3,4-二氢嘧啶-2(1H)-酮衍生物的合成、晶体结构研究、密度泛函理论（DFT）计算、分子对接以及计算机模拟下的药代动力学（ADME）分析

通过Biginelli反应合成了3,4-二氢吡啶酮类化合物，并利用NMR和X射线衍射表征结构。晶体 packing研究显示氢键作用，DFT计算表明化合物具有中等电子稳定性，分子对接显示其对AChE和BChE的显著抑制活性，ADME评估提示其作为阿尔茨海默病治疗候选物的潜力。

　　

Madani Ouhaddou|Sofia Zazouli|Laurent Jouffret|Mostafa Khouili|Abderrafia Hafid|El Mostafa Ketatni

摩洛哥苏丹穆莱·斯利曼大学科学与技术学院分子化学、材料与催化实验室，BP 523，贝尼-梅拉尔 23000

摘要

通过Biginelli反应合成了一系列新型3,4-二氢嘧啶-2(1H)-酮（DHPMs），包括单烷基化（3a-i）和双烷基化（4a-i）衍生物，并通过¹H和¹³C核磁共振光谱进行了全面表征。化合物3b, 3d, 3f, 3i, 4b-c, 4g和4i的分子结构通过单晶X射线衍射得到确认。晶体学研究表明：3b, 3d和3i属于正交晶系Pbcn，3f属于单斜晶系P2₁/c，而4b-c, 4g和4i属于三斜晶系P$\bar{1}$。在所有情况下，二氢嘧啶酮环都采用螺旋船构象。双烷基化衍生物通过C-H···O=C分子间二聚体形成片状结构，而单烷基化衍生物则通过N-H···O=C和C-H···N氢键形成链状结构。相互作用能量计算表明，色散力是稳定的主要因素，而静电相互作用增强了N-H···O=C二聚体的稳定性。关键二聚体基序（如$R_2^2$(18)、$R_2^2$(14)和$R_2^2$(10)对超分子堆积有显著贡献。Hirshfeld表面分析显示，H?H（3i占60.6%，4b占55.1%）、C?H/H?C（3f占27.0%，4g占29.8%）和O?H/H?O（3f占16.9%，4c占18.5%）接触是晶体堆积的主要方式。DFT/B3LYP/6-311G(d,p)计算得到的HOMO–LUMO能隙范围为3.949–4.995 eV，表明这些化合物具有中等电子稳定性及潜在的分子内电子相互作用能力。分子对接实验显示，所有DHPMs都能通过氢键和π–π相互作用有效结合乙酰胆碱酯酶（AChE）和丁酰胆碱酯酶（BChE）的催化位点。化合物3c对AChE的亲和力最高（?8.6 kcal/mol），而4i对BChE的亲和力最强（?9.5 kcal/mol）。这些结合亲和力反映了取代基的影响，强调了它们在调节AChE/BChE相互作用中的潜在作用。计算机模拟的ADME研究表明，这些化合物具有良好的口服生物利用度、高胃肠道吸收率、选择性的血脑屏障通透性，并符合Lipinski五规则，表明这些合成的DHPM衍生物具有作为中枢神经系统活性抗阿尔茨海默病药物的潜力。

引言

现代有机合成围绕三个核心目标：推进合成方法的发展、构建结构化合物库以及探索分子多样性[1,2]。在此框架下，多组分反应（MCRs）已成为生成生物活性杂环化合物的首选策略，因为它们具有功能多样性、成本效益、符合绿色化学原则以及减少废物产生[[3], [4], [5], [6], [7]]。特别是嘧啶衍生物在药物化学中起着重要作用，因为它们存在于重要的生物分子（如维生素、核酸）中，并具有广泛的药物应用[8]。通过Biginelli反应高效合成的二氢嘧啶酮（DHPMs）正是这一潜力的体现。它们与嘧啶碱（如胸腺嘧啶、胞嘧啶）的结构相似性赋予了其多样的治疗作用，包括抗癌、抗病毒、抗糖尿病和抗菌活性[[10], [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21], [22], [23], [24], [25], [26], [27], [28], [29], [30], [31], [32], [33], [34], [35], [36], [37], [38], [39], [40], [41]]。文献中提供了多种合成二氢嘧啶酮的方法[[42], [43], [44], [45]]。

在本研究中，采用密封管和无溶剂方法合成了单烷基化嘧啶（3a-i）和双烷基化嘧啶（4a-i）。这些化合物通过¹H和¹³C核磁共振光谱进行了表征，并通过单晶X射线衍射分析进行了确认。密度泛函理论（DFT）计算用于分析电子性质、前线分子轨道和分子静电势（MEP）分布。此外，还通过分子对接研究了DHPMs对乙酰胆碱酯酶（AChE）和丁酰胆碱酯酶（BChE）的抑制作用，同时通过计算机模拟的ADME分析评估了药物的类似性、口服生物利用度和血脑屏障通透性。这种综合实验和计算方法旨在识别出有潜力的双重AChE/BChE抑制剂。

材料

熔点使用Büchi-Tottoli仪器测定。使用的试剂为市售产品，无需进一步纯化。反应进程通过铝硅胶板（silica gel 60, F 254 Merck 0.063 –0.200 mm）上的薄层色谱（TLC）进行监测，并在254和365 nm紫外光下观察斑点。¹H核磁共振和¹³C核磁共振光谱在DMSO-d₆介质中记录，使用TMS作为内标，在Bruker AC 500（¹H）或125 MHz（¹³C）光谱仪上进行。

合成与表征

化合物2a-i与丙炔溴反应生成N-烷基化的3,4-二氢嘧啶酮衍生物（方案1）。系统优化表明，将KOH的用量（表2中的条目1至4）从1.0当量增加到2.2当量，可以提高产物3a和4a的产率（从30%提高到45–50%），并将反应时间从48小时缩短至2小时，这表明碱在促进脱质子化或关键中间体的活化中起催化作用。

结论

使用多种有机碱通过Biginelli反应研究了3,4-二氢嘧啶-2(1H)-酮（DHPMs）的N1-烷基化（3a-i）和N₁-N₃双烷基化（4a-i），获得了高产率的衍生物，并通过¹H、¹³C核磁共振和单晶X射线衍射确认了其结构。化合物3b, 3d, 3f, 3i, 4b, 4c, 4g和4i的晶体堆积通过N—H···O和C—H···O氢键稳定，Hirshfeld表面分析也证实了这一点（3i中H?H占60.6%，4b占55.1%）。

作者贡献声明

Madani Ouhaddou：正式分析、撰写初稿；Sofia Zazouli：方法学、撰写初稿、审稿与编辑；Laurent Jouffret：方法学、研究；Mostafa Khouili：方法学、研究；Abderrafia Hafid：方法学、撰写初稿、监督；El Mostafa Ketatni：方法学、软件应用、撰写初稿、审稿与编辑。所有作者均已阅读并同意发表的手稿版本。

CRediT作者贡献声明

Madani Ouhaddou：撰写初稿、正式分析；Sofia Zazouli：审稿与编辑、撰写初稿、方法学；Laurent Jouffret：方法学、研究；Mostafa Khouili：方法学、研究；Abderrafia Hafid：撰写初稿、监督、方法学；El Mostafa Ketatni：审稿与编辑、撰写初稿、软件应用、方法学。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

作者感谢摩洛哥苏丹穆莱·斯利曼大学和摩洛哥国家科学技术研究中心（CNRST）提供的核磁共振分析支持，以及UCA-PARTNER提供的Bruker SC衍射仪。