基于α-四氢萘酮的查尔酮衍生物的合成、密度泛函理论（DFT）研究及分子对接研究：作为潜在的抗菌和抗真菌剂

本研究通过Claisen-Schmidt缩合反应合成了11种α-四氢萘酮基黄酮类衍生物，并利用FT-IR、¹H-NMR、¹³C-NMR确认结构。抗菌测试显示3a-7a、9a-11a对革兰氏阳性/阴性菌有活性，抗真菌活性则表现为1a、8a、9a、11a有效。DFT计算表明4a和5a因低HOMO-LUMO能隙和较高电离势而具有稳定电子结构，分子对接证实其与雌激素受体α的相互作用最强，提示进一步药物开发潜力。

Milind C. Nagare|Ashish V. Gajbhiye|Ramesh S. Nirwan|Nandkishor B. Shirsath|Kuldeep T. Padhyar

MGV’s A.S.C.学院化学系研究生，马姆德，纳西克区

摘要

从α-四氢呋喃合成了一系列查尔酮衍生物，并通过FT-IR、¹H-NMR和¹³C NMR方法对其进行了表征。所有合成的化合物均对革兰氏阳性细菌（如金黄色葡萄球菌和化脓性葡萄球菌）和革兰氏阴性细菌（如大肠杆菌和铜绿假单胞菌）以及真菌（如白色念珠菌和黑曲霉）进行了抗菌活性测试。化合物3a, 4a, 5a, 6a, 7a, 9a, 10a, 11a表现出抗菌活性，而1a, 8a, 9a, 11a则表现出抗真菌活性。对新合成化合物的构效关系（SAR）研究表明，其化学结构与抗菌和抗真菌活性之间存在关联。合成化合物B环上同时存在供电子基团和吸电子基团是其在微生物中发挥活性的原因。含有NO₂和乙烯取代基的化合物4a和5a也表现出抗菌活性。采用密度泛函理论（DFT）方法，在6-311G++ (d, p)基组下，使用（B3LYP）水平优化了所有合成化合物的几何结构，并计算并比较了它们的电子参数和整体反应性参数。在同一理论水平上，还进行了分子静电势（MEP）的表面图分析，并讨论了Mullikan原子电荷。电子特性（χ, ɳ, σ, ω, Pi, ΔN_max, I, A, E, ΔE）和化学反应性（HOMO-LUMO间隙能量和电离势）也进行了研究。结果表明，较低的HOMO-LUMO间隙表明较高的化学反应性，较高的电离势（分别为4.07 eV和3.50 eV以及7.06 eV和6.03 eV）表明这些含有查尔酮的化合物具有稳定的电子结构，这为进一步开发药物提供了可能性。分子对接研究表明，这些合成化合物能够与氨基酸（包括称为雌激素受体α氧化酶的蛋白质）结合。

引言

黄酮类化合物家族包括查尔酮，它们是存在于多种药用植物中的次级代谢产物，例如甘草（Glycyrrhiza glabra），以其抗炎[1]和抗病毒特性而闻名；Millettia pinnata因其抗氧化和保肝作用而受到重视[2]；Angelica keiskei则因其抗菌和抗癌活性而受到认可[3]。结构上，查尔酮是α,β-不饱和芳香酮，由两个芳香环通过一个α,β-不饱和羰基连接而成，以3-二苯基丙-2-烯-1-酮为代表，这是查尔酮家族的母体化合物。这些分子含有一个与双键共轭的羰基，以及在其芳香环内的离域π电子，这赋予了它们特有的黄色至橙色，这种颜色在某些植物花瓣的色素形成中起作用。查尔酮天然存在于水果、香料、茶叶和豆制品中，由于其多样的生物活性（如甘草中的isoliquiritigenin的抗炎作用、啤酒花中的xanthohumol、甘草中的licochalcone A等）而引起了科学界的广泛关注[4]。

含有杂环核心的查尔酮类似物作为未来药物来源具有很大潜力，因为它们的活性与标准药物（如sofalcone、metochalcone和hesperidin methyl-chalcone）相似或更优。迄今为止，(E)-1,3-二苯基丙-2-烯-1-酮（查尔酮家族的母体结构）的基本化学结构已成为设计和开发多种药物的潜在来源[5]。许多研究人员致力于合成含有杂环骨架的查尔酮类似物[6]。含有α-四氢呋喃作为重要结构的杂环化合物已被报道具有多种生物和药理活性[7]，例如抗氧化活性[8]、抗菌活性[9]、抗真菌活性[10]、抗增殖活性[11]、抗疟活性[12]、抗血小板活性[13]、抗利什曼病活性[14]、抗炎活性[15]、抗癌活性[16]、碳酸酐酶抑制剂[17]以及微粒体谷胱甘肽-S-转移酶和CYP1酶抑制剂[18]。Arylidene-1-四氢呋喃类化合物也具有显著的生物和药理特性，包括细胞毒性、抑制作用、神经肌肉阻断作用、抗真菌和镇静作用[19]。

在新药化合物的开发过程中，了解酶与抑制剂之间的相互作用至关重要，因为几乎95%的药物活性源于这些相互作用[20]。确定酶与抑制剂之间相互作用的方法之一是计算或计算机模拟[21]。计算对接分析和分子动力学是常用于研究新化合物与目标大分子之间相互作用的分子建模方法。在抗癌药物的开发中，禽红细胞增多症病毒癌基因同源物（ERBB）[22]家族是参与肿瘤生长和进展的关键靶蛋白之一。

ERBB蛋白的过度表达是癌细胞形成的原因之一。对图1中的1a和2a进行的计算对接分析表明，查尔酮的烯酮骨架以及吡啶的‘N’原子和呋喃的‘O’原子可以通过氢键抑制ERBB蛋白的活性位点，体外活性测试结果也支持这一点[23]。尽管计算对接分析可以显示相互作用与活性的线性关系，但其缺点是无法描述酶与底物之间存在的复杂系统（包括水和压力）的真实相互作用[24]。

有报道称，药物不仅与蛋白质的活性位点相互作用，还与水相互作用，并受到温度和压力等物理因素的影响[25,26]。此外，还有研究表明查尔酮与目标蛋白受体之间存在分子相互作用，其电化学和光物理性质也通过DFT进行了研究[27,28]。

因此，我们合成了一系列基于α-四氢呋喃的查尔酮（如图1所示[32]），并使用DFT研究了它们的分子相互作用和电子特性，发现其中4a和5a与ERBB蛋白受体的结合亲和力最高。使用DFT研究了合成查尔酮化合物的电子参数和整体反应性参数。

实验部分

超声波辅助反应优化（UMRO）和微波辅助有机合成（MAOS）技术作为一种非传统技术，在快速有机合成中越来越受欢迎[29]。该技术的特点包括能够轻松达到极高的温度、对能量输入的良好控制、较高的产率以及有机化合物的快速合成。合成化合物通过重结晶和色谱法进行纯化[[30], [31], [32]

材料与方法

所有化合物的纯度为98–100%，购自Avra Synthesis或Sigma-Aldrich。购买溶剂（正己烷、乙酸乙酯和石油醚）后，通过蒸馏进行了提纯。中央仪器设施使用BRUKER AVANCE III HD NMR 500 MHz仪器记录了¹H NMR和¹³C NMR光谱。耦合常数（J）和化学位移分别以Hz和ppm表示。化学品的IR光谱是通过FTIR获得的

生物活性

每种合成分子的抗菌和抗真菌特性通过最小抑制浓度（MIC）和抑制区（ZOI）[MICROGRAMME/MM]方法进行了描述和检测。

DFT细节

密度泛函理论（DFT）计算使用Gaussian 09软件包在Intel(R) Pentium(R) i5 PC上进行，未施加任何几何约束。使用B3LYP水平和6-311G++ (d, p)基组优化了化合物1a-11a的几何结构，包括确定原子电荷、键长、键角、分子构象和分子轨道，如图3所示。所有计算均在气相中进行

化学过程

图1展示了通过Claisen-Schmidt缩合反应合成查尔酮的工艺。将α-四氢呋喃与合适的醛在乙醇中反应，并使用氢氧化钾或氢氧化钠的乙醇溶液，生成了化合物1a–11a。混合物在室温下搅拌两到三小时。通过柱色谱或重结晶纯化粗产物。使用IR光谱、¹H NMR和¹³C NMR确定了其结构

结论

本研究描述了从α-四氢呋喃合成查尔酮衍生物的过程。使用FT-IR、¹H-NMR和¹³C NMR方法确认了合成化合物的结构。进一步进行了抗菌和抗真菌测试，并通过最小抑制浓度（MIC）和抑制区方法进行了评估。结果表明，4a, 7a, 9a, 10a对大肠杆菌具有抗菌活性；3a对铜绿假单胞菌具有抗菌活性；5a, 6a, 11a对金黄色葡萄球菌具有抗菌活性

CRediT作者贡献声明

Milind C. Nagare：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，数据管理。Ashish V. Gajbhiye：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，软件使用，方法论，数据管理，概念化。Ramesh S. Nirwan：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，软件使用，方法论，数据管理。Nandkishor B. Shirsath：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，数据管理。Kuldeep T. Padhyar：

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：有待申请的专利。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

我衷心感谢M.G.V’s Arts, Commerce College Manmad, Nashik的校长Arun V. Patil博士和化学系主任Bhatu S. Desale博士允许我开展研究工作。同时，我也感谢Malegaon Camp的M.S.G.学院研究中心以及ASPIRE（SPPU提供的基于项目的创新研究支持）和所有研究同事。特别感谢中央仪器设施的支持