新型希夫碱腙配体及其双价金属配合物的合成、表征、DFT计算与抗菌活性研究

《RSC Advances》：Spectroscopic, computational, and biological activity studies of bivalent metal complexes of ( E)- N′-(4-(dimethylamino)benzylidene) isonicotinohydrazide

本研究针对新型(E)-N′-(4-(二甲氨基)苄亚基)异烟酰腙(HL)配体及其Zn(II)、Cd(II)、Pt(II)配合物的开发，通过多光谱技术、热分析和DFT计算证实了配体通过羰基氧和亚胺氮以双齿方式配位。抗菌评价显示铂(II)配合物对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌表现出最优且广谱的抗菌活性，其抑制圈直径在10-2M浓度下达23 mm和19 mm，显著优于游离配体，为开发新型金属基抗菌剂提供了重要线索。

　　

在当今全球公共卫生面临抗生素耐药性严峻挑战的背景下，开发新型抗菌药物已成为当务之急。希夫碱腙类化合物因其灵活的分子设计和丰富的配位模式，在配位化学和药物化学领域展现出巨大潜力。这类化合物通常含有C=N双键（亚胺基团）和邻近的给电子原子（如O、N），能够与多种金属离子形成稳定的配合物。金属配合物往往表现出不同于游离配体的生物活性，其抗菌效力可能通过影响细菌细胞膜完整性、干扰酶系统或破坏DNA复制等多种机制实现。然而，如何理性设计兼具良好稳定性和高效抗菌活性的金属配合物，仍是研究人员面临的重要科学问题。

在这项发表于《RSC Advances》的研究中，伊拉克萨迈拉大学纯理教育学院化学系的研究团队Osama'a A. Y. Al-Samrai等人合成了一种新型希夫碱腙配体(E)-N′-(4-(二甲氨基)苄亚基)异烟酰腙(HL)及其与Zn(II)、Cd(II)、Pt(II)的配合物，并系统评价了它们的抗菌性能。研究人员发现，配体HL与金属配位后，抗菌活性显著增强，其中铂(II)配合物表现最为突出，对革兰氏阳性菌（金黄色葡萄球菌）和革兰氏阴性菌（大肠杆菌）均显示出强效抑制作用，且活性呈现浓度依赖性。

为全面表征所合成化合物，研究团队运用了元素分析、摩尔电导率、热分析（TG-DTA）、核磁共振（¹H NMR和¹³C NMR）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）等多种技术手段。密度泛函理论（DFT）计算采用B3LYP泛函，对C、H、N、O原子使用6-31+G(d,p)基组，对金属中心（Zn、Cd、Pt）使用LANL2DZ有效核势基组，优化了分子几何结构并计算了前沿分子轨道能级。抗菌活性通过纸片扩散法评估，测试浓度范围为10^-2至10^-6M。

3.1. 热分析

热分析结果表明所有配合物均具有较好的热稳定性。配体HL在146.50-173.66°C区间失重6.76%（理论值6.71%），对应于水分子的失去。[Zn(HL)Cl₂]·H₂O在114.42-145.58°C失去结晶水（4.23%），在高温区分解后最终残留物为ZnO（19.05%）。铂配合物[Pt(HL)Cl₂]·0.5H₂O的分解残留物为PtO（40.31%），表明铂氧化物在高温下具有极好的稳定性。

3.2. DFT研究

DFT计算获得了配合物的优化几何结构，显示配体通过羰基氧和亚胺氮与金属中心配位。HOMO-LUMO能隙分析支持这些配合物的稳定性，[Zn(HL)Cl₂]·H₂O、[Cd(HL)Cl₂]、[Cd(HL)(NO₃)₂]·2H₂O和[Pt(HL)Cl₂]·0.5H₂O的能隙值分别为3.16、3.20、3.16和2.67 eV。分子静电势（MEP）分析揭示了配合物的反应性区域，为理解其与生物分子的相互作用提供了理论基础。

3.3. 红外光谱

红外光谱分析证实了配位模式。游离配体的酰胺I带ν(CO)在1662.6 cm^-1，配合物中该谱带位移至1656.8-1627.9 cm^-1，表明羰基氧参与了配位。亚胺ν(CN)振动从1602.9 cm^-1（游离配体）降至1608.6-1611 cm^-1（配合物），证实了亚胺氮的配位作用。在低波数区出现的520.7-528.1 cm^-1（ν(M-O)）和422.4-476.4 cm^-1（ν(M-N)）新吸收带，进一步验证了M-O和M-N键的形成。

3.4. NMR谱

¹H NMR和¹³C NMR谱图显示，配合物中靠近配位位点的质子信号发生明显变化。配体HL的腙-NH质子（H6）在11.82 ppm处出现单峰，配合物中该信号位移至9.30-12.16 ppm，表明配位影响了该质子的电子环境。亚胺质子（H17）信号从8.35 ppm（游离配体）位移至8.33-8.38 ppm（配合物），也支持了配位作用。¹³C NMR中，羰基碳（C4）信号从161.55 ppm（游离配体）位移至159.85-161.42 ppm（配合物），亚胺碳（C17）从150.35 ppm位移至152.18-154.46 ppm，进一步证实了配位作用。

3.5. 分子静电势分析

分子静电势（ESP）图以红-绿-蓝颜色方案直观展示了配合物的电荷分布。红色区域（负静电势）对应亲核攻击位点，蓝色区域（正静电势）对应亲电攻击位点。分析显示，配体与金属配位后，整个分子的电荷分布发生显著重排，金属中心周围呈现明显的正电势区域，而配体上的给电子基团区域则呈现负电势。

3.6. 生物活性

抗菌实验结果显示，所有金属配合物的活性均优于游离配体。在10^-2M浓度下，[Pt(HL)Cl₂]·0.5H₂O对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑制圈直径分别达到23 mm和19 mm，且在10^-6M低浓度下仍能检测到活性（6 mm）。锌和镉配合物表现出中等活性，而游离配体HL的活性最低（11 mm）。所有化合物均呈现浓度依赖性，在10^-4M以下浓度活性显著降低或消失。

该研究通过综合运用实验表征和理论计算，证实了新型希夫碱腙配体HL能够与Zn(II)、Cd(II)、Pt(II)形成稳定的配合物，且配位模式为通过羰基氧和亚胺氮的双齿配位。铂(II)配合物展现出最优异的抗菌性能，其广谱性和高效性表明金属配合物在克服抗生素耐药性方面具有巨大潜力。DFT计算为理解配合物的电子结构和反应性提供了理论依据，而热分析则证明了它们具有良好的热稳定性。这些发现不仅为设计新型金属基抗菌剂提供了重要参考，也深化了对希夫碱腙金属配合物构效关系的理解。