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Das Synthon 3-(Anthracen-9-yl)-2-cyanoacryloylchlorid 4 wurde synthetisiert und zur Synthese einer Reihe hochaktiver heterocyclischer Verbindungen durch Reaktion mit verschiedenen Stickstoff-Nukleophilen verwendet. Die Struktur jeder synthetisierten heterocyclischen Verbindung wurde mittels spektroskopischer und elementaranalytischer Methoden umfassend charakterisiert. Zehn der dreizehn neuen heterocyclischen Verbindungen zeigten eine vielversprechende Wirksamkeit gegen multiresistente Bakterien (MRSA). Die Verbindungen 6, 7, 10, 13b und 14 wiesen die höchste antibakterielle Aktivität mit Hemmzonen von nahezu 4 cm auf. Molekulare Docking-Studien ergaben jedoch, dass die Verbindungen unterschiedliche Bindungsaffinitäten zum Penicillin-bindenden Protein 2a (PBP2a), einem wichtigen Zielmolekül für die MRSA-Resistenz, aufwiesen. Einige Verbindungen, wie beispielsweise 7, 10 und 14, zeigten im Vergleich zum co-kristallisierten Chinazolinon-Liganden eine höhere Bindungsaffinität und Interaktionsstabilität am aktiven Zentrum von PBP2a. Im Gegensatz dazu wiesen die Verbindungen 6 und 13b niedrigere Docking-Scores auf, zeigten aber dennoch eine signifikante antibakterielle Aktivität. Verbindung 6 besaß die niedrigsten MHK- (9,7 μg/100 μL) und MBK-Werte (78,125 μg/100 μL). Die Docking-Analyse deckte wichtige Wechselwirkungen auf, darunter Wasserstoffbrückenbindungen und π-Stapelung, insbesondere mit Resten wie Lys 273, Lys 316 und Arg 298. Diese Reste wurden als Interaktionspartner des co-kristallisierten Liganden in der Kristallstruktur von PBP2a identifiziert. Sie sind essenziell für die enzymatische Aktivität von PBP2a. Die Ergebnisse legen nahe, dass die synthetisierten Verbindungen vielversprechende Anti-MRSA-Wirkstoffe darstellen könnten und unterstreichen die Bedeutung der Kombination von Molekulardocking und Bioassays zur Identifizierung effektiver therapeutischer Kandidaten.
In den ersten Jahren dieses Jahrhunderts konzentrierten sich die Forschungsbemühungen hauptsächlich auf die Entwicklung neuer, einfacher Verfahren und Methoden zur Synthese mehrerer innovativer heterocyclischer Systeme mit antimikrobieller Wirkung unter Verwendung leicht verfügbarer Ausgangsmaterialien.
Acrylnitrilgruppen gelten aufgrund ihrer hohen Reaktivität als wichtige Ausgangsmaterialien für die Synthese zahlreicher bemerkenswerter heterocyclischer Systeme. Darüber hinaus finden 2-Cyanacryloylchlorid-Derivate seit einigen Jahren breite Anwendung in der Entwicklung und Synthese von Produkten mit entscheidender Bedeutung für pharmakologische Anwendungen, wie beispielsweise Arzneimittelzwischenprodukte^1,2,3, Vorstufen von Anti-HIV-, antiviralen, Antikrebs-, antibakteriellen, antidepressiven und antioxidativen Wirkstoffen^{4,5,6,7,8,9,10}. Die biologische Wirksamkeit von Anthracen und seinen Derivaten, einschließlich ihrer antibiotischen, antikanzerogenen^11,12, antibakteriellen^13,14,15 und insektiziden Eigenschaften^16,17, hat in jüngster Zeit großes Interesse geweckt^18,19,20,21. Antimikrobielle Verbindungen mit Acrylnitril- und Anthracengruppen sind in den Abbildungen 1 und 2 dargestellt.
Laut Weltgesundheitsorganisation (WHO) (2021) stellt die Antibiotikaresistenz (AMR) eine globale Bedrohung für Gesundheit und Entwicklung dar.^22,23,24,25 Patienten können nicht geheilt werden, was zu längeren Krankenhausaufenthalten und einem Bedarf an teureren Medikamenten sowie zu erhöhter Sterblichkeit und Behinderung führt. Der Mangel an wirksamen Antibiotika führt häufig zu Therapieversagen bei verschiedenen Infektionen, insbesondere während Chemotherapien und größeren Operationen.
Laut dem Bericht der Weltgesundheitsorganisation (WHO) von 2024 zählen Methicillin-resistenter Staphylococcus aureus (MRSA) und Escherichia coli zu den prioritären Krankheitserregern. Beide Bakterien sind gegen viele Antibiotika resistent und verursachen daher schwer zu behandelnde und zu kontrollierende Infektionen. Die Entwicklung neuer und wirksamer antimikrobieller Substanzen ist daher dringend erforderlich. Anthracen und seine Derivate sind bekannte antimikrobielle Wirkstoffe, die sowohl gegen grampositive als auch gramnegative Bakterien wirken. Ziel dieser Studie ist die Synthese eines neuen Derivats zur Bekämpfung dieser gesundheitsgefährdenden Krankheitserreger.
Die Weltgesundheitsorganisation (WHO) berichtet, dass viele bakterielle Krankheitserreger gegen mehrere Antibiotika resistent sind, darunter Methicillin-resistenter Staphylococcus aureus (MRSA), ein häufiger Erreger von Infektionen sowohl in der Bevölkerung als auch im Gesundheitswesen. Patienten mit MRSA-Infektionen weisen eine um 64 % höhere Sterblichkeitsrate auf als Patienten mit Infektionen, die auf Antibiotika reagieren. Darüber hinaus stellt E. coli ein globales Risiko dar, da Colistin die letzte Verteidigungslinie gegen Carbapenem-resistente Enterobakterien (d. h. E. coli) ist. Allerdings wurden in letzter Zeit in mehreren Ländern Colistin-resistente Bakterien nachgewiesen.^22,23,24,25
Daher besteht laut dem Globalen Aktionsplan der Weltgesundheitsorganisation (WHO) zur Bekämpfung von Antibiotikaresistenzen²⁶ ein dringender Bedarf an der Entdeckung und Synthese neuer antimikrobieller Substanzen. Das große Potenzial von Anthracen und Acrylnitril als antibakterielle²⁷, antimykotische²⁸, antikanzerogene²⁹ und antioxidative³⁰ Wirkstoffe wurde in zahlreichen Publikationen hervorgehoben. In diesem Zusammenhang können diese Derivate als vielversprechende Kandidaten für die Behandlung von Methicillin-resistentem Staphylococcus aureus (MRSA) gelten.
Frühere Literaturübersichten motivierten uns zur Synthese neuer Derivate dieser Klassen. Ziel der vorliegenden Studie war daher die Entwicklung neuartiger heterocyclischer Systeme mit Anthracen- und Acrylnitril-Einheiten, die Bewertung ihrer antimikrobiellen und antibakteriellen Wirksamkeit sowie die Untersuchung ihrer potenziellen Bindungsinteraktionen mit dem Penicillin-bindenden Protein 2a (PBP2a) mittels Molekulardocking. Aufbauend auf früheren Studien wurden in der vorliegenden Arbeit die Synthese, die biologische Evaluierung und die computergestützte Analyse heterocyclischer Systeme fortgesetzt, um vielversprechende Wirkstoffe gegen Methicillin-resistente Staphylococcus aureus (MRSA) mit starker PBP2a-hemmender Aktivität zu identifizieren.^{31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48,49}
Unsere aktuelle Forschung konzentriert sich auf die Synthese und antimikrobielle Bewertung neuartiger heterocyclischer Verbindungen mit Anthracen- und Acrylnitril-Einheiten. 3-(Anthracen-9-yl)-2-cyanacryloylchlorid 4 wurde hergestellt und als Baustein für den Aufbau neuartiger heterocyclischer Systeme verwendet.
Die Struktur von Verbindung 4 wurde anhand von Spektraldaten bestimmt. Das 1H-NMR-Spektrum zeigte das Vorhandensein von CH= bei 9,26 ppm, das IR-Spektrum zeigte das Vorhandensein einer Carbonylgruppe bei 1737 cm−1 und einer Cyanogruppe bei 2224 cm−1, und das 13CN-NMR-Spektrum bestätigte ebenfalls die vorgeschlagene Struktur (siehe Experimenteller Teil).
Die Synthese von 3-(Anthracen-9-yl)-2-cyanoacryloylchlorid 4 erfolgte durch Hydrolyse der aromatischen Gruppen 250, 41, 42, 53 mit ethanolischer Natriumhydroxidlösung (10%), wobei die Säuren 354, 45, 56 erhalten wurden, die dann mit Thionylchlorid im Wasserbad behandelt wurden, um das Acryloylchloridderivat 4 in hoher Ausbeute (88,5%) zu erhalten, wie in Abbildung 3 gezeigt.
Zur Herstellung neuer heterocyclischer Verbindungen mit der erwarteten antibakteriellen Wirksamkeit wurde die Reaktion von Acylchlorid 4 mit verschiedenen Dinukleophilen durchgeführt.
Das Säurechlorid 4 wurde eine Stunde lang bei 0 °C mit Hydrazinhydrat umgesetzt. Leider konnte Pyrazolon 5 nicht erhalten werden. Das Produkt war ein Acrylamidderivat, dessen Struktur durch Spektraldaten bestätigt wurde. Das IR-Spektrum zeigte Absorptionsbanden von C=O bei 1720 cm⁻¹, C≡N bei 2228 cm⁻¹ und NH bei 3424 cm⁻¹. Das ¹H-NMR-Spektrum zeigte ein Austausch-Singulett der Olefinprotonen und der NH-Protonen bei 9,3 ppm (siehe Experimenteller Teil).
Zwei Mol Säurechlorid 4 wurden mit einem Mol Phenylhydrazin umgesetzt, wobei das N-Phenylacryloylhydrazin-Derivat 7 in guter Ausbeute (77 %) erhalten wurde (Abbildung 5). Die Struktur von 7 wurde durch Infrarotspektroskopie bestätigt. Diese zeigte Absorptionen von zwei C=O-Gruppen bei 1691 und 1671 cm⁻¹, einer CN-Gruppe bei 2222 cm⁻¹ und einer NH-Gruppe bei 3245 cm⁻¹. Das ¹H-NMR-Spektrum zeigte Signale der CH-Gruppe bei 9,15 und 8,81 ppm sowie des NH-Protons bei 10,88 ppm (siehe Experimenteller Teil).
In dieser Studie wurde die Reaktion von Acylchlorid 4 mit 1,3-Dinukleophilen untersucht. Die Umsetzung von Acylchlorid 4 mit 2-Aminopyridin in 1,4-Dioxan mit Triethylamin (TEA) als Base bei Raumtemperatur lieferte das Acrylamidderivat 8 (Abbildung 5), dessen Struktur anhand spektraler Daten aufgeklärt wurde. IR-Spektren zeigten Absorptionsbanden der Cyano-Streckschwingung bei 2222 cm⁻¹, der NH-Streckschwingung bei 3148 cm⁻¹ und der Carbonyl-Streckschwingung bei 1665 cm⁻¹; ¹H-NMR-Spektren bestätigten das Vorhandensein von Olefinprotonen bei 9,14 ppm (siehe Experimenteller Teil).
Verbindung 4 reagiert mit Thioharnstoff zu Pyrimidinthion 9; Verbindung 4 reagiert mit Thiosemicarbazid zu Thiopyrazolderivat 10 (Abbildung 5). Die Strukturen der Verbindungen 9 und 10 wurden durch Spektral- und Elementaranalyse bestätigt (siehe Experimenteller Teil).
Tetrazin-3-thiol 11 wurde durch Reaktion von Verbindung 4 mit Thiocarbazid als 1,4-Dinukleophil hergestellt (Abbildung 5). Seine Struktur wurde spektroskopisch und elementaranalytisch bestätigt. Im Infrarotspektrum erschien die C=N-Bindung bei 1619 cm⁻¹. Gleichzeitig zeigte das ¹H-NMR-Spektrum multiple Signale aromatischer Protonen bei 7,78–8,66 ppm und SH-Protonen bei 3,31 ppm (siehe Experimenteller Teil).
Acryloylchlorid 4 reagiert mit 1,2-Diaminobenzol, 2-Aminothiophenol, Anthranilsäure, 1,2-Diaminoethan und Ethanolamin als 1,4-Dinukleophilen unter Bildung neuer heterocyclischer Systeme (13–16).
Die Strukturen der neu synthetisierten Verbindungen wurden mittels Spektral- und Elementaranalyse bestätigt (siehe Experimenteller Teil). Das 2-Hydroxyphenylacrylamid-Derivat 17 wurde durch Reaktion mit 2-Aminophenol als Dinukleophil erhalten (Abbildung 6) und seine Struktur ebenfalls mittels Spektral- und Elementaranalyse bestätigt. Im Infrarotspektrum von Verbindung 17 traten die Signale für C=O und C≡N bei 1681 bzw. 2226 cm⁻¹ auf. Das ¹H-NMR-Spektrum zeigte das Singulett des Olefinprotons bei 9,19 ppm und das des OH-Protons bei 9,82 ppm (siehe Experimenteller Teil).
Die Reaktion von Säurechlorid 4 mit einem Nukleophil (z. B. Ethylamin, 4-Toluidin und 4-Methoxyanilin) ​​in Dioxan als Lösungsmittel und TEA als Katalysator bei Raumtemperatur ergab grüne, kristalline Acrylamidderivate 18, 19a und 19b. Elementar- und Spektraldaten der Verbindungen 18, 19a und 19b bestätigten die Strukturen dieser Derivate (siehe Experimenteller Teil) (Abbildung 7).
Nach der Untersuchung der antimikrobiellen Aktivität verschiedener synthetischer Verbindungen wurden unterschiedliche Ergebnisse erzielt (siehe Tabelle 1 und Abbildung 8). Alle getesteten Verbindungen zeigten eine unterschiedlich starke Hemmung des grampositiven Bakteriums MRSA, während das gramnegative Bakterium Escherichia coli gegenüber allen Verbindungen vollständig resistent war. Die getesteten Verbindungen lassen sich anhand des Durchmessers ihrer Hemmhofzone gegen MRSA in drei Kategorien einteilen. Die erste Kategorie umfasste die fünf aktivsten Verbindungen (6, 7, 10, 13b und 14). Der Durchmesser der Hemmhofzone dieser Verbindungen lag bei etwa 4 cm; die aktivsten Verbindungen dieser Kategorie waren die Verbindungen 6 und 13b. Die zweite Kategorie umfasste fünf weitere Verbindungen (11, 13a, 15, 18 und 19a) mit mittlerer Aktivität. Die Hemmzonen dieser Verbindungen lagen zwischen 3,3 und 3,65 cm, wobei Verbindung 11 mit 3,65 ± 0,1 cm die größte Hemmzone aufwies. Die letzte Gruppe umfasste hingegen drei Verbindungen (8, 17 und 19b) mit der geringsten antimikrobiellen Aktivität (weniger als 3 cm). Abbildung 9 zeigt die Verteilung der verschiedenen Hemmzonen.
Die weitere Untersuchung der antimikrobiellen Aktivität der getesteten Verbindungen umfasste die Bestimmung der minimalen Hemmkonzentration (MHK) und der minimalen bakteriziden Konzentration (MBK) für jede Verbindung. Die Ergebnisse variierten geringfügig (siehe Tabellen 2 und 3 sowie Abbildung 10 (siehe Abbildungsdatei)), wobei die Verbindungen 7, 11, 13a und 15 offenbar als die wirksamsten Verbindungen neu klassifiziert wurden. Sie wiesen die gleichen niedrigsten MHK- und MBK-Werte (39,06 μg/100 μL) auf. Obwohl die Verbindungen 7 und 8 niedrigere MHK-Werte (9,7 μg/100 μL) aufwiesen, waren ihre MBK-Werte höher (78,125 μg/100 μL). Daher wurden sie als schwächer als die zuvor genannten Verbindungen eingestuft. Dennoch waren diese sechs Verbindungen die wirksamsten der getesteten, da ihre MBK-Werte unter 100 μg/100 μL lagen.
Die Verbindungen (10, 14, 18 und 19b) zeigten im Vergleich zu den anderen getesteten Verbindungen eine geringere Aktivität, da ihre MBC-Werte zwischen 156 und 312 μg/100 μL lagen. Die Verbindungen (8, 17 und 19a) hingegen waren am wenigsten vielversprechend, da sie die höchsten MBC-Werte aufwiesen (625, 625 bzw. 1250 μg/100 μL).
Abschließend lassen sich die getesteten Verbindungen anhand der in Tabelle 3 dargestellten Toleranzwerte und ihres Wirkmechanismus in zwei Kategorien einteilen: Verbindungen mit bakterizider Wirkung (7, 8, 10, 11, 13a, 15, 18, 19b) und Verbindungen mit antibakterieller Wirkung (6, 13b, 14, 17, 19a). Die Verbindungen 7, 11, 13a und 15 sind hierbei besonders geeignet, da sie bereits in sehr niedriger Konzentration (39,06 μg/100 μL) bakterizide Wirkung zeigen.
Zehn der dreizehn getesteten Verbindungen zeigten Potenzial gegen antibiotikaresistente Methicillin-resistente Staphylococcus aureus (MRSA). Daher werden weitere Untersuchungen mit mehr antibiotikaresistenten Erregern (insbesondere lokalen Isolaten, die pathogene grampositive und gramnegative Bakterien umfassen) und pathogenen Hefen sowie Zytotoxizitätstests für jede Verbindung zur Beurteilung ihrer Sicherheit empfohlen.
Um das Potenzial der synthetisierten Verbindungen als Inhibitoren des Penicillin-bindenden Proteins 2a (PBP2a) in Methicillin-resistentem Staphylococcus aureus (MRSA) zu evaluieren, wurden molekulare Docking-Studien durchgeführt. PBP2a ist ein Schlüsselenzym der bakteriellen Zellwandsynthese. Die Hemmung dieses Enzyms stört die Zellwandbildung und führt letztendlich zur Bakterienlyse und zum Zelltod¹. Die Docking-Ergebnisse sind in Tabelle 4 aufgeführt und in den ergänzenden Daten detaillierter beschrieben. Sie zeigen, dass mehrere Verbindungen eine starke Bindungsaffinität zu PBP2a aufweisen, insbesondere zu wichtigen Aminosäureresten im aktiven Zentrum wie Lys 273, Lys 316 und Arg 298. Die Wechselwirkungen, einschließlich Wasserstoffbrückenbindungen und π-Stapelung, ähneln stark denen des co-kristallisierten Chinazolinon-Liganden (CCL), was das Potenzial dieser Verbindungen als potente Inhibitoren unterstreicht.
Die molekularen Docking-Daten legten zusammen mit anderen Berechnungsparametern nahe, dass die Hemmung von PBP2a der Schlüsselmechanismus für die beobachtete antibakterielle Aktivität dieser Verbindungen ist. Die Docking-Scores und die Werte der mittleren quadratischen Abweichung (RMSD) bestätigten die Bindungsaffinität und -stabilität und stützten diese Hypothese. Wie Tabelle 4 zeigt, wiesen zwar mehrere Verbindungen eine gute Bindungsaffinität auf, einige Verbindungen (z. B. 7, 9, 10 und 14) zeigten jedoch höhere Docking-Scores als der ko-kristallisierte Ligand. Dies deutet darauf hin, dass sie stärkere Wechselwirkungen mit den aktiven Zentrumsresten von PBP2a eingehen könnten. Die bioaktivsten Verbindungen 6 und 13b wiesen hingegen etwas niedrigere Docking-Scores (-5,98 bzw. -5,63) im Vergleich zu den anderen Liganden auf. Dies legt nahe, dass neben der Vorhersage der Bindungsaffinität anhand der Docking-Scores auch andere Faktoren (z. B. Ligandenstabilität und molekulare Wechselwirkungen im biologischen Milieu) eine entscheidende Rolle für die antibakterielle Aktivität spielen. Bemerkenswerterweise lagen die RMSD-Werte aller synthetisierten Verbindungen unter 2 Å, was bestätigt, dass ihre Docking-Posen strukturell mit der Bindungskonformation des co-kristallisierten Liganden übereinstimmen und somit ihr Potenzial als potente PBP2a-Inhibitoren weiter untermauert.
Obwohl Docking-Scores und RMS-Werte wertvolle Vorhersagen ermöglichen, ist der Zusammenhang zwischen diesen Docking-Ergebnissen und der antimikrobiellen Aktivität nicht immer auf den ersten Blick ersichtlich. Die Hemmung von PBP2a gilt zwar als wichtiger Faktor für die antimikrobielle Aktivität, doch deuten mehrere Unterschiede darauf hin, dass auch andere biologische Eigenschaften eine wichtige Rolle spielen. Die Verbindungen 6 und 13b zeigten die höchste antimikrobielle Aktivität mit einem Hemmhofdurchmesser von 4 cm und den niedrigsten MHK- (9,7 μg/100 μL) und MBK-Werten (78,125 μg/100 μL), trotz ihrer im Vergleich zu den Verbindungen 7, 9, 10 und 14 niedrigeren Docking-Scores. Dies legt nahe, dass neben der PBP2a-Hemmung auch Faktoren wie Löslichkeit, Bioverfügbarkeit und Interaktionsdynamik im bakteriellen Milieu die Gesamtaktivität beeinflussen. Abbildung 11 zeigt die Docking-Positionen der Verbindungen. Daraus geht hervor, dass beide Verbindungen, trotz relativ niedriger Bindungsaffinität, mit wichtigen Aminosäureresten von PBP2a interagieren und so möglicherweise den Hemmkomplex stabilisieren können. Dies unterstreicht, dass molekulares Docking zwar wichtige Einblicke in die PBP2a-Hemmung liefert, jedoch weitere biologische Faktoren berücksichtigt werden müssen, um die antimikrobiellen Wirkungen dieser Verbindungen in der Praxis vollständig zu verstehen.
Anhand der Kristallstruktur von PBP2a (PDB-ID: 4CJN) wurden 2D- und 3D-Interaktionskarten der aktivsten Verbindungen 6 und 13b, die mit dem Penicillin-bindenden Protein 2a (PBP2a) von Methicillin-resistentem Staphylococcus aureus (MRSA) angedockt wurden, erstellt. Diese Karten vergleichen die Interaktionsmuster dieser Verbindungen mit dem erneut angedockten, co-kristallisierten Chinazolinon-Liganden (CCL) und heben wichtige Wechselwirkungen wie Wasserstoffbrückenbindungen, π-Stapelung und ionische Wechselwirkungen hervor.
Ein ähnliches Muster wurde für Verbindung 7 beobachtet, die einen relativ hohen Docking-Score (-6,32) und einen ähnlichen Hemmhofdurchmesser (3,9 cm) wie Verbindung 10 aufwies. Ihre MHK (39,08 μg/100 μL) und MBK (39,06 μg/100 μL) waren jedoch signifikant höher, was darauf hindeutet, dass höhere Konzentrationen für eine antibakterielle Wirkung erforderlich sind. Dies lässt vermuten, dass trotz der starken Bindungsaffinität von Verbindung 7 in Docking-Studien Faktoren wie Bioverfügbarkeit, zelluläre Aufnahme oder andere physikochemische Eigenschaften ihre biologische Wirksamkeit einschränken können. Obwohl Verbindung 7 bakterizide Eigenschaften zeigte, war sie im Vergleich zu den Verbindungen 6 und 13b weniger wirksam bei der Hemmung des Bakterienwachstums.
Verbindung 10 zeigte mit dem höchsten Docking-Score (-6,40) einen deutlicheren Unterschied, was auf eine starke Bindungsaffinität zu PBP2a hindeutet. Ihr Hemmhofdurchmesser (3,9 cm) war jedoch vergleichbar mit dem von Verbindung 7, und ihre minimale bakterizide Konzentration (MBK) (312 μg/100 μL) war signifikant höher als die der Verbindungen 6, 7 und 13b, was auf eine schwächere bakterizide Aktivität schließen lässt. Dies legt nahe, dass Verbindung 10 trotz guter Docking-Vorhersagen aufgrund anderer limitierender Faktoren wie Löslichkeit, Stabilität oder geringer Permeabilität der Bakterienmembran weniger effektiv gegen MRSA war. Diese Ergebnisse bestätigen die Annahme, dass die Hemmung von PBP2a zwar eine Schlüsselrolle für die antibakterielle Aktivität spielt, aber die beobachteten Unterschiede in der biologischen Aktivität der getesteten Verbindungen nicht vollständig erklärt. Diese Unterschiede deuten darauf hin, dass weitere experimentelle Analysen und detaillierte biologische Untersuchungen erforderlich sind, um die beteiligten antibakteriellen Mechanismen vollständig aufzuklären.
Die Ergebnisse des Moleküldockings in Tabelle 4 und den ergänzenden Daten verdeutlichen den komplexen Zusammenhang zwischen Docking-Scores und antimikrobieller Aktivität. Obwohl die Verbindungen 6 und 13b niedrigere Docking-Scores als die Verbindungen 7, 9, 10 und 14 aufweisen, zeigen sie die höchste antimikrobielle Aktivität. Ihre Interaktionskarten (siehe Abbildung 11) deuten darauf hin, dass sie trotz ihrer geringeren Bindungs-Scores signifikante Wasserstoffbrückenbindungen und π-Stapelung-Wechselwirkungen mit Schlüsselresten von PBP2a ausbilden, welche den Enzym-Inhibitor-Komplex biologisch vorteilhaft stabilisieren können. Trotz der relativ niedrigen Docking-Scores von 6 und 13b legt ihre erhöhte antimikrobielle Aktivität nahe, dass bei der Bewertung des Inhibitorpotenzials neben den Docking-Daten auch andere Eigenschaften wie Löslichkeit, Stabilität und zelluläre Aufnahme berücksichtigt werden sollten. Dies unterstreicht die Bedeutung der Kombination von Docking-Studien mit experimentellen antimikrobiellen Analysen, um das therapeutische Potenzial neuer Verbindungen präzise zu bewerten.
Diese Ergebnisse verdeutlichen, dass molekulares Docking zwar ein leistungsstarkes Werkzeug zur Vorhersage der Bindungsaffinität und zur Identifizierung potenzieller Hemmmechanismen darstellt, jedoch nicht allein zur Bestimmung der antimikrobiellen Wirksamkeit herangezogen werden sollte. Die molekularen Daten deuten darauf hin, dass die PBP2a-Hemmung ein Schlüsselfaktor für die antimikrobielle Aktivität ist. Veränderungen der biologischen Aktivität legen jedoch nahe, dass weitere physikochemische und pharmakokinetische Eigenschaften optimiert werden müssen, um die therapeutische Wirksamkeit zu steigern. Zukünftige Studien sollten sich auf die Optimierung der chemischen Struktur der Verbindungen 7 und 10 konzentrieren, um die Bioverfügbarkeit und zelluläre Aufnahme zu verbessern und sicherzustellen, dass starke Docking-Interaktionen in tatsächliche antimikrobielle Aktivität umgesetzt werden. Weiterführende Studien, einschließlich zusätzlicher Bioassays und Struktur-Wirkungsbeziehungs-Analysen (SAR), sind entscheidend, um unser Verständnis der Wirkungsweise dieser Verbindungen als PBP2a-Inhibitoren zu vertiefen und effektivere antimikrobielle Wirkstoffe zu entwickeln.
Aus 3-(Anthracen-9-yl)-2-cyanoacryloylchlorid 4 synthetisierte Verbindungen zeigten unterschiedliche Grade antimikrobieller Aktivität, wobei mehrere Verbindungen eine signifikante Hemmung von Methicillin-resistentem Staphylococcus aureus (MRSA) aufwiesen. Struktur-Wirkungsbeziehungsanalysen (SAR) deckten wichtige Strukturmerkmale auf, die der antimikrobiellen Wirksamkeit dieser Verbindungen zugrunde liegen.
Das Vorhandensein sowohl von Acrylnitril- als auch von Anthracengruppen erwies sich als entscheidend für die Steigerung der antimikrobiellen Aktivität. Die hochreaktive Nitrilgruppe im Acrylnitril ist notwendig, um Wechselwirkungen mit bakteriellen Proteinen zu ermöglichen und trägt somit zu den antimikrobiellen Eigenschaften der Verbindung bei. Verbindungen, die sowohl Acrylnitril als auch Anthracen enthalten, zeigten durchweg stärkere antimikrobielle Wirkungen. Die Aromatizität der Anthracengruppe stabilisierte diese Verbindungen zusätzlich und steigerte dadurch potenziell ihre biologische Aktivität.
Die Einführung heterocyclischer Ringe verbesserte die antibakterielle Wirksamkeit mehrerer Derivate signifikant. Insbesondere das Benzothiazolderivat 13b und das Acrylhydrazidderivat 6 zeigten die höchste antibakterielle Aktivität mit einer Hemmzone von ca. 4 cm. Diese heterocyclischen Derivate wiesen deutlichere biologische Effekte auf, was darauf hindeutet, dass die heterocyclische Struktur eine Schlüsselrolle für die antibakterielle Wirkung spielt. Ebenso trugen Pyrimidinethion in Verbindung 9, Thiopyrazol in Verbindung 10 und der Tetrazinring in Verbindung 11 zu den antibakteriellen Eigenschaften der Verbindungen bei und unterstreichen somit die Bedeutung der heterocyclischen Modifizierung.
Unter den synthetisierten Verbindungen zeichneten sich 6 und 13b durch ihre hervorragende antibakterielle Wirkung aus. Die minimale Hemmkonzentration (MHK) von Verbindung 6 betrug 9,7 μg/100 μL, die minimale bakterizide Konzentration (MBK) 78,125 μg/100 μL, was ihre ausgezeichnete Fähigkeit zur Eliminierung von Methicillin-resistentem Staphylococcus aureus (MRSA) unterstreicht. Auch Verbindung 13b zeigte eine Hemmzone von 4 cm sowie niedrige MHK- und MBK-Werte, was ihre starke antibakterielle Aktivität bestätigt. Diese Ergebnisse verdeutlichen die Schlüsselrolle der Acrylhydrazid- und Benzothiazol-Funktionsgruppen für die Bioverfügbarkeit dieser Verbindungen.
Im Gegensatz dazu zeigten die Verbindungen 7, 10 und 14 eine moderate antibakterielle Aktivität mit Hemmzonen von 3,65 bis 3,9 cm. Für die vollständige Abtötung der Bakterien waren höhere Konzentrationen dieser Verbindungen erforderlich, was sich in ihren relativ hohen MHK- und MBK-Werten widerspiegelt. Obwohl diese Verbindungen weniger aktiv waren als die Verbindungen 6 und 13b, wiesen sie dennoch ein signifikantes antibakterielles Potenzial auf. Dies deutet darauf hin, dass der Einbau von Acrylnitril- und Anthracen-Einheiten in den heterocyclischen Ring zu ihrer antibakteriellen Wirkung beiträgt.
Die Verbindungen weisen unterschiedliche Wirkungsweisen auf; einige wirken bakterizid, andere bakteriostatisch. Die Verbindungen 7, 11, 13a und 15 sind bakterizid und benötigen niedrigere Konzentrationen, um Bakterien vollständig abzutöten. Im Gegensatz dazu wirken die Verbindungen 6, 13b und 14 bakteriostatisch und können das Bakterienwachstum in niedrigeren Konzentrationen hemmen, benötigen jedoch höhere Konzentrationen, um Bakterien vollständig abzutöten.
Die Struktur-Wirkungsbeziehungsanalyse unterstreicht die Bedeutung der Einführung von Acrylnitril- und Anthracen-Gruppen sowie heterocyclischen Strukturen für eine signifikante antibakterielle Wirkung. Die Ergebnisse legen nahe, dass die Optimierung dieser Strukturkomponenten und die Erforschung weiterer Modifikationen zur Verbesserung der Löslichkeit und Membranpermeabilität zur Entwicklung wirksamerer Anti-MRSA-Medikamente führen können.
Alle Reagenzien und Lösungsmittel wurden nach Standardverfahren gereinigt und getrocknet (El Gomhouria, Ägypten). Die Schmelzpunkte wurden mit einem elektronischen Schmelzpunktbestimmungsgerät von GallenKamp ermittelt und sind unkorrigiert angegeben. Die Infrarotspektren (IR-Spektren, cm⁻¹) wurden am Institut für Chemie der Naturwissenschaftlichen Fakultät der Ain-Shams-Universität mit Kaliumbromid-Presslingen (KBr) auf einem Thermo Electron Nicolet iS10 FTIR-Spektrometer (Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, USA) aufgenommen.
Die ¹H-NMR-Spektren wurden bei 300 MHz mit einem GEMINI-NMR-Spektrometer (GEMINI Manufacturing & Engineering, Anaheim, CA, USA) und einem BRUKER-300-MHz-NMR-Spektrometer (BRUKER Manufacturing & Engineering, Inc.) aufgenommen. Tetramethylsilan (TMS) wurde als interner Standard zusammen mit deuteriertem Dimethylsulfoxid (DMSO-d₆) verwendet. Die NMR-Messungen wurden an der Fakultät für Naturwissenschaften der Universität Kairo, Gizeh, Ägypten, durchgeführt. Die Elementaranalyse (CHN) erfolgte mit einem Perkin-Elmer 2400 Elementaranalysator; die Ergebnisse stimmen gut mit den berechneten Werten überein.
Eine Mischung aus Säure 3 (5 mmol) und Thionylchlorid (5 ml) wurde 4 h lang in einem Wasserbad bei 65 °C erhitzt. Überschüssiges Thionylchlorid wurde durch Destillation unter vermindertem Druck entfernt. Der resultierende rote Feststoff wurde abfiltriert und ohne weitere Reinigung verwendet. Schmelzpunkt: 200–202 °C, Ausbeute: 88,5 %. IR (KBr, ν, cm⁻¹): 2224 (C≡N), 1737 (C=O). ¹H-NMR (400 MHz, DMSO-d₆) δ (ppm): 9,26 (s, 1H, CH=), 7,27–8,57 (m, 9H, Heteroaromatisierung). ¹³C-NMR (75 MHz, DMSO-d₆) δ (ppm): 115,11 (C≡N), 124,82–130,53 (CH₆-Anthracen), 155,34, 114,93 (CH=C–C=O), 162,22 (C=O); HRMS (ESI) m/z [M + H]⁺: 291,73111. Elementaranalyse: Berechnet für C₁₈H₁₀ClNO (291,73): C, 74,11; H, 3,46; N, 4,80. Gefunden: C, 74,41; H, 3,34; N, 4,66 %.
Bei 0 °C wurden 4 (2 mmol, 0,7 g) in wasserfreiem Dioxan (20 ml) gelöst und Hydrazinhydrat (2 mmol, 0,16 ml, 80 %) tropfenweise zugegeben. Die Mischung wurde 1 h gerührt. Der ausgefallene Feststoff wurde abfiltriert und aus Ethanol umkristallisiert, wodurch Verbindung 6 erhalten wurde.
Grüne Kristalle, Schmelzpunkt 190–192 °C, Ausbeute 69,36 %; IR (KBr) ν = 3424 (NH), 2228 (C≡N), 1720 (C=O), 1621 (C=N) cm⁻¹. ¹H-NMR (400 MHz, DMSO-d₆) δ (ppm): 9,3 (br s, H, NH, austauschbar), 7,69–8,51 (m, 18H, heteroaromatisch), 9,16 (s, 1H, CH=), 8,54 (s, 1H, CH=); Berechneter Wert für C₃₃H₂₁N₃O (475,53): C, 83,35; H, 4,45; N, 8,84. Gefunden: C, 84,01; H, 4,38. N, 8,05%.
4 (2 mmol, 0,7 g) wird in 20 ml wasserfreiem Dioxan (mit einigen Tropfen Triethylamin) gelöst. Anschließend werden Phenylhydrazin/2-Aminopyridin (2 mmol) zugegeben und die Mischung jeweils 1 bzw. 2 Stunden bei Raumtemperatur gerührt. Das Reaktionsgemisch wird in Eiswasser oder Wasser gegossen und mit verdünnter Salzsäure angesäuert. Der ausgefallene Feststoff wird abfiltriert und aus Ethanol umkristallisiert, um Verbindung 7 zu erhalten, und anschließend aus Benzol, um Verbindung 8 zu erhalten.
Grüne Kristalle, Schmelzpunkt 160–162 °C, Ausbeute 77 %; IR (KBr, ν, cm⁻¹): 3245 (NH), 2222 (C≡N), 1691 (C=O), 1671 (C=O) cm⁻¹. ¹H-NMR (400 MHz, DMSO-d₆): δ (ppm): 10,88 (s, 1H, NH, austauschbar), 9,15 (s, 1H, CH=), 8,81 (s, 1H, CH=), 6,78–8,58 (m, 23H, heteroaromatisch); Berechneter Wert für C₄₂H₂₆N₄O₂ (618,68): C, 81,54; H, 4,24; N, 9,06. Gefunden: C, 81,96; H, 3,91; N, 8,91%.
4 (2 mmol, 0,7 g) wurde in 20 ml wasserfreiem Dioxan (mit einigen Tropfen Triethylamin) gelöst, 2-Aminopyridin (2 mmol, 0,25 g) zugegeben und die Mischung 2 h bei Raumtemperatur gerührt. Anschließend wurde die Reaktionsmischung in Eiswasser gegossen und mit verdünnter Salzsäure angesäuert. Der entstandene Niederschlag wurde abfiltriert und aus Benzol umkristallisiert. Man erhielt grüne Kristalle von 8 mit einem Schmelzpunkt von 146–148 °C und einer Ausbeute von 82,5 %; Infrarotspektrum (KBr): ν: 3148 (NH), 2222 (C≡N), 1665 (C=O) cm⁻¹. ¹H-NMR (400 MHz, DMSO-d₆): δ (ppm): 8,78 (s, H, NH, austauschbar), 9,14 (s, 1H, CH=), 7,36–8,55 (m, 13H, Heteroaromatisierung); Berechnet für C₂₃H₁₅N₃O (348,38): C, 79,07; H, 4,33; N, 12,03. Gefunden: C, 78,93; H, 3,97; N, 12,36 %.
Verbindung 4 (2 mmol, 0,7 g) wurde in 20 ml trockenem Dioxan (enthaltend einige Tropfen Triethylamin und 2 mmol Thioharnstoff/Semicarbazid) gelöst und 2 h unter Rückfluss erhitzt. Das Lösungsmittel wurde im Vakuum abdestilliert. Der Rückstand wurde aus Dioxan umkristallisiert, wobei ein Gemisch erhalten wurde.