解析甲基取代效应：结合实验、密度泛函理论（DFT）和对接技术的策略，用于优化Schiff碱的结构

《Journal of Molecular Liquids》：Decoding the methyl substitution effect: a combined experimental, DFT and docking strategy for optimizing Schiff base structures

基于甲基取代的Schiff碱配体设计及对金属离子的选择性检测与理论验证

　　

马尔瓦·查巴内（Marwa Chaabene）|苏玛雅·阿格伦（Soumaya Agren）|穆罕默德·哈桑·V·鲍阿布（Mohamed Hassen V. Baouab）|拉菲克·本·查班（Rafik Ben Chaabane）

莫纳斯提尔大学科学学院先进材料与界面实验室（LIMA），莫纳斯提尔，环境大道5000号，突尼斯

摘要

我们报告了两种Schiff碱配体（a）和（b）的设计、声化学合成及其全面表征，这些配体作为高效的比色传感器，可用于检测过渡金属和碱土金属阳离子。实验性的UV-Vis滴定研究显示了它们具有独特且选择性的光学响应。配体（b）表现出极高的灵敏度，其检测限（LOD）分别为Zn²⁺ 1.7 μM、Cu²⁺ 4.5 μM和Co²⁺ 6.1 μM。相比之下，配体（a）的检测限较高，例如Ni²⁺为42.5 μM，这突显了供电子的甲基基团在增强结合亲和力方面的关键作用。这两种配体都能产生明显的颜色变化：Ni²⁺/Cu²⁺呈现深绿色，Co²⁺呈现橙色，并且具有明确的等吸光点，证实了它们形成了稳定的配合物。理论DFT和TD-DFT计算结果与实验结果一致，表明配位作用显著缩小了HOMO-LUMO能隙（例如，从自由态的6.80 eV降至Ni²⁺配合物的4.08 eV），并诱导了强烈的配体-金属电荷转移（LMCT）现象。此外，吸附能计算表明（a）/Ni²⁺配合物最为稳定，其吸附能为?703 kcal mol^?1。分子对接进一步揭示了甲基取代基如何精细调节结合相互作用，增强了α-淀粉酶活性位点内的疏水稳定性。本研究最终证明，通过策略性的取代基修饰（尤其是甲基取代），可以精确调控选择性和灵敏度，使这些Schiff碱成为检测环境和生物相关金属离子的理想、可调平台。

引言

由取代的水杨基烯衍生的Schiff碱是一类重要的有机分子，它们通过水杨醛和伯胺的简单缩合反应生成[1]。这类分子具有广泛的合成多样性[1]、结构变化[2][3]以及独特的光学特性[4]，因此引起了化学家[5][6]和生物学家[1]的极大兴趣。它们的结构特征主要包含一个亚胺（CN）结构，并通过分子内的氢键网络与邻位羟基形成特定的分子结构[7]。这种结构使得它们具有较好的热稳定性[8]、化学稳定性[9]和选择性的分子传感能力[10]。此外，水杨基烯Schiff碱通常会发生互变异构，即激发态下的分子内质子转移（ESIPT）[11]，从而导致多样的吸收和荧光行为[12]，这使它们在材料工程领域具有极高的实用价值[13][14]。这些亚胺衍生物的一个显著应用是作为检测阳离子的显色和荧光探针[14]。这种检测过程能够引起分子电子结构的显著变化[15]，通常表现为肉眼可见的颜色变化或荧光发射的改变[16]。这些响应通常涉及ESIPT抑制[17]、螯合增强荧光（CHEF）[18]或与检测到的金属阳离子的分子间电荷转移（ICT）[11][20]。这种双重响应特性使得它们能够简便有效地检测生物和生态学上重要的金属阳离子[18][21]。这些衍生物的生物学潜力使其应用范围远远超出了单纯的检测用途[1]。事实上，水杨基烯Schiff碱因其多种生物活性而闻名，如抗菌[22]、抗癌[23]、抗真菌[24]和抗炎[25]作用。它们的生物活性主要依赖于其在生物系统中的螯合作用[1]，从而调节酶的活性[23]。其中一种关键的酶是α-淀粉酶[26]，抑制α-淀粉酶是治疗2型糖尿病的公认方法，因为它可以延缓碳水化合物的消化，降低餐后血糖水平[27]。

受这些多样应用的启发，本研究结合实验和计算方法，对两种新合成的水杨基烯Schiff碱进行了全面研究。研究目标有三个：（i）评估取代基对它们的结构、光学和传感特性的影响；（ii）系统评估它们作为金属阳离子检测的显色和荧光探针的效率。本研究的一个核心特点是实验结构、光谱和传感结果与使用密度泛函理论（DFT）获得的理论洞察之间的协调一致性。这种综合分析为理解配体结构与传感行为之间的关系以及预期的生物性能提供了基础。

材料与方法

本研究中使用的所有化学品和溶剂均来自Sigma-Aldrich公司。声化学合成采用超声波浴（Sheller，37 kHz，140 W）进行。反应进程通过薄层色谱法（TLC）监测，流动相为环己烷/乙醇混合物（2:3）。核磁共振（NMR）谱使用Bruker光谱仪记录。傅里叶变换红外（FTIR）测量使用PerkinElmer仪器完成。

计算研究

高斯09软件包[29]用于优化配体（a）和（b）在吸附Ni²⁺、Cu²⁺、Co²⁺、Zn²⁺和Mg²⁺阳离子前后的结构，并计算它们的分子参数。所有计算均采用B3LYP-D3/6-311+G（d, p）水平对（a）和（b）的游离形式进行，而在阳离子吸附后则采用B3LYP-D3/LanL2DZ水平进行。这种方法在计算成本和准确性之间取得了适当的平衡。

计算机模拟研究

通过Auto Dock Vina [43][44]软件采用分子对接计算方法评估了Schiff碱与目标受体的结合相互作用。对Schiff碱（a）和（b）进行了计算机模拟，以描述它们与α-淀粉酶蛋白腔内关键残基的结合情况。首次研究的人类胰腺α-淀粉酶晶体结构（3BAJ）包括：（1）从PDB数据库（RCSB PDB网站）获取数据；（2）去除H₂O和无关杂质。

结构与电子特性

化合物（a）和（b）的几何结构使用DFT/B3LYP-D3方法和6-311+G（d, p）基组在乙腈溶剂中进行了优化。这些优化后的结构如图1所示，计算得到的键长和角度见表S1。引入甲基（CH?）基团会对分子几何结构产生轻微影响。为了进一步研究电荷分布和相关性质，生成了分子静电势（MEP）图。

结构、能量和电子特性的分析

图8展示了两种配体系列（a）/[Ni²⁺, Cu²⁺, Co²⁺, Zn²⁺ 和 （b）/[Ni²⁺, Cu²⁺, Co²⁺, Zn²⁺, Mg²⁺）的优化结构。在本节中，我们重点关注那些吸附能量最高的配合物。气相计算的结构和能量细节收集在表3中。图中清楚地显示，阳离子最理想的吸附位置发生在亚胺（NCN）区域附近。

计算机模拟：两种Schiff碱衍生物与人类胰腺α-淀粉酶的结合相互作用比较分析

如图14所示，Schiff碱衍生物中单个甲基基团的结构修饰显著影响了它们与酶目标的结合行为。在本研究中，比较了两种密切相关的Anil衍生物（a）及其甲基取代类似物（b）与人类胰腺α-淀粉酶（PDB ID：3BAJ）的结合行为。尽管这两种配体具有相同的结构框架，但甲基基团在吡啶环的5位存在时，其结合行为有所不同。

结论

综上所述，这项综合研究表明，超声辅助合成的Schiff碱（a）和（b）是有效的、可调的比色平台，可用于选择性检测过渡金属和碱土金属离子。实验性UV-Vis滴定结果显示，甲基取代的衍生物（b）具有更高的灵敏度，检测限极低（例如Zn²⁺为1.7 μM），并且能够产生明显的、特定于阳离子的颜色变化（Ni²⁺/Cu²⁺呈现深绿色）。

研究的局限性

尽管本研究综合应用了实验光谱学、DFT、TD-DFT和分子对接技术，但仍存在一些局限性。传感器性能仅在受控实验室条件下进行了评估，其在实际环境或生物样本中的有效性尚未验证，这可能会影响其选择性和实际应用性。此外，所使用的理论模型（静态DFT和分子对接）未能充分考虑溶剂动态、蛋白质灵活性等因素。

未来工作

未来的工作应致力于扩展本研究开发的Schiff碱传感器的适用性和机制理解。首先，验证配体（a）和（b）在实际环境和生物样本中的性能对于确认它们的选择性、稳健性和实用性至关重要。此外，整合先进的理论技术（如分子动力学模拟）将有助于更深入地理解其动态行为。

CRediT作者贡献声明

马尔瓦·查巴内（Marwa Chaabene）：撰写——审稿与编辑、原始草稿撰写、可视化、软件使用、资源准备、方法学设计、数据分析。 苏玛雅·阿格伦（Soumaya Agren）：可视化处理、结果验证。 穆罕默德·哈桑·V·鲍阿布（Mohamed Hassen V. Baouab）：可视化处理、研究指导。 拉菲克·本·查班（Rafik Ben Chaabane）：可视化处理、研究指导。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

术语表

LMCT

配体-金属电荷转移（Ligand-to-Metal Charge Transfer）

ESIPT

激发态分子内质子转移（Excited-State Intramolecular Proton Transfer）

DFT

密度泛函理论（Density Functional Theory）

TD-DFT

时间依赖密度泛函理论（Time-Dependent Density Functional Theory）

MEP

分子静电势（Molecular Electrostatic Potential）

NPA

自然种群分析（Natural Population Analysis）

FMO

前沿分子轨道（Frontier Molecular Orbitals）