新型吡啶并[2,3-b]吡嗪衍生物的合成与抗菌机制研究：晶体结构、DFT计算及分子对接的整合分析

《Results in Chemistry》：Synthesis of new pyrido[2,3- b]pyrazine derivatives: Crystal structures, spectroscopic characterizations, molecular docking studies, DFT calculations, and antibacterial activity

本研究针对细菌耐药性问题，开发了一种温和高效的相转移催化方法合成新型N1,N4-二烷基化吡啶并[2,3-b]吡嗪衍生物。通过NMR、HRMS和单晶衍射确证结构，抗菌实验显示化合物2a和2c对大肠杆菌等病原菌具有显著抑制活性（MIC低至0.0625 mg/mL），DFT计算揭示2a最高反应活性而2c最强亲电性，分子对接证实其与DNA旋转酶强结合作用，为抗菌药物研发提供了新支架。

　　

在当今全球公共卫生领域，细菌耐药性问题日益严峻，传统抗生素的效力正在迅速减弱，而新型抗菌药物的研发进度却相对滞后。面对这一挑战，杂环化合物因其独特的生物活性成为药物化学家关注的焦点。其中，吡啶并[2,3-b]吡嗪衍生物因其多样的药理活性——包括抗疟、抗炎、抗癌和抗过敏等特性——而备受瞩目。然而，这类化合物的合成通常面临多步反应、条件苛刻、产率低等难题，特别是对其核心骨架进行高效官能化修饰的策略仍然有限。

为了突破这一合成瓶颈，摩洛哥西迪·穆罕默德·本·阿卜杜拉大学应用有机化学实验室的Mohamed El Yaqoubi等研究人员在《Results in Chemistry》上发表了一项创新性研究，他们开发了一种新颖高效的合成策略，成功制备了一系列7-溴-1,4-二氢吡啶并[2,3-b]吡嗪-2,3-二酮的N1,N4-二烷基化衍生物，并对其抗菌活性和作用机制进行了深入探索。

研究人员采用了几项关键技术方法：使用相转移催化技术(PTC)在温和条件下进行N-烷基化反应；通过核磁共振(NMR)、高分辨质谱(HRMS)和熔点分析进行化合物表征；采用X射线单晶衍射确定晶体结构；通过微量稀释法测定最小抑菌浓度(MIC)评估抗菌活性；利用密度泛函理论(DFT)计算电子参数和反应性描述符；运用分子对接技术研究化合物与细菌DNA旋转酶的相互作用模式。

3.1. 合成与表征

研究人员以5-溴-2,3-二氨基吡啶为起始原料，与草酸在85°C条件下回流反应24小时，以89%的产率得到关键中间体7-溴-1,4-二氢吡啶并[2,3-b]吡嗪-2,3-二酮。随后在相转移催化条件下（K₂CO₃/TBAB，DMF溶剂，室温），该中间体与各种卤代烷烃试剂反应，成功合成了六个N1,N4-二烷基化衍生物(2a-2f)，产率在79%-91%之间。所有化合物均通过¹H NMR、¹³C NMR和HRMS进行了充分表征，确认了其化学结构和纯度。

3.2. 单晶结构测定

化合物2a的单晶X射线衍射分析显示，该化合物在三斜晶系P-1空间群中结晶，不对称单元中含有两个独立分子。分子结构分析揭示了吡啶-吡嗪双环核心的平面性偏差较小（-0.0611至0.0329 ?），与文献报道的类似体系一致。晶体堆积分析发现了分子间存在H?π和O?π相互作用，这些弱相互作用力共同支撑了晶体的三维架构稳定性。

3.3. 抗菌活性

3.3.1. MIC测定

抗菌活性测试结果显示，所有合成的化合物对测试菌株均表现出不同程度的抑制活性，MIC值在0.0625-0.5 mg/mL范围内。特别值得注意的是，化合物2a对大肠杆菌表现出最强的抑制活性，MIC值低至0.0625 mg/mL。化合物2a和2f对大肠杆菌、沙门氏菌和铜绿假单胞菌均表现出良好的抑制活性，而化合物2b是唯一能够抑制金黄色葡萄球菌生长的衍生物。这些结果与先前关于吡啶并[2,3-b]吡嗪类化合物抗菌活性的研究报道相一致，证实了N1,N4-二烷基化吡啶并吡嗪作为抗菌先导化合物的潜力。

3.4. DFT研究

3.4.1. 优化化合物的电子性质

通过DFT计算（B3LYP/6-31G(d,p)水平）分析了化合物的电子性质和反应性描述符。研究发现化合物2a具有最小的HOMO-LUMO能隙（3.63 eV），表明其具有最高的化学反应活性，这与其较低的化学硬度和较高的软度值相一致。相比之下，化合物2b-2f显示出较宽的HOMO-LUMO能隙（4.36-4.39 eV），表明它们具有更高的动力学稳定性和较低的反应活性。化合物2c表现出最负的化学势（-4.56 eV）和最高的亲电性指数（ω = 22.62 eV），表明其具有最强的亲电特性。此外，化合物2b具有最高的偶极矩（5.00 D），而化合物2c显示出最高的极化率（343.98 a.u.）。这些电子参数为了解化合物的化学行为和潜在的生物活性提供了重要的理论依据。

3.4.2. 分子静电势表面分析

分子静电势(MEP)表面分析显示，所有化合物在氧原子区域均呈现红色区域，表明这些位置是强亲电位点，可能是生物系统中氢键受体的潜在位点。其他部分的绿色区域表明可能存在弱的亲核相互作用，为分子识别提供了双重作用位点。这些电子结构特征直接关系到这些分子与生物靶标发生特异性相互作用的潜力。

3.5. 分子对接分析

分子对接研究显示，化合物2c对所有测试的细菌靶标均表现出最有利的结合亲和力，其中对沙门氏菌的结合能最高（-8.3 kcal/mol），其次是对金黄色葡萄球菌（-7.8 kcal/mol）、铜绿假单胞菌（-7.3 kcal/mol）和大肠杆菌（-7.0 kcal/mol）。这些相互作用的稳定性得到了多个氢键形成的支持，如与大肠杆菌中的GLN94和ALA117、金黄色葡萄球菌中的LYS1130和ILE1131以及沙门氏菌中的两个ARG580相互作用。化合物2a也表现出良好的对接性能，特别是对沙门氏菌（-7.9 kcal/mol）以及金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌（均为-7.1 kcal/mol）。虽然它与大肠杆菌和金黄色葡萄球菌缺乏氢键相互作用，但与沙门氏菌中的ARG580和铜绿假单胞菌中的ASN48形成了稳定的氢键，这可能有助于其结合稳定性。

本研究成功开发了一种高效、温和的相转移催化方法，用于合成新型N1,N4-二烷基化吡啶并[2,3-b]吡嗪衍生物。通过综合的实验和理论研究表明，化合物2a和2c表现出显著的抗菌活性，特别是对大肠杆菌的抑制活性最为突出。DFT计算揭示了这些化合物的电子特性和反应性，分子对接研究则从原子水平解释了其与细菌DNA旋转酶的相互作用机制。这些发现不仅为吡啶并吡嗪类化合物的合成提供了新策略，更重要的是为开发新型抗菌药物提供了有价值的先导化合物框架。该研究通过实验与理论计算的有机结合，为理解化合物结构与活性之间的关系提供了深入见解，对解决细菌耐药性问题具有重要的科学意义和实际应用价值。