PDB ID：3G75）预测结合模式与打分；ADMET用计算模型评估口服候选性质。

研究结果部分，2.1 Chemistry小节通过底物普适性筛选得到3a–3r共十八个Michael加合物，收率62–94%；甲氧基取代显著提升反应效率，3m达94%，多卤代底物如3l降至62%， gram-scale实验证明8-OMe/4-OMe苯基底物可92%放大，而chromene-3-甲醛与chromene-3-腈因β-碳亲电性不足不发生反应，说明3-硝基是必要活化基团。2.2 Characterization小节中，3a的¹H NMR出现H₁ 5.96 ppm、H₂ 5.01 ppm、H₃ 5.68 ppm单峰，¹³C NMR中C₃ 74.6 ppm、萘醌羰基183.7/181.4 ppm，IR中NO₂吸收1547与1373 cm^?1、C=O 1644 cm^?1，HRMS的[M+H]⁺与理论值吻合，ROESY证实H₁–H₃ syn。2.3 Mechanism小节指出Et₃N使lawsone去质子成共振稳定烯醇负离子，进攻硝基色烯β-碳完成Michael加成后质子转移得产物。2.4 CREST studies小节对3a三个立体中心生成的RRS、RSS、SRS、RSR、SSR、SRR、RRR、SSS八种构型做构象采样，SSR（Structure-E）最低能构象为0 kcal mol^?1，与ROESY的syn结论一致。

生物评价中，3.1 Antibacterial screening小节显示3p对E. coli ZI 19 mm、MIC 6.25 μg mL^?1，对S. aureus ZI 17 mm、MIC 12.5 μg mL^?1，接近ciprofloxacin；3g、3l、3n、3o也较优，Gram-negative E. coli总体比Gram-positive S. aureus更敏感，3b、3m较弱。3.2 Molecular docking studies小节用1KZN与3G75两个ATPase域配体结合口袋作参照，3p打分?9.3/?8.2 kcal mol^?1最优，3n为?9.1/?8.1，3b/3m仅?7.3/?5.8， docking得分与体外MIC趋势吻合，支持DNA gyrase抑制为可能机制。

讨论与结论部分，研究人员认为无碱无反应、甲苯/Et₃N/室温体系高效，说明溶剂极性与碱量影响烯醇生成与迈克尔受体活化；3-硝基色烯的强吸电子效应是反应成立关键。构型上SSR最稳，说明动力学与热力学控制均偏向该相对构型。抗菌结构–活性上，卤素尤其多氯增强膜穿透或靶标结合，甲氧基助溶解与共轭但不保证最优，3p的6,8-二氯+OMe苯基组合兼顾亲脂与电子效应。对接只提供靶标假设，尚不能替代酶活与耐药突变研究。结论为：研究人员通过Michael加成以良好收率制得lawsone-based高取代benzopyrans；ROESY与CREST一致确定SSR/syn构型；3p对E. coli与S. aureus具有与ciprofloxacin可比的抑菌活性，分子对接支持其作用于DNA gyrase GyrB ATPase口袋；ADMET显示口服类药窗口可接受。该类lawsone–benzopyran加合物可作为后续抗AMR药物优化与构效关系研究的候选骨架。