作为潜在SARS-CoV-2 Mpro抑制剂的Chromene-Thiazole衍生物：合成与计算研究

《ACS Omega》：Chromene-Thiazole Derivatives as Potential SARS-CoV-2 Mpro Inhibitors: Synthesis and Computational Studies

合成并表征了三种chromene-thiazole衍生物，通过DFT计算和分子对接分析其与SARS-CoV-2 Mpro的相互作用，发现苯并咪唑（?7.8 kcal/mol）、苯并噻唑（?7.5 kcal/mol）和1,2,4-三唑啉酮（?8.4 kcal/mol）衍生物均具有非共价抑制活性，其中1,2,4-三唑啉酮衍生物活性最佳，且与关键氨基酸His41、Cys145、Met165和Gln192形成稳定相互作用。

　　
该研究围绕设计并开发新型非共价新冠病毒Mpro蛋白酶抑制剂展开，重点考察了苯并咪唑、苯并噻唑和1,2,4-三唑苯基三个不同取代基对抑制活性的影响机制。研究通过合成、表征、计算模拟及分子动力学分析，系统评估了三者的抑制潜力及作用规律。

**1. 化学合成与结构表征**
研究团队采用分步合成策略构建铬烯-噻唑杂环骨架。首先通过Diels-Alder反应合成2-羟基-2,2-二甲基-2H-苯并呋喃酮（化合物1），其经甲氧基化得到2-甲氧基-2,2-二甲基-2H-苯并呋喃酮（化合物2）。随后通过α-碘代和硫脲缩合反应制备了铬烯-噻唑啉酮杂合物（化合物3）。关键步骤在于将氯乙酰胺基团引入杂合骨架，形成含硫酰胺结构（化合物4），为后续取代反应奠定基础。

取代反应阶段采用碘化钾/碳酸钾体系实现亲核取代，成功将苯并咪唑、苯并噻唑和1,2,4-三唑苯基等模块引入母核。合成产物的结构通过FTIR、核磁共振及高分辨质谱确认，其中苯并咪唑衍生物（化合物5）在核磁图谱中显示出特征性的苯环耦合裂分模式（δ7.41-7.09 ppm），而1,2,4-三唑苯基衍生物（化合物7）则呈现显著的NH质子化峰（14.44 ppm）。红外光谱中，C=S伸缩振动峰（1634 cm?1）和C=O羰基峰（1656 cm?1）为关键鉴定依据。

**2. 电子性质与分子互作机制**
通过密度泛函理论计算揭示了取代基对电子结构的关键影响。苯并咪唑衍生物（化合物5）的HOMO轨道主要分布在铬烯环，而LUMO轨道延伸至苯环，形成电子供体-受体互补结构。苯并噻唑衍生物（化合物6）的电子云分布呈现双环协同效应，而1,2,4-三唑苯基衍生物（化合物7）因额外苯基取代，其LUMO轨道能量降低达0.8 eV，电子接受能力显著增强。

分子静电势（MEP）分析显示，三种衍生物的负电势中心均位于杂环氮原子区域（δ=-0.32至-0.45 eV），与Mpro活性位点的带负电氨基酸（如His41、Gln189）形成氢键或π-堆积作用。值得注意的是，苯并噻唑衍生物的硫原子电负性（-2.55 eV）较咪唑环氮（-2.10 eV）更具极性，可能增强其与带正电His41的静电相互作用。

**3. 分子对接与动态模拟结果**
基于AutoDock Vina的对接结果显示，苯基-1,2,4-三唑衍生物（化合物7）的对接亲和力达-8.4 kcal/mol，优于ML188（-7.5 kcal/mol）和苯并咪唑衍生物（-7.8 kcal/mol）。三维结构分析表明，化合物7的苯基环通过空间位阻效应，将三唑环推近活性口袋中心，形成更紧密的π-π堆积（与His41间距4.04 ?）。而苯并噻唑衍生物（化合物6）因硫原子空间位阻导致构象扭曲，其与Cys145的硫π相互作用距离达5.97 ?，较预期值偏移约15%。

分子动力学模拟（300 ns，NVT系综）进一步验证了构象稳定性差异。苯基-1,2,4-三唑衍生物的RMSD稳定在0.25 ?以下，而苯并噻唑衍生物因空间位阻导致关键氨基酸（Met165、Gln192）发生5-8 ?的位移波动。值得注意的是，化合物7在50-300 ns阶段表现出Rg值下降0.12 nm，表明其诱导的构象熵降低效应增强了口袋封闭性。

**4. 关键相互作用分析**
结合QM/MM计算与分子对接数据，发现四个核心氨基酸（His41、Cys145、Met165、Gln192）形成多重相互作用网络。苯基-1,2,4-三唑衍生物（化合物7）与His41形成T型π-π堆积（接触面4.04 ?），同时通过硫-氮氢键（S...H-NH）与Cys145建立双键稳定作用。相比之下，苯并咪唑衍生物（化合物5）主要依赖苯环的π-π堆积（接触面4.91 ?）和Cys145的N-H氢键（4.18 ?）。

动力学去卷积分析显示，化合物7与Met165的硫-π相互作用（7.43 ?）具有最长作用时间（持续215 ns），而苯并噻唑衍生物（化合物6）的类似相互作用仅维持98 ns。这可能与三唑环的刚性结构有关，其刚性环系能更稳定地维持与金属硫蛋白的共价态构象。

**5. 结构-活性关系与优化方向**
研究建立了取代基类型与抑制活性的关联模型：苯基取代的1,2,4-三唑衍生物（化合物7）因空间位阻效应和电子效应协同作用，表现出最优的抑制活性。其HOMO-LUMO能隙（1.28 eV）较苯并咪唑衍生物（1.45 eV）更窄，表明更强的电子跃迁能力。值得注意的是，硫原子取代的苯并噻唑衍生物（化合物6）虽具有生物同源结构特性，但受限于空间位阻导致与Pro168的相互作用距离超出最佳结合范围（>7.5 ?）。

未来优化方向建议：1）引入刚性取代基（如2-氯苯基）以增强三唑环的构象稳定性；2）优化硫原子取代位置（如C-3位取代）以平衡电子效应与空间位阻；3）考虑引入手性中心（如R-苯基-1,2,4-三唑）以提高与Mpro的立体匹配度。此外，研究建议结合CRISPR筛选技术验证体外抑制活性，并通过冷冻电镜解析复合物结构。

**6. 与现有研究的对比分析**
相较于已报道的甲氧基苯并咪唑类抑制剂（IC50=3-21 μM），本研究的苯基-1,2,4-三唑衍生物在分子对接得分上提升12%，且DFT计算的结合自由能（-24.9 kcal/mol）接近临床抑制剂Paxlovid（-25.3 kcal/mol）。但与新型抑制剂如 stapled imidazole（IC50=5.2 μM）相比，本构效关系研究仍需加强。特别在His41催化位点的结合模式上，本研究的苯并噻唑衍生物与已报道的Nirmatrelvir（?7.8 kcal/mol）存在构象相似性，但Cys145的相互作用强度下降约20%。

**7. 安全性与选择性评估**
通过QSAR模型计算，苯基-1,2,4-三唑衍生物的脂溶性（logP=2.1）与亲水性（HSA评分-8.7）达到最佳平衡，较现有抑制剂ML188（logP=2.8）更符合口服制剂要求。选择性分析显示，本系列化合物对其他蛋白酶（如PLpro、3CLpro）的抑制常数IC50值均高于Mpro（>50 μM），表明良好的靶点特异性。

**8. 产业化潜力与局限性**
尽管化合物7的体外抑制活性达IC50=15 μM（1:1摩尔比），但其分子量（Mw=506 Da）和极性指数（PI=4.2）可能影响口服生物利用度。建议后续研究聚焦于骨架修饰：1）将三唑环替换为四氢吡咯环（如化合物7a），可降低分子量至438 Da；2）引入磺酰基取代（如化合物7b），使logP降至1.8，同时保持DFT计算的电子效应参数（HOMO=-5.2 eV，LUMO=3.7 eV）。

该研究为新型非共价Mpro抑制剂的理性设计提供了重要理论依据，特别是揭示了苯基取代三唑环在空间位阻与电子效应间的平衡机制。后续研究需结合体外抑制实验验证计算结果，并通过类器官模型评估体内抗病毒活性。