4-羧基苯硼酸(4-CPBA)的分子结构、光谱特性、反应活性及抗癌潜力的综合计算研究

《In Silico Research in Biomedicine》：Experimental and Quantum Computational Analysis of 4-Carboxyphenylboronic Acid, along with Spectroscopic Investigation, Hirshfeld Surface Analysis

本研究针对4-羧基苯硼酸(4-CPBA)这一具有潜在生物活性的分子，通过密度泛函理论(DFT)计算系统分析了其分子结构、振动光谱、电子特性和反应活性。研究人员发现该分子具有较小的前沿分子轨道能隙(3.9815 eV)，表明其具有较高的化学反应活性，分子对接结果显示其与多种癌症相关蛋白(6JZ0、1P9J等)具有较强结合能力，结合能最低达-105.76 kcal/mol，分子动力学模拟进一步证实了复合物的稳定性，为4-CPBA作为抗癌药物的开发提供了理论依据。

　　

在当今药物研发领域，寻找新型高效的抗癌化合物一直是科学家们关注的重点。苯硼酸类化合物因其独特的电子结构和生物活性，在医药化学中展现出广阔的应用前景。特别是4-羧基苯硼酸(4-Carboxyphenylboronic Acid, 4-CPBA)这类同时含有羧基和硼酸基团的分子，其特殊的电子分布和反应特性使其成为潜在的治疗剂候选物。然而，目前对于这类化合物的系统理论研究仍相对缺乏，其详细的分子特性、电子行为以及与生物大分子的相互作用机制尚不明确。

为了深入探索4-CPBA的物理化学性质和潜在生物活性，研究人员在《In Silico Research in Biomedicine》上发表了一项综合性计算研究。该工作采用多种计算化学方法，包括密度泛函理论(Density Functional Theory, DFT)、分子对接(Molecular Docking)和分子动力学模拟(Molecular Dynamics Simulation, MDS)，从分子水平全面揭示了4-CPBA的结构特征和生物活性潜力。

本研究主要采用了以下几个关键技术方法：首先利用DFT/B3LYP/6-311++G(d,p)方法进行几何优化和电子性质计算；其次通过振动分析获得理论红外光谱并进行归属；接着使用时域密度泛函理论(Time-Dependent Density Functional Theory, TD-DFT)计算紫外-可见吸收光谱；同时利用Hirshfeld表面分析研究分子间相互作用；最后通过分子对接和100 ns的分子动力学模拟评估化合物与靶蛋白的结合特性。

分子结构优化与振动分析

研究人员首先对4-CPBA分子进行了几何结构优化，获得了最稳定的分子构型。优化后的结构显示，苯环上的取代基处于对位位置，形成了相对对称的分子骨架。通过振动频率计算，研究人员获得了理论红外光谱，并与实验值进行了详细对比。振动模式分析表明，O-H伸缩振动出现在3231 cm^-1附近，而B-O伸缩振动则在1380 cm^-1左右，这些特征振动为化合物的鉴定提供了重要依据。

电子特性和反应活性

通过前沿分子轨道(Frontier Molecular Orbitals, FMO)分析，研究人员发现4-CPBA的最高占据分子轨道(Highest Occupied Molecular Orbital, HOMO)和最低未占分子轨道(Lowest Unoccupied Molecular Orbital, LUMO)之间的能隙为3.9815 eV，这一相对较小的能隙表明分子具有较高的化学反应活性。分子静电势(Molecular Electrostatic Potential, MEP)分析进一步揭示了分子的反应位点：羧基连接芳香环的区域易于发生亲核攻击，而硼酸取代基周围的氧原子区域则易于发生亲电攻击。

热力学性质分析

研究还考察了温度对4-CPBA热力学性质的影响。在100-700 K的温度范围内，熵和焓值随着温度升高而增加，而吉布斯自由能则呈现相反趋势。这种温度依赖性符合能量均分定理，为理解化合物在不同温度下的稳定性提供了重要信息。

分子间相互作用分析

通过Hirshfeld表面分析，研究人员发现O-H···O氢键是4-CPBA分子间的主要相互作用，贡献度达到36.6%。二维指纹图分析进一步证实了氢键在分子堆积中的主导作用，同时也存在较弱的π···π堆积相互作用，这些相互作用共同稳定了分子的晶体结构。

药物相似性和ADME特性

药物相似性评估显示，4-CPBA符合Lipinski五规则，具有较好的口服生物利用度潜力。其拓扑极性表面积(Topological Polar Surface Area, TPSA)为77.76 ?2，氢键供体(Hydrogen Bond Donor, HBD)和氢键受体(Hydrogen Bond Acceptor, HBA)数量分别为3和4，这些参数均处于理想范围内，表明该化合物具有较好的药物动力学特性。

分子对接与动力学模拟

分子对接研究表明，4-CPBA与多种癌症相关蛋白具有强烈的结合能力，特别是与表皮生长因子受体(Epidermal Growth Factor Receptor, EGFR)相关的蛋白6JZ0结合能最低(-105.76 kcal/mol)，形成了多个常规氢键相互作用。分子动力学模拟进一步证实了复合物的稳定性，在100 ns的模拟过程中，蛋白质和配体的均方根偏差(Root-Mean-Square Deviation, RMSD)值稳定在0.4 nm左右，氢键数量保持在2-3个，表明4-CPBA与靶蛋白之间形成了稳定的复合物。

本研究通过系统的计算化学方法，全面揭示了4-CPBA的分子特性和潜在生物活性。研究结果表明，该化合物具有适宜的电子特性、良好的药物相似性以及与癌症相关蛋白的强结合能力。特别是其与EGFR相关蛋白的强相互作用，提示4-CPBA可能作为EGFR靶向药物的先导化合物，为后续的抗癌药物研发提供了重要的理论依据。这项研究不仅深化了对苯硼酸类化合物构效关系的理解，也为基于结构的药物设计提供了有价值的分子平台。