新型苯并氧杂氮?酮的合成、光物理性质及其与生物大分子的相互作用研究

《Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry》：Synthesis and photoluminescent behavior of new benzoxazepinones

本研究针对七元杂环化合物在药物研发中的潜力，但其合成与光物理性质研究不足的问题，研究人员通过环缩合反应高效合成了一系列新型三氟甲基/三氯甲基取代的苯并[e][1,4]氧氮杂?-5(1H)-酮衍生物，并系统表征了其光物理性质及与DNA和BSA的相互作用。结果表明，所合成的化合物在固态下荧光增强，并能通过沟槽结合模式与DNA、在BSA的亚结构域IB位点与蛋白质发生中等的、自发的结合，为开发基于此类骨架的光学探针或先导化合物奠定了重要基础。

　　

在医药化学的广阔天地中，七元杂环化合物宛如一颗颗隐藏的明珠，因其多样的生物活性而备受瞩目。其中，苯并[e][1,4]氧氮杂?-5(1H)-酮（benzoxazepinone）及其类似物，已被发现在抗炎、抗菌、抗肿瘤等多个治疗领域展现出潜力。然而，与常见的五元或六元杂环相比，七元环的合成通常面临熵和焓的不利因素，构筑更为困难，相关研究也相对较少。另一方面，在追求新型药物或功能材料时，科学家们不仅关注化合物的生物活性，也对其物理化学性质，特别是光物理性质（如吸收和发光行为）抱有浓厚兴趣，因为这些性质可能赋予化合物作为光学探针或传感器的潜能。遗憾的是，多数苯并氧杂氮?酮类化合物在溶液中室温下并不具备强发射特性，这限制了其在生物成像等领域的应用。那么，能否通过巧妙的分子设计，合成出一系列结构新颖的苯并氧杂氮?酮，并系统地“点亮”它们，同时探索其与生命基本元件——核酸和蛋白质——的“对话”方式呢？这正是由Adriano F. Camargo, Paulo A. Moraes, Otávio A. Chaves, Genilson S. Pereira, Mário A. Marangoni, Isadora Tisoco, Bernardo A. Iglesias, Helio G. Bonacorso, Marcos A.P. Martins和Nilo Zanatta共同完成，并发表在《Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry》上的研究所要回答的核心问题。

为了深入探索，研究团队运用了几个关键的技术方法。合成与结构确证方面，他们通过环缩合反应构建目标分子，并利用多核核磁共振（NMR）、单晶X射线衍射（SC-XRD）和高分辨质谱（HRMS）进行精确的结构解析。光物理性质表征则依赖于紫外-可见吸收光谱和稳态荧光光谱，分别在溶液和固态下测量了化合物的吸收、发射波长、斯托克斯位移和荧光量子产率（Φ_f）。在生物分子相互作用研究中，他们通过紫外-可见吸收和荧光滴定实验，定量分析了化合物与小牛胸腺DNA（CT-DNA）和牛血清白蛋白（BSA）的结合常数、猝灭常数等参数。最后，他们借助分子对接模拟（使用GOLD 2025软件），从原子层面揭示了化合物与DNA（PDB: 1BNA）和BSA（PDB: 4F5S）的可能结合模式和位点。

3.1. 合成与光谱表征

研究人员以5-溴-1,1,1-三氟[氯]-4-甲氧基戊-3-烯-2-酮（5-溴烯酮）与一系列4,5-取代的2-氨基苯甲酸为原料，通过环缩合反应，成功合成了12个新的(Z)-2-(3,3,3-三氟[氯]-2-氧代亚丙基)-2,3-二氢苯并[e][1,4]氧氮杂?-5(1H)-酮衍生物（4a-f和5a-f），产率最高达86%。当2-氨基苯甲酸的3位（R¹）被甲基取代时，由于空间位阻，未能得到产物。通过核磁共振氢谱（¹H NMR）、碳谱（¹³C NMR）及二维谱（HSQC, HMBC）对所有化合物进行了详细表征，并解析了代表性化合物4a的谱图。单晶X射线衍射分析进一步证实了化合物4a和5a的“Z”式构型，并揭示了分子内N-H…O氢键的存在，这可能是稳定该构型的关键因素。

3.2. 光物理性质

3.2.1. 紫外-可见吸收分析

所有化合物在250-380 nm范围内显示出两个主要的吸收带，归属于芳环典型的π→π*跃迁。在不同溶剂（乙腈、二氯甲烷、二甲亚砜、甲醇）中，吸收峰位置仅有微小变化，在极性更大的二甲亚砜中有轻微的红移。固态下的紫外-可见吸收光谱显示，大多数化合物在250-700 nm范围内有较宽的吸收。

3.2.2. 苯并氧杂氮?酮4a-f和5a-f的稳态荧光发射

在溶液中，所有化合物均显示出微弱的蓝色到青色区域（400–550 nm）的荧光发射。与含有三氟甲基（-CF₃）的4a-f系列相比，含有三氯甲基（-CCl₃）的5a-f系列在不同溶剂中的荧光信号更为相似。化合物的斯托克斯位移表明其在激发态具有中等的电荷分离。所有化合物的荧光量子产率（Φ_f）均低于参比物9,10-二苯基蒽，这可能与卤素原子的存在有关。然而，在固态下，所有化合物的荧光发射均显著增强，量子产率最高可达56%（4d），这表明固态下的分子堆积可能抑制了非辐射跃迁通道，从而“点亮”了这些分子。

3.3. 通过紫外-可见分析研究生物分子结合性质

通过滴定实验研究了化合物与CT-DNA和BSA的相互作用。随着CT-DNA浓度的增加，大多数化合物的吸收带呈现增色效应（吸光度增加），且未发生红移，这表明化合物可能通过沟槽结合模式与DNA相互作用。计算得到的结合常数（K_b）在10²到 10³M^-1量级，吉布斯自由能（ΔG°）为负值，表明结合过程是自发的。与BSA的相互作用也表现出类似的弱到中等结合强度，其中化合物5d对BSA表现出最高的结合常数。

3.4. EB-DNA竞争实验

通过溴化乙锭（EB）-DNA竞争实验进一步验证了结合模式。随着化合物浓度的增加，EB-DNA复合物的荧光被轻微猝灭，但猝灭常数（K_SV）较低（约10³M^-1），表明这些化合物无法有效置换出插入在DNA碱基对之间的EB染料。这进一步支持了它们是通过外部沟槽结合，而非内部插入的方式与DNA作用。

3.5. 通过稳态荧光发射研究BSA结合性质

通过监测BSA内源性色氨酸（Trp）残基的荧光猝灭，研究了化合物与BSA的相互作用。所有化合物都能猝灭BSA的荧光，猝灭常数（K_SV）约在10⁴M^-1量级，双分子猝灭速率常数（k_q）高于水中的扩散速率常数，支持了静态猝灭机制。结合常数（K_b）在10³–10⁴M^-1量级，结合位点数（n）在1.40到2.00之间，表明可能存在两个结合位点，ΔG°为负值证实了结合的自发性。

3.6. DNA和BSA的分子对接分析

分子对接计算为实验现象提供了原子层面的解释。对于DNA，所有化合物在DNA的小沟槽中获得了最高的对接评分，这与实验得出的沟槽结合模式一致。对接结果显示，化合物通过与鸟嘌呤（DG-4）、胞嘧啶（DC-21）等碱基形成氢键和范德华力而结合。对于BSA，最高的对接评分出现在位点III（亚结构域IB），该位点恰好包含了BSA的主要荧光团Trp-134，这与观察到的静态荧光猝灭机制相吻合。对接结果表明，化合物通过与赖氨酸（Lys-127, Lys-131）、谷氨酸（Glu-130）、天冬酰胺（Asn-161）等氨基酸残基形成氢键、盐桥、卤键和疏水作用而结合在BSA的该位点。

本研究成功开发了一种高效合成新型三氟/三氯甲基取代苯并氧杂氮?酮衍生物的方法。光物理研究表明，这些化合物在溶液中发光较弱，但在固态下荧光显著增强，表现出“聚集诱导发光”或固态发光增强的特性。与生物大分子的相互作用研究揭示，该系列化合物能以中等强度、自发的方式与CT-DNA和BSA结合。与DNA的结合主要通过小沟槽模式，涉及氢键和范德华力；与BSA的结合则主要发生在亚结构域IB（位点III），靠近Trp-134残基，并通过静态机制猝灭其荧光。分子对接结果与实验数据高度吻合，从理论上验证了结合模式和位点。这项工作系统地表征了该类苯并氧杂氮?酮衍生物的基础性质，特别是其独特的“固态发光增强”现象以及明确的生物大分子结合模式与位点，为未来以此类结构为骨架，开发新型光学功能材料（如化学传感器、固态发光材料）或探索其基于特定生物分子相互作用的药物先导化合物，提供了坚实的化学基础与理论依据。