外周电荷调控含EuII配合物动力学与电化学性质的研究及其在磁共振成像中的应用

《Inorganic Chemistry》：Controlling the Kinetic and Electrochemical Properties of EuII–Containing Complexes Using Peripheral Charges

本研究通过配位化学方法，系统探讨了在大环配合物中，EuII与外周阴离子基团之间的距离如何影响其电化学电位（E1/2）和抗解离惰性。研究合成了四种含EuII的配合物，发现增加EuII与外周电荷的最大可能距离可使E1/2正移（每3.6 ?约4 mV），并在pH 7下显著减缓解离速率（kd）。该发现为理性设计可独立微调氧化还原可及性与动力学惰性的EuII基磁共振成像（MRI）对比剂提供了框架。

　　

引言

磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging, MRI）是一种在临床诊断中广泛应用的非侵入性成像方法。为了提高图像对比度，常使用顺磁性对比剂，它们能够弛豫附近质子的核自旋。近年来，对比剂的发展方向之一是使其不仅能提供解剖信息，还能报告生理和病理状况，例如缺氧（hypoxia）、pH值、氧化还原动态和代谢通量。其中，含有二价铕（Eu^II）的对比剂在缺氧成像方面显示出巨大潜力，而缺氧与癌症、缺血性心脏病和中风等疾病相关。Eu^II与Gd^III是等电子体，两者在T₁加权MRI中均作为阳性对比剂。然而，Eu^II会发生单电子氧化生成Eu^III，后者不再增强对比度。这种氧化导致的阳性对比增强完全丧失，为氧传感提供了一个独特的平台：Eu^II在缺氧环境中增强对比度，而在常氧环境中则不增强。大多数涉及Eu^II的体内研究需要直接注射到目标部位；但最近的研究通过动力学策略提高Eu^II在体内的持久性，从而开发出相对长效的对比剂。如果Eu^II含对比剂在含氧溶液（包括血液）中的持久性足够长，它们将能够与为其他成像探针开发的多种靶向策略兼容。提高Eu^II含对比剂在体内持久性的策略之一是在配体外周引入膦酸酯基团。这些带电基团虽然能延长持久时间，但也引发了关于外周电荷对对比剂其他相关配位化学性质（特别是Eu^II/III电对的氧化还原电位和配合物抗脱金属惰性）影响的疑问。

对于体内缺氧成像，铕基对比剂必须满足两个关键条件：首先，其电化学电位应处于水的还原电位和O₂还原电位之间；其次，它们必须对金属离子解离具有惰性。Eu^II/III氧化还原电对理想情况下应处于水和氧的电位之间，而保持抗脱金属惰性至关重要，因为解离会导致Eu^II氧化为Eu^III，从而立即丧失信号增强。为了系统研究外周电荷对氧化还原电位和惰性的影响，本研究旨在验证两个假设：第一，未直接与Eu^II配位的外周阴离子电荷由于对二价态的静电稳定作用，对电化学电位影响最小；第二，在Eu^II含配合物外周添加阴离子电荷会通过静电相互作用，影响其解离行为，且此影响与电荷距Eu^II的距离相关。为验证这些假设，研究合成了四种Eu^II含大环配合物，其Eu^II离子与配体外周阴离子基团之间的最大可能距离各不相同，并考察了这些配合物的电化学行为和解离速率。

实验部分

材料与合成

商业购买的化学品均为试剂级或更高级别，除非另有说明，否则直接使用。1,4,7,10-四氮杂环十二烷（cyclen）购自Strem Chemicals。1,4,7,10-四氮杂环十二烷-1,4,7,10-四乙酸（1）和铕(III) 1,4,7,10-四氮杂环十二烷-1,4,7,10-四(乙酰氨基乙酸酯)（Eu^III2）购自Macrocyclics。配合物Eu^III1、Eu^II2和中间体5参照文献方法合成。EuCl₂、EuCl₃·6H₂O等试剂购自Sigma-Aldrich。所有含二价铕的样品均在湿手套箱（允许水存在，但无O₂）中于N₂气氛下制备。

新配体3和4的合成与表征通过两步反应从商业可得的起始原料完成。配体3通过化合物5与cyclen在碳酸钾存在下于乙腈中反应，随后酸水解得到。配体4通过类似的策略，使用更长的肽链前体6合成。通过核磁共振（NMR）、高分辨质谱（HRMS）和元素分析对配体进行了表征。配合物Eu^III3和Eu^III4通过相应配体与EuCl₃·6H₂O在水溶液中络合制备，并通过HRMS和元素分析确认。目标Eu^II含配合物（Eu^II1, Eu^II3, Eu^II4）通过相应的Eu^III配合物在无氧水溶液中用锌粉还原得到。Eu^II1由配体1与EuCl₂直接络合制备。所有Eu^II含配合物的溶液均呈现黄色，通过紫外-可见光谱（UV-Vis）确认了Eu^II的特征4f-5d电子跃迁吸收（例如，Eu^II3在356 nm，Eu^II4在357 nm）。通过发光光谱和最低可检测浓度实验验证了还原后溶液中Eu^III的含量极低（≥ 99.0%的Eu^III被还原）。Eu^III1、Eu^III3和Eu^III4的最低可检测浓度分别为2.4 μM、1.5 μM和2.1 μM。Eu^III含配合物的发光光谱均显示出Eu^III的特征发射峰（源于⁵D₀激发态到⁷F能级的辐射衰变），而相应的Eu^II含配合物溶液在相同Eu浓度下未观察到Eu^III的发射，且不同Eu^III配合物的光谱特征和相对强度相似，表明它们在溶液中的配位环境相近，配合物间的差异主要源于外周结构的变化而非内层几何结构的改变。

仪器与方法

使用循环伏安法（Cyclic Voltammetry）在pH 7的水溶液中测量配合物的电化学电位（E_1/2）。采用三电极系统：玻碳工作电极、铂丝辅助电极和Ag/AgCl参比电极，以高氯酸四乙基铵为支持电解质。E_1/2值根据阴极峰电位（E_pc）和阳极峰电位（E_pa）的平均值计算。

解离动力学测量在pH 1和pH 7下进行。pH 1下的解离速率常数（k_d）采用酸催化解离法，通过紫外-可见光谱在420 nm处监测吸光度随时间的变化来计算。pH 7下的解离速率常数采用电化学技术，通过循环伏安法监测Eu^II还原峰电流（i_pc）随时间的衰减来计算，因为峰电流与分析物浓度成正比。

使用统计分析方法（双样本t检验，p < 0.05）比较不同配合物之间E_1/2和k_d均值的差异显著性。配合物中Eu^II与外周阴离子基团之间的最大可能距离使用PerkinElmer Chem3D软件根据绘制的三维化学结构计算得出。

结果与讨论

电化学性质

循环伏安测试表明，Eu^II/III1, Eu^II/III2, Eu^II/III3和Eu^II/III4均表现出可逆的单电子氧化还原电对。它们的E_1/2值（相对于Ag/AgCl）分别为-1.142 ± 0.005 V, -0.964 ± 0.001 V, -0.952 ± 0.002 V和-0.938 ± 0.003 V。统计检验证实，Eu^II/III2与Eu^II/III3之间以及Eu^II/III3与Eu^II/III4之间的E_1/2值存在显著差异。

研究表明，随着Eu^II离子与配体外周阴离子基团之间最大可能距离的增加，E_1/2向更正的值移动。这一趋势可归因于静电效应：靠近Eu^II的阴离子电荷通过静电排斥提高了Eu^II的自由能，使得氧化（Eu^II→ Eu^III+ e^–）在热力学上更有利（E_1/2更负）。当负电荷距离金属离子更远时，Eu^II变得相对更稳定，需要更大的驱动力才能氧化，表现为电位正移。

值得注意的是，E^II/III1和E^II/III2之间的E_1/2差距（178 mV）远大于后续配合物之间的差距。这主要是因为E^II/III1中的羧酸根直接与Eu配位，而E^II/III2及其后续配合物中，羧酸根位于更外围的酰胺末端。配体身份（羧酸根 vs 酰胺）对电位的粗调影响远大于外周电荷距离的微调影响。由于E^II/III2, E^II/III3和E^II/III4具有相同的配位原子组，可以更好地研究外周电荷距离的影响。将这三者的E_1/2值对其最大可能距离进行作图，显示出良好的线性关系。计算得出，最大可能距离每增加3.6 ?，E_1/2正移约4 mV。与其他结构修饰（如改变配体给体原子、扩大大环尺寸）引起的数十至数百毫伏的电位变化相比，这种由距离调控的电位偏移量级很小，表明通过控制外周电荷距离可以实现对电化学电位的精细调控。

解离动力学

在pH 7条件下，Eu^II含配合物的解离速率常数（k_d）随着Eu^II与外周阴离子基团最大可能距离的增加而减小。具体k_d值（×10^–5s^–1）为：Eu^II1 (4.5 ± 0.9) > Eu^II2 (2.8 ± 0.3) > Eu^II3 (1.7 ± 0.2) > Eu^II4 (1.1 ± 0.2)。统计检验表明，Eu^II1与Eu^II4之间以及Eu^II2与Eu^II4之间的k_d值存在显著差异。与Eu^II2相比，Eu^II3和Eu^II4的解离速率分别减缓了约1.5倍和2.5倍。

这种解离减缓的趋势不能简单地归因于静电相互作用，因为在pH 7下，阴离子电荷远离金属中心本应减弱其对金属离子的静电稳定作用。可能的解释包括：1） 大环和空间效应：更长的外围臂增加了配体的体积和空间位阻，从而更有效地屏蔽金属离子，降低环境中竞争配体接近Eu^II的概率，减缓了解离过程。2） 分子内相互作用：肽链般的臂可能通过氢键等非共价相互作用发生折叠或自组装，形成更稳定的配位环境，减少了金属离子的溶剂可及性。已有研究表明，Eu^III含DOTA-四酰胺配合物中的分子内氢键与缓慢的水交换动力学相关。类似地，更长的臂可能通过分子内相互作用提供了额外的稳定性。与其他结构修饰（如配体刚性化、大环尺寸改变）引起的解离速率数量级变化相比，本研究观察到的1.5-2.5倍变化属于微调范畴，突出了通过臂长调控动力学惰性的精细设计潜力。

作为对照，在pH 1条件下（所有羧酸根质子化，不带电荷），测得的k_d值（×10^–4s^–1）为：Eu^II1 (277 ± 41) >> Eu^II2 (13.2 ± 0.3) ≈ Eu^II3 (12.5 ± 0.3) ≈ Eu^II4 (11.9 ± 0.1)。Eu^II1的快速解离归因于其直接配位的羧酸基质子化，严重削弱了Eu-O配位键。而对于Eu^II2至Eu^II4，由于它们的羧酸根位于外围且不直接配位，质子化后电荷消失，其k_d值在pH 1下没有显著差异，且均远快于它们在pH 7下的解离速率（快47-108倍），这凸显了阴离子电荷在生理pH下对稳定配合物的重要作用。

结论

本研究成功合成并表征了一系列Eu^II含大环配合物，系统改变了Eu^II与配体外周阴离子基团之间的最大可能距离。研究结果表明，增加此距离可以微调配合物的性质：使Eu^II/III电对的电化学电位（E_1/2）略微正移（约4 mV / 3.6 ?），并在pH 7下减缓金属离子的解离速率（k_d减缓1.5-2.5倍）。将电荷置于配体外周，可以在不显著改变内层配位化学的前提下，利用第二 sphere 环境来调控配合物的性质。与改变配体给体、大环尺寸等引起的粗大变化相比，这种通过距离调控电位和动力学惰性的方式属于精细调控策略。这些发现为理性设计用于缺氧成像的Eu^II基磁共振成像对比剂提供了重要指导，特别是当需要平衡氧化还原可及性（合适的E_1/2）和体内持久性（高动力学惰性）时，可以通过精心设计配体外周电荷的空间排布来实现独立且精细的调控。