新型4-噻吩基氨基嘧啶衍生物：合成、光谱分析、X射线晶体学、密度泛函理论（DFT）计算、生物活性评估及分子对接研究

《Journal of Molecular Structure》：New 4-thienylaminopyrimidine derivatives: synthesis, spectral analysis, X-ray crystallography, DFT calculation, biological activity evaluation and molecular docking

　　

陈克辉|吴婷|徐颖|朱文强|吴代丽|赵彦丽|李庆源|严龙佳

贵州大学药学院，中国贵阳550025

摘要

近年来，4-噻吩基氨基嘧啶化合物已成为杂环抗肿瘤药物研究的热点。基于4-噻吩基氨基嘧啶衍生物的生物学优势，我们成功设计并合成了一系列新型的4-噻吩基氨基嘧啶衍生物。目标化合物的结构通过1H NMR、13C NMR和ESI-HRMS技术进行了表征。此外，化合物4a的单晶在乙醇体系中培养，并使用Gaussian 16软件包对其主要构象、分子静电势、前线轨道能级和红外振动特性进行了系统计算和分析。同时，还评估了化合物4a-4n对焦点粘附激酶（FAK）及三种FAK过表达癌细胞系的抗肿瘤活性。有趣的是，化合物4a对FAK和U87-MG、A549、MDA-MB-231细胞的IC₅₀值分别为3.58 nM、1.67 μM、2.39 μM、2.13 μM，优于阳性对照TAE-226。分子对接和分子动力学模拟也被用来研究化合物4a与FAK的相互作用模式。

引言

由于结构多样性和易于功能化，杂环化合物在创新药物发现中起着关键作用。其中，嘧啶环是一种含有氮的芳香杂环，与内源性嘌呤和嘧啶结构相似，具有优异的生物相容性和强靶点结合潜力，使其成为抗肿瘤及其他治疗剂的核心药效团[1]。在嘧啶的4位引入氨基后，再加入噻吩基团，可得到4-噻吩基氨基嘧啶衍生物，这种衍生物结合了嘧啶的靶向特性和噻吩的独特电子特性，从而显著增强了生物活性和选择性[2]。这些化合物不仅在当代抗肿瘤药物研究中成为焦点，而且在开发新型焦点粘附激酶（FAK）抑制剂方面也显示出巨大潜力——FAK是一种在肿瘤发生、侵袭和转移中起关键作用的信号蛋白。尽管近年来在开发FAK抑制剂方面取得了显著进展，但许多候选化合物仍存在选择性差的问题，导致脱靶效应和剂量限制性的毒性，阻碍了临床应用。过度依赖经典的铰链结合骨架（如嘧啶或2,4-二氨基嘧啶）往往导致化合物在体外具有高活性，但在细胞内的效力和代谢稳定性有限。因此，迫切需要探索新的化学类型，例如本研究中的4-噻吩基氨基嘧啶类化合物，它们可能提供更好的FAK选择性谱型和药物特性，用于治疗侵袭性恶性肿瘤[3]。鉴于当前针对侵袭性恶性肿瘤（如胶质母细胞瘤）的治疗选择有限且副作用严重，系统研究基于4-噻吩基氨基嘧啶的化合物不仅有助于阐明其抗肿瘤机制，扩展杂环药物化学的理论框架，还为开发高效低毒的新疗法提供了重要的科学基础和转化前景，特别是针对FAK的创新抑制剂[4]。

近年来，基于嘧啶、喹唑啉和尿素骨架的各种FAK抑制剂得到了广泛开发。然而，大多数报道的FAK抑制剂要么效力不足，要么选择性差，要么药代动力学性质不佳。值得注意的是，4-噻吩基氨基嘧啶类化合物作为FAK靶向抗肿瘤剂的研究仍相当有限，尤其是在针对胶质母细胞瘤方面。最近，我们的研究小组开始关注具有光学特性和抗肿瘤活性的新型杂环化合物的开发[5,6]。基于4-噻吩基氨基嘧啶化合物的生物学优势、对多形性胶质母细胞瘤（GBM）治疗剂的迫切需求以及我们的研究兴趣，我们成功合成了一系列新型化合物[7]。合成化合物的结构通过NMR和ESI-HRMS光谱进行了表征。此外，化合物4a的单晶在乙醇条件下培养，并使用Gaussian 16软件包对其主要构象、静电势、前线轨道能级和红外振动特性进行了计算和分析。另外，还通过3-(4,5-二甲基噻唑-2-基)-2,5-二苯四唑溴化物（MTT）试验评估了这些化合物对GBM细胞系和人正常细胞系的细胞毒性[8]。本研究展示了一类新型的4-噻吩基氨基嘧啶衍生物，其体外抗肿瘤活性优于阳性对照TAE-226。与传统基于嘧啶的结构不同，这些化合物具有独特的4-噻吩基氨基嘧啶核心和哌嗪取代的芳香环，首次通过单晶X射线衍射、DFT计算、Hirshfeld表面分析、分子对接和分子动力学模拟进行了系统研究。这种综合的结构-电子-生物学研究为设计高效FAK抑制剂提供了新策略，突显了这项工作的创新性和应用潜力。

章节片段

2-氨基-N-甲基噻吩-3-羧酰胺（1）的合成

在一个250 mL的干燥圆底烧瓶中加入2,5-二甲基-1,4-二硫烷（1.0当量，1.48克，10毫摩尔）。然后加入N-甲基-3-氰丙酰胺（1.2当量，1.36克，12毫摩尔），再加入20 mL无水乙醇（EtOH）作为溶剂。搅拌直至固体完全溶解。在冰浴条件下并持续搅拌的同时，缓慢逐滴加入三乙胺（TEA，1.5当量，1.52克，15毫摩尔），整个加入过程中系统温度保持在30°C以下。

化学合成

目标化合物的合成路线如图1所示。具体来说，2,5-二甲基-1,4-二硫烷在三乙胺的存在下与N-甲基-3-氰丙胺发生噻吩环化反应，生成化合物1。随后，化合物1分别与5位取代有氯原子或三氟甲基的嘧啶发生亲核取代反应，生成化合物2a和2b。最后，通过Buchwald-Hartwig反应...

结论

通过对嘧啶衍生物和抗胶质母细胞瘤试剂的深入研究，我们成功合成了一系列新型4-噻吩基氨基嘧啶化合物，取得了重要成果。最终化合物通过1H NMR、13C NMR和HRMS技术进行了表征。化合物4a的单晶在乙醇介质中生长，其单晶结构通过X射线衍射和密度泛函理论计算进行了全面分析...

CRediT作者贡献声明

陈克辉：撰写——初稿、方法学、实验研究、数据分析。吴婷：实验研究、数据分析。徐颖：方法学、数据分析。朱文强：实验研究。吴代丽：实验研究。赵彦丽：实验研究。李庆源：实验研究。严龙佳：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、资金获取、数据分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了贵州省基础研究计划（自然科学）（项目编号：Qian Ke He Ji [2024]Zhong Dian 029）的支持。