乙酰胺桥连接的2-取代苯并噁唑类化合物及N-乙基哌嗪衍生物：合成、抗菌性能评估、分子建模与密度泛函理论（DFT）研究

《Journal of the Indian Chemical Society》：Acetamido-bridged 2-substituted benzoxazole and N-ethyl piperazine derivatives: Synthesis, antimicrobial evaluation, molecular modeling, and DFT studies

　　本研究合成了四个新型2-(对取代苯基)-5-[2-(4-乙基哌嗪-1-基)乙酰胺基]苯并恶唑类化合物，通过光谱确认结构，比较其体外抗菌活性与氨苄西林、万古霉素的MIC值，发现化合物3d活性最佳。结合分子对接、动态模拟及DFT计算，揭示了结构与活性的构效关系，并预测了ADMET特性。

　　

Meryem Erol|Nagihan Faydal?|Muhammed Tilahun Muhammed|Ozlem Temiz Arpaci|Mustafa Ar?soy|Gülcan Kuyucuklu

埃尔吉耶斯大学药学院药物化学系，土耳其开塞利

摘要

本研究合成了一系列新型的2-（对位取代苯基）-5-[2-（4-乙基哌嗪-1-基）乙酰胺基]苯并噁唑化合物，利用光谱技术明确了它们的结构，并通过标准细菌和真菌菌株以及耐药菌株比较了这些新型苯并噁唑的最低抑菌浓度（MIC）。化合物3b和3d的抗菌活性最接近氨苄西林和万古霉素，其对粪肠球菌（E. faecalis）的MIC值为32 μg/mL。此外，化合物3d的抗菌活性也非常接近氨苄西林，其浓度为16 μg/mL时即可抑制大肠杆菌（E. coli）。通过分子对接技术评估了这些化合物与DNA旋转酶（PDB: 4KTN）的相互作用，并展示了蛋白质-配体相互作用的图像。对接研究表明这些化合物能够与DNA旋转酶结合。根据分子动力学模拟结果，所得复合物也是稳定的。使用B3LYP/6-311G(d,p)理论水平对化合物的分子结构进行了密度泛函理论（DFT）建模，同时估算了HOMO和LUMO轨道能量及其他化学参数。MEP研究还考察了这些化合物的亲电性和亲核性。根据HOMO–LUMO分析，化合物3d的LUMO值最低（-1.6876 eV），在体外抗菌活性结果中表现出最佳的抗菌效果。此外，还计算了这些化合物的Mulliken种群分析、NBO分析及ADMET谱型。

引言

抗菌药物是一类通过提供快速有效的感染治疗手段，彻底改变了现代医学的进程，这些感染此前被认为是致命且具有传染性的[1]。抗菌药物耐药性（AMR）是一个日益严重的问题，其成因包括世界人口快速增长、耐药病原体的普遍存在、难以获得最新药物，以及由于抗生素的滥用和不当使用导致抗菌药物效力下降[2]。这种情况导致感染治疗成功率降低、感染相关死亡率和发病率上升、现有抗菌药物被临床淘汰、效力减弱、耐药性感染增加、住院时间延长以及医疗相关成本增加[3]、[4]、[5]。据世界卫生组织（WHO）估计，AMR每年导致70万人死亡；如果不立即采取行动，到2050年这一数字可能上升至1000万。预计到2050年，AMR将给全球带来高达100万亿美元的损失[6]。随着耐药性的持续上升，迫切需要新的方法来发现和开发能够治疗耐药菌株的抗菌药物。一种有前景的方法是通过结构修饰来优化抗菌剂[6]。

在生物系统中，苯并噁唑（由苯环和噁唑环融合而成）能够容易地与多种酶和受体结合，具有优异的电学性质和载电能力。由于其与核酸碱基（如鸟嘌呤和腺嘌呤）及异构体具有结构相似性，因此能够与生物聚合物相互作用并表现出多种药理效应。由于苯并噁唑环是多种药物（包括苯氧萘普生、卡西霉素和氟萘普生）中的关键结构单元，人们认为苯并噁唑衍生物具有广泛的抗菌活性。苯并噁唑的抗菌[7]、抗炎[8]、镇痛[9]、抗癌[10]、抗结核[11]、抗糖尿病[12]和抗神经退行性[13]等药理作用尤为显著。随着这些化合物应用的不断增加，许多研究人员对其作为潜在药理活性物质表现出浓厚兴趣[14]。

由于苯并噁唑骨架中的氧原子和氮原子可作为氢受体，这种化学结构具有多种非共价相互作用。由于这些分子间相互作用，苯并噁唑衍生物对多种生物靶点具有亲和力和选择性，同时其溶解性也得到了提升。此外，苯并噁唑骨架中苯环的平面几何结构使其能够与生物大分子发生疏水相互作用、π-π堆叠及π-阳离子形成。这些特性使得苯并噁唑骨架成为合成多种生物活性化合物的基本构建单元[14]、[15]、[16]。作者根据文献数据，在图1中重新绘制了几种经美国食品药品监督管理局（FDA）批准的含有苯并噁唑环的药物[8]。

在本研究中，作为我们先前研究的延伸，我们旨在评估苯并噁唑环2位取代变化对其结构和活性的影响，同时保持其5位结构不变（见图2）。为此，我们合成了四种新的2-（对位取代苯基）-5-[2-[4-乙基哌嗪-1-基]乙酰胺基]苯并噁唑衍生物，对其进行了结构表征，并通过体外和计算机模拟（in silico）方法评估了取代变化对抗菌活性的影响。为了确定化合物的最稳定构象、研究其化学稳定性和反应性，并更好地理解其可能的生物活性机制，我们采用了密度泛函理论（DFT）、分子对接和分子动力学建模技术。此外，还对这些化合物进行了预测性吸收、分布、代谢和排泄-毒性（ADMET）计算。

材料与方法

合成、纯化过程及结构分析所用的化学品由Sigma-Aldrich、Merck、Fluka、Riedel-de-Haen和Acros公司提供；未采用任何预纯化步骤。所有合成实验均通过薄层色谱（TLC）进行控制，样品制备过程中使用乙醇作为溶剂。样品被涂布在预先用适当溶剂混合物饱和的硅胶60 F₂₅₄铝板上。

化学方法

为了发现新型高效抗菌药物，本研究分三步合成了四种新型的2-（对位取代苯基）-5-[2-[4-乙基哌嗪-1-基]乙酰胺基>苯并噁唑化合物；方案1展示了合成过程。在保持化合物5位结构不变的情况下，对苯环的2位进行氟、氯或溴取代，从而能够全面研究结构与活性的关系。含有对位氟、氯或溴的苯甲酸被用于合成过程。

结论

本研究的目标是寻找新的、具有药物疗效的候选化合物以对抗传染病，并揭示识别关键化合物所需的基础研究。通过三步合成四种原创的哌嗪苯并噁唑衍生物，并对其进行了抗菌活性、分子对接、分子动力学及计算机模拟ADMET研究。测定了这些化合物的熔点并计算了产率百分比。

CRediT作者贡献声明

Nagihan Faydal?：撰写初稿、数据可视化、软件使用、实验设计、数据分析。Muhammed Tilahun Muhammed：撰写初稿、软件使用、实验设计、数据分析。Ozlem Temiz Arpaci：撰写初稿、数据可视化、资源获取、实验设计、数据分析。Mustafa Ar?soy：撰写初稿、实验设计、数据分析。Meryem Erol：审稿与编辑、撰写初稿、数据可视化、软件使用、实验设计、数据分析。

数据获取

本研究的支持数据详见本文的补充信息部分。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

伦理批准

本研究未涉及人类受试者或动物实验。所有实验程序均符合相关机构和国家的指导原则。

致谢

安卡拉大学药学院的中心实验室为本研究提供了核磁共振（NMR）、质谱和元素分析所需的设备支持。