Děkujeme za návštěvu webu nature.com. Verze prohlížeče, kterou používáte, má omezenou podporu CSS. Pro dosažení nejlepšího zážitku doporučujeme používat nejnovější verzi prohlížeče (nebo vypnout režim kompatibility v prohlížeči Internet Explorer). Aby byla zajištěna trvalá podpora, tento web nebude obsahovat styly ani JavaScript.
Byl syntetizován synton 3-(anthracen-9-yl)-2-kyanoakryloylchlorid 4, který byl použit k syntéze řady vysoce aktivních heterocyklických sloučenin prostřednictvím jeho reakce s různými dusíkatými nukleofily. Struktura každé syntetizované heterocyklické sloučeniny byla důkladně charakterizována pomocí spektroskopické a elementární analýzy. Deset ze třinácti nových heterocyklických sloučenin vykazovalo povzbudivou účinnost proti bakteriím rezistentním vůči více léčivům (MRSA). Mezi nimi sloučeniny 6, 7, 10, 13b a 14 vykazovaly nejvyšší antibakteriální aktivitu s inhibičními zónami blízkými 4 cm. Molekulární dokovací studie však ukázaly, že tyto sloučeniny měly odlišnou vazebnou afinitu k proteinu 2a vázajícímu penicilin (PBP2a), klíčovému cíli rezistence MRSA. Některé sloučeniny, jako například 7, 10 a 14, vykazovaly vyšší vazebnou afinitu a interakční stabilitu v aktivním místě PBP2a ve srovnání s kokrystalizovaným chinazolinonovým ligandem. Naproti tomu sloučeniny 6 a 13b měly nižší skóre dokování, ale stále vykazovaly významnou antibakteriální aktivitu, přičemž sloučenina 6 měla nejnižší hodnoty MIC (9,7 μg/100 μL) a MBC (78,125 μg/100 μL). Analýza dokování odhalila klíčové interakce včetně vodíkových vazeb a π-stackingu, zejména se zbytky, jako jsou Lys 273, Lys 316 a Arg 298, které byly identifikovány jako interagující s kokrystalizovaným ligandem v krystalové struktuře PBP2a. Tyto zbytky jsou nezbytné pro enzymatickou aktivitu PBP2a. Tyto výsledky naznačují, že syntetizované sloučeniny mohou sloužit jako slibné léky proti MRSA, což zdůrazňuje důležitost kombinace molekulárního dokování s biologickými testy pro identifikaci účinných terapeutických kandidátů.
V prvních několika letech tohoto století se výzkumné úsilí zaměřovalo především na vývoj nových, jednoduchých postupů a metod pro syntézu několika inovativních heterocyklických systémů s antimikrobiální aktivitou s využitím snadno dostupných výchozích materiálů.
Akrylonitrilové skupiny jsou považovány za důležité výchozí materiály pro syntézu mnoha pozoruhodných heterocyklických systémů, protože se jedná o vysoce reaktivní sloučeniny. Deriváty 2-kyanoakryloylchloridu se navíc v posledních letech široce používají pro vývoj a syntézu produktů zásadního významu v oblasti farmakologických aplikací, jako jsou meziprodukty léčiv1,2,3, prekurzory látek proti HIV, antivirových, protirakovinných, antibakteriálních, antidepresivních a antioxidačních činidel4,5,6,7,8,9,10. V poslední době přitahuje velkou pozornost biologická účinnost anthracenu a jeho derivátů, včetně jejich antibiotických, protirakovinných11,12, antibakteriálních13,14,15 a insekticidních vlastností16,17. Antimikrobiální sloučeniny obsahující akrylonitrilové a anthracenové skupiny jsou znázorněny na obrázcích 1 a 2.
Podle Světové zdravotnické organizace (WHO) (2021) je antimikrobiální rezistence (AMR) globální hrozbou pro zdraví a rozvoj22,23,24,25. Pacienty nelze vyléčit, což má za následek delší pobyty v nemocnici a potřebu dražších léků, stejně jako zvýšenou úmrtnost a invaliditu. Nedostatek účinných antimikrobiálních látek často vede k selhání léčby různých infekcí, zejména během chemoterapie a velkých chirurgických zákroků.
Podle zprávy Světové zdravotnické organizace z roku 2024 jsou meticilin-rezistentní Staphylococcus aureus (MRSA) a E. coli zařazeny na seznam prioritních patogenů. Obě bakterie jsou rezistentní vůči mnoha antibiotikům, takže představují infekce, které je obtížné léčit a kontrolovat, a existuje naléhavá potřeba vyvinout nové a účinné antimikrobiální sloučeniny k řešení tohoto problému. Anthracen a jeho deriváty jsou známé antimikrobiální látky, které mohou působit na grampozitivní i gramnegativní bakterie. Cílem této studie je syntetizovat nový derivát, který dokáže bojovat proti těmto zdraví nebezpečným patogenům.
Světová zdravotnická organizace (WHO) uvádí, že mnoho bakteriálních patogenů je rezistentních vůči více antibiotikům, včetně methicilin-rezistentního Staphylococcus aureus (MRSA), což je běžná příčina infekcí v komunitě i ve zdravotnických zařízeních. U pacientů s infekcemi MRSA je hlášena o 64 % vyšší úmrtnost než u pacientů s infekcemi citlivými na léky. Kromě toho E. coli představuje globální riziko, protože poslední linií obrany proti enterobakteriím rezistentním na karbapenem (tj. E. coli) je kolistin, ale bakterie rezistentní na kolistin byly v poslední době hlášeny v několika zemích. 22,23,24,25
Proto je podle Globálního akčního plánu Světové zdravotnické organizace pro antimikrobiální rezistenci26 naléhavě potřeba objevit a syntézovat nová antimikrobiální činidla. Velký potenciál anthracenu a akrylonitrilu jako antibakteriálních27, antimykotických28, protinádorových29 a antioxidačních30 látek byl zdůrazněn v řadě publikovaných prací. V tomto ohledu lze říci, že tyto deriváty jsou dobrými kandidáty pro použití proti methicilin-rezistentnímu Staphylococcus aureus (MRSA).
Předchozí přehledy literatury nás motivovaly k syntéze nových derivátů v těchto třídách. Cílem této studie byl proto vývoj nových heterocyklických systémů obsahujících anthracenové a akrylonitrilové skupiny, vyhodnocení jejich antimikrobiální a antibakteriální účinnosti a zkoumání jejich potenciálních vazebných interakcí s proteinem 2a vázajícím penicilin (PBP2a) pomocí molekulárního dokování. V návaznosti na předchozí studie tato studie pokračovala v syntéze, biologickém hodnocení a výpočetní analýze heterocyklických systémů s cílem identifikovat slibné látky rezistentní na methicilin proti Staphylococcus aureus (MRSA) se silnou inhibiční aktivitou proti PBP2a31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48,49.
Náš současný výzkum se zaměřuje na syntézu a antimikrobiální hodnocení nových heterocyklických sloučenin obsahujících anthracenovou a akrylonitrilovou skupinu. Byl připraven 3-(anthracen-9-yl)-2-kyanoakryloylchlorid 4, který byl použit jako stavební blok pro konstrukci nových heterocyklických systémů.
Struktura sloučeniny 4 byla stanovena pomocí spektrálních dat. 1H-NMR spektrum ukázalo přítomnost CH= při 9,26 ppm, IR spektrum ukázalo přítomnost karbonylové skupiny při 1737 cm−1 a kyanoskupiny při 2224 cm−1 a 13CNMR spektrum také potvrdilo navrhovanou strukturu (viz experimentální část).
Syntéza 3-(anthracen-9-yl)-2-kyanoakryloylchloridu 4 byla provedena hydrolýzou aromatických skupin 250, 41, 42, 53 ethanolickým roztokem hydroxidu sodného (10 %) za vzniku kyselin 354, 45, 56, které byly poté zpracovány thionylchloridem na vodní lázni za vzniku derivátu akryloylchloridu 4 ve vysokém výtěžku (88,5 %), jak je znázorněno na obrázku 3.
Pro vytvoření nových heterocyklických sloučenin s očekávanou antibakteriální účinností byla provedena reakce acylchloridu 4 s různými dinukleofily.
Chlorid kyseliny 4 byl po dobu jedné hodiny ošetřen hydrazinhydrátem při 0 °C. Bohužel pyrazolon 5 nebyl získán. Produktem byl derivát akrylamidu, jehož struktura byla potvrzena spektrálními daty. Jeho IR spektrum vykazovalo absorpční pásy C=O při 1720 cm−1, C≡N při 2228 cm−1 a NH3 při 3424 cm−1. 1H-NMR spektrum vykazovalo výměnný singletový signál olefinových protonů a NH3 protonů při 9,3 ppm (viz experimentální část).
Dva moly chloridu kyseliny 4 reagovaly s jedním molem fenylhydrazinu za vzniku derivátu N-fenylakryloylhydrazinu 7 s dobrým výtěžkem (77 %) (obrázek 5). Struktura sloučeniny 7 byla potvrzena daty infračervené spektroskopie, která ukázala absorpci dvou skupin C=O při 1691 a 1671 cm−1, absorpci skupiny CN při 2222 cm−1 a absorpci skupiny NH při 3245 cm−1, a její 1H-NMR spektrum ukázalo skupinu CH při 9,15 a 8,81 ppm a proton NH při 10,88 ppm (viz experimentální část).
V této studii byla zkoumána reakce acylchloridu 4 s 1,3-dinukleofily. Reakcí acylchloridu 4 s 2-aminopyridinem v 1,4-dioxanu s TEA jako bází při pokojové teplotě vznikl derivát akrylamidu 8 (obrázek 5), jehož struktura byla identifikována pomocí spektrálních dat. IR spektra ukázala absorpční pásy kyano skupiny při 2222 cm−1, NH skupiny při 3148 cm−1 a karbonylové skupiny při 1665 cm−1; 1H NMR spektra potvrdila přítomnost olefinových protonů při 9,14 ppm (viz experimentální část).
Sloučenina 4 reaguje s thiomočovinou za vzniku pyrimidinthionu 9; sloučenina 4 reaguje s thiosemikarbazidem za vzniku thiopyrazolového derivátu 10 (obrázek 5). Struktury sloučenin 9 a 10 byly potvrzeny spektrální a elementární analýzou (viz experimentální část).
Tetrazin-3-thiol 11 byl připraven reakcí sloučeniny 4 s thiokarbazidem jako 1,4-dinukleofilem (obrázek 5) a jeho struktura byla potvrzena spektroskopií a elementární analýzou. V infračerveném spektru se vazba C=N objevila při 1619 cm−1. Zároveň jeho 1H-NMR spektrum zachovalo signály vícevrstvé destičky aromatických protonů při 7,78–8,66 ppm a SH protonů při 3,31 ppm (viz experimentální část).
Akryloylchlorid 4 reaguje s 1,2-diaminobenzenem, 2-aminothiofenolem, kyselinou anthranilovou, 1,2-diaminoethanem a ethanolaminem jako 1,4-dinukleofily za vzniku nových heterocyklických systémů (13–16).
Struktury těchto nově syntetizovaných sloučenin byly potvrzeny spektrální a elementární analýzou (viz experimentální část). Derivát 2-hydroxyfenylakrylamidu 17 byl získán reakcí s 2-aminofenolem jako dinukleofilem (obrázek 6) a jeho struktura byla potvrzena spektrální a elementární analýzou. Infračervené spektrum sloučeniny 17 ukázalo, že signály C=O a C≡N se objevily při 1681 a 2226 cm−1. 1H-NMR spektrum si zároveň zachovalo singletový signál olefinového protonu při 9,19 ppm a OH proton se objevil při 9,82 ppm (viz experimentální část).
Reakcí chloridu kyseliny 4 s jedním nukleofilem (např. ethylaminem, 4-toluidinem a 4-methoxyanilinem) v dioxanu jako rozpouštědle a TEA jako katalyzátoru při pokojové teplotě vznikly zelené krystalické deriváty akrylamidu 18, 19a a 19b. Elementární a spektrální data sloučenin 18, 19a a 19b potvrdila struktury těchto derivátů (viz experimentální část) (obrázek 7).
Po screeningu antimikrobiální aktivity různých syntetických sloučenin byly získány odlišné výsledky, jak je uvedeno v tabulce 1 a na obrázku 8 (viz soubor s obrázky). Všechny testované sloučeniny vykazovaly různý stupeň inhibice proti grampozitivní bakterii MRSA, zatímco gramnegativní bakterie Escherichia coli vykazovala úplnou rezistenci vůči všem sloučeninám. Testované sloučeniny lze rozdělit do tří kategorií na základě průměru inhibiční zóny proti MRSA. První kategorie byla nejaktivnější a skládala se z pěti sloučenin (6, 7, 10, 13b a 14). Průměr inhibiční zóny těchto sloučenin se blížil 4 cm; nejaktivnějšími sloučeninami v této kategorii byly sloučeniny 6 a 13b. Druhá kategorie byla středně aktivní a skládala se z dalších pěti sloučenin (11, 13a, 15, 18 a 19a). Inhibiční zóna těchto sloučenin se pohybovala od 3,3 do 3,65 cm, přičemž sloučenina 11 vykazovala největší inhibiční zónu 3,65 ± 0,1 cm. Na druhou stranu poslední skupina obsahovala tři sloučeniny (8, 17 a 19b) s nejnižší antimikrobiální aktivitou (méně než 3 cm). Obrázek 9 ukazuje rozložení různých inhibičních zón.
Další zkoumání antimikrobiální aktivity testovaných sloučenin zahrnovalo stanovení MIC a MBC pro každou sloučeninu. Výsledky se mírně lišily (jak je uvedeno v tabulkách 2, 3 a na obrázku 10 (viz soubor s obrázky)), přičemž sloučeniny 7, 11, 13a a 15 byly zřejmě reklasifikovány jako nejlepší sloučeniny. Měly stejné nejnižší hodnoty MIC a MBC (39,06 μg/100 μL). Ačkoli sloučeniny 7 a 8 měly nižší hodnoty MIC (9,7 μg/100 μL), jejich hodnoty MBC byly vyšší (78,125 μg/100 μL). Proto byly považovány za slabší než dříve zmíněné sloučeniny. Těchto šest sloučenin však bylo nejúčinnějších z testovaných, protože jejich hodnoty MBC byly pod 100 μg/100 μL.
Sloučeniny (10, 14, 18 a 19b) byly méně aktivní ve srovnání s ostatními testovanými sloučeninami, protože jejich hodnoty MBC se pohybovaly od 156 do 312 μg/100 μl. Na druhou stranu sloučeniny (8, 17 a 19a) byly nejméně slibné, protože měly nejvyšší hodnoty MBC (625, 625 a 1250 μg/100 μl).
Nakonec, dle úrovní tolerance uvedených v tabulce 3, lze testované sloučeniny rozdělit do dvou kategorií na základě jejich mechanismu účinku: sloučeniny s baktericidním účinkem (7, 8, 10, 11, 13a, 15, 18, 19b) a sloučeniny s antibakteriálním účinkem (6, 13b, 14, 17, 19a). Mezi nimi jsou preferovány sloučeniny 7, 11, 13a a 15, které vykazují účinek ničení při velmi nízké koncentraci (39,06 μg/100 μL).
Deset z třinácti testovaných sloučenin prokázalo potenciál proti meticilin-rezistentnímu Staphylococcus aureus (MRSA) rezistentnímu na antibiotika. Proto se doporučuje další screening s antibiotiky rezistentnějšími patogeny (zejména lokálními izoláty zahrnujícími patogenní grampozitivní a gramnegativní bakterie) a patogenními kvasinkami, stejně jako cytotoxické testování každé sloučeniny za účelem posouzení její bezpečnosti.
Byly provedeny molekulární dokovací studie za účelem vyhodnocení potenciálu syntetizovaných sloučenin jako inhibitorů proteinu 2a vázajícího penicilin (PBP2a) u methicilin-rezistentního Staphylococcus aureus (MRSA). PBP2a je klíčový enzym zapojený do biosyntézy bakteriální buněčné stěny a inhibice tohoto enzymu narušuje tvorbu buněčné stěny, což v konečném důsledku vede k bakteriální lýze a buněčné smrti1. Výsledky dokovací studie jsou uvedeny v tabulce 4 a podrobněji popsány v doplňkovém datovém souboru. Výsledky ukazují, že několik sloučenin vykazovalo silnou vazebnou afinitu k PBP2a, zejména ke klíčovým zbytkům aktivního místa, jako jsou Lys 273, Lys 316 a Arg 298. Interakce, včetně vodíkových vazeb a π-stackingu, byly velmi podobné interakcím kokrystalizovaného chinazolinonového ligandu (CCL), což naznačuje potenciál těchto sloučenin jako účinných inhibitorů.
Data molekulárního dokování spolu s dalšími výpočetními parametry silně naznačují, že inhibice PBP2a byla klíčovým mechanismem zodpovědným za pozorovanou antibakteriální aktivitu těchto sloučenin. Hodnoty dokovacích skóre a střední kvadratické odchylky (RMSD) dále odhalily vazebnou afinitu a stabilitu, což tuto hypotézu podporuje. Jak je uvedeno v tabulce 4, zatímco několik sloučenin vykazovalo dobrou vazebnou afinitu, některé sloučeniny (např. 7, 9, 10 a 14) měly vyšší dokovací skóre než kokrystalizovaný ligand, což naznačuje, že mohou mít silnější interakce se zbytky aktivního místa PBP2a. Nejbioticky nejaktivnější sloučeniny 6 a 13b však vykazovaly mírně nižší dokovací skóre (-5,98 a -5,63) ve srovnání s ostatními ligandy. To naznačuje, že ačkoli dokovací skóre lze použít k predikci vazebné afinity, hrají klíčovou roli při určování antibakteriální aktivity i další faktory (např. stabilita ligandu a molekulární interakce v biologickém prostředí). Je pozoruhodné, že hodnoty RMSD všech syntetizovaných sloučenin byly pod 2 Å, což potvrzuje, že jejich dokovací pozice jsou strukturně konzistentní s vazebnou konformací kokrystalizovaného ligandu, což dále podporuje jejich potenciál jako účinných inhibitorů PBP2a.
Ačkoli skóre vazeb a hodnoty RMS poskytují cenné predikce, korelace mezi těmito výsledky vazeb a antimikrobiální aktivitou není na první pohled vždy jasná. Ačkoli je inhibice PBP2a silně podporována jako klíčový faktor ovlivňující antimikrobiální aktivitu, několik rozdílů naznačuje, že důležitou roli hrají i další biologické vlastnosti. Sloučeniny 6 a 13b vykazovaly nejvyšší antimikrobiální aktivitu, s průměrem inhibiční zóny 4 cm a nejnižšími hodnotami MIC (9,7 μg/100 μL) a MBC (78,125 μg/100 μL), a to i přes jejich nižší skóre vazeb ve srovnání se sloučeninami 7, 9, 10 a 14. To naznačuje, že ačkoli inhibice PBP2a přispívá k antimikrobiální aktivitě, faktory, jako je rozpustnost, biologická dostupnost a dynamika interakce v bakteriálním prostředí, také ovlivňují celkovou aktivitu. Obrázek 11 ukazuje jejich pozice v dockingu, což naznačuje, že obě sloučeniny, i s relativně nízkým skóre vazby, jsou stále schopny interagovat s klíčovými zbytky PBP2a, což potenciálně stabilizuje inhibiční komplex. To zdůrazňuje, že ačkoli molekulární dokování poskytuje důležité poznatky o inhibici PBP2a, pro plné pochopení antimikrobiálních účinků těchto sloučenin v reálném světě je třeba zvážit i další biologické faktory.
S využitím krystalové struktury PBP2a (PDB ID: 4CJN) byly vytvořeny 2D a 3D interakční mapy nejaktivnějších sloučenin 6 a 13b, které byly vázány na protein 2a vázající penicilin (PBP2a) meticilin-rezistentního Staphylococcus aureus (MRSA). Tyto mapy porovnávají interakční vzorce těchto sloučenin s znovu vázaným kokrystalizovaným chinazolinonovým ligandem (CCL) a zdůrazňují klíčové interakce, jako jsou vodíkové vazby, π-stacking a iontové interakce.
Podobný vzorec byl pozorován u sloučeniny 7, která vykazovala relativně vysoké skóre dockingu (-6,32) a podobný průměr inhibiční zóny (3,9 cm) jako sloučenina 10. Její MIC (39,08 μg/100 μL) a MBC (39,06 μg/100 μL) však byly významně vyšší, což naznačuje, že k projevení antibakteriálního účinku byla nutná vyšší koncentrace. To naznačuje, že ačkoli sloučenina 7 vykazovala v dokovacích studiích silnou vazebnou afinitu, faktory, jako je biologická dostupnost, buněčné vychytávání nebo jiné fyzikálně-chemické vlastnosti, mohou omezovat její biologickou účinnost. Ačkoli sloučenina 7 vykazovala baktericidní vlastnosti, byla méně účinná v inhibici bakteriálního růstu ve srovnání se sloučeninami 6 a 13b.
Sloučenina 10 vykazovala dramatičtější rozdíl s nejvyšším skóre dokování (-6,40), což naznačuje silnou vazebnou afinitu k PBP2a. Průměr její zóny inhibice (3,9 cm) byl však srovnatelný se sloučeninou 7 a její MBC (312 μg/100 μL) byla významně vyšší než u sloučenin 6, 7 a 13b, což naznačuje slabší baktericidní aktivitu. To naznačuje, že navzdory dobrým predikcím dokování byla sloučenina 10 méně účinná při hubení MRSA kvůli dalším omezujícím faktorům, jako je rozpustnost, stabilita nebo špatná propustnost bakteriální membrány. Tyto výsledky podporují pochopení, že ačkoli inhibice PBP2a hraje klíčovou roli v antibakteriální aktivitě, plně nevysvětluje rozdíly v biologické aktivitě pozorované mezi testovanými sloučeninami. Tyto rozdíly naznačují, že k plnému objasnění zapojených antibakteriálních mechanismů jsou zapotřebí další experimentální analýzy a hloubková biologická hodnocení.
Výsledky molekulárního dokování v tabulce 4 a v doplňkovém datovém souboru zdůrazňují komplexní vztah mezi skóre dokování a antimikrobiální aktivitou. Ačkoli sloučeniny 6 a 13b mají nižší skóre dokování než sloučeniny 7, 9, 10 a 14, vykazují nejvyšší antimikrobiální aktivitu. Jejich interakční mapy (znázorněné na obrázku 11) naznačují, že i přes nižší skóre vazby stále tvoří významné vodíkové vazby a π-stacking interakce s klíčovými zbytky PBP2a, které mohou stabilizovat komplex enzym-inhibitor biologicky prospěšným způsobem. Navzdory relativně nízkým skóre dokování u sloučenin 6 a 13b jejich zvýšená antimikrobiální aktivita naznačuje, že při hodnocení potenciálu inhibitoru by měly být ve spojení s daty z dokování zvažovány i další vlastnosti, jako je rozpustnost, stabilita a buněčná absorpce. To zdůrazňuje důležitost kombinace studií dokování s experimentální antimikrobiální analýzou pro přesné posouzení terapeutického potenciálu nových sloučenin.
Tyto výsledky zdůrazňují, že ačkoli je molekulární doking účinným nástrojem pro predikci vazebné afinity a identifikaci potenciálních mechanismů inhibice, nemělo by se na něj spoléhat pouze pro určení antimikrobiální účinnosti. Molekulární data naznačují, že inhibice PBP2a je klíčovým faktorem ovlivňujícím antimikrobiální aktivitu, ale změny v biologické aktivitě naznačují, že pro zvýšení terapeutické účinnosti je nutné optimalizovat i další fyzikálně-chemické a farmakokinetické vlastnosti. Budoucí studie by se měly zaměřit na optimalizaci chemické struktury sloučenin 7 a 10 za účelem zlepšení biologické dostupnosti a buněčného vychytávání, čímž by se zajistilo, že silné dokovací interakce se promítnou do skutečné antimikrobiální aktivity. Další studie, včetně dalších biologických testů a analýzy vztahu mezi strukturou a aktivitou (SAR), budou klíčové pro další pochopení toho, jak tyto sloučeniny fungují jako inhibitory PBP2a, a pro vývoj účinnějších antimikrobiálních látek.
Sloučeniny syntetizované z 3-(anthracen-9-yl)-2-kyanoakryloylchloridu 4 vykazovaly různý stupeň antimikrobiální aktivity, přičemž několik sloučenin prokázalo významnou inhibici methicilin-rezistentního Staphylococcus aureus (MRSA). Analýza vztahu struktura-aktivita (SAR) odhalila klíčové strukturní vlastnosti, které jsou základem antimikrobiální účinnosti těchto sloučenin.
Přítomnost akrylonitrilových i anthracenových skupin se ukázala jako klíčová pro zvýšení antimikrobiální aktivity. Vysoce reaktivní nitrilová skupina v akrylonitrilu je nezbytná pro usnadnění interakcí s bakteriálními proteiny, čímž přispívá k antimikrobiálním vlastnostem sloučeniny. Sloučeniny obsahující akrylonitril i anthracen konzistentně vykazovaly silnější antimikrobiální účinky. Aromaticita anthracenové skupiny tyto sloučeniny dále stabilizovala, což potenciálně zvýšilo jejich biologickou aktivitu.
Zavedení heterocyklických kruhů významně zlepšilo antibakteriální účinnost několika derivátů. Zejména derivát benzothiazolu 13b a derivát akrylhydrazidu 6 vykazovaly nejvyšší antibakteriální aktivitu s inhibiční zónou přibližně 4 cm. Tyto heterocyklické deriváty vykazovaly významnější biologické účinky, což naznačuje, že heterocyklická struktura hraje klíčovou roli v antibakteriálních účincích. Podobně pyrimidinthion ve sloučenině 9, thiopyrazol ve sloučenině 10 a tetrazinový kruh ve sloučenině 11 přispěly k antibakteriálním vlastnostem sloučenin, což dále zdůrazňuje důležitost heterocyklické modifikace.
Mezi syntetizovanými sloučeninami vynikaly sloučeniny 6 a 13b svou vynikající antibakteriální aktivitou. Minimální inhibiční koncentrace (MIC) sloučeniny 6 byla 9,7 μg/100 μl a minimální baktericidní koncentrace (MBC) byla 78,125 μg/100 μl, což zdůrazňuje její vynikající schopnost eliminovat meticilin-rezistentní Staphylococcus aureus (MRSA). Podobně sloučenina 13b měla inhibiční zónu 4 cm a nízké hodnoty MIC a MBC, což potvrzuje její silnou antibakteriální aktivitu. Tyto výsledky zdůrazňují klíčovou roli akrylohydrazidových a benzothiazolových funkčních skupin při určování bioúčinnosti těchto sloučenin.
Naproti tomu sloučeniny 7, 10 a 14 vykazovaly střední antibakteriální aktivitu s inhibičními zónami v rozmezí od 3,65 do 3,9 cm. Tyto sloučeniny vyžadovaly vyšší koncentrace k úplnému usmrtení bakterií, což se odráží v jejich relativně vysokých hodnotách MIC a MBC. Ačkoli byly tyto sloučeniny méně aktivní než sloučeniny 6 a 13b, stále vykazovaly významný antibakteriální potenciál, což naznačuje, že začlenění akrylonitrilových a anthracenových skupin do heterocyklického kruhu přispívá k jejich antibakteriálnímu účinku.
Tyto sloučeniny mají různé mechanismy účinku, některé vykazují baktericidní vlastnosti a jiné bakteriostatické účinky. Sloučeniny 7, 11, 13a a 15 jsou baktericidní a k úplnému usmrcení bakterií vyžadují nižší koncentrace. Naproti tomu sloučeniny 6, 13b a 14 jsou bakteriostatické a mohou inhibovat růst bakterií při nižších koncentracích, ale k úplnému usmrcení bakterií vyžadují vyšší koncentrace.
Celkově analýza vztahu mezi strukturou a aktivitou zdůrazňuje důležitost zavedení akrylonitrilových a anthracenových skupin a heterocyklických struktur pro dosažení významné antibakteriální aktivity. Tyto výsledky naznačují, že optimalizace těchto strukturních složek a zkoumání dalších modifikací pro zlepšení rozpustnosti a propustnosti membrán by mohlo vést k vývoji účinnějších léčiv proti MRSA.
Všechna činidla a rozpouštědla byla čištěna a sušena standardními postupy (El Gomhouria, Egypt). Teploty tání byly stanoveny pomocí elektronického přístroje pro měření bodu tání GallenKamp a jsou uváděny bez korekce. Infračervená (IR) spektra (cm⁻1) byla zaznamenána na katedře chemie, Přírodovědecké fakulty, Univerzity Ain Shams za použití pelet bromidu draselného (KBr) na spektrometru Thermo Electron Nicolet iS10 FTIR (Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, USA).
1H NMR spektra byla získána při 300 MHz za použití NMR spektrometru GEMINI (GEMINI Manufacturing & Engineering, Anaheim, CA, USA) a NMR spektrometru BRUKER 300 MHz (BRUKER Manufacturing & Engineering, Inc.). Jako interní standard byl použit tetramethylsilan (TMS) s deuterovaným dimethylsulfoxidem (DMSO-d₆). NMR měření byla provedena na Přírodovědecké fakultě Káhirské univerzity v Gíze v Egyptě. Elementární analýza (CHN) byla provedena za použití elementárního analyzátoru Perkin-Elmer 2400 a získané výsledky jsou v dobré shodě s vypočítanými hodnotami.
Směs kyseliny 3 (5 mmol) a thionylchloridu (5 ml) byla zahřívána ve vodní lázni při 65 °C po dobu 4 hodin. Přebytečný thionylchlorid byl odstraněn destilací za sníženého tlaku. Výsledná červená pevná látka byla oddělena a použita bez dalšího čištění. Teplota tání: 200-202 °C, výtěžek: 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, heteroaromatizace). 13C NMR (75 MHz, DMSO-d6) δ (ppm): 115,11 (C≡N), 124,82–130,53 (CH₃ anthracen), 155,34, 114,93 (CH=C–C=O), 162,22 (C=O); HRMS (ESI) m/z [M + H]+: 291,73111. Analytik. Vypočteno pro C18H10ClNO (291,73): C, 74,11; H, 3,46; N, 4,80. Nalezeno: C, 74,41; H, 3,34; N, 4,66 %.
Při teplotě 0 °C byla sloučenina 4 (2 mmol, 0,7 g) rozpuštěna v bezvodém dioxanu (20 ml) a po kapkách byl přidán hydrazinhydrát (2 mmol, 0,16 ml, 80 %) a směs byla míchána 1 hodinu. Vysrážená pevná látka byla oddělena filtrací a rekrystalizována z ethanolu za vzniku sloučeniny 6.
Zelené krystaly, bod tání 190-192 °C, výtěžek 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, zaměnitelný), 7,69-8,51 (m, 18H, heteroaromatický), 9,16 (s, 1H, CH=), 8,54 (s, 1H, CH=); Vypočtená hodnota pro C33H21N3O (475,53): C, 83,35; H, 4,45; N, 8,84. Nalezeno: C, 84,01; H, 4,38; N, 8,05 %.
Rozpusťte sloučeninu 4 (2 mmol, 0,7 g) ve 20 ml bezvodého roztoku dioxanu (obsahujícího několik kapek triethylaminu), přidejte fenylhydrazin/2-aminopyridin (2 mmol) a míchávejte při pokojové teplotě po dobu 1, respektive 2 hodin. Reakční směs nalijte do ledu nebo vody a okyselte zředěnou kyselinou chlorovodíkovou. Oddělenou pevnou látku odfiltrujte a rekrystalizujte z ethanolu za účelem získání sloučeniny 7 a rekrystalizujte z benzenu za účelem získání sloučeniny 8.
Zelené krystaly, bod tání 160-162 °C, výtěžek 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, zaměnitelný), 9,15 (s, 1H, CH=), 8,81 (s, 1H, CH=), 6,78-8,58 (m, 23H, heteroaromatický); Vypočtená hodnota pro C42H26N4O2 (618,68): C, 81,54; H, 4,24; N, 9,06. Nalezeno: C, 81,96; H, 3,91; N, 8,91 %.
Sloučenina 4 (2 mmol, 0,7 g) byla rozpuštěna ve 20 ml bezvodého roztoku dioxanu (obsahujícího několik kapek triethylaminu), byl přidán 2-aminopyridin (2 mmol, 0,25 g) a směs byla míchána při pokojové teplotě po dobu 2 hodin. Reakční směs byla nalita do ledové vody a okyselena zředěnou kyselinou chlorovodíkovou. Vzniklá sraženina byla odfiltrována a rekrystalizována z benzenu, čímž vznikly zelené krystaly sloučeniny 8 s teplotou tání 146-148 °C a výtěžkem 82,5 %; infračervené spektrum (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, zaměnitelný), 9,14 (s, 1H, CH=), 7,36–8,55 (m, 13H, heteroaromatizace); Vypočteno pro C23H15N3O (348,38): C, 79,07; H, 4,33; N, 12,03. Nalezeno: C, 78,93; H, 3,97; N, 12,36 %.
Sloučenina 4 (2 mmol, 0,7 g) byla rozpuštěna ve 20 ml suchého dioxanu (obsahujícího několik kapek triethylaminu a 2 mmol thiomočoviny/semikarbazidu) a zahřívána pod zpětným chladičem po dobu 2 hodin. Rozpouštědlo bylo odpařeno ve vakuu. Zbytek byl rekrystalizován z dioxanu za vzniku směsi.