吡嗪衍生物取代的酞菁的合成：基于密度泛函理论（DFT）研究对其声化学/光化学性质及抗菌性能的评估

《Bioorganic Chemistry》：Synthesis of pyrazine derivative-substituted phthalocyanines: evaluation of their Sono/photochemical and antimicrobial properties supported by DFT studies

苯酞腙衍生物的合成及其光化学与抗菌活性研究。通过光谱和质谱表征合成的3-(2-吡嗪-2-基乙硫基)苯酞腈（1）、非外围四取代吡嗪苯酞腙（2）和水溶性季铵化衍生物（2a）。评估光化学及超声光化学条件下单线态氧量子产率（ΦΔ分别为0.53/0.67和0.14/0.26），季铵化显著提升抗菌活性，对金黄色葡萄球菌（MIC=8 μg/mL）和肺炎克雷伯菌（MIC=4 μg/mL）效果显著，大肠杆菌和铜绿假单胞菌MIC=16 μg/mL。采用Gaussian软件进行量子化学计算分析分子活性与蛋白质相互作用。

　　

乌穆特·布拉克·卡尼贝克（Umut Burak Can?bek）|阿尔玛甘·根塞尔（Arma?an Günsel）|戈克切·戈克奇尔（G?k?e G?k?il）|戈克努尔·亚莎·阿特马卡（G?knur Ya?a Atmaca）|布拉克·图津（Burak Tüzün）|奥兹莱姆·阿伊德米尔（?zlem Aydemir）|希拉尔·根塞尔（Hilal Günsel）|艾哈迈德·T·比尔吉奇利（Ahmet T. Bilgi?li）|阿里·埃尔多穆什（Ali Erdo?mu?）|M·尼卢费尔·亚拉西尔（M. Nilüfer Yarasir）

土耳其萨卡里亚大学（Sakarya University）科学学院化学系，塞尔迪万（Serdivan），萨卡里亚（Sakarya）

摘要

在本研究中，以新型化合物“3-(2-(吡嗪-2-基)乙基硫)邻苯二甲腈（1）”为起始原料，首次合成了其非周围部分被四取代吡嗪衍生物的邻苯二甲酰氰胺（2）。随后制备了其水溶性季铵化邻苯二甲酰氰胺（2a）。所有化合物均通过紫外-可见光谱（UV–Vis）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、¹H核磁共振（¹H NMR）、¹³C核磁共振（¹³C NMR）、扫描电子显微镜（SEM）和基质辅助激光解吸离子化质谱（MALDI-TOF MS）等光谱方法进行了表征。研究了光化学和声光化学技术在增强单线态氧生成方面的潜力，而单线态氧是光动力疗法（PDT）中的关键成分。新合成的邻苯二甲酰氰胺类化合物显示出显著的单线态氧量子产率。其中，邻苯二甲酰氰胺（2）和（2a）在光化学条件下的Φ_Δ值分别为0.53和0.14，在声光化学条件下的相应值分别为0.67和0.26。此外，还使用肉汤稀释法评估了新合成的邻苯二甲酰氰胺（2）和（2a）对多种革兰氏阳性和革兰氏阴性菌株的抗菌效果，包括金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）、粪肠球菌（Enterococcus faecalis）、大肠杆菌（Escherichia coli）、铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）和肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae）。这两种化合物均表现出可测量的抗菌活性，最小抑菌浓度（MIC）介于4至32 μg/mL之间。值得注意的是，化合物（2a）对粪肠球菌（MIC = 4 μg/mL）和金黄色葡萄球菌（MIC = 8 μg/mL）的抑制效果最强，同时对肺炎克雷伯菌（MIC = 8 μg/mL）的抑制效果也优于化合物（2）（MIC = 32 μg/mL）。对于大肠杆菌（E. coli）和铜绿假单胞菌（P. aeruginosa），两种化合物的MIC值均为16 μg/mL。这些结果表明，季铵化显著提高了邻苯二甲酰氰胺衍生物的抗菌效力，尤其是在对抗粪肠球菌和肺炎克雷伯菌方面。使用高斯软件程序（Gaussian software）和B3LYP、HF、M062X等级的基组，在6–31 g、6–31++g和6–31++g(d,p)基础上对配体（1）及其邻苯二甲酰氰胺（Pc）衍生物（2）和（2a）进行了计算。之后，比较了这些分子对多种蛋白质的活性并研究了它们的相互作用。

引言

邻苯二甲酰氰胺（Pc）是一种大分子芳香族有机化合物，其结构与血红素（heme）和叶绿素（chlorophyll）等卟啉类似。由于其高度共轭的结构，它具有强烈的颜色和优异的化学稳定性。除了作为染料和颜料的传统用途外，邻苯二甲酰氰胺在先进技术和生物医学领域也有广泛的应用，包括光动力疗法（PDT）[1]、[2]、[3]。由于邻苯二甲酰氰胺具有强光吸收能力、出色的光稳定性和高效的活性氧（ROS）生成能力，因此成为光动力疗法中的关键试剂。PDT是一种非侵入性癌症治疗方法，利用光敏剂、光和氧气选择性地破坏癌细胞。邻苯二甲酰氰胺在600–800 nm范围内吸收光，这使得它们能够比传统的光敏剂（如卟啉）更深地穿透组织，从而增强对深层肿瘤的疗效。在光激活下，邻苯二甲酰氰胺将能量传递给周围的氧分子，产生单线态氧（¹O₂），这是一种高活性的物质，可通过凋亡或坏死引发细胞死亡。它们对光降解的抵抗力确保了治疗过程中的持续活性，而在无光条件下其低毒性则减少了与传统化疗相比的副作用[4]、[5]、[6]。

邻苯二甲酰氰胺环上的溶解性和官能团对其在生物应用中的适用性起着关键作用。将特定金属离子引入邻苯二甲酰氰胺的中心核可以增强其亲水性和生物相容性。例如，含锌（Zn²⁺）、镓（Ga³⁺）和铟（In³⁺）的邻苯二甲酰氰胺比不含金属的同类物质具有更高的溶解性。这些中心金属离子还显著影响邻苯二甲酰氰胺的光物理、光化学和生物性质，进而影响其在光动力疗法（PDT）中的表现。金属的选择会影响光吸收、单线态氧生成、光稳定性、溶解性和细胞摄取等关键参数[3]、[8]。

某些金属离子可以增强邻苯二甲酰氰胺的生物分布和靶向能力。含铟等金属的金属邻苯二甲酰氰胺对肿瘤特异性受体具有很强的亲和力，促进癌细胞的选择性摄取。而含锌的邻苯二甲酰氰胺则具有优异的生物相容性，并能容易地在生物系统中传输[9]、[10]、[11]。此外，水溶性邻苯二甲酰氰胺在生物医学应用中具有显著优势。标准邻苯二甲酰氰胺具有高度疏水性，这限制了其在水生生物环境中的生物利用度和可用性。为了解决这一问题，可以通过季铵化引入正电荷基团，从而提高水溶性，使其在生物流体中更好地分散[12]、[13]。

季铵化邻苯二甲酰氰胺（Q-Pcs）是经过季铵基团修饰的水溶性邻苯二甲酰氰胺衍生物，可提高其生物活性，尤其是在医疗和抗菌应用中。有效治疗癌症和感染需要能够有效穿透目标细胞的光敏剂。Q-Pcs的正电荷有助于与带负电的细胞膜相互作用，从而提高在癌细胞和微生物病原体中的摄取效率。Q-Pcs对包括细菌、真菌和病毒（尤其是多重耐药菌株）在内的多种生物体表现出强烈的抗菌活性。它们与细菌细胞壁的结合能力增强了光动力灭活的效果，这是一种通过光激活导致微生物破坏的过程[14]、[15]。

邻苯二甲酰氰胺环上的官能团对其生物行为有显著影响，包括与生物分子的相互作用、膜通透性和光毒性效应——这些是在光动力疗法（PDT）等应用中的关键因素。提高溶解性或靶向特异性的修饰可以改善邻苯二甲酰氰胺在药物递送和生物医学成像中的效果[16]、[17]。

在本研究中，选择2-巯基乙基吡嗪（也称为吡嗪乙硫醇）作为官能团，因为它在农业、制药以及香料和香精等行业具有潜在的应用价值。虽然吡嗪衍生物因其多种生物活性（如抗炎、抗癌、抗菌、抗寄生虫和抗氧化作用）而广受认可，但针对2-巯基乙基吡嗪的生物学性质的研究却相对较少[18]、[19]。

配位化学是一个重要的研究领域，有机和无机化合物在此结合形成具有新颖功能特性的复杂结构。金属中心复合物的电子、光学和催化性质因中心金属的种类、周围配体的性质以及取代基团的电子效应而异[20]。近年来，含铟（In）的复合物因其电子稳定性和与生物系统的相互作用潜力而受到关注。对这些复合物的理论研究通过计算分子轨道（HOMO–LUMO）、能量差（ΔE）、化学硬度（η）和亲电性指数（ω）等参数，提供了对化学反应性和稳定性的深入理解[21]、[22]。配体、InCl复合物和甲基取代的InCl复合物之间的结构差异直接影响电子转移过程和键合性质。特别是甲基的电子排斥（+I）效应改变了金属中心的电子密度，增加了HOMO–LUMO能量差，从而提高了系统的化学硬度[23]。这种变化增强了复合物的热力学稳定性，同时降低了它们的反应性。理论高斯计算是预测这些变化对分子轨道、偶极矩和总能量的影响的强大工具[24]。

在本研究中，合成了一种新型化合物3-(2-(吡嗪-2-基)乙基硫)邻苯二甲腈（1），以及其非周围部分被四取代吡嗪衍生物的邻苯二甲酰氰胺（2）和水溶性季铵化版本（2a）。通过标准光谱和分析技术对合成化合物进行了表征，并通过SEM观察了它们的表面形态，发现季铵化导致颗粒聚集和表面纹理发生了明显变化。评估了这些邻苯二甲酰氰胺的光物理和声光化学性质，以评估其作为有效声光敏剂的潜力。化合物（2）和（2a）在光化学条件下的单线态氧生成效率分别为0.53和0.14，在声光化学条件下的相应值分别为0.67和0.26。还测试了它们对革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌的抗菌活性。化合物（2a）显示出显著的抗菌效果，对粪肠球菌（MIC = 4 μg/mL）和金黄色葡萄球菌及肺炎克雷伯菌（MIC = 8 μg/mL）的MIC值低于化合物（2）。使用高斯软件程序（Gaussian software）和B3LYP、HF、M062X等级的基组（6–31 g、6–31++g和6–31++g(d,p)）对邻苯二甲酰氰胺（Pc）衍生物（2）和（2a）的配体和金属复合物进行了计算[25]、[26]、[27]。之后，比较了这些分子对多种蛋白质的活性，包括大肠杆菌蛋白（PDB ID: 1T9U）、铜绿假单胞菌蛋白（PDB ID: 2UV0）、金黄色葡萄球菌蛋白（PDB ID: 2ZCQ）和肺炎克雷伯菌蛋白（PDB ID: 3GDZ以及粪肠球菌蛋白（PDB ID: 4M7U），并研究了它们的相互作用。

材料与设备

所有化学品均从商业供应商处购买，未经纯化直接使用。傅里叶变换红外光谱（FT-IR）在Shimadzu IR-Prestige-2光谱仪上记录。¹H核磁共振（¹H NMR）和¹³C核磁共振（¹³C NMR）在Bruker 300 MHz光谱仪上记录。紫外-可见光谱（UV–Vis）在Agilent Model 8453二极管阵列光谱仪上记录。质谱（MS）分析由Bruker microflex LT MALDI-TOF MS完成。紫外-可见区域的吸收光谱使用Shimadzu 2001紫外光谱仪获得。

合成与表征

采用了包括傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、¹H核磁共振（¹H NMR）、¹³C核磁共振（¹³C NMR）和基质辅助激光解吸离子化质谱（MALDI-TOF MS）在内的多种光谱技术来确认目标化合物的成功合成。详细的合成步骤和表征数据见补充信息。图1概述了3-(2-(吡嗪-2-基)乙基硫)邻苯二甲腈（1）和铟（III）邻苯二甲酰氰胺衍生物1(4),8(11),15(18),22(25)-四(2-(吡嗪-2-基)乙基硫)邻苯二甲酰氰胺酸铟（III）氯化物（2）的合成过程

结论

在本研究中，我们报道了新型化合物3-(2-(吡嗪-2-基)乙基硫)邻苯二甲腈（1）的合成及其非周围部分被四取代吡嗪衍生物邻苯二甲酰氰胺（2）的表征。随后合成了化合物（2）的季铵化衍生物（2a），以评估其在生物应用中的潜力。研究了这些化合物的光物理、光化学和声光化学特性

CRediT作者贡献声明

乌穆特·布拉克·卡尼贝克（Umut Burak Can?bek）：方法学、研究、数据分析。阿尔玛甘·根塞尔（Arma?an Günsel）：写作 – 审稿与编辑、初稿撰写、监督、资源获取、方法学、研究、数据分析、概念化。戈克切·戈克奇尔（G?k?e G?k?il）：软件应用、方法学、研究、数据分析。戈克努尔·亚莎·阿特马卡（G?knur Ya?a Atmaca）：初稿撰写、软件应用、方法学、研究、数据分析。布拉克·图津（Burak Tüzün）：初稿撰写、软件应用、方法学

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本文中报告的数值计算完全或部分在TUBITAK ULAKBIM高性能和网格计算中心（TRUBA资源）完成。