新型吡唑-羧酰胺衍生物的合成、杀菌活性及其包含苯甲酮结构的计算机模拟研究

《Journal of Molecular Structure》：Synthesis, Fungicidal Activity, and in silico Study of Novel Pyrazole-Carboxamide Derivatives Incorporating Benzophenone Moiety

本研究设计并合成了系列新型吡唑羧酰胺衍生物（6a–6l）含苯并二酮结构，体外抑菌实验显示6a对S. sclerotiorum EC50为4.11 μg/mL，优于商业药物Bixafen。结构活性关系表明电子特性及取代基位置显著影响活性。单晶X射线衍射和Hirshfeld面分析显示分子间以H··H（32.7%）、H··O（9.8%）及H··F（8.5%）为主。DFT计算和分子对接证实活性片段为吡唑羧酰胺，并揭示与SDH的结合模式。ADMET预测显示6a药代动力学和安全性良好，为新一代SDHI杀菌剂开发提供理论依据。

　　

黄强|王子腾|王斌|闵立静|杨子渊|孙娜波|刘星海

浙江工业大学化学工程学院，杭州，310014，中国

摘要

设计并合成了一系列含有苯甲酮结构单元的新吡唑-羧酰胺衍生物（6a–6l），其结构通过高分辨率质谱（HRMS）、1H核磁共振（1H NMR）和13C核磁共振（13C NMR）光谱进行了确认。在50 μg/mL浓度下，对这些化合物对十种植物病原真菌的体外杀菌效果进行了评估，结果显示多种化合物表现出良好的抑制活性，尤其是对Sclerotinia sclerotiorum和Botrytis cinerea。化合物6a的活性最高，其对S. sclerotiorum的EC??值为4.11 ± 0.25 μg/mL，优于商业对照剂bixafen（6.71 ± 0.09 μg/mL）。结构-活性关系（SAR）研究表明，杀菌效力高度依赖于苯甲酮和吡唑环上取代基的电子性质和取代位置。化合物6g的单晶X射线衍射分析确认其属于三斜晶系（空间群P-1），并揭示了吡唑环和羧酰胺基团之间的共面构象，这有助于分子间相互作用。Hirshfeld表面分析定量阐明了分子间作用力，其中H···H（32.7%）、H···O（9.8%）和H···F（8.5%）是稳定晶体堆积的主要作用力。密度泛函理论（DFT）计算表明，化合物6a的HOMO–LUMO能隙（4.90 eV）比异氟菌酰胺（5.99 eV）更窄，表明其具有更强的电荷转移能力和反应性。分子对接模拟显示，6a与琥珀酸脱氢酶（SDH）的Tyr58形成关键氢键，并与Arg43发生π-阳离子相互作用，验证了其潜在的结合模式。计算机模拟的ADMET预测表明，6a的药代动力学和安全性特征与异氟菌酰胺相当。这项多学科研究整合了合成、生物活性评估、晶体学、计算分析和分子建模，全面了解了这些新型吡唑-羧酰胺衍生物的抗真菌功效背后的结构和电子特性，为下一代SDHI杀菌剂的合理设计提供了宝贵见解。

引言

杂环化合物是现代药物[1]、农药[2]和功能材料[3]的核心骨架。其中，吡唑是一种经典的含氮杂环化合物，始终表现出广泛的生物活性，包括抗菌[4]、抗结核[5]、抗癌[6]、选择性Aurora激酶B抑制剂[7]和昆虫生长调节[8]等作用。此外，吡唑衍生物还显示出自由基清除[9]、小麦生长调节[10]、抗炎[11]、光动力[12]、镇痛[13]、TRPV1拮抗[14]和抗高血糖[15]等活性。由于这种多功能性，吡唑在农业中得到广泛应用，尤其是在琥珀酸脱氢酶抑制剂（SDHIs）类别中。著名的商业SDHIs包括oxycarboxin、boscalid、benzovindiflupyr、isoflucypram、pydiflumetofen、fluopyram、cyclobutrifluram、isofetamid和pyraziflumid，其中羧酰胺基团被认为是关键的药效团（图1）。

苯甲酮骨架也是农药化学中的另一个关键中间体。例如，羧酸酰胺（CAA）类杀菌剂如dimethomorph、flumorph和pyrimorph就是从取代苯甲酮前体合成的。除了在合成中的用途外，苯甲酮衍生物本身也具有多种生物活性，包括抗脂肪生成[16]、抗疟疾[17]、抗癌[18]、抗炎[19]、抗铁死亡[20]、α-葡萄糖苷酶抑制[21]、抗自由基[22]、抗菌[23]和组织蛋白酶抑制[24]等作用。

我们的研究小组之前已经开发了多种具有显著抗真菌[25]、[26]、[27]、杂草[28]、[29]、线虫[30]、[31]、[32]和昆虫[33]活性的原创吡唑-羧酰胺衍生物。异氟菌酰胺是一个显著的例子，它含有改良的吡唑-羧酰胺基团，对多种谷物疾病具有出色的控制效果。尽管现有的SDHIs取得了成功，但由于植物病原真菌抗性的不断出现，需要开发新的结构框架。为了增强抗真菌效力并探索新的抗真菌剂，我们将苯甲酮结构单元引入了异氟菌酰胺的结构中。在本研究中，设计并合成了一系列含有苯甲酮结构单元的新吡唑-羧酰胺衍生物（6a–6l）。这些化合物的设计策略如图2所示。评估了它们对十种常见植物病原真菌的杀菌活性，发现化合物6a对S. sclerotiorum的活性与商业SDHI bixafen相当。通过单晶X射线衍射和Hirshfeld表面分析阐明了关键的分子间作用力和晶体堆积力，量化了H···H（32.7%）、H···O（9.8%）和H···F（8.5%）接触的贡献。此外，密度泛函理论（DFT）计算和分子对接结果表明，关键的活性片段是吡唑羧酰胺。这些信息为下一代基于吡唑的杀菌剂的合理设计提供了新的见解。

合成方法

含有苯甲酮结构单元的目标吡唑-羧酰胺衍生物（6a–6l）的合成路线如图1所示。首先，通过常规氯化相应苯甲酸制备取代苯甲酰氯。然后，利用Friedel-Crafts酰基化反应，从取代苯甲酰氯和甲苯合成中间体苯甲酮，采用了一种成熟的协议[34]。接下来，将苯环上的甲基氧化为醛

结论

总之，以异氟菌酰胺为骨架，我们合理设计并合成了一系列含有苯甲酮结构单元的吡唑-羧酰胺类似物。所有合成衍生物的结构均通过NMR光谱和HRMS得到了明确表征。生物测定结果表明，引入苯甲酮结构单元增强了广谱杀菌活性。值得注意的是，大多数化合物对S. sclerotiorum表现出优异的效力。

基本信息

熔点（m.p.）是在X-4仪器上记录的，未经校正。核磁共振（NMR）分析使用CDCl?作为溶剂，四甲基硅烷（TMS）作为内标。¹H NMR光谱在Bruker AC-P500光谱仪上获取，而¹³C NMR数据则使用Bruker 600 MHz仪器获得。单晶结构分析使用Bruker CCD面积检测器衍射仪进行。高分辨率质谱（HRMS）

中间体1的合成

向p-氯苯甲酸（5.00 g，32.95 mmol）和甲苯（50 mL）的混合物中加入硫酰氯（4 mL）。将所得溶液在回流条件下加热3小时。随后在减压条件下蒸发挥发性物质，得到中间体1。

中间体2的合成

向中间体1（5.70 g，32.95 mmol）在甲苯（30 mL）中的搅拌溶液中加入AlCl₃（5.29 g，39.48 mmol）。反应在室温下进行3小时后，通过加入稀释的水合HCl终止。

补充材料

化合物6a–6l的NMR和HRMS数据作为支持信息提供。

CRediT作者贡献声明

黄强：撰写 – 原始草稿，正式分析，数据管理。王子腾：方法学，研究。王斌：正式分析，数据管理。闵立静：研究。杨子渊：数据管理。孙娜波：撰写 – 审稿与编辑，监督。刘星海：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金获取，概念化。

利益冲突声明

作者声明没有财务或其他利益冲突。

所有作者均已审阅手稿并同意提交给您的期刊。

致谢

本工作得到了浙江省自然科学基金（编号：LTGN23C140002、LY19C140002）的资助，同时感谢浙江工业大学分析和测试中心在NMR测量方面的支持。