4-(((5-(对氯苯氧基)-3-甲基-1-苯基-1H-吡唑-4-基)亚甲基)氨基)-5-甲基-4H-1,2,4-三唑-3-硫酮)的合成、结构分析及计算研究

《Journal of Molecular Structure》：Synthesis, Structural Analysis, and Computational Investigations of 4-(((5-(p-chlorophenoxy)-3-methyl-1-phenyl-1H-pyrazol-4-yl) methylene)amino)-5-methyl-4H-1,2,4-triazole-3-thione

抗肿瘤活性 4H-1,2,4-三唑-3-氧化物衍生物合成及其构效关系研究

　　本研究聚焦于一种新型化合物的合成与性质分析，该化合物为4-(((5-(对氯苯氧基)-3-甲基-1-苯基-1H-吡唑-4-基)亚甲基)氨基)-5-甲基-4H-1,2,4-三唑-3-硫酮（简称7a）。该化合物的合成过程在实验室条件下完成，并通过多种现代分析技术对其结构和性质进行了深入探讨。实验与理论计算相结合的方法，不仅验证了化合物的结构特征，还揭示了其在分子层面的电子行为、非共价相互作用以及潜在的生物活性。研究结果表明，7a具有良好的合成产率，并在晶体结构、光谱分析和计算模拟等多个方面表现出显著的科学价值。

在合成阶段，研究者采用了一种经典的化学反应路径，首先将苯肼（1）与乙基乙酰乙酸酯（2）在水浴中加热并持续搅拌，经过三小时的反应后，冷却至室温并用乙醚洗涤，以去除可能存在的有色杂质。最终产物（3）通过热水重结晶得到，产率为78%，熔点为127°C。这一合成过程为后续的结构分析奠定了基础，同时也体现了有机合成化学在构建复杂分子结构中的灵活性和精确性。在第二阶段，研究者将产物（3）与N,N-二甲基甲酰胺等试剂在低温条件下反应，进一步合成出目标化合物7a。通过这些步骤，研究团队成功地构建了一个融合了三唑和吡唑环的分子结构，这种结构在药物化学中具有重要意义，因为三唑环和吡唑环通常被认为是具有多种生物活性的药效团。

为了确认7a的分子结构，研究者采用了单晶X射线衍射（SC-XRD）技术，这是一种能够提供分子三维结构信息的高精度方法。SC-XRD分析结果显示，7a在三斜晶系中结晶，属于P1?空间群。这一空间群的特点是晶体结构具有高度的不对称性，而P1?则表明晶体中存在中心对称性。通过对X射线衍射数据的解析，研究者能够准确地确定化合物中各原子的位置及其键长、键角等几何参数，从而验证了合成过程的正确性。此外，研究者还通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和核磁共振光谱（1H NMR、13C NMR）对化合物进行了进一步的表征。这些光谱数据不仅帮助确认了化合物的化学结构，还提供了关于分子中官能团的详细信息。例如，FT-IR光谱中显示出的N–H伸缩振动峰（约3103 cm?1）和C–H伸缩振动峰（约3059 cm?1和2927 cm?1）进一步支持了化合物的结构特征。此外，S–H吸收峰的出现（约2860 cm?1）也表明化合物中存在硫醇基团，这在药物分子设计中具有重要价值。

为了深入理解化合物的分子行为，研究者还进行了密度泛函理论（DFT）计算。DFT是一种基于量子力学的计算方法，能够预测分子的几何结构、电子性质以及与其他分子之间的相互作用。在本研究中，DFT计算使用了B3LYP和CAM-B3LYP两种功能泛函，并结合了6-311+G(d,p)基组。这些计算不仅揭示了7a的优化几何构型，还分析了其电子特性，如前线分子轨道（HOMO-LUMO）能量、分子静电势（MEP）等。HOMO-LUMO能量差是评估分子反应活性的重要指标，而MEP则能够直观地展示分子表面的电荷分布情况。此外，DFT计算还对化合物的非线性光学（NLO）性质进行了预测，这为7a在光电子材料领域的应用提供了理论依据。

在非共价相互作用方面，研究者采用了减少密度梯度（RDG）和相互作用区域指标（IRI）分析方法。这些方法能够帮助识别分子间的氢键、π-π堆积等非共价相互作用类型。通过这些分析，研究团队发现7a在晶体结构中存在显著的氢键作用，特别是N–H…S、C–H…N以及Y–X…π（π-π）等类型的相互作用。这些相互作用不仅影响了化合物的晶体堆积方式，还可能对其生物活性产生重要影响。例如，氢键作用在药物分子与生物靶标之间的结合过程中起着关键作用，而π-π相互作用则常用于解释某些分子在生物大分子表面的吸附行为。因此，这些非共价相互作用的分析对于理解7a的分子行为及其在生物系统中的作用机制具有重要意义。

为了进一步探讨7a的生物活性，研究者还进行了分子对接（molecular docking）实验。分子对接是一种用于预测小分子与蛋白质结合能力的计算方法，能够帮助研究人员评估化合物作为药物候选物的潜力。在本研究中，7a被分别对接到三种不同的蛋白质靶标：一种与抗癌活性相关的蛋白（3VNT）、一种与阿尔茨海默病相关的蛋白（1B38）以及一种与抗菌活性相关的蛋白（2OHM和4URO）。结果显示，7a对这些蛋白质具有显著的结合亲和力，其中对3VNT的结合亲和力为8.7 kcal/mol，对1B38的结合亲和力为8.2 kcal/mol，而对2OHM和4URO的结合亲和力分别为7.2 kcal/mol。这些数值表明，7a在与这些蛋白质结合时具有较强的稳定性，这可能是其表现出抗癌和抗菌活性的原因之一。

此外，研究者还通过二维指纹图谱（2D fingerprint graph）分析了7a在晶体结构中的分子间相互作用。指纹图谱是一种基于Hirshfeld表面分析的可视化工具，能够提供关于分子间相互作用类型的直观信息。分析结果表明，7a的晶体结构主要受到H…H相互作用的驱动，这可能与其分子排列方式和晶体稳定性有关。H…H相互作用在晶体结构中通常表现为分子间的范德华力，这种力虽然较弱，但在维持晶体结构的完整性方面起着重要作用。因此，H…H相互作用的分析有助于理解7a在固态下的分子排列规律，以及其在不同环境下的物理化学行为。

研究团队还进行了分子静电势（MEP）分析，以进一步揭示7a的电子分布特征。MEP图谱能够直观地展示分子表面的电荷密度变化，从而帮助研究人员识别可能的反应位点或结合位点。例如，MEP分析中显示出的正负电荷区域可能对应于分子与生物靶标之间的相互作用位点。这些电荷分布特征对于理解7a的生物活性具有重要意义，因为许多生物活性分子在与靶标结合时依赖于特定的电荷相互作用。此外，MEP分析还能够帮助预测化合物在不同溶剂中的溶解行为，这对于药物开发过程中的药代动力学研究具有参考价值。

在热力学分析方面，研究者通过DFT计算评估了7a的热力学参数，如吉布斯自由能、焓变和熵变等。这些参数能够帮助研究人员预测化合物在不同温度下的稳定性以及其在生物系统中的行为。例如，较低的吉布斯自由能通常意味着化合物在特定条件下具有较高的稳定性，而较高的熵变可能表明其在溶液中具有较强的构象灵活性。这些热力学参数的分析为理解7a在不同环境下的行为提供了重要的理论支持。

此外，研究者还进行了自然键轨道（NBO）分析，以进一步探讨化合物的电子结构和分子内相互作用。NBO分析能够帮助识别分子中的孤对电子和键电子，从而揭示分子内部的电子转移和相互作用模式。在7a的NBO分析中，研究者发现某些原子之间的电子密度存在显著差异，这可能与其分子内的氢键作用或π-π相互作用有关。这些电子结构特征不仅影响了化合物的化学性质，还可能对其生物活性产生影响。例如，某些电子密度较高的区域可能更容易与生物靶标发生相互作用，从而增强其结合能力。

研究团队还对7a的非线性光学（NLO）性质进行了计算分析。NLO性质是评估化合物在光电子材料领域应用潜力的重要指标，尤其是在非线性光学器件、光敏材料和激光技术等领域。DFT计算结果显示，7a在可见光波段具有一定的非线性光学响应，这可能与其分子结构中的共轭体系和极性有关。共轭体系的存在通常能够增强分子的极性，并促进电子在分子中的迁移，从而提高其非线性光学性能。此外，研究者还对7a的极化率和二阶非线性光学响应进行了预测，这些参数对于评估其在光电子材料中的应用价值具有重要意义。

在实验和理论计算的结合下，研究团队不仅验证了7a的分子结构，还对其物理化学性质、电子行为以及生物活性进行了系统分析。这些分析结果表明，7a在多个方面表现出良好的性能，包括其结构的稳定性、电子特性、非共价相互作用以及与蛋白质的结合能力。特别是其在抗癌和抗菌领域的应用潜力，为后续的药物开发研究提供了重要的理论依据。研究者还通过二维指纹图谱分析了7a的分子间相互作用，进一步揭示了其在晶体结构中的排列规律。这些相互作用不仅影响了化合物的物理性质，还可能对其生物活性产生影响。

综上所述，本研究通过实验合成和理论计算相结合的方法，系统地分析了化合物7a的结构和性质。研究结果表明，7a在结构、电子行为和非共价相互作用等方面表现出良好的特性，并且在与特定蛋白质结合时具有显著的亲和力。这些发现不仅拓展了1,2,4-三唑衍生物的研究范围，还为开发具有抗癌和抗菌活性的新型药物提供了理论支持。此外，研究团队还对7a的非线性光学性质进行了预测，这为该化合物在光电子材料领域的应用提供了新的可能性。本研究的成果对于推动药物化学和材料科学的发展具有重要意义，同时也为相关领域的进一步研究奠定了基础。