《Journal of Molecular Structure》：Crystal Structure, Hirshfeld Surface, Energy Framework, Optical, NBO, Electronic and Biological properties of Thienocarbazole derivatives
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本研究成功合成并表征了一种有机-噻吩咔唑衍生物，通过X射线单晶衍射确认其结构，结合DFT计算分析分子几何与电子特性，发现其具有优异的π-共轭和稳定性，并通过UV-Vis光谱和NLO性质研究揭示了其光电性能与生物活性潜力。
G. Dhanalakshmi|V. Vijayalakshmi|Palani Manikandan|A.K. Mohanakrishnan|S. Selvakumari|J. Janzack|N. Kanagathara
印度泰米尔纳德邦马杜赖市Mannar Thirumalai Naicker学院（自治学院）物理系
摘要
在室温下的常压条件下，合成了一种有机融合的噻吩咔唑衍生物。通过X射线单晶衍射确认了这种噻吩咔唑（以下简称TCZ）衍生物的结构，其特点是含有一个N-苯磺酰咔唑核心，该核心与噻吩环相连。采用RB3LYP/6?311G（d, p）水平进行密度泛函理论（DFT）计算以优化分子结构。TCZ衍生物的分子几何构型接近平面状，融合的咔唑-噻吩环对其结构稳定性有显著贡献，计算结果与实验值吻合良好。通过Hirshfeld表面分析结合能量框架计算研究了TCZ衍生物晶体中的分子间相互作用，揭示了稳定晶体堆积的接触性质和能量贡献。利用紫外-可见光（TD-DFT）吸收光谱和HOMO-LUMO分析探讨了其电子跃迁和电荷转移行为。通过一级超极化率研究评估了其非线性光学（NLO）性质。此外，自然键轨道（NBO）和拓扑分析阐明了该分子的电子分布和非共价相互作用（NCI）。还通过分子对接分析进行了生物学评估，证实了TCZ衍生物与氨基酸残基的强结合亲和力，从而揭示了其潜在的生物活性。
引言
咔唑（C12H9N）是一种三环二苯胺（联苯并吡咯）结构，其中两个苯环与一个含氮的吡咯环融合[[1], [2]]。而在噻吩咔唑衍生物中，咔唑核心的氮原子被苯磺酰基取代，并与噻吩环融合，形成了扩展的π电子离域路径，改变了电子分布。TCZ衍生物（C22H13NO2S3）是一种多融合的杂芳香化合物，其咔唑单元在3,4和5,6位置与噻吩环融合，氮原子被苯磺酰基（–SO2Ph）取代。咔唑的氮原子和3,6位置具有高度反应性，为结构修饰提供了多种可能性[3]。这种取代方式使咔唑成为噻吩咔唑衍生物的核心结构，其富电子的环境促进了电子的扩展离域和结构的平面性。这种协同作用稳定了π共轭体系，使得咔唑衍生物在电荷传输方面表现出优异性能，因此在光电子学领域具有广泛应用[4], [5]]。这类化合物因其潜在的应用价值而成为研究热点，例如在太阳能电池[6]、电致发光材料[7]和生物系统[8], [9]中。
噻吩（C4H4S）是通过将一个CH基团替换为硫原子形成的结构，在TCZ衍生物中，两个噻吩环与咔唑骨架的角位置融合。噻吩中的平面且富电子的硫原子促进了π–π堆叠和非共价氢键相互作用，使得基于噻吩的宏观环状结构在超分子支架中具有重要意义[10], [11]]。噻吩的共轭骨架和丰富的电子密度增强了其与生物分子的结合能力，在药物递送系统中发挥重要作用[12]，展现出广泛的 therapeutic 效果，包括抗菌、抗癌、抗炎和抗病毒作用[13]。噻吩的单线态氧使其在光化学[14]和光生物学研究[15]中作为有效支架，为其作为光动力疗法光敏剂的稳定性和有效性提供了基础[16]。除了生物应用外，噻吩衍生物在有机电子学中也有多种用途，可用于开发有机场效应晶体管、有机光伏器件和有机发光二极管[17], [18]]。
由于融合的咔唑-噻吩化合物具有广泛的药用、生物和治疗特性，因此对其研究具有重要意义，它们在科学和工业应用中具有很高的价值。根据Damit等人的研究，他们报道的咔唑-噻吩衍生物的π共轭小分子的带隙值介于2.33至3.52 eV之间。此外，增加与咔唑单元连接的噻吩单元数量并引入苯基核心可以进一步稳定HOMO–LUMO能级，从而显著降低带隙，表明这些化合物可能是光电子学应用的有希望的候选者[19], [20]]。尽管这些应用前景广阔，但人们对噻吩-咔唑基化合物的详细分子相互作用和表面性质仍了解不足。
为填补这一空白，我们的研究利用了Hirshfeld表面分析等计算技术来研究分子间相互作用和晶体堆积，密度泛函理论（DFT）提供了关于分子几何结构、电子结构和稳定性的详细信息。紫外-可见光谱（UV-Vis）和HOMO-LUMO分析揭示了电子跃迁和电荷转移行为。自然键轨道（NBO）分析和拓扑研究揭示了分子内的电荷离域和键合特性，进一步加深了对电子行为的理解。非线性光学（NLO）性质评估了光学响应，分子对接分析了潜在的结合相互作用和可能的生物活性。这些结构和电子特性的结合凸显了TCZ衍生物在生物医学和光子学应用中的多功能性。
合成
合成过程
在干燥的1,2-二氯乙烯（10 mL）中，使用Zn (OTf)?（0.052 g, 0.71 mmol）作为路易斯酸催化剂，将3-溴甲基吲哚1（0.30 g, 0.713 mmol）与噻吩2（0.10 g, 0.713 mmol）进行环化反应。反应混合物在回流条件下搅拌4小时后，通过柱层析（硅胶，EtOAc/己烷 5:95）分离得到无色固体苯并[b]咔唑3（0.20 g, 62%），熔点为220–222°C；1H NMR（300 MHz, CDCl?）δ：8.89 (s, 1H), 8.35 (d, J = 8.1)
结构表征
TCZ衍生物的晶体结构属于单斜晶系，空间群为P1/c，通过单晶XRD分析得到确认。表1提供了TCZ的晶体数据和相关信息。图1展示了TCZ的分子结构，图2展示了其堆积图。该化合物由一个咔唑环系统与一个苯磺酰环和一个噻吩环组成，咔唑环系统形成了89.08°的二面角
结论
通过X射线单晶衍射成功制备并表征了噻吩咔唑（TCZ）衍生物。其结构证实了融合的杂芳香骨架，咔唑和噻吩单元的结合增强了分子的稳定性和堆积效率。这种堆积结构通过弱的C–H···O相互作用得到稳定，突显了分子间力的作用。优化后的DFT结构显示，融合体系接近平面状，硫原子在其中起到关键作用
CRediT作者贡献声明
G. Dhanalakshmi：撰写——原始草稿、方法论、概念构思。
V. Vijayalakshmi：撰写——审阅与编辑、方法论、概念构思。
Palani Manikandan：形式分析。
A.K. Mohanakrishnan：资源支持。
S. Selvakumari：指导。
J. Janzack：撰写——审阅与编辑、验证。
N. Kanagathara：撰写——审阅与编辑、可视化、验证。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
