传统法与微波辅助法合成吡啶连接1,3,4-噁二唑衍生物作为具有前景的抗微生物活性物质：构效关系及基于分子对接、分子动力学模拟、MM-GBSA和DFT的计算研究

《Bioorganic Chemistry》：Conventional and microwave-assisted synthesis of pyridine-linked 1,3,4-oxadiazole derivatives as promising antimicrobial agents: Structure–activity relationship and computational investigations using molecular docking, molecular dynamics simulation, MM-GBSA and DFT

　　

• 快速微波辅助合成获得了新颖的吡啶连接的1,3,4-噁二唑类化合物。
• 明确的构效关系指导了抗菌和抗真菌活性的评价。
• 分子动力学模拟和MM-GBSA方法验证了先导化合物与DNA旋转酶复合物的稳定性。
• 密度泛函理论（DFT）分析揭示了决定生物活性的电子特征。
• 综合研究流程确定了吡啶连接的噁二唑类化合物作为潜在抗微生物先导化合物的价值。

引言

1,3,4-噁二唑是一类含有一个氧原子和两个氮原子的五元杂环化合物。由于其卓越的结构多样性、优良的电子性质以及广泛的生物活性，这些杂环已成为当代药物化学中极具价值的骨架结构[1], [2], [3]。环内杂原子的存在赋予这些分子显著的药理学潜力，通过增强氢键相互作用、调节脂溶性以及提高这些分子对多种生物靶点的亲和力。大量研究已表明，1,3,4-噁二唑衍生物具有广泛的药理学特性，包括抗癌[4]、抗微生物[5]、抗病毒[6]、抗炎[7]、镇痛[8]、抗结核[9]、抗惊厥[10]以及其他药理学效应。此外，1,3,4-噁二唑母核常被视为一种特权药效团，因为它能够作为酯、酰胺和氨基甲酸酯的生物电子等排体，从而有助于提高药物候选物的代谢稳定性、降低毒性并改善药代动力学行为[11]。由于这些优良特性，众多含有1,3,4-噁二唑的分子已被成功应用于具有治疗活性药物的设计与开发中。其广泛的治疗应用性在很大程度上归因于噁二唑环缺电子芳香性质，这种性质有利于与生物受体和酶产生有利相互作用。此外，在噁二唑环的不同位置引入合适的取代基可以实现对物理化学和生物性质的精细调控，使这些化合物在先导化合物优化项目中极具吸引力。多种已上市和正在研究中的含噁二唑结构的药物分子进一步强调了这一杂环骨架的药物学意义。

多重耐药细菌和真菌病原体的迅速涌现已显著降低了多种临床可用抗菌药物的治疗效果，从而对结构新颖、具有更高疗效、选择性和安全性的新型化学类型产生了迫切需求。在此背景下，能够与多种生物靶点相互作用的杂环骨架作为下一代抗微生物药物开发的有前景候选物，受到了极大关注。

近年来，分子杂化策略已成为药物化学中提高生物疗效和克服耐药性的有效方法。在这方面，1,3,4-噁二唑经常与各种具有生物活性的杂环核结构偶联，以生成具有增强药理学特性的杂化分子。此类杂化体系包括苯并咪唑[12]、1,3,4-噻二唑[13]、吡啶[14]、嘧啶[15]、1,2,4-噁二唑[16]、吡唑[17]、咪唑[18]、噻唑[19]、吡嗪[20]以及多种含氧、含氮和含硫杂环。这些具有药理学重要意义的骨架的融合或连接通常产生协同效应，与单独的母体分子相比，可显著提高效力、靶点选择性和更广泛的生物活性。此外，这些杂化衍生物通常表现出增强的膜通透性、更好的代谢稳定性和对生物大分子的更高结合亲和力。

多种合成策略已被用于合成含有其他官能团的1,3,4-噁二唑衍生物，包括二酰基酰肼的环化[21]、氧化环合脱水[22]以及缩合反应[23]。在这些策略中，由于N-酰基腙的合成简便、结构多样以及环化反应的高反应活性，其作为关键中间体的使用获得了重要地位。N-酰基腙可作为在相对温和反应条件下构建结构多样的噁二唑衍生物的通用中间体，同时提供令人满意的合成产率。

在N-酰基腙及其相应噁二唑衍生物的合成过程中使用了多种溶剂，包括醇类[24]、二甲基亚砜（DMSO）[25]、四氢呋喃[26]、甲苯[27]、乙腈[28]、二氯甲烷[29]等，具体取决于反应条件和底物兼容性。同样，多种催化剂如乙酸[30]、盐酸[31]、对甲苯磺酸[32]、七水合氯化铈（III）（CeCl?·7H?O）[33]、叔丁基铵溴化物[34]、2-氨基苯膦酸[35]以及氯化亚铜[36]也被用于提高环化效率和反应选择性。总之，这些合成方法不仅缩短了反应时间、降低了能耗，还提高了产品产率并最小化环境影响，从而与绿色化学原则高度一致。此外，对反应参数（包括温度、催化剂负载量、溶剂体系和反应时间）的精心优化对于获得高纯度目标化合物和提高合成效率起着至关重要的作用。

本研究的创新之处在于，并非在于1,3,4-噁二唑母核本身的使用（该母核是一个具有广谱抗微生物潜力的公认药效团），而在于对2-甲基-2-取代苯基-5-(吡啶-4-基)-1,3,4-噁二唑框架的理性设计，以系统地研究吡啶连接骨架内取代基依赖的构效关系[37]。虽然已有大量抗微生物噁二唑衍生物被报道，但大多数先前研究侧重于改变杂环伴侣、稠环体系或连接体结构，而在共同的吡啶-噁二唑框架内系统评估电子多样的苯乙酮衍生的2-甲基-2-芳基取代基的研究相对有限[38]。因此，本研究的分子设计基于将能够与生物靶点产生有利极性相互作用的对位吡啶基与平面且具有氢键能力的1,3,4-噁二唑环相结合，同时引入2-甲基取代的芳基片段来调节分子构象、空间环境、疏水性和可能影响靶点识别和膜通透性的物理化学性质[39]。此外，近年来关于噁二唑基抗微生物药物的研究表明，芳香取代基的性质和位置通过改变电子分布、氢键能力、卤键、π-π相互作用和整体脂溶性，强烈影响生物活性[40]。因此，本系列中引入电子给体和电子受体取代基旨在系统了解这些电子和空间变化如何影响抗微生物活性，同时建立有意义的构效关系。因此，本工作代表了吡啶连接的1,3,4-噁二唑类化合物的聚焦药物化学优化，而非全新骨架的开发，从而提供了比许多近期报道的基于苯并咪唑、吡唑、喹啉、嘧啶或噻唑框架的噁二唑抗微生物杂化物的取代基效应更为全面的评价[41]。此外，本研究通过引入更广泛的电子多样芳香取代基，并将实验抗微生物评价与分子对接、分子动力学模拟、ADMET预测和DFT分析相结合，扩展了我们此前关于吡啶基1,3,4-噁二唑衍生物的研究，从而为该化合物类建立全面的构效关系[42]。

DNA旋转酶（PDB ID: 1KZN）、二氢叶酸还原酶（DHFR；PDB ID: 3SRW）和角鲨烯14α-脱甲基酶（CYP51；PDB ID: 5V5Z）代表了抗菌和抗真菌药物发现的经典分子靶点。DNA旋转酶是一种关键的细菌II型拓扑异构酶，参与DNA复制，尽管抗微生物耐药性日益严峻，但它仍然是氟喹诺酮类抗生素临床验证的靶点[43], [44], [45]。类似地，DHFR和CYP51分别在叶酸代谢和真菌麦角固醇生物合成中发挥不可或缺的作用，抑制这些靶点可以有效抑制微生物生长[46]。因此，这些经过验证的靶点被广泛应用于基于结构的药物发现中，以研究配体-蛋白质相互作用、与共结晶抑制剂的结合模式进行比较，并促进新型抗微生物骨架的理性设计[47], [48]。

实验摘要

化学部分

所有化学品和溶剂均购自Merck和Sigma-Aldrich，除另有说明外，均不经进一步纯化直接使用。所有反应均在标准实验室条件下进行，使用烘干的仪器以尽量减少水分污染。每个反应的进程和合成化合物的纯度通过薄层色谱法（TLC）在预涂硅胶板（Merck，60 F???）上监测，色谱图在紫外灯下观察。

化学

图2概述了目标吡啶连接的2,2,5-三取代1,3,4-噁二唑衍生物4(a–o)的合成路线。化合物4(a–o)的合成涉及两步序列：首先将等量的取代苯乙酮（1）与异烟肼（2）缩合得到相应的N-酰基腙中间体（3），随后进行环化-乙酰化反应，得到目标噁二唑衍生物4(a-o)。1,4-二噁烷用作

总体讨论

综合来看，分子动力学分析一致表明，在模拟的10 ns轨迹中，配体在DNA旋转酶活性位点内持续保持结合模式。结构、相互作用、构象和能量描述符的收敛性确认了蛋白质-配体复合物在保持受体整体结构完整性的同时保持了良好的平衡状态。蛋白质骨架和配体的低均方根偏差（RMSD）值，活性位点内有限的柔性，以及

结论

在本研究中，成功合成了一个新的吡啶连接的2,2,5-三取代1,3,4-噁二唑衍生物库，分别采用了常规热法和微波辅助方法。合成策略涉及由异烟肼和结构多样的取代苯乙酮形成N-酰基腙中间体，随后使用乙酸酐进行高效环化和乙酰化反应。与常规方法相比，微波辅助合成显著

CRediT作者贡献声明

Darshan H. Divetia：撰写-初稿，可视化，方法学，调查研究，概念化。Devayat R. Bhadarka：形式分析，数据整理。Vijay H. Dodiya：方法学，调查研究。Jainish U. Joshi：软件，资源。Tushar J. Karkar：撰写-审阅与编辑，验证，监督，项目管理。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

我们非常感谢CB Patel计算机学院和JNM Patel科学学院（DRB），Bharthana（Vesu），Surat-395017在实验室和图书馆设施方面的大力支持。衷心感谢Microcare实验室在极短时间内完成生物学研究。我们感谢Nidhi D. Jariwala女士在分子动力学研究的途径和方法学方面提供的巨大指导。Tushar J. Karkar博士感谢Veer Narmad南古吉拉特大学，Surat-395017，

Darshan H. Divetia | Devayat R. Bhadarka | Vijay H. Dodiya | Jainish U. Joshi | Tushar J. Karkar