分子设计与生物活性：N-(β-氧代乙基)吡唑衍生物的合成及其结构与细胞毒性关系的研究

N-(β-氧乙基)吡唑衍生物的合成、表征及其细胞毒性研究，优化了两种N-酰基烷基化合成路线，并通过IR、NMR、GC-MS和XRD确认产物结构，发现取代基类型显著影响对阿尔泰木节虫的细胞毒性，建立了结构-活性关系。

　　

Nazym A. Alzhapparova | Svetlana Yu. Panshina | Marat K. Ibrayev | Eugene V. Babaev | Dmitry E. Shybanov

化学系，卡拉干达布克托夫大学，卡拉干达，100026，哈萨克斯坦

摘要

吡唑（1,2-二唑）衍生物是一种重要的五元含氮杂环化合物，在医药、农业和材料科学领域得到广泛应用，因其具有多种生物活性，包括抗菌、镇痛和抗癌特性。虽然N-取代的吡唑在药理学上具有重要意义，但N-(β-氧代乙基)吡唑的合成和毒理学特性仍研究不足。 在这项研究中，我们合成了一系列新的N-(β-氧代乙基)吡唑衍生物，产率在38%至92%之间。同时，我们优化了两种利用脂肪族和芳香族α-溴酮对吡唑进行N-酰基烷基化的合成方法。第一种方法涉及中间体吡唑鎓盐的制备，而第二种方法则采用更高效的“一锅法”，利用K₂CO₃实现原位氢溴酸中和。 所得产物的结构通过红外光谱（IR）、核磁共振（NMR）和气相色谱-质谱（GC-MS）进行了表征；其中N-戊酰基衍生物的结构还通过X射线衍射（XRD）进行了分析。质谱数据揭示了吡唑环断裂时特有的碎片模式（m/z 28 NH⁺ 和 m/z 41 NH⁺）。 研究了N-(β-氧代乙基)吡唑对盐生水蚤（Artemia Salina）的细胞毒性，发现其细胞毒性与取代基类型密切相关：吡唑环上的供体取代基和苯甲酮基团可降低细胞毒性，而苯基取代基和苯酰基团则会增强细胞毒性。因此，这些优化的合成方法及建立的构效关系为含吡唑化合物的分子设计提供了坚实的基础。

引言

吡唑（1H-吡唑；1,2-二唑）是一种含有两个相邻氮原子的五元芳香杂环化合物。吡唑化学性质已有多篇综述文献进行详细探讨[[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9]]。其衍生物在技术、医药和农业等多个领域有广泛应用[[10]]。由于吡唑具有广泛的生物活性，它们被归类为重要的含氮杂环化合物[[11,12]]。吡唑具有抗菌[[13], [14], [15]]、镇痛[[16,17]]、抗菌[[18,19]]、抗病毒[[20,21]]、抗抑郁[[22]]和抗癌[[23,24]]等多种作用。此外，吡唑还是许多药物和农用化学品的主要成分[[25], [26], [27]]。 新型含氮杂环化合物的合成一直是研究热点，因为它们具有多种活性。除了生物活性外，这类化合物还在材料科学中发挥作用，例如作为高效的钢铁腐蚀抑制剂[[28,29]]，以及在超分子化学中作为选择性阴离子识别传感器[[30]]。因此，吡唑体系因其有趣的药理特性而受到科学家的广泛关注。图1展示了某些生物活性吡唑衍生物的示例[[31], [32], [33], [34]]。 吡唑通常通过肼衍生物与1,3-二酮及α,β-不饱和醛酮的经典环缩合反应来合成[[9], [10], [11]]。吡唑分子中NH基团的移动氢原子和吡啶型氮原子是导致吡唑互变异构的原因[[1], [2], [3], [4], [9,37]]（见图2,a）。吡唑因氢键作用与邻近氮原子形成强关联[[38,39]]，并表现出亲核性[[2]]。 吡唑的酸碱性质源于其结构中的吡咯和吡啶型氮原子[[36]]。吡啶型氮原子赋予吡唑碱性（pK_b = 11.5），而吡咯型氮原子则表现出弱酸性（pK_a = 2.49[[40]]。此外，氮原子易于发生N-烷基化、N-酰基化和N-烷基酰基化反应[[41]]。 文献中提供了大量关于N-烷基化和N-烷基酰基化吡唑的合成方法和条件[[32],[42],[43],[44],[45],[46],[47],[48],[49],[50],[51],[52],[53]]。形成的烷基吡唑还可以进一步烷基化生成盐[[54]]。盐的形成是通过与具有弱碱性的吡啶型氮原子相互作用实现的。吡唑鎓盐相对稳定，其稳定性源于吡唑鎓阳离子中的正电荷离域[[53]]。 尽管许多N-取代的吡唑（尤其是与（杂）芳香基团结合的吡唑）具有显著的生物活性（如图1所示），但它们的合成和性质研究仍不够充分。基于我们对吡唑N-酰基烷基化方法的先前研究经验[[32, 43-54]]，我们优化了N-(β-氧代乙基)吡唑的合成方法，成功获得了多种新的、此前未描述的化合物，并研究了它们的细胞毒性。 因此，我们通过吡唑鎓阳离子的形成阶段，利用两种方法对吡唑进行了N-酰基烷基化反应，合成了新的N-酰基烷基化吡唑。第一种方法是将吡唑与α-溴酮反应生成盐，再通过碱处理释放目标产物；第二种方法则采用两步“一锅法”反应，同时生成盐并去除氢溴酸。 所得产物通过红外光谱、核磁共振和气相色谱-质谱进行了表征，3,5-二苯基吡唑衍生物的结构特征还通过X射线衍射进行了分析。对这类复杂系统的“结构-活性”关系进行进一步研究可借助理论计算（如密度泛函理论DFT）来辅助。现代计算化学产生大量数据，需要使用CCPE等专用软件工具高效处理和格式化高精度理论结果[[55]]。 尽管许多吡唑衍生物具有生物活性，但目前文献中缺乏关于N-(β-氧代乙基)吡唑毒性的研究。本研究首次分析了所合成的N-酰基烷基化吡唑对盐生水蚤的毒性。 Artemia Salina是一种广泛用于评估有机化合物和生物活性分子毒性的甲壳类动物模型，以其较短的世代时间、快速的卵囊孵化速度和高度敏感性而闻名。

N-酰基烷基化反应

未取代的吡唑1a与1-溴苯甲酮2a在二氧烷中发生反应，生成无色晶体盐3a，该盐可溶于水和极性有机溶剂。进一步用碱处理盐3a后，可得到1-叔丁基-2-(1H-吡唑-1-yl)乙烷-1-酮4a，最终产物的总产率为65%（见图4）。 该反应可得到纯形式的吡唑鎓盐3a。

结论

本研究成功合成了N-(β-氧代乙基)吡唑衍生物4a-b, 9c, i-g, 10b, d, 11a, b，并对其进行了结构和细胞毒性评估。鉴于吡唑骨架的重要药理作用，我们优化了合成方法，拓展了含氮杂环化合物的知识。我们展示了两种有效的N-酰基烷基化途径，分别利用脂肪族2a和芳香族5a-gα-溴酮进行反应。

材料与方法

所有合成用到的起始物质1a-c和5a-g均购自Acros、Merck和Aldrich公司，无需进一步纯化。所有反应的纯度均通过Silufol板上的薄层色谱（TLC）进行检测，检测方法为碘蒸气法。熔点和沸点通过Buсhi M560设备在开口毛细管中测定。 ¹H NMR和¹³C NMR光谱采用Agilent 400-MR光谱仪（¹H频率400 MHz，¹³C频率100 MHz）在CDCl₃溶剂中测量。

CRediT作者贡献声明

Nazym A. Alzhapparova：撰写初稿、研究设计、概念构思。 Svetlana Yu. Panshina：撰写、编辑、可视化、监督、数据分析。 Marat K. Ibrayev：资源协调、项目管理、资金获取。 Eugene V. Babaev：结果验证、方法学研究、数据整理。 Dmitry E. Shybanov：软件支持、资源提供、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了哈萨克斯坦科学与高等教育部科学委员会（项目编号：AP1967717）和俄罗斯联邦科学与高等教育部对莫斯科罗蒙诺索夫国立大学的支持（项目编号：АААА-А21-121012290046-4）的资助。同时，我们也感谢生物学研究人员的辛勤工作。