吲哚-3-丁酸(indole-3-butyric acid, IBA)基腙(hydrazone)类化合物的合成与构效关系研究：通过实验、分子对接及DFT计算的整合预测其抗菌与抗氧化潜力

《RSC Advances》：Synthesis and structure–activity relationships of indole-3-butyric acid-based hydrazones: predicting their antibacterial and antioxidant potential through integrated experimental, molecular docking and DFT studies

　　

研究人员合成了吲哚-3-丁酸(IBA)基腙衍生物（化合物1–8），以醛或酮取代形成酰肼基团，经熔点测定及傅里叶变换红外光谱(FTIR)、紫外-可见光谱(UV-vis)和核磁共振(NMR)确认结构。生物活性评价显示：化合物1对大肠杆菌(Escherichia coli)和金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)的抑菌圈分别达18.3 mm和19.3 mm，最低抑菌浓度(MIC)为2.5 mg·mL?1，抗菌活性最优；化合物3和化合物5对革兰阳性菌具选择性（2.5 mg·mL?1）；1,1-二苯基-2-苦基肼基(DPPH)法测得化合物1抗氧化活性最强，半数抑制浓度(IC50)为44.51 ± 7.46 μL·mL?1。DFT计算显示实验与理论振动频率吻合，证实结构稳定及官能团完整性；前线分子轨道(FMO)分析表明HOMO–LUMO能隙具取代基依赖性，反映化学活性和电荷转移能力差异；UV-vis分析支持π→π*和n→π*跃迁及共轭延伸与吸电子基团的红移效应；非线性光学(NLO)计算显示部分衍生物的偶极矩、极化率及一级超极化率增大，具多功能行为；分子静电势(MEP)、全局反应性描述符及自然键轨道(NBO)分析进一步证实分子内电荷转移。分子对接显示化合物1与DNA促旋酶B(PDB ID: 6F86)及抗氧化相关蛋白(PDB ID: 1HD2)的结合能与实验抗菌、抗氧化数据强相关。ADMET预测证实所有化合物具良好类药物及药代动力学性质。研究表明IBA基腙是具前景的先导结构，需进一步优化以确定治疗潜力。

论文解读：吲哚-3-丁酸基腙类化合物的合成、表征、生物活性评价及理论计算研究

研究背景与意义

氮、氧杂环骨架因广泛存在于天然产物及临床药物中具有重要药学意义。其中腙(hydrazone)类化合物含特征–CONH–N=CH–键，具多电子供体位点，可通过氢键与生物大分子作用，展现抗菌、抗氧化、抗癌等多重生物活性。吲哚(indole)骨架亦常见于生物活性分子中。然而，以吲哚-3-丁酸(indole-3-butyric acid, IBA，一种植物生长调节剂)为母核合成腙衍生物，并系统结合实验活性测试、密度泛函理论(Density Functional Theory, DFT)计算及分子对接开展双重抗菌与抗氧化构效关系(structure–activity relationship, SAR)研究尚未见报道。为填补此空白并寻找新型多功能先导化合物，Mudasira Azam等人在《RSC Advances》上发表本研究，通过多步合成8个IBA基腙衍生物，综合实验与理论手段阐明其结构、电子特性及生物活性相关性。

主要关键技术方法

研究人员以吲哚-3-丁酸为起始原料，经酯化、与水合肼反应得IBA酰肼，再与不同取代芳香醛/酮缩合制得8个新型腙衍生物(1–8)。采用FTIR、¹H/¹³C NMR及UV-vis进行结构表征；以DPPH法测体外抗氧化活性(以抗坏血酸为阳性对照)，琼脂孔扩散法测对Escherichia coli ATCC 25922和Staphylococcus aureus ATCC 25923的抑菌圈，微量肉汤稀释法测最低抑菌浓度(MIC)；选用大肠杆菌DNA促旋酶B(PDB ID: 6F86)及人过氧化还原酶5(peroxiredoxin 5, PDB ID: 1HD2)为靶点，用AutoDock进行分子对接；通过SwissADME预测吸收、分布、代谢、排泄及药物相似性(ADMET)；在B3LYP/6-311+G(d,p)水平用Gaussian 09做DFT全几何优化，计算前线分子轨道(FMO)、分子静电势(MEP)、自然键轨道(NBO)、非线性光学(NLO)性质及时间依赖DFT(TD-DFT)模拟UV-vis谱。

研究结果

3. 结果与讨论(Results and discussion)

研究人员经酯化–肼解–缩合三步合成目标腙，产率62%–83%。IR中酰胺N–H(3373–3230 cm^?1)、羰基C=O(1684–1643 cm^?1)红移及亚胺C=N(1557–1456 cm^?1)出现证实腙键形成；¹H NMR中亚甲质子(δ 7.79–8.60 ppm)及¹³C NMR中羰基(δ ~168–174 ppm)与亚胺碳(δ ~140–151 ppm)佐证结构。

3.1. 吲哚-3-丁酸基腙抗氧化潜力评价(Evaluation of the antioxidant potential of indole-3-butyric acid-based hydrazones)

DPPH实验表明化合物1(3,4-二羟基苄叉基)自由基清除率最高(84.79% ± 0.21% at 1 mg·mL^?1)，IC₅₀= 44.51 ± 7.46 μL·mL^?1，优于其他衍生物(IC₅₀> 100 μL·mL^?1)，说明酚羟基通过供氢增强抗氧化性。活性顺序：1 > 5 ≈ 2 ≈ 3 > 6 > 8 > 7 > 4 > 抗坏血酸。

3.2. 吲哚-3-丁酸基腙抗菌潜力评价(Evaluation of the anti-bacterial potential of indole-3-butyric acid-based hydrazones)

化合物1对E. coli和S. aureus抑菌圈最大(18.3 ± 0.88 mm、19.3 ± 0.33 mm)，优于其余衍生物(8.3–15.7 mm)，但弱于环丙沙星(26.7/26.3 mm)。化合物4对S. aureus无活性。酚羟基利于与细菌酶/膜氢键作用破坏膜结构。

3.3. 最低抑菌浓度(Minimum inhibitory concentration)

化合物1对两菌株MIC均为2.5 mg·mL^?1(抑制率40.32%)，其余化合物MIC > 5 mg·mL^?1。环丙沙星MIC分别为0.078和0.0195 mg·mL^?1。

3.4. 分子对接研究(Molecular docking studies)

对接验证RMSD ≤ 2.0 ?。对抗氧化蛋白1HD2，化合物3(萘基)结合能最优(?6.0 kcal·mol^?1)，靠ARG127氢键及疏水作用；对DNA促旋酶B(6F86)，化合物1结合能最优(?6.8 kcal·mol^?1)，形成ASP73、GLY77、VAL71氢键及ARG76 π-阳离子作用。对接打分趋势与实验抑菌圈基本吻合，证实DNA gyrase B抑制可能是抗菌机制，而peroxiredoxin 5相互作用可能辅助抗氧化。

3.5. ADMET分析(ADMET analysis)

SwissADME显示所有化合物符合Lipinski规则( violation = 0)，分子量307–355 g·mol^?1，具高胃肠道吸收(GI absorption)，部分可透过血脑屏障(BBB)，生物利用度评分0.55，提示良好类药物性质。

3.6. DFT分析(DFT analysis)

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  3.6.1. 优化几何(Optimized geometries)： B3LYP/6-311+G(d,p)全优化无虚频，证实各衍生物最小势能面结构，吲哚核保平面共轭，腙键共轭促电子离域。
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  3.6.2. 前线分子轨道(Frontier molecular orbitals, FMOs)： HOMO主要定域于吲哚-腙核，LUMO于末端芳/杂芳环，表明分子内电荷转移(intramolecular charge transfer, ICT)。HOMO–LUMO能隙化合物2(吡啶基)最小(3.570 eV)，化合物7(对氯苯乙酮)最大(5.109 eV)，能隙越小化学软度越大、反应活性越高，与抗氧化活性趋势相符。
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  3.6.3. 分子静电势分析(Molecular electrostatic potential, MEP)： 负电势区集中于羰基O、腙N及酚OH，正电势于NH，化合物1酚氧区负电势最强，利于氢键及自由基稳定。
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  3.6.4. 全局反应性描述符(Global reactivity indices)： 化合物2、3具较高电子亲和势(EA)与亲电指数(ω)，较软；化合物7较硬。与FMO、MEP一致。
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  3.6.5. UV-可见分析(UV-visible analysis)： TD-DFT模拟λ_max246.4–317.46 nm，主要为HOMO?n→LUMO的π→π^*跃迁。化合物3(萘基)和化合物5(p-甲氧基苄叉)因扩展共轭红移最明显，化合物7蓝移。振荡强度与轨道重叠一致。
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  3.6.6. 态密度(Density of state, DOS)： 高共轭衍生物前线区碎片DOS混合好，支持ICT；化合物7混合弱，局域化强。
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  3.6.7. 红外光谱(Infrared spectrum)： 理论IR与实验吻合，N–H(3400–3200 cm^?1)、C=O(1650–1620 cm^?1)、C=N(1580–1530 cm^?1)位置匹配，证实结构稳定及氢键存在。
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  3.6.8. ELF和LOL分析(Electron localization function, ELF / Localized orbital locator, LOL)： 化合物1酚O区、化合物2吡啶N区电子局域度高；化合物3萘基π电子更离域；ELF/LOL支持FMO与MEP结论——取代基调控电子定域/离域影响生物活性。
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  3.6.9. 自然键轨道分析(Natural bond orbital, NBO)： LP(N/O)→σ^*/π^*超共轭作用(如化合物5、6中LP N15→σ^*(C10–O14)稳定化能达60.68–61.04 kcal·mol^?1)证实腙核强ICT，较小能隙衍生物具更强电子给予能力。
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  3.6.10. 非线性光学性质(Non-linear optical, NLO properties)： 偶极矩μ = 1.02–3.91 D(均大于尿素~1.37 D)，一级超极化率β_tot= 110–1678 a.u.(远大于尿素0.343 a.u.)，化合物5(1678 a.u.)、化合物6(1535 a.u.)、化合物1(1408 a.u.)因给体–受体耦合呈高NLO响应，与低能隙及强ICT一致。

3.7. 构效关系分析(Structure–activity relationship analysis)

3,4-二羟基取代(化合物1)因酚OH提供氢键供体及自由基H原子转移，抗菌与抗氧化均最优；缺氢键供体基(如氯苯乙酮化合物7)或无活泼H者活性弱；扩展π共轭(化合物2、3)提升靶标亲和力但不足以单独增强DPPH清除。抗氧化SAR：1(邻二酚OH) >> 2,3(杂芳环N) > 5(对甲氧基OCH₃) > 4,6,7,8(卤素/烷基)。抗菌SAR受氢键能力与膜透性共同影响：1 > 5 > 2 ≈ 3 > 6 > 8 > 7 > 4。

讨论与结论总结

研究人员成功合成并表征了8个IBA基腙衍生物。化合物1(含3,4-二羟基苯亚甲基)表现出最强DPPH自由基清除(IC₅₀= 44.51 μL·mL^?1)及对E. coli(18.3 mm)和S. aureus(19.3 mm)最好抑菌活性(MIC = 2.5 mg·mL^?1)，但仍弱于抗坏血酸和环丙沙星标准品。DFT显示HOMO–LUMO能隙3.570–5.109 eV且随取代基变化，FMO/MEP/NBO/ELF证实电子离域与ICT程度决定反应性与生物活性；TD-DFT与实验UV-vis趋势吻合；NLO参数显著优于尿素暗示多功能潜力。分子对接中化合物1与DNA gyrase B(PDB ID: 6F86)结合能?6.8 kcal·mol^?1、化合物3与1HD2结合能?6.0 kcal·mol^?1，与实验活性对应。ADMET预测无Lipinski违例、高GI吸收，支持类药物属性。综上，吲哚-3-丁酸基腙是具潜力的抗菌/抗氧化双功能先导骨架，尤以含邻二酚羟基衍生物最具开发价值，但需进一步结构优化(如生物等排替换、制剂改良)提升效价与生物利用度后方可考虑治疗应用。