新型酰胺基大环钴(II)配合物：通过DFT计算与分子对接关联结构、计算与生物特性

《RSC Advances》：Novel amide-based macrocyclic Co( ii) complexes: correlating structural, computational, and biological properties through DFT and docking

本研究针对传统抗癌药物缺乏靶向性及金属配合物生物活性机制不明等问题，合成了三种新型酰胺基大环配体及其钴(II)配合物。通过DFT计算、分子对接及多种生物活性评价，发现配合物[Co(N4O4MacL2)Cl2]具有优异的抗菌、抗氧化活性及选择性细胞毒性，其与靶蛋白的强结合能力揭示了其在抗菌、抗癌应用中的巨大潜力，为开发新型金属药物提供了理论依据与实践基础。

　　

癌症，作为全球第二大死因，其治疗仍面临巨大挑战。许多化疗药物如顺铂，虽有效但缺乏对癌细胞的特异性识别，在杀伤肿瘤细胞的同时也对健康组织造成严重损害。因此，开发具有高选择性、低毒副作用的新型抗癌药物成为当前研究的焦点。在此背景下，生物无机化学应运而生，它探索金属离子及其配合物在生命过程中的作用，并致力于设计具有特定生物功能的金属药物。其中，大环配体因其强大的螯合能力和多样的配位模式，能够与过渡金属离子形成结构稳定、性质独特的配合物，这些配合物在抗菌、抗肿瘤及抗氧化等方面展现出广阔的应用前景。钴(II)离子作为生命必需微量元素，其配合物在生物医学领域的潜力日益受到关注。然而，如何精确调控大环配体的结构以优化其钴(II)配合物的生物活性，并深入理解其构效关系，仍是亟待解决的科学问题。为此，研究人员在《RSC Advances》上发表了他们的最新成果，系统研究了一系列新型酰胺基大环钴(II)配合物。

为开展此项研究，作者主要运用了以下关键技术方法：通过模板法合成了一系列结构相关的酰胺基大环配体(N₄O₄MacL₁–N₄O₄MacL₃)及其对应的钴(II)配合物；利用元素分析、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、核磁共振波谱(NMR)、质谱(MS)、紫外-可见光谱(UV-Vis)、电子顺磁共振(EPR)、热重分析(TGA)和粉末X射线衍射(PXRD)等手段对化合物进行了全面的结构表征；采用密度泛函理论(DFT)计算优化了分子几何结构并分析了前沿分子轨道特性；通过in vitro（体外）实验评估了化合物的抗菌（针对细菌如E. coli, S. aureus和真菌如C. albicans, A. niger）、抗氧化（DPPH自由基清除实验）和细胞毒性（针对MCF-7和HepG-2癌细胞系，MTT法）活性；最后利用AutoDock Vina软件进行了分子对接模拟，以探究配体与相关生物大分子靶标（如蛋白质PDB: 3T88, 3DRA等）的相互作用模式。

3.1. 共同特征

合成的配体及其钴(II)配合物在极性非质子溶剂中具有良好的溶解性和稳定性。元素分析结果证实了配合物以1:1的金属-配体化学计量比形成。

3.2. FT-IR表征与金属-配体结合特征

FT-IR光谱显示，配合物中酰胺键的特征吸收峰相较于自由配体发生位移，并在429–455 cm^-1和322–343 cm^-1区域出现新的吸收带，分别归属于ν(Co-N)和ν(Co-Cl)振动，证实了钴(II)离子通过配体的四个酰胺氮原子和两个氯离子进行配位，形成六配位结构。

3.3. ¹H和¹³C-NMR谱图

配体的核磁共振氢谱和碳谱数据支持了酰胺键的形成和大环结构的成功构建。例如，在¹H NMR谱图中，δ 9.76–10.11 ppm处的宽峰归属于酰胺的N-H质子，而脂肪族亚甲基质子信号出现在δ 3.12–3.95 ppm。

3.4. 质谱分析

电喷雾电离质谱(ESI-MS)显示了配体和配合物对应的分子离子峰或[M+H]⁺峰，其质荷比(m/z)与理论计算值相符，进一步验证了目标化合物的分子组成。

3.5. 电子跃迁与UV-vis光谱特征

钴(II)配合物的紫外-可见光谱在439–795 nm范围内显示出三个典型的d-d跃迁带，结合其4.84 B.M.的磁矩值，支持了钴(II)中心处于扭曲的八面体配位几何构型。

3.6. EPR分析

钴(II)配合物的电子顺磁共振谱在77 K下测得，其g值关系满足g_∥> g_⊥> 2，表明存在轴向对称性，并与扭曲八面体构型一致。

3.7. 热重分析

热重分析表明配合物具有较高的热稳定性，其分解过程分为多个阶段，分别对应于氯离子的失去和有机配体骨架的分解。通过Coats-Redfern和Ozawa-Flynn-Wall模型计算了热分解动力学参数。

3.8. PXRD分析

粉末X射线衍射图谱显示配体为结晶性较好的物质，而其钴(II)配合物则呈现部分无定形特征。通过Debye-Scherrer公式估算出[Co(N₄O₄MacL₁)Cl₂]的晶粒尺寸约为44.34 nm，并推断其属于正交晶系。

3.9. 分子建模

密度泛函理论计算优化了配体和配合物的分子结构。计算得到的键长、键角与实验推测的结构相符。配合物中钴(II)离子与四个配体氮原子和两个氯离子配位，形成扭曲的八面体几何构型。前沿分子轨道（HOMO和LUMO）能隙、化学硬度、软度等全局反应性描述符的计算为理解其化学反应性和稳定性提供了理论依据。

3.10. 生物活性

3.10.1. 抗菌活性

in vitro抗菌测试表明，所有钴(II)配合物的抗菌活性均优于其对应的自由配体。其中，[Co(N₄O₄MacL₂)Cl₂]表现出最强的抑菌效果。活性的增强可归因于螯合作用提高了配合物的脂溶性，从而更易穿透细菌细胞膜。

3.10.2. 抗氧化活性

DPPH自由基清除实验显示，钴(II)配合物具有比自由配体更强的抗氧化能力。[Co(N₄O₄MacL₂)Cl₂]展现了最高的自由基清除效率，其IC₅₀值为35.08 ± 1.22 μg mL^?1。这可能是由于金属中心促进了电子向DPPH自由基的转移。

3.10.3. 细胞毒性

MTT法细胞毒性实验表明，钴(II)配合物对MCF-7（人乳腺癌细胞）和HepG-2（人肝癌细胞）细胞系具有显著的抑制活性，且其毒性远高于自由配体。其中，[Co(N₄O₄MacL₂)Cl₂]对MCF-7细胞的IC₅₀值为18.42 ± 0.25 μM，表现出良好的选择性细胞毒性。

3.11. 计算分子对接分析

分子对接研究揭示了配体与多种病原体相关蛋白（如E. coli的3T88蛋白、S. aureus的3DRA蛋白等）具有较高的结合亲和力。配体N₄O₄MacL₁与3T88蛋白的结合能低至-12.8 kcal mol^?1，并通过氢键等相互作用与蛋白活性位点结合，这为解释其抗菌活性提供了分子层面的见解。

本研究成功合成并表征了一系列新型酰胺基大环钴(II)配合物。综合光谱学、理论计算和生物学评价，证实这些配合物具有扭曲的八面体几何构型，并展现出优异的抗菌、抗氧化和抗肿瘤活性。其中，[Co(N₄O₄MacL₂)Cl₂]在各项生物活性测试中均表现突出。分子对接结果进一步支持了其通过特异性结合靶标蛋白发挥生物功能的潜力。该研究不仅为理解酰胺基大环配体及其金属配合物的构效关系提供了重要信息，而且为开发基于钴的新型抗菌剂和抗癌药物候选化合物奠定了坚实的实验与理论基础，在生物无机化学和药物研发领域具有重要的意义。