简介
4-羟基-3-硝基苯甲醛（4-Hydroxy-3-nitrobenzaldehyde，4H3NB）是一种含羟基（-OH）、硝基（-NO₂）和醛基（-CHO）三个官能团的芳香醛衍生物，化学分子式为HOC6H3(NO2)CHO，分子量 167.12 g/mol，拓扑极性表面积（TPSA）为 83.1 Ų。外观为橙色结晶粉末状固体，纯度可达 98% 以上，易溶于氯仿、乙腈、二甲基亚砜（DMSO）等有机溶剂。作为芳香醛衍生物，它继承了苯甲醛类化合物的化学活性，同时羟基与硝基的邻对位取代模式显著影响分子电子云分布，使其在光物理、光化学及生物相互作用中表现出独特行为。
图一 4-羟基-3-硝基苯甲醛
应用
4-羟基-3-硝基苯甲醛被视为潜在的呼吸兴奋剂（analeptic）类似物，有望替代传统兴奋剂（如咖啡因、多沙普仑）用于缓解中枢神经系统抑制相关症状。传统兴奋剂常伴随震颤、失眠等副作用，而它的多官能团结构为优化生物活性、降低毒性提供了结构基础。
光谱分析
红外与拉曼光谱
采用 KBr 压片法与 Nd:YAG 激光激发（1064 nm）分别获取4-羟基-3-硝基苯甲醛的 FT-IR 与 FT-Raman 光谱，结合 B3LYP/6-311++G (d,p) 方法的理论计算，实现了 45 个基本振动模式的归属。FT-IR 谱中 3560 cm⁻¹（弱峰）与 3410 cm⁻¹（强峰）对应 OH 伸缩，理论计算值为 3456 cm⁻¹FT-Raman 中 2850 cm⁻¹（弱峰）为醛基 C-H 伸缩，FT-IR 中 2240 cm⁻¹ 为 C=O 伸缩（理论值 2016 cm⁻¹）；1590 cm⁻¹（强峰）为 NO₂不对称伸缩，1520 cm⁻¹（中峰）为 NO₂对称伸缩，PED 贡献占比分别达 86% 与 75%。
图二 4-羟基-3-硝基苯甲醛的红外光谱
紫外-可见光谱
4-羟基-3-硝基苯甲醛在不同溶剂中的紫外吸收表现出溶剂极性依赖性。氯仿与乙腈中最大吸收波长（λ_max）均为 335 nm，DMSO 中红移至 345 nm，对应 π→π* 电子跃迁；主要跃迁源于最高占据分子轨道（HOMO）至最低未占据分子轨道（LUMO）的电子转移（占比 92%-93%），带隙能量约 3.70-3.93 eV，与实验结果一致。
图三 4-羟基-3-硝基苯甲醛的紫外光谱
核磁共振光谱
以 CDCl₃为溶剂，通过 500 MHz NMR 光谱表征了 ¹H 与 ¹³C 化学位移：
¹H NMR为醛基氢（H9）δ=8.3 ppm，羟基氢（H15）δ=9.4 ppm，苯环氢（H16、H17）分别为 7.2 ppm 与 7.6 ppm，理论计算与实验值偏差小于 0.2 ppm；
¹³C NMR为醛基碳（C7）δ=193 ppm，羟基取代碳（C4）δ=158 ppm，硝基取代碳（C3）δ=142 ppm，印证了分子的取代模式与电子环境。
图四 4-羟基-3-硝基苯甲醛的核磁共振光谱
电子结构与反应活性
4-羟基-3-硝基苯甲醛分子稳定性源于供体 - 受体轨道相互作用，其中 σ(O14-H15)→σ*(C3-C4) 与 σ(N11-O13)→π*(C3-C2) 的超共轭作用贡献最大，稳定化能分别达 165.26 kcal/mol 与 66.12 kcal/mol，促进分子内电荷转移；HOMO 能量为 - 6.075 eV，LUMO 能量为 - 2.343 eV，带隙（Eg）3.732 eV，表明分子具有适中的化学稳定性与电子转移能力；HOMO 主要分布于苯环及羟基氧原子，LUMO 集中于醛基与硝基取代区域；硝基区域呈负电势，醛基与羟基区域呈正电势； Fukui 函数分析表明，H16 原子是亲电攻击的优势位点（f⁺=0.1170），C5 与 O12 原子易发生亲核反应（f⁻分别为 - 0.0958、-0.0226）。
非共价相互作用
通过约化密度梯度（RDG）分析发现，4-羟基-3-硝基苯甲醛分子内存在三类非共价作用。蓝色区域（ρ<0）对应 O-H…O 分子内氢键，为强吸引力；绿色区域（ρ≈0）对应苯环内 C-H…π 范德华相互作用；红色区域（ρ>0）对应苯环碳原子间的立体排斥作用，三类作用共同维持分子构象稳定。
药物潜力评估
采用 AutoDock 软件将4-羟基-3-硝基苯甲醛与雌激素受体配体结合域（hERLBD，PDB: 3ERT）进行对接，4H3NB 与受体形成稳定氢键作用，硝基 N-O 键与醛基 C=O 键分别以 3.72 Å 与 3.17 Å 的键长与 HID:524 残基结合；结合亲和力达 - 6.718 kcal/mol，同时与周围疏水性残基（GLY 521、ALA 350、ILE 424 等）形成范德华作用，结合模式稳定；对接结果表明4-羟基-3-硝基苯甲醛具有与生物受体特异性结合的潜力，为其呼吸兴奋剂活性提供了结构依据。
ADMET 性质与药物相似性
基于 Swiss ADME 的计算结果，4-羟基-3-硝基苯甲醛具备良好的药物相似性，符合 Lipinski 规则（无违反项），氢键供体 1 个、受体 4 个，可旋转键 1 个，logP=1.113，利于肠道吸收与跨膜转运；人体肠道吸收率高，无皮肤渗透性，非 P - 糖蛋白底物，对细胞色素 P450 酶无显著抑制，降低药物相互作用风险；半数致死量（LD₅₀）390 mg/kg（毒性分类 4 级），肝毒性概率 54.0%， mutagenicity 概率 56.0%，虽存在一定毒性风险，但显著低于传统兴奋剂[1]。
参考文献
[1]Valli S C ,A. S ,K. P .Spectral characterizations, molecular docking analysis and quantum computational calculations of 4-hydroxy-3-nitrobenzaldehyde[J].Journal of the Indian Chemical Society,2023,100(8):DOI:10.1016/J.JICS.2023.101051.