具有大体积芳香片段的席夫碱的合成、光学性质及计算机模拟研究

《Journal of Molecular Structure》：Synthesis, optical properties and in silico studies of the Schiff base with bulky aromatic fragments

本研究合成了双萘基取代的N-水杨醛基苯胺席夫碱化合物1-enol及其顺式酮异构体1-cis-keto，揭示了其溶剂依赖性异构平衡（77:23比例）、温度稳定性及荧光调谐特性（蓝绿双发射），并通过DFT计算和QTAIM/NCI分析验证了氢键作用与溶剂极性的关联性，证实该化合物对血红蛋白S具有显著抑制活性，其亲和力优于现有疗法Voxelotor。

　　这项研究围绕一种新型的双萘基功能化的N-水杨醛亚胺类化合物展开，该化合物具有独特的结构特性以及光学和电子行为。通过一系列实验与理论分析，研究者深入探讨了该化合物在不同环境下的结构变化及其对光物理性能的影响，同时评估了其在生物医学中的潜在应用。这一成果不仅拓展了N-亚胺类化合物的研究领域，也为开发新型药物和光功能材料提供了理论支持和实验依据。

N-亚胺类化合物，也被称为席夫碱（Schiff bases），因其在化学结构中的独特性而备受关注。这些化合物最早由Hugo Schiff系统研究，并以其在化学中的广泛用途而闻名。席夫碱的基本结构是通过醛或酮与胺之间的缩合反应形成的，其中含有一个重要的亚胺（azomethine）基团。这类化合物在多个领域中展现出重要价值，包括催化、材料科学和分子传感等。其应用广泛，主要得益于其能够与金属离子形成稳定配合物的能力，从而在不同的化学环境中展现出多样化的功能。

在本研究中，科学家们特别关注一种由2-羟基萘醛和1-萘胺缩合而成的双萘基功能化的N-水杨醛亚胺类化合物。该化合物在固态下表现出一种稳定的、无序的结构，其中包含一种固定的约77:23的顺式酮（cis-keto）与烯醇（enol）形式的比例。这种结构的稳定性在不同的温度条件下依然保持，表明该化合物具有良好的热稳定性。在溶液中，其表现出溶剂依赖的构型偏好，即在非极性溶剂如氯仿（CDCl?）和二甲基亚砜-d6（DMSO-d6）中，仅观察到顺式酮形式；而在极性溶剂如二氯甲烷（CH?Cl?）和甲醇（MeOH）中，两种形式共存。这一发现为理解该化合物在不同环境下的结构变化提供了重要的实验依据。

在光物理特性方面，该化合物展现出激发波长依赖的荧光行为。当被激发时，其烯醇形式（enol*）会发出蓝色光，而顺式酮形式（cis-keto*）则会发出绿色光。这种可调的发光特性使得该化合物在光电子器件的应用中具有广阔前景。例如，在有机发光二极管（OLEDs）中，能够通过调控激发波长来实现不同颜色的发光，这对于开发高性能的显示技术具有重要意义。此外，该化合物的发光行为还可能与分子内部的氢键作用和电子转移过程密切相关，这些因素在分子结构的稳定性与光物理特性之间起着关键作用。

为了进一步理解该化合物的结构与性能之间的关系，研究者采用了密度泛函理论（DFT）计算方法，结合电子局域函数（ELF）、局部轨道定位（LOL）以及量子理论原子在分子（QTAIM）和非共价相互作用（NCI）的综合分析。这些计算结果表明，该化合物在非极性环境中倾向于形成烯醇结构，而在极性溶剂中则更稳定于顺式酮结构。这种结构的差异不仅影响了其光学性能，还可能对其在生物医学中的应用产生重要影响。

在生物医学应用方面，该化合物被发现具有显著的抗血红蛋白S（HbS）活性。通过分子对接（molecular docking）和计算机辅助药物设计（in silico ADMET）分析，研究者评估了该化合物及其两种构型在模拟体内环境中的结合能力。结果显示，该化合物的两种构型均表现出比现有治疗药物Voxelotor更强的结合亲和力和更优的药物特性，这为开发针对镰状细胞贫血（sickle cell anemia）的新型治疗药物提供了重要的理论依据。此外，该化合物的这种生物活性可能与其分子内部的氢键作用以及电子结构的变化密切相关，这些因素在分子与靶标蛋白之间的相互作用中起着关键作用。

研究过程涉及多种实验手段，包括单晶X射线衍射、粉末X射线衍射、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、氢核磁共振（¹H NMR）、紫外-可见光谱（UV–vis）、漫反射光谱以及荧光光谱分析。这些技术共同构成了对化合物结构和性能的全面研究，为理解其在不同环境下的行为提供了多角度的证据。其中，单晶X射线衍射在80(2) K和293(2) K两个温度下分别进行，揭示了该化合物在不同温度下的结构变化，同时确认了其在固态下的稳定构型。这些实验数据为后续的理论分析提供了坚实的基础。

在实际操作中，该化合物的合成采用了一种简便、高效的一步缩合反应，无需额外的试剂或复杂的步骤，仅需水作为唯一的副产物。这种合成方法符合“绿色化学”的理念，既减少了对环境的污染，又提高了反应的效率和可行性。此外，该化合物的合成过程还可以通过无溶剂研磨（solvent-free grinding）进行，进一步简化了实验步骤，降低了对溶剂的依赖性。

值得注意的是，尽管该化合物此前已被报道过，但本研究的重点在于通过不同的温度条件对其晶体结构进行深入分析，以揭示其可能的构型变化。研究者对同一晶体在不同温度下的结构进行了分析，确保了实验数据的准确性和可靠性。这一方法不仅有助于理解该化合物的结构特性，还为研究其在不同环境下的行为提供了重要的实验支持。

此外，研究者还通过实验手段验证了该化合物的电子结构和分子间相互作用。例如，通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）和氢核磁共振（¹H NMR）分析，研究者能够准确识别该化合物的结构特征，并确认其在不同溶剂中的构型偏好。这些实验结果为理解该化合物在不同环境下的行为提供了重要的数据支持。

在理论分析方面，研究者采用了多种计算方法，包括密度泛函理论（DFT）、电子局域函数（ELF）、局部轨道定位（LOL）以及量子理论原子在分子（QTAIM）和非共价相互作用（NCI）的综合分析。这些方法共同揭示了该化合物在不同环境下的结构变化及其对光物理性能的影响。例如，DFT计算表明，该化合物在非极性环境中更倾向于形成烯醇结构，而在极性溶剂中则更稳定于顺式酮结构。这种结构的差异不仅影响了其光学性能，还可能对其在生物医学中的应用产生重要影响。

在生物医学应用方面，该化合物被发现具有显著的抗血红蛋白S（HbS）活性。通过分子对接（molecular docking）和计算机辅助药物设计（in silico ADMET）分析，研究者评估了该化合物及其两种构型在模拟体内环境中的结合能力。结果显示，该化合物的两种构型均表现出比现有治疗药物Voxelotor更强的结合亲和力和更优的药物特性，这为开发针对镰状细胞贫血（sickle cell anemia）的新型治疗药物提供了重要的理论依据。此外，该化合物的这种生物活性可能与其分子内部的氢键作用以及电子结构的变化密切相关，这些因素在分子与靶标蛋白之间的相互作用中起着关键作用。

综上所述，这项研究不仅揭示了该化合物在不同环境下的结构变化及其对光物理性能的影响，还评估了其在生物医学中的潜在应用。通过多种实验与理论分析方法的结合，研究者获得了对该化合物结构、性能以及应用的全面理解，为未来的研究和应用提供了重要的参考。这些成果对于推动N-亚胺类化合物的研究具有重要意义，同时也为开发新型药物和光功能材料提供了理论支持和实验依据。