《Molecules》：Synthesis, Antifungal Activity, 3D-QSAR, and Molecular Docking Study of Anethole-Based Thiazolinone-Hydrazone Compounds
Yao Chen,
Yu-Cheng Cui,
You-Qiong Bi,
Zhang-Li Guo,
Xian-Li Ma,
Wen-Gui Duan and
Gui-Shan Lin
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为应对植物病原真菌耐药性问题，研究人员设计合成并评估了22种新型基于茴香脑的噻唑啉酮-腙类化合物，发现化合物5q对多种病原菌展现出广谱、高效的抑制活性，其作用机理可能与抑制琥珀酸脱氢酶(SDH)相关。这项工作为开发绿色、高效的新型抗真菌剂提供了有前景的先导化合物。
随着现代农业对高效、低毒农药需求的日益增长，植物病原真菌引发的病害及其对现有商业化杀菌剂产生的抗药性，已成为威胁粮食安全和农业可持续发展的严峻挑战。长期、大量地使用传统化学杀菌剂不仅导致病原菌耐药性增强，防治效果下降，还可能带来农药残留、环境风险等一系列问题。因此，从来源丰富、结构多样的天然产物中寻找和开发绿色、高效、广谱的新型抗真菌剂，成为植保领域的一个重要研究方向。在众多天然产物中，茴香脑因其广泛的生物活性，包括固有的抗真菌活性，引起了研究者的浓厚兴趣。与此同时，噻唑啉酮和腙等药效基团在已知的琥珀酸脱氢酶抑制剂（SDHI，当前增长最快、前景最广的商业化杀菌剂类别）中扮演着关键的药效作用。基于此，研究人员巧妙地将这些具有潜在活性的基团与天然产物骨架相结合，开展了一项富有创新性的探索。
这项研究综合运用了多步有机合成、光谱学结构表征、体外抗真菌活性筛选、基于比较分子力场分析（CoMFA）的三维定量构效关系（3D-QSAR）建模、密度泛函理论（DFT）计算以及同源建模与分子对接等多种现代研究手段。研究人员通过氧化、缩合、环化、Knoevenagel缩合等多步反应，成功构建了目标化合物库，并利用核磁共振（1H NMR, 13C NMR）、高分辨质谱（HRMS）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）对产物结构进行了确证。抗真菌活性测试采用了琼脂稀释法，评估了化合物对八种植物病原菌的抑制效果。计算化学部分则利用SYBYL软件进行CoMFA分析，通过Gaussian 09进行前沿分子轨道和静电势的理论计算，并基于已知蛋白晶体结构（PDB ID: 2WQY）进行同源建模，再通过AutoDock软件进行分子对接模拟，以探索化合物与潜在靶标蛋白的相互作用模式。
2.1. 合成与表征
研究人员以天然产物（E）-茴香脑为起始原料，经氧化得到中间体（E）-4-甲氧基肉桂醛，随后依次与4-甲氨基硫脲缩合、与溴乙酸乙酯环化，最后与一系列取代苯甲醛进行Knoevenagel缩合，成功合成了22个结构新颖的基于茴香脑骨架的噻唑啉酮-腙类目标化合物（5a–5v）。所有目标化合物的结构均通过现代波谱技术得到充分确证，相关数据收录于补充材料中。
2.2. 体外抗真菌活性
在50 mg/L浓度下，研究人员评估了所有目标化合物对八种植物病原真菌的体外抑制活性。结果显示，大部分化合物均表现出一定的抗真菌活性。其中，化合物5q（R = m-OH C6H4，即苯环间位为羟基取代）表现最为突出，对其中七种测试真菌（除立枯丝核菌 R. solani外）均表现出最佳的抑制效果，尤其对苹果轮纹病菌（P. piricola）、番茄早疫病菌（A. solani）、花生褐斑病菌（C. arachidicola）和玉米小斑病菌（B. maydis）的抑制率分别高达85.0%、72.5%、71.3%和70.6%，其活性甚至优于部分测试菌株的阳性对照药剂啶酰菌胺。这表明化合物5q具有广谱抗真菌活性，是一个值得深入研究的先导化合物。初步的结构-活性关系分析表明，苯环上带有间位取代基的化合物（如5q, 5c）其活性普遍高于邻位或对位取代的类似物。
2.3. 3D-QSAR分析与理论计算
为了深入研究目标化合物结构与其对苹果轮纹病菌（P. piricola）抗真菌活性之间的定量关系，研究人员利用CoMFA方法建立了3D-QSAR模型。该模型具有较高的非交叉验证相关系数（r2= 0.994）和可接受的交叉验证相关系数（q2= 0.529），表明模型稳健可靠。模型分析显示，立体场贡献（52.3%）略高于静电场贡献（47.7%），说明取代基的立体效应对活性起主导作用，而电子效应也有重要影响。等高线图分析指出，在苯环的间位引入体积较大的基团有利于提高活性，而该位置的给电子性质也对活性有积极贡献。
进一步的密度泛函理论计算为上述电子效应分析提供了支持。静电势计算表明，具有强给电子效应（p-π共轭）的化合物5q，其苯环上的正电荷较具有弱给电子效应（σ-π超共轭）的化合物5c更少，这与两者活性高低顺序一致。前沿分子轨道计算显示，活性更高的化合物5q的最高占据分子轨道与最低未占分子轨道之间的能隙（ΔE = 3.1271 eV）小于化合物5c（ΔE = 3.1628 eV），表明其化学反应性更高，潜在生物活性更强。此外，HOMO和LUMO的电子云主要分布在腙基、噻唑啉酮环、茴香脑基团和取代苯环上，提示这些活性基团可能在抗真菌活性中起主要作用。
2.4. 分子对接
为探究高活性化合物5q潜在的作用机制，研究人员将其与琥珀酸脱氢酶（SDH）进行了分子对接研究，并以商业化SDHI杀菌剂啶酰菌胺和课题组前期工作中的一个先导化合物ref3a作为参照。对接结果表明，化合物5q、啶酰菌胺和ref3a均能结合在SDH的活性口袋中，并与一系列关键氨基酸残基形成多种相互作用（如范德华力、π-π堆积等）。化合物5q的结合能为-7.16 kcal/mol，优于啶酰菌胺（-6.91 kcal/mol），表明其与靶标蛋白有较好的亲和力。分析发现，茴香脑母核骨架深插入活性口袋，而引入的噻唑啉酮环、腙基和苯环也与SDH形成了类似的相互作用模式。这些结果提示，代表性化合物5q可能具有与啶酰菌胺和ref3a类似的、以SDH为作用靶点的抑制机制。
4. 结论
本研究成功设计、合成并系统评价了一系列基于天然产物茴香脑的新型噻唑啉酮-腙类化合物。其中，化合物5q（R = m-OH C6H4）展现出优异的广谱抗真菌活性，成为极具开发潜力的先导化合物。通过3D-QSAR模型、DFT理论计算和分子对接研究，不仅明确了苯环间位取代、特别是引入给电子基团对提升活性的重要性，还从电子结构层面和分子水平上初步阐释了其高活性的可能原因及潜在的作用靶点（SDH）。这项工作不仅为基于天然产物的绿色农药创制提供了新的思路和高效的候选分子，也为后续通过理性药物设计对该类化合物进行结构优化、以期获得活性更优、选择性更高的抗真菌剂奠定了坚实的理论和实验基础。该研究成果已发表在《Molecules》期刊上。
