本研究针对传统农药抗药性加剧、多功能生物活性分子匮乏的问题，开发了高效一锅法合成策略，制备了系列新型噻唑并[3,2-a]嘧啶衍生物及嘧啶并[4′,5′:4,5]噻唑并[3,2-a]嘧啶稠环化合物。系统探究了目标化合物的光物理特性、杀虫活性和抗炎活性，结合密度泛函理论（DFT）计算和分子对接技术揭示结构-性能关系，成功筛选出兼具优异杀虫/抗炎活性与聚集诱导发光（AIE）特性的多功能先导化合物，为农药与医药领域的多功能分子研发提供了新范式。
研究以具有广泛生物活性的噻唑并[3,2-a]嘧啶骨架为核心，设计了两步合成路线（Scheme 1）：第一步通过Biginelli型三组分反应，以乙酰乙酸乙酯、硫脲和芳香醛为原料，在氯化钙催化下合成4-芳基-3,4-二氢嘧啶-2(1H)-硫酮中间体（1a,b）；第二步以中间体1a,b与α-溴氰乙酰胺在碳酸钾存在下经杂环化反应，构建3-氨基噻唑并[3,2-a]嘧啶-2-甲酰胺衍生物（2a,b），并以此为关键前体，通过环化、氯化、胺化、酰化等反应进一步官能化，得到系列稠环化合物（3a,b、4、5a-c、6、7、8）。合成过程中存在两种可能的异构体（2a,b与2′a,b），通过DFT计算证实2a,b为热力学稳定异构体，最终产物经元素分析、FT-IR、¹H NMR、¹³C NMR及EI-MS等技术确证结构。该合成策略具有产率高、反应时间短、操作简便等优势，实现了噻唑并[3,2-a]嘧啶骨架的高效构建与多样化修饰。图一 异构体2a（a）和2′a（b）在B3LYP-D3(BJ)/6-31G(d)水平下的优化结构及部分结构参数；2a（c）和2′a（d）的分子内相互作用（Multiwfn程序计算）。蓝色代表氢键，绿色代表范德华相互作用。图注：该图明确了热力学稳定异构体的结构特征及分子内作用力差异。
选取化合物2b和6进行光物理特性系统表征，结果显示：在乙腈溶液中（20 μM），两者均表现出特征π-π*跃迁吸收峰，中心波长约409 nm，另在285-298 nm及235 nm处出现辅助吸收峰（图二a）。荧光发射测试表明，化合物2b在溶液中发射峰位于489 nm，固态下红移至502 nm；化合物6在溶液与固态中发射峰均为494 nm，无明显位移，表明其聚集态不发生π-π堆积作用（图二b）。聚集诱导发光（AIE）测试显示，在乙腈/水二元体系中，随着水体积分数从0%增至90%，化合物2b和6的荧光强度逐渐增强，最终达到纯乙腈溶液的5倍（图三a-d），且发射峰位置保持不变，证实其具有典型AIE特性。该现象源于聚集态下分子内运动受限（RIM），减少了非辐射跃迁，提升了辐射衰减效率。此外，化合物2b和6在高水分数条件下的强荧光特性，使其在精准农业荧光示踪领域具有潜在应用价值。图二 化合物2b和6的光物理特性。（a）乙腈溶液（20 μM）中的UV-Vis吸收光谱；（b）乙腈溶液与固态下的荧光发射光谱（λex=409 nm）；（c）化合物2b在自然光（左）和365 nm UV光（右）下的固态照片；（d）化合物6在自然光（左）和365 nm UV光（右）下的固态照片。图注：该图展示了目标化合物的吸收/发射特征及固态发光性能。
图三 化合物2b（a、c）和6（b、d）在不同水体积分数的乙腈/水混合体系中的荧光发射光谱（λex=409 nm）及相对荧光强度（I/I0）变化。插图为不同水含量下溶液的光学照片。图注：该图证实了目标化合物的聚集诱导发光特性。
1. 抗炎活性：采用角叉菜胶诱导大鼠足肿胀模型评估化合物抗炎活性，以吲哚美辛为阳性对照。结果显示，所有测试化合物在炎症晚期（2-5 h）均表现出显著抑制作用，表明其可能通过抑制前列腺素合成发挥抗炎作用（图四）。结构-活性关系（SAR）分析表明，C4位取代基是活性关键：氯取代化合物4活性较低（相对吲哚美辛效力46.66%）；苯胺取代化合物5a活性提升至68.88%；吗啉取代化合物5c活性最优（71.11%），与吲哚美辛相当；含氯甲基侧链的化合物7活性也达70.00%，为潜在抗炎先导分子。2. 杀虫活性：以棉蚜（Aphis gossypii）若虫和成虫为靶标，评估化合物杀虫活性，以啶虫脒为阳性对照。毒力测定结果显示（表1），化合物5a表现出最强杀虫活性，对若虫的LC₅₀=0.295 mg/L，对成虫的LC₅₀=0.532 mg/L，毒性接近阳性对照（若虫LC₅₀=0.045 mg/L，成虫LC₅₀=0.247 mg/L），毒性比分别为0.152和0.464，显著优于其他衍生物。图四 噻唑并[3,2-a]嘧啶衍生物及吲哚美辛（20 μmol/kg）在角叉菜胶诱导大鼠足肿胀模型中的抗炎时间曲线。数值表示平均值±标准误（n=3-4/组）。图注：该图直观展示了目标化合物的抗炎效果及时间依赖性特征。
以烟碱型乙酰胆碱受体（nAChR，PDB ID 3SQ6）为靶标进行分子对接，验证杀虫活性机制。结果显示，测试化合物结合能介于-6.00至-7.10 kcal/mol之间，其中化合物8结合能最高（-7.10 kcal/mol），化合物5a与7结合能均为-7.00 kcal/mol（图五、图六）。化合物5a通过与受体关键残基GLN114、TYR191、HIS112等形成稳定氢键和静电相互作用，增强了靶标结合亲和力，与其实验测得的高杀虫活性一致。对接结果表明，C4位苯基氨基取代基可优化分子与受体的疏水和氢键相互作用，是提升杀虫活性的关键结构因素。图五 化合物1a、1b、2a、2b、3a、3b、4、5a、5b与烟碱型乙酰胆碱受体（nACh-R，PDB ID 3SQ6）的3D对接模式。图注：该图展示了配体与受体活性口袋的结合方式。
图六 化合物5c、6、7、8与烟碱型乙酰胆碱受体（nACh-R，PDB ID 3SQ6）的3D对接模式。图注：该图进一步验证了不同取代基对受体结合的影响。
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