磷氮化合物。第88部分。全取代单(4-硝基苄基)螺环(N/N)环三磷腈的设计与制备：化学与结构研究、碳酸酐酶激活及自由基清除活性研究

《Inorganica Chimica Acta》：Phosphorus?nitrogen compounds. Part 88. Design and preparation of fully substituted mono(4-nitrobenzyl)spiro(N/N)cyclotriphosphazenes: Chemical, structural investigation, carbonic anhydrase activation and free radical scavenging activity studies

　　

摘要

六氯环三磷腈（N?P?Cl?，HCCP，1）与N-烷基-N'-(4-硝基苄基)单取代二胺 NO?PhCH?NH(CH?)?NHR?（R? = CH?，n = 2；L?；R? = C?H?，n = 2；L?；R? = CH?，n = 3；L?）进行替代反应，得到了四氯单(4-硝基苄基)单螺(N/N)环三磷腈化合物（2–4）。分别将2、3和4在干THF中与过量4-羟基香豆素反应，并在Cs?CO?存在下进行取代反应，制备得到四(4-羟基香豆素)单(4-硝基苄基)螺(N/N)环三磷腈2a、3a和4a。由于化合物4在三种起始物中产率最高，将其分别与正丁胺和苯并咪唑反应，合成了全取代产物（4b和4c）。采用元素分析、高分辨质谱、傅里叶变换红外光谱、13C、1H和31P核磁共振波谱技术对新环三磷腈进行表征。利用X射线晶体学确认了2a和3的固态晶体结构。此外，进行了Hirshfeld表面（HS）分析以确定晶体中的分子间相互作用。同时，研究了磷腈对人碳酸酐酶I和II同功酶的激活作用以及自由基清除活性（FRSA，抗氧化性）。基于体外活化效应，化合物4a表现出最高的碳酸酐酶激活活性（hCA I K_A = 39.67 ± 1.99 μM，hCA II K_A = 38.54 ± 2.06 μM）。然而，化合物4c显示出对hCA II同功酶的高选择性（hCA II K_A = 79.65 ± 5.11 μM）。化合物4b（69.3 ± 0.3%）在衍生物中表现出最高的FRSA，其活性接近标准抗氧化剂BHA（93.3 ± 0.3%）和α-生育酚（97.6 ± 0.0%）。

引言

磷腈是一类重要的无机-有机杂化化合物，具有交替排列的PN单元，可形成环状、线型或聚合骨架[1]。在卤代磷腈中，六氯环三磷腈（N?P?Cl?，HCCP，1）研究最为广泛，因其反应活性和发生亲核取代反应的能力而备受关注[2]。这些性质使得将各种多样的有机-无机单元连接到P中心成为可能[3]。此外，还研究了这些衍生物的功能特性和应用领域。文献中，HCPP与单官能和双官能反应物的反应研究较为频繁[4][5][6][7]。通过这些反应，根据取代基和反应条件的不同，可以获得具有不同立体化学和构象性质的部分取代和全取代的螺、双螺、三螺、ansa和bino结构。使用各种螯合前体（如二胺、氨基烷氧基、氨基苯氧基、二烷氧基和二苯氧基）作为反应物，可以获得具有五元或六元环的螺结构[4][5][6][7]。一般而言，具有六元环的磷腈以较高产率合成，而具有五元环的螺结构产率较低，有时难以合成[8][9][10]。此外，含有氨基苯氧基、二烷氧基和二苯氧基等基团的部分五元环磷腈在水和极性溶剂中分解迅速[9][11][12]。

此外，还研究了这些衍生物的功能特性和应用领域。磷腈的应用领域的生物、物理和化学性质在很大程度上受连接在P原子上的基团性质的影响。许多磷腈衍生物已应用于离子液体（ILs）[13][14]、有机发光二极管（OLEDs）[15]、有机场效应晶体管（OFETs）[16]、药物递送系统[17]、非线性光学材料[18]、荧光化学传感器[19]、染料敏化太阳能电池（DSSCs）[20][21]和生物材料[22]等领域。目前，合成具有前景的酶抑制、抗氧化、抗菌、DNA相互作用、抗癌和抗结核特性的磷腈衍生物的研究日益增加[23][24][25][26]。所有这些研究表明，环磷腈骨架中取代基的变化和结构修饰会影响电子分布、分子柔性、氢键能力和脂溶性等，从而通过改变与生物靶标的相互作用来显著改变生物活性。近期研究报告称，杂环杂化衍生物的生物活性也受引入吸电子基团导致结构修饰的影响[27][28]。此外，这可以通过理论构效关系（SAR）在生物活性结构中进行系统研究。

在本研究中，引入磷腈骨架的4-硝基苄基悬挂臂也可能具有调节吸电子和生物特性的能力[29][30]。结构中的芳香硝基取代基可以通过影响分子间相互作用、分子极性、脂溶性和细胞摄取来增强生物活性。文献中有关于含有4-硝基苄基悬挂臂的环三磷腈的两篇文章。一篇合成了单(4-硝基苄基)衍生物[29]，另一篇合成了反式双(4-硝基苄基)衍生物[30]。两篇文章均将仲氨基取代基作为侧基引入，并研究了产物的体外细胞毒性、抗菌活性和DNA结合性质。本研究将首次探讨含有4-硝基苄基悬挂臂的环三磷腈的抗氧化活性和碳酸酐酶激活特性。在本研究中，还将香豆素、正丁氨基和苯并咪唑基团连接到N?P?环上。因为香豆素和苯并咪唑衍生物是药物化学中的优选结构，由于其广泛的生物特性，广泛用于药物活性物质的开发[31]。考虑到这些基团，4-羟基香豆素含有三个氧原子，苯并咪唑含有两个氮原子，4-硝基苄基悬挂臂含有两个氧原子。结构中的这些杂原子是氢受体，可以与DNA结构中的氢形成氢键。另一方面，已知伯氨基取代基可以提供额外的氢键位点，增加水溶性，并通过氢键和静电作用促进与生物大分子的相互作用[32]。本课题组的研究确定，在烷基氨基取代基中，正丁氨基活性最高[33]。正丁氨基在脂溶性和良好膜渗透性之间提供了最佳平衡，从而确保最佳生物利用度。还认为将具有此类结构特性的侧基引入磷腈骨架将显著有助于抗氧化活性和酶调节。

此外，抗氧化剂是在保护食品和药品免受氧化降解以及防止生物系统中氧化应激引起的细胞损伤方面起主要作用的化合物[34][35]。氧化应激由活性氧（ROS）的形成与抗氧化防御机制之间的失衡引起，据报道在糖尿病、心血管疾病、阿尔茨海默病和帕金森病等多种慢性疾病的发生和发展中起作用[36][37]。因此，有效抗氧化剂的开发和表征仍是一个重要的研究领域。在天然和合成抗氧化剂中，丁基羟基茴香醚（BHA）、丁基羟基甲苯（BHT）和叔丁基氢醌（TBHQ）由于其高稳定性和高效性而得到广泛应用[38]。各种分析方法已开发用于评估抗氧化活性；其中，DPPH•和ABTS•+自由基清除实验由于其简便性、快速性、灵敏性和可重复性而被广泛采用[39][40]。一般来说，抗氧化剂通过向自由基提供氢原子或电子来发挥其保护作用，从而终止自由基链反应并减少氧化损伤[41]。近年来，环磷腈衍生物因其多样的生物特性（包括抗氧化活性）而受到极大关注[42][43][44]。大量研究表明，通过添加不同取代基对环磷腈骨架进行结构修饰可以显著影响其FRS潜力，使这些化合物成为开发新型抗氧化剂的有前景候选物[45][46]。

另一方面，碳酸酐酶（CAs，E.C. 4.2.1.1）催化CO?可逆水合为HCO??和H?。哺乳动物同功酶活性位点含有Zn(II)离子，参与各种生理和代谢过程[47][48]。近期研究表明，CA与认知和记忆相关障碍有关，增强CA活性的药物可能对神经退行性疾病的治療有效[49][50]。动物实验结果支持这些假设[51]。关于CA激活剂的研究远不如CA抑制剂广泛。已确定多种生物分子（包括组胺[52]、D-和L-苯丙氨酸[53]、肾上腺素[54]）以及合成化合物[55][56][57][58]是CA激活剂。然而，生物分子CA激活剂可能对组胺不耐受[59]、苯丙酮尿症[60]或心血管疾病患者产生不良反应。由于尚未开发出具有临床应用价值的合成化合物，引入新的CA激活剂仍是一个重要的研究优先事项。

本课题组长期报道了具有各种悬挂臂（如4-硝基苄基[29][30]、4-氟苄基[61][62]、对二甲氨基苄基[63][64]、2-吡啶基[5][14]、环戊二烯基铁[65][66]和吲哚基[67]）的环磷腈的合成及其抗菌、DNA结合、抗癌、抗结核、抗氧化和碳酸酐酶激活和抑制特性的研究。然而，对4-硝基苄基螺环三磷腈的抗氧化活性和碳酸酐酶激活特性的系统研究尚未进行。因此，本研究报道了一系列通过四氯(4-硝基苄基)螺(N/N)环三磷腈（2–4）的替代反应制备的N?P?环连接四(4-羟基香豆素)（2a、3a和4a）和四(正丁氨基/苯并咪唑基)（4b和4c）单(4-硝基苄基)螺(N/N)环三磷腈的合成、光谱和晶体学（对2a和3）表征、抗氧化和碳酸酐酶激活特性（方案1）。因此，这些研究的目标是根据所获得的结果确定这些化合物的应用和使用领域。

材料、仪器和一般方法

新单(4-硝基苄基)螺(N/N)环三磷腈（2a-4a、4b和4c）结构表征和生物活性研究中所用仪器和一般方法的详细信息见补充材料第S1节（S表示补充材料）。

结论

本研究涉及四(4-羟基香豆素)（2a、3a和4a）和四(正丁氨基/苯并咪唑基)（4b和4c）单(4-硝基苄基)螺(N/N)环三磷腈的制备、结构性质的测定，以及其对hCA I和hCA II同功酶的碳酸酐酶激活和FRSA（抗氧化）性质的研究。所有磷腈均通过亲核取代反应机制获得。新磷腈的结构已……

作者贡献

本文稿由所有作者共同撰写。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本研究工作的已知竞争财务利益或个人关系。

致谢

ZK感谢土耳其科学院（TüBA）对本论文的资助。

Arzu Binici | Gamze Elmas | Aytu? Okumu? | Ekrem Tunca | Selin ?okdinleyen | Hüseyin Akba? | Tuncer H?kelek | Zeynel K?l??
土耳其安卡拉大学化学系，06100 安卡拉，土耳其