新型三唑-碳酰肼腙类化合物的双功能抗氧化与抗菌潜力研究

《Scientific Reports》：Novel Triazole-Carbohydrazide hydrazones with dual antioxidant and antibacterial potential

为解决多重耐药菌感染和氧化应激相关疾病，研究人员设计合成了一系列新型三唑-碳酰肼腙类衍生物(NM-1至NM-11)，通过DFT计算、分子对接和生物学评价，发现化合物NM-7、NM-8和NM-10具有显著的DPPH自由基清除能力(IC50低至0.04 mg/mL)和广谱抗菌活性，其作用机制与靶向E. coli DNA gyrase B(PDB: 6YD9)密切相关，为开发多靶点治疗剂提供了新策略。

　　

随着抗生素耐药性的日益严峻和氧化应激相关疾病的增多，开发兼具抗菌和抗氧化活性的新型化合物成为药物化学研究的热点。酰肼腙类化合物因其合成简便、结构多样和广泛的生物活性而备受关注，它们通常表现出抗炎、镇痛、抗惊厥、抗氧化、抗癌、抗HIV和抗菌等多重功效。与亚胺相比，酰肼腙具有更佳的水解稳定性、易于制备和良好的结晶性。其双反应性源于两个具有不同亲核性的氮原子和一个C=N键，使其在合成和生物应用上具有灵活性。特别是含有氮杂环丁-2-酮和嘧啶结构的酰肼腙衍生物，对革兰氏阳性菌（如金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌）显示出强效活性，并对革兰阴性菌（如大肠杆菌、肺炎克雷伯菌、阴沟肠杆菌、伤寒沙门氏菌）具有中等活性。此外，酰肼腙衍生物还显示出显著的抗氧化特性，由于氧化应激与众多慢性疾病相关，抗氧化活性成为一个关键的药理学参数。然而，如何理性设计兼具高效抗菌和抗氧化活性的分子，并阐明其构效关系，仍是当前面临的挑战。

在此背景下，埃及曼苏尔大学的Safa A. Badawy、Nagwan M. Rewish、Ahmed A. Fadda和Mohamed R. Elmorsy等人在《Scientific Reports》上发表了题为“Novel Triazole-Carbohydrazide hydrazones with dual antioxidant and antibacterial potential”的研究论文。该研究旨在通过合理的分子设计，合成一系列新型的三唑-碳酰肼腙类化合物，并系统评价其抗氧化和抗菌潜力，结合理论计算揭示其构效关系，为开发新型双功能先导化合物提供依据。

为开展本研究，作者主要应用了几个关键技术方法：首先，通过经典的缩合、环化和迈克尔加成反应合成了NM-1至NM-11共11个目标化合物；其次，利用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、核磁共振氢谱(¹H NMR)、碳谱(¹³C NMR)和质谱(MS)对化合物结构进行了确证；第三，采用密度泛函理论(DFT)在B3LYP/6-311++G(d,p)水平上计算了前沿分子轨道(HOMO, LUMO)和全局反应性描述符（如能隙E_g、硬度η、软度σ、亲电性指数ω、亲核性指数N_u），以分析电子结构与活性的关系；第四，通过2,2-二苯基-1-苦基肼(DPPH)自由基清除实验评估了化合物的体外抗氧化活性；第五，采用琼脂扩散法测定了化合物对革兰阳性菌（金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌）和革兰阴性菌（肺炎克雷伯菌、阴沟肠杆菌）的抗菌活性；最后，通过分子对接（使用MOE 2019软件）模拟了化合物与大肠杆菌DNA旋转酶B亚基(PDB ID: 6YD9)的相互作用模式，以探讨其潜在的抗菌机制。

2. 结果与讨论

2.1. 三唑-碳酰肼基化合物NM-1-11的合成

研究以5-甲基-1-(对甲苯基)-1H-1,2,3-三唑-4-碳酰肼为关键中间体，通过与不同的芳香醛（如4-(二苯氨基)苯甲醛、4-甲酰基苯甲酸、4-硝基苯甲醛、3-氯-4-硝基苯甲醛）和酮（靛红）发生缩合反应，合成了酰肼腙衍生物NM-1至NM-5。其中，NM-5（靛红衍生的腙）在乙酸酐处理下发生分子内环化，生成螺[二氢吲哚-噁二唑酮]结构的NM-6。所有化合物的结构均通过元素分析和光谱技术（IR, ¹H NMR, ¹³C NMR, MS）得到了充分表征。例如，NM-1的红外光谱显示了N-H (3314 cm^-1)、=C-H (3060 cm^-1)和C=O (1686 cm^-1)的特征吸收峰，其¹H NMR中亚胺质子(CH=N)和胺基质子(N-H)的化学位移分别出现在δ 8.00和12.01 ppm。

2.2. 新碳酰肼化合物NM-7至NM-11的合成

首先，中间体1与3,5-二甲基-1-氰乙酰基吡唑反应，合成了关键中间体N-(2-氰乙酰基)-5-甲基-1-(对甲苯基)-1H-1,2,3-三唑-4-碳酰肼（化合物5）。随后，化合物5的活性亚甲基与多种芳香醛（对甲基苯甲醛、4-氯苯甲醛、4-甲酰基苯甲酸、4-硝基苯甲醛）和一种色烯-3-甲酰衍生物发生缩合或迈克尔加成反应，生成了一系列α,β-不饱和氰基丙烯酰腙类衍生物NM-7至NM-11。这些化合物的结构同样通过了详细的光谱分析确认。例如，NM-7的质谱显示分子离子峰m/z = 400，与分子式C₂₂H₂₀N₆O₂相符。

3. 基于DFT的前沿分子轨道和碳酰肼衍生物(NM-1至NM-11)的量子描述符分析及其与生物活性的关系

研究人员通过密度泛函理论(DFT)计算了所有合成化合物的全局反应性描述符。结果表明，化合物的反应性和生物活性与其HOMO-LUMO能隙(E_g)密切相关。较低的E_g通常意味着更高的化学反应性和更强的分子内电荷转移(ICT)能力，这可能增强其生物活性。例如，NM-2、NM-3、NM-4、NM-5和NM-10表现出较低的能隙（1.31-1.86 eV），这与它们较高的反应性和ICT潜力一致。其中，NM-2的能隙最低（1.31 eV），亲电性指数最高（ω = 12.00 eV）。相反，具有螺环结构的NM-6显示出最宽的能隙（4.59 eV）、最高的硬度（η）和最低的软度（σ），表明其化学反应性较低，这与它较弱的生物活性相吻合。具有中等能隙的化合物（如NM-8，E_g = 3.61 eV）表现出优异的抗氧化和抗菌活性，表明适中的亲电性结合良好的亲核性和轨道分布可以支持双功能生物活性。

前沿分子轨道(FMO)的空间分布为了解电子跃迁和电荷转移特性提供了更多信息。具有扩展π共轭和明显给体-受体特性的分子（如NM-2、NM-4、NM-10）显示出增强的反应性和生物活性。而共轭中断或具有正交几何结构的分子（如NM-6、NM-11）则表现出较低的化学反应性。

3.1. 前沿分子轨道和全局反应性描述符

DFT计算揭示了化合物的HOMO和LUMO能量、能隙(E_g)、化学硬度(η)、软度(σ)、亲电性指数(ω)和亲核性指数(N_u)。结果表明，生物活性最佳的化合物（如NM-2, NM-4, NM-8, NM-10）通常具有较低的E_g、较高的ω以及平衡的N_u。这些电子描述符可以预测此类碳酰肼基腙类化合物的抗氧化和抗菌特性。

3.2. 前沿分子轨道和分子内电荷转移

HOMO和LUMO的几何分布分析表明，具有延伸共轭体系和给体-受体功能的化合物（如NM-2, NM-10）有利于分子内电荷转移(ICT)，这与它们显著的生物活性相关。而NM-6由于螺环结构导致轨道重叠差，ICT受限，生物活性较弱。

4. 生物活性

4.1. 抗氧化活性

通过DPPH自由基清除实验评估了所有合成化合物的抗氧化能力。结果表明，所有化合物均显示出浓度依赖性的DPPH清除效果。含有氰基丙烯酰基团的衍生物（NM-7、NM-8、NM-10）表现出最强的抗氧化活性，其IC₅₀值分别为0.04±0.05、0.09±0.05和0.06±0.07 mg/mL，接近阳性对照抗坏血酸(0.02±0.03 mg/mL)的活性。这归因于其扩展的α,β-不饱和羰基/腈共轭体系，可以通过共振稳定自由基中间体，并促进单电子转移(SET)和氢原子转移(HAT)途径。相反，含有强吸电子基团（如硝基）的NM-3和NM-4抗氧化活性较弱（IC₅₀ ≥ 2.6 mg/mL）。含有大位阻给电子基团（如二苯氨基）的NM-1仅表现出中等活性。

4.2. 抗菌活性

抗菌实验表明，化合物对革兰阳性菌（金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌）的抑制效果普遍优于革兰阴性菌（肺炎克雷伯菌、阴沟肠杆菌）。化合物5、NM-7、NM-8和NM-10表现出显著的抗菌活性。其中，NM-8的抗菌谱最广，对测试的四种菌株均有抑制作用。NM-10对革兰阳性菌也有较好的抑制效果。电子吸收基团（如-NO₂, -Cl）的存在有助于增强抗菌活性。分子对接结果显示，这些活性化合物与大肠杆菌DNA旋转酶B(PDB: 6YD9)有较好的结合亲和力，结合能介于-6.31至-7.47 kcal/mol之间，其中化合物5的结合能最高（-7.47 kcal/mol）。对接相互作用分析表明，氰乙酰基、硝基和氯等取代基通过贡献额外的氢键、π-阳离子和极性相互作用来增强结合。

5. 对接分析

分子对接研究显示，测试的化合物能很好地嵌入大肠杆菌DNA旋转酶B(PDB: 6YD9)的活性位点，结合自由能得分在-6.3183 至 -7.4696 kcal/mol之间。化合物5显示出最高的结合亲和力（-7.47 kcal/mol），其与Asp73形成氢键，与Ile78有π-H相互作用。NM-7则受益于与Arg136的π-阳离子相互作用及其延伸的共轭体系。NM-8通过其腈基与Arg136建立两个氢键受体相互作用。这些计算结果表明，吸电子基团（-NO₂, -Cl）和氰乙酰基/氰基丙烯酰基功能团通过提供额外的氢键、π-阳离子和极性相互作用显著增强结合能力。

5.1. 抗菌活性与分子对接的相关性

计算得到的对接得分与体外抗菌测定结果有良好的相关性。具有较低对接得分（较高亲和力）的化合物，如NM-1、NM-3、NM-4、NM-5、NM-7、NM-8和NM-10，对革兰阳性菌（枯草芽孢杆菌和金黄色葡萄球菌）表现出可测量的抑菌圈。特别是NM-8，其较广的抗菌谱可能与其氯取代的氰基丙烯酰基团增强的极性和与多种细菌靶标相互作用的能力有关。对接研究为理解这些化合物的抗菌作用机制提供了结构基础。

6. 实验部分

（此部分详细描述了化合物的合成、纯化、表征方法以及生物学实验的具体步骤，鉴于解读文章要求，此处不再详细展开，但确认所有实验均按照标准程序进行，并使用了相应的仪器和试剂。）

结论与讨论

本研究成功合成并表征了一系列基于三唑的碳酰肼腙类化合物（NM-1至NM-11）。结构和电子性质的差异显著影响了它们的抗氧化和抗菌活性。研究结果表明，带有吸电子取代基，特别是氰基丙烯酰结构的化合物（如NM-7、NM-8和NM-10）表现出最高的生物效能。DFT计算和分子对接结果支持了这一结论，显示这些化合物具有有利的电荷转移特性和与靶酶（如DNA旋转酶B）的强结合能力。

总之，该研究证实了在腙类骨架中进行电子调控可以有效地调节生物反应性。这些支架代表了开发兼具抗菌和抗氧化潜力的多功能先导化合物的良好起点。未来的研究将集中于药代动力学优化和体内评价，以推动这些候选化合物向治疗应用发展。这项工作为设计新型双功能药物分子提供了有价值的见解和实验依据。