新型含氟氮杂双环–苯甲酰腙杂合体（4F-ABN-Hyd）的设计、合成、抗氧化与抗菌活性及DFT、分子对接、ADME和PETRA-Osiris多尺度研究

《Results in Chemistry》：Design, synthesis, antioxidant and antimicrobial activities of novel fluorinated azabicyclo–benzohydrazone hybrids supported by DFT, molecular docking, ADME, and PETRA-Osiris analyses

　　

合成了新型含氟氮杂双环–苯甲酰腙杂合体6(a-e)并完成结构表征。化合物6b和6c表现出优异的抗氧化活性。化合物6d和6e显示出强效抗菌和抗真菌活性。密度泛函理论（DFT）、分子对接、吸收、分布、代谢、排泄（ADME）和PETRA–Osiris分析支持其生物活性。化合物6a、6b和6e成为药物开发中有前景的先导候选物。

作者Tanzeer Ahmad Dar等围绕新型含氟氮杂双环–苯甲酰腙杂合体（4F-ABN-Hyd）开展设计、合成、抗氧化与抗菌评价及计算研究。研究背景在于，3-氮杂双环[3.3.1]壬烷-9-酮（3-ABN）骨架存在于多种天然生物碱中，具有抗氧化、抗菌等潜力，被视为药物发现中的优势骨架；酰肼/腙结构含–CO–NH–N=CH基团，可参与氢键、金属配位和电子离域，是重要药效团。活性氧（ROS）在生理信号等过程中有作用，但过量产生可造成氧化应激，与癌症、心血管疾病和糖尿病等慢性病相关；氟化可改变电子分布、亲脂性、代谢行为、构象和靶点相互作用。已有3-ABN腙衍生物研究，但含氟苯甲酰腙与3-ABN框架结合后的电子性质、分子相互作用及抗氧化/抗菌活性尚缺乏系统研究，因此研究人员设计并合成6a–6e，旨在考察氟取代和结构变化对生物活性与分子性质的影响，并寻找先导结构。研究结论认为，6b和6c具有突出抗氧化及抗菌潜力，6d和6e显示最强抗菌和抗真菌活性，6a、6b和6e为较有前景的先导候选物；该工作为4F-ABN-Hyd骨架的后续优化提供了实验与计算依据。

关键技术方法（≤250字）：研究人员先以环己酮、取代苯甲醛和NH₄COOCH₃经一锅Mannich型环缩合制备5(a–e)，再与4-氟苯甲酰肼在甲醇–氯仿中经乙酸催化回流缩合得到6(a–e)，以FT-IR、¹H NMR、¹³C NMR和元素分析表征；采用B3LYP/6-311G(d,p)（原文另处写作6-311G++(d,p)）在Gaussian 16 W进行DFT、Mulliken电荷、前沿分子轨道（FMO）和分子静电势（MEP）分析；用Schr?dinger Maestro 11.2及GLIDE-XP对烯酰-ACP还原酶（InhA，PDB-ID: 2NSD）进行分子对接；用SwissADME、PETRA和Osiris预测ADME、类药性及毒性；以肉汤微量稀释法测最低抑菌浓度（MIC），以DPPH、金属螯合和脂质过氧化评价抗氧化。细菌和真菌菌株来源于印度Annamalai University医学院，生物实验三次重复并以ANOVA及Duncan检验分析（p≤0.05）。

研究结果：3.1 化学：通过两步合成获得6a–6e，产率52–68%，FT-IR显示NH在3202–3334 cm^?1、C=N在1604–1655 cm^?1，¹H NMR显示酰胺NH在δ 7.96–11.99 ppm，¹³C NMR显示羰基碳在δ 165.8–168.1 ppm及酰胺羰基在δ 162.6–163.4 ppm，元素分析与结构一致，产物为白色结晶，熔点200–214 °C。3.2 化合物6a的计算细节：通过气相B3LYP/6-311G优化并确认无负频；3.2.1 Mulliken电荷分析显示10C最负（?0.3306 a.u.）、12C最正（0.5258 a.u.）、4N（?0.6090 a.u.）和11N（?0.5809 a.u.）带负电、20F为?0.3350 a.u.；3.2.2 前沿轨道分析显示最高占据分子轨道（HOMO）主要位于哌啶环及邻近取代基，最低未占据分子轨道（LUMO）主要位于氟代苯环，HOMO–LUMO能隙4.5334 eV，提示较高化学硬度和较低反应性、给电子倾向大于受电子倾向；3.2.3 MEP分析显示负电势主要集中在12C=30O和11N-44H酰胺区域，提示为亲电攻击敏感位点，20F19C键呈弱负电势。3.3 基于结构的对接评估：以InhA为靶点，6a对接分数为?6.38，范德华作用能?41.34，静电作用能?6.51，总结合能?47.42，氧原子与SER20、苯环与PHE97发生作用；原文指出该结果仅提示理论抗结核潜力，因体外抗菌实验针对非结核菌，不能直接验证实验抗菌数据。3.4 计算机ADME研究：log P为4.63–5.83，拓扑极性表面积（TPSA）为53.49–71.95 ?²，log S为?5.70至?7.52，氢键供体均为2、受体4–6；6a、6b、6c和6e生物利用度评分0.55，6d为0.17；6a和6c口服生物利用度及胃肠吸收较有利，6d有2项Lipinski违背。3.4.1 煮蛋模型：6a、6c、6d和6e位于或接近黄色区，提示血脑屏障（BBB）透过潜力；6b位于白色区，提示胃肠吸收较好；所有化合物均显示PGP+。3.5.1 抗菌活性：MIC为6.25–200 μg/mL；6a对S. aureus为50 μg/mL、对B. subtilis等为100 μg/mL；6d和6e对B. subtilis均为6.25 μg/mL，优于链霉素12.5 μg/mL，对K. pneumoniae均为6.25 μg/mL，但对P. aeruginosa和S. aureus略低于标准药。3.5.2 真菌抑制活性：MIC为6.25–200 μg/mL；6a对A. flavus为50 μg/mL、对A. niger、C. albicans和Candida6为100 μg/mL；6d和6e对A. flavus、A. niger和C. albicans为6.25–12.5 μg/mL、对Candida6为6.25 μg/mL，较氟康唑有2–4倍改善；6b和6c为25–100 μg/mL。3.5.3 氧化应激缓解能力：通过DPPH、金属螯合和脂质过氧化实验，6a–6e呈浓度依赖性清除活性（p≤0.05）；6b和6c因给电子OCH₃和CH₃取代而具有较高自由基清除效率，卤素取代的6d和6e清除作用降低。3.6 PETRA研究：PETRA显示羰基/磷酰基氧和杂环氮呈负电势，为氢键受体有利位点；连杂原子氢及缺电子碳呈正电势，为氢键供体有利区域；6a、6b和6e电势分布更均匀。3.7 Osiris计算：所有化合物均未预测出毒性风险；类药性值6e最高（1.19），6a为0.78、6b为0.77、6c为?0.70、6d为?2.73；药物评分6a最高（0.34），6b为0.31、6e为0.29、6c为0.20、6d为0.10。3.8 机理构效关系（SAR）分析：固定3-ABN和4-氟苯甲酰肼药效团，比较H、p-OCH₃、p-CH₃、m-Br和p-F；6a为参比，6b通过共振给电子并引入额外氧影响氢键和偶极作用，6c用于区分简单电子富集，6d引入极化率、空间位阻和疏水/色散作用且间位影响共振，6e为小而高电负性取代基，可改变电子分布、亲脂性、代谢稳定性和构象；原文认为活性由电子效应、氢键潜力、疏水性、极化率和空间互补性共同决定，而非单一因素，并需酶抑制等实验进一步验证。

讨论部分总结：DFT与MEP提示酰胺羰基和NH区域为重要电子作用位点；分子对接提示6a可与InhA活性位点形成稳定相互作用；ADME、煮蛋模型、PETRA和Osiris结果提示部分化合物具有较好类药性和初步安全性；生物实验与计算结果的综合支持该骨架进一步优化，原文同时指出SAR仅基于5个类似物，属初步结果。研究结论翻译：总之，研究人员成功以满意产率合成新型3-氮杂双环[3.3.1]壬烷-9-酮–4-氟苯甲酰肼杂合体（4F-ABN-Hyd，6a–6e），并用FT-IR、¹H NMR和¹³C NMR表征；DFT进一步支持6a结构，给出优化几何、电子结构和分子静电势信息；MEP分析识别酰肼羰基和NH区域为显著富电子位点，氟苯区域负电势较弱，提示二者对分子反应性的贡献不同。综合生物与计算评价揭示了有限系列内的构效关系；6b和6c表现出最有前景的抗氧化和抗菌活性，6a–6c具有较有利的预测ADME和类药性；实验生物活性、DFT描述符、分子对接和预测药代动力学支持该骨架进一步药物化学优化，尤其6b和6c兼具增强生物活性与良好计算机类药性。尽管SAR仅基于5个类似物而应视为初步，观察到的活性趋势为后续优化提供基础；未来将扩展化学空间、开展6b和6c的体内效力和毒性评价，并进行酶抑制和/或结合实验以验证所提出的分子相互作用。本研究为基于4F-ABN-Hyd骨架开发新型抗菌和抗真菌剂提供基础；6d和6e显示最强抗菌和抗真菌活性，突出卤素取代的有益作用；未来将聚焦体内验证、作用机制研究和进一步结构优化，以开发更有效、更安全的衍生物。