综述：吡唑衍生物：合成、抗菌活性、构效关系及治疗潜力的综合评述

《Current Proteomics》：Pyrazole derivatives: A comprehensive review of synthesis, antimicrobial activity, structure-activity relationships, and therapeutic potential

　　

摘要 背景：吡唑衍生物构成了一类具有多种治疗用途的药理学上重要的含氮杂环化合物。其结构复杂性和多样的生物活性引起了药物化学领域的广泛关注，尤其是在抗菌、抗炎、抗癌及酶抑制特性方面。然而，涵盖合成方法学、构效关系及超越抗菌应用之外的更广泛治疗潜力的系统性研究，在文献中仍然较为匮乏。 目的：本综述系统分析了吡唑衍生物的合成、抗菌效力、构效关系（SAR）及药用潜力。研究旨在将合成方法与生物学结果联系起来，识别影响抗菌及其他药理作用的关键结构特征，并为不同治疗领域的未来药物开发提供策略性指导。 方法：对近期关于吡唑化学的文献进行了全面评估，涵盖传统和现代合成技术，包括环境友好型方法。构效关系（SAR）研究考察了吡唑骨架不同位置取代基的影响，将结构修饰与抗菌效力、酶抑制特性及其他治疗作用相关联。分子对接研究和实验生物学评价被严格审查以获取机制性见解。 结果：现代合成方法，尤其是利用PEG介导反应和微波辅助合成的环保方法，展现出更高的效率和环境可持续性。构效关系（SAR）研究表明，在特定位置引入吸电子基团（-F、-Cl、-NO?）和给电子取代基（-OH、-NH?、-OCH?）可通过DNA旋转酶抑制、细胞膜破坏及靶向细菌酶等机制显著影响抗菌效力。除抗菌活性外，吡唑化合物还表现出显著的抗癌、抗炎和抗糖尿病作用，从而拓宽了其治疗潜力。 结论：吡唑衍生物是灵活的药效团，在不同疾病领域具有相当大的治疗潜力。合理的合成设计、全面的构效关系（SAR）研究与机制理解的整合，为下一代基于吡唑的疗法的发展奠定了坚实基础。未来研究应聚焦于多靶点优化、药代动力学增强和可持续合成技术，以充分利用吡唑骨架的治疗潜力。

1. 引言

抗菌药物耐药性（AMR）是21世纪全球公共卫生面临的重大挑战。世界卫生组织（WHO）预测，如果当前趋势持续，到2050年抗菌药物耐药性每年可能导致1000万人死亡。危险微生物对传统抗生素的耐药性日益增强，催生了对具有独特作用模式和降低耐药潜力的新型抗菌药物的迫切需求。含氮杂环化合物因其多样的生物活性和有利的药物样特性，已成为药物化学中备受推崇的骨架结构。吡唑衍生物以含有两个相邻氮原子的五元环为特征（分子式C?H?N?），构成了一类极具前景的抗菌药物。吡唑环中独特的N-N键赋予了独特的电子特性，使其能够与细菌大分子（如酶、DNA和膜组分）进行靶向相互作用。吡唑骨架根据双键位置分为三种异构形式：（i）2-吡唑啉（4,5-二氢-1H-吡唑），（ii）3-吡唑啉（2,3-二氢-1H-吡唑），和（iii）1-吡唑啉（4,5-二氢吡唑）。其中2-吡唑啉异构体接受了最全面的药理学研究，并展现出最大的治疗意义。吡唑衍生物的治疗功效已通过多种FDA批准的药物得到证明，如塞来昔布（抗炎）、非那宗（镇痛）和磺吡酮（促尿酸排泄剂）。近年来的构效关系（SAR）研究表明，吡唑核心上精心设计的取代模式可以显著提高对耐药菌的抗菌效力。尽管有这些令人鼓舞的结果，但对抗菌吡唑衍生物的理解仍存在许多不足。当前的抗生素消费趋势表明，到2030年全球预计增长52.3%，尤其是在中低收入国家（LMICs），这些国家医疗基础设施和感染控制实践的不足加剧了抗菌药物耐药性的发展。本综述主要分析吡唑啉（4,5-二氢-1H-吡唑）衍生物的抗菌特性，考察了2005-2024年间合成方法学、构效关系和生物学评价方面的最新进展，并探讨了抗菌作用的关键机制，如DNA相互作用、膜破坏和酶抑制。

2. 吡唑衍生物的合成

2.1. 传统合成方法及其局限性

吡唑类化合物传统上通过α,β-不饱和羰基化合物（查尔酮）与肼或其衍生物的环缩合反应合成，辅以酸或碱催化。Knorr型环化反应是该杂环类化合物的主要合成途径。其总体机制涉及水合肼对查尔酮羰基部分的亲核攻击，随后进行分子内环化和脱水以生成吡唑环。该反应通常在极性质子溶剂（如乙醇或乙酸）中，于高温（60-120°C）下长时间回流（6-24小时）进行。这些条件可能导致区域选择性不足、产生区域异构体混合物、原子经济性降低和大量溶剂浪费。由于某些官能团对剧烈反应条件的敏感性，传统方法无法合成多种官能化的吡唑衍生物。这些限制推动了更高效、更可持续的现代合成方法的发展。

2.2. 合成技术的进展

2.2.1. 可持续和高效技术

近期进展强调绿色化学原理，纳入纳米催化剂、微波辐射、超声辅助、离子液体、水性反应介质和多组分反应（MCRs），这些方法提高了产率、缩短了反应时间并最大限度地减少了对环境的影响。

2.2.2. 合成技术

ZnO、Fe?O?和TiO?等纳米催化剂在吡唑合成中的应用提供了可控性、可重复使用性和成本效益等优势。微波辅助合成将反应时间从数小时显著缩短至数分钟，同时提高了产率和选择性。超声辅助方案通过声空化作用促进反应，允许温和条件和减少溶剂使用。水性和无溶剂条件已被有效用于吡唑合成，显著降低了这些过程的环境影响。

2.2.3. 多组分反应

多组分反应（MCRs）是合成吡唑类化合物的一种极其有效的方法，可在单一合成过程中从三种或更多易得的起始原料形成结构复杂的衍生物。该方法具有高原子经济性、减少废物产生和获得多样化结构库等优点。芳香醛、丙二腈和水合肼的一锅三组分缩合已被用于合成具有各种官能团的2-吡唑啉。

2.3. 创新合成靶标的药理学意义

吡唑衍生物的多样药理特性保证了先进合成方法学发展的投入。近期研究表明，吡唑-三唑融合杂合体相对于标准抗真菌药物表现出增强的抗真菌效力。吡唑-肟醚化合物已被研究作为潜在杀虫剂。吡唑连接的腙化合物在实验动物中表现出显著的抗炎和抗氧化特性。尽管取得了这些进展，但在将实验室合成转化为商业可行方法方面仍存在重大障碍，同时需保持可重复性、安全性和符合监管标准。

2.4. 新策略：PEG介导合成和氟化吡唑

吡唑合成的重要近期进展包括利用聚乙二醇（PEG）作为环境友好型反应介质，以及引入氟取代基以调节生物活性。Dhonnar等人（2022）报道了利用PEG-400作为可回收和环保溶剂合成新型1,3,5-三取代2-吡唑啉，并评估了其抗菌效力。化合物1对大肠杆菌表现出抗菌活性，抑菌圈（ZOI）为18 mm，而参考抗生素青霉素为16 mm。SAR分析表明，在芳环上引入吸电子氯（-Cl）基团可增强抗菌效力。Pathade等人（2021）评估了多种氟化吡唑的抗菌效力。针对枯草芽孢杆菌测试时，化合物2表现出增强的抗菌效力（ZOI = 16 mm），优于基准药物氯霉素（ZOI = 15 mm）。Zelelew等人（2022）评估了噻唑基-吡唑席夫碱衍生物的抗菌效力。化合物3对大肠杆菌表现出17 mm的抑菌圈（ZOI），超过参考药物阿莫西林（ZOI = 14.67 mm）。SAR分析揭示，给电子羟基（-OH）基团可能通过增强与细菌靶标的氢键相互作用来增强抗菌活性。

2.5. 特定衍生物的合成

2.5.1. 查尔酮基、呋喃基和含噻吩的吡唑

Hassan等人（2022）评估了源自查尔酮的新型杂环化合物的抗菌效力。化合物4对普通变形杆菌的抗菌效力（ZOI = 24 mm）超过了金标准药物环丙沙星（ZOI = 25 mm）。SAR研究表明苯并二氧杂环戊烯部分的存在增强了化合物活性。Kumbhare等人（2022）评估了由呋喃基查尔酮合成的2-吡唑啉衍生物的抗菌特性。化合物5对大肠杆菌表现出显著优越的抗菌效力（ZOI = 23 mm），而金标准药物氧氟沙星为10 mm。Muntaser等人（2023）评估了新开发的4-噻吩基-吡唑衍生物的抗菌效力。化合物6对铜绿假单胞菌表现出17 mm的抑菌圈，与参考药物庆大霉素（19 mm）相当。Akolkar等人（2020）评估了新开发的含呋喃和噻吩的吡唑衍生物的抗菌效力。化合物7对大肠杆菌表现出增强的抗菌活性（MIC = 62.5 μg/ml），而标准抗生素氯霉素为50 μg/ml。Meeran等人（2022）研究了源自呋喃基-芴基查尔酮的吡唑的抗菌活性。化合物8对枯草芽孢杆菌表现出更高的活性（ZOI = 20 mm），优于参考药物环丙沙星（ZOI = 18 mm）。Dangar等人（2021）评估了新型吡唑-1-硫代酰胺衍生物的抗菌效力。化合物9对铜绿假单胞菌表现出显著增强的抗菌效力（ZOI = 20 mm），而金标准药物青霉素为13 mm。Farooq等人（2020）评估了由查尔酮合成的吡唑衍生物的抗菌效力。化合物10对金黄色葡萄球菌的抗菌效力显著超过金标准药物氨苄青霉素（ZOI = 19 mm）。对接研究表明化合物与DNA结合蛋白的N端结构域（PDB ID：4PQL）具有良好的相互作用，结合能为-8.0 kcal/mol。

2.6. 区域异构双吡唑和喹唑啉-2,4-二酮

Kassab等人（2024）合成了两个新的区域异构双吡唑系列并评估了其抗菌活性。化合物11对金黄色葡萄球菌的抗菌活性（MIC = 0.17 μg/ml）显著高于标准抗生素万古霉素（MIC = 0.338 μg/ml）。对接分析显示化合物与青霉素结合蛋白2a具有良好的相互作用，结合能为-13.1 kcal/mol，对应PDB ID为5M18。Naggar等人（2023）评估了新型喹唑啉-2,4-二酮吡唑衍生物的抗菌活性。化合物12对铜绿假单胞菌表现出中等活性（MIC = 12 μg/ml），而环丙沙星标准为7 μg/ml。在胸苷磷酸化酶（PDB ID：4EAD）的对接研究中，相关类似物被发现具有更高的活性（结合能 = -11.5 Kcal/mol），优于金标准药物环丙沙星（结合能 = -8.3 Kcal/mol）。

2.6.1. 异噁唑和二氢吡唑衍生物

Shaik等人（2020）研究了多种含异噁唑环的新型化合物（包括查尔酮二氢吡唑）的抗菌效力。化合物13对金黄色葡萄球菌的抗菌活性与标准抗生素环丙沙星相当（MIC均为4 μg/ml）。构效关系研究表明，邻位和对位甲氧基的存在是导致化合物活性变化的原因。

2.7. 取代基的影响

2.7.1. 富电子和吸电子基团的影响

吸电子基团（EWGs）如酯基、三氟甲基和氰基可增强吡唑在钯催化膦酸酯化反应中的反应活性。在电化学卤化中，N-1位的吸电子基团导致独特的反应模式，影响产物产率和组成。相反，给电子基团（EDGs）以不同方式影响亲核攻击。给电子基团的引入增强了亲核性，使吡唑对亲电试剂更具反应活性。取代基对吡唑衍生物构效关系（SAR）的影响十分显著，对理解这些化合物的化学和生物学行为至关重要。3位和5位的取代基（如三氟甲基和甲基）已被证明可改变钯配合物中的配位环境。吡唑化合物表现出显著的抗菌、抗氧化和抗炎特性，特定取代基可放大这些效应。Kanaan等人（2023）开发了新的4,5-二氢-1H-吡唑衍生物并评估了其抗菌活性。化合物14对大肠杆菌表现出巨大的抗菌活性（ZOI = 40 mm），而标准药物环丙沙星为25 mm。SAR研究表明，带有吸电子基团（Br和NO?）的化合物对革兰氏阴性菌具有非常好的活性。Mamand等人（2022）合成了新的吡唑衍生物。化合物15对大肠杆菌表现出显著活性（MIC = 0.791 μg/ml），优于甲硝唑（MIC = 1.374 μg/ml）。Farooq等人（2021）制备了羧基吡唑衍生物。化合物16对金黄色葡萄球菌表现出显著抗菌效力（抑菌圈 = 18 mm），而常规药物氨苄青霉素为11 mm。Nagaraj等人（2021）设计合成了新型吡唑硫代酰胺衍生物。化合物17对金黄色葡萄球菌表现出显著抗菌效力（MIC = 15 μg/ml），优于参考药物环丙沙星（MIC = 20 μg/ml）。Halki等人（2023）开发了基于吡唑的新型抗菌化合物。化合物18对金黄色葡萄球菌的抗菌活性较弱（MIC = 512 μg/ml）。SAR研究表明甲氧基的引入降低了化合物活性。对接研究中，该化合物与VEGFR-2（PDB ID：4ASD）具有良好的相互作用，结合能为-9.90 Kcal/mol。

3. 构效关系（SAR）

3.1. 一般SAR见解

3.1.1. 各种取代基对抗菌效力的影响

吡唑环在所有位置以独特取代基修饰时均表现出有效的抗菌活性。但吡唑的抗菌能力因其未取代的R2位而增强。吡唑环的氮（R4）可以未取代或用各种取代基（包括烷基和芳基）修饰。芳基可用于替代R1或R3，在存在苯基或取代苯基时可增强结合和特异性。向苯环引入羟基或甲氧基等基团可增加溶解度或允许更多氢键形成从而增强活性。杂芳基可通过形成更多氢键或静电相互作用增强结合选择性。在R5位引入新的芳基可增加对微生物酶的结合亲和力。通过卤素（氯、氟）、硝基或甲氧基等取代基增强与苯环的疏水或电子相互作用可提高抗生素特性。

3.1.2. FDA批准药物分类

吡唑衍生物反映了塞来昔布和阿哌沙班等药物的广泛治疗应用。吡唑并[1,5-a]嘧啶的结构多样性也促成了靶向特定激酶的强效抗癌药物的发现。Pawar等人（2023）对合成的吡唑衍生物进行了抗菌活性评估。化合物19对大肠杆菌表现出优越的抗菌活性（ZOI = 21 mm），而金标准抗生素链霉素为18 mm。SAR研究表明给电子基团（OCH?）增强了化合物活性。

3.2. 详细SAR研究

3.2.1. 具有特定基团的吡唑衍生物

Mahdi等人（2024）评估了吡唑衍生物的抗增殖活性。化合物20在中和金黄色葡萄球菌方面与标准抗生素环丙沙星效力相当（ZOI均为12 mm）。SAR研究证实，富电子芳香部分（特别是噻吩）的引入增强了化合物活性。Ali等人（2023）以逻辑方法合成了新的吡唑衍生物。化合物21对大肠杆菌表现出相对较高的活性（ZOI = 30 mm），接近标准药物阿奇霉素（ZOI = 32 mm）。SAR分析表明给电子基团（甲基）影响化合物活性。Padhy等人（2023）制备了新型苯并咪唑-吡唑化合物。化合物22对金黄色葡萄球菌的抗菌活性（MIC = 62.5 μg/ml）低于标准抗生素环丙沙星。SAR结果表明给电子基团（H）降低了化合物活性。Mahdi等人（2023）设计合成了新型3,5-二芳基-2-吡唑啉衍生物。化合物23对肺炎克雷伯菌的抗菌活性中等（ZOI = 9 mm），而金标准药物阿莫西林为18 mm。对接研究显示化合物与葡萄糖胺-6-磷酸合酶（GlcN-6-P）酶（PDB ID：2POC）具有良好相互作用，结合能为-7.45 Kcal/mol。Saeed等人（2023）合成了基于吡唑的新型酰基硫脲。化合物24对大肠杆菌的抗菌活性较低（ZOI = 7 mm），而金标准抗生素卡那霉素为16 mm。在对接研究中，以脲酶抑制酶（PDB ID：5M18）为靶标，化合物24被发现具有合适的结合亲和力，值为-10.9 kcal/mol。多种取代吡唑衍生物对辣椒疫霉和立枯丝核菌等病原菌表现出令人印象深刻的杀真菌作用。此外，氟化吡唑衍生物在对抗日益严重的耐药性问题方面展现出有希望的进展，表现出抗菌和抗真菌特性。