五价铋双羧酸盐：合成、晶体结构、光谱特性、生物活性及计算分析

《Journal of Molecular Structure》：Bismuth(V) bis-carboxylates: Synthesis, Crystal Structures, Spectroscopic Characterization, Biological Activities, and Computational Analysis

　　索海拉·安德利布（Sohaila Andleeb）、因提亚兹-乌德-丁（Imtiaz-ud-Din）、伊鲁姆·阿西夫（Irum Asif）、穆罕默德·纳瓦兹·塔希尔（Muhammad Nawaz Tahir）、沙纳韦尔·尼亚兹（Shanawer Niaz）、穆罕默德·阿什法克（Muhammad Ashfaq）和伊赫桑-乌尔-哈克（Ihsan-ul Haq）来自巴基斯坦萨尔戈达大学（University of Sargodha）化学研究所。摘要：本文合成了五种新的三苯基铋（V）双羧酸盐1、2和三羟基苯基铋（V）双羧酸盐3-5，并通过红外光谱（IR）和核磁共振光谱（NMR）以及元素分析对其进行了全面表征。化合物4和5的结构特征通过单晶XRD数据得到了进一步确认。采用B3LYP/LANL2DZ水平的密度泛函理论（DFT）计算来分析这些配合物的电子结构和光谱性质。时间依赖性DFT用于研究电子激发并评估铋d轨道的参与程度。计算结果与实验数据进行了系统比较，以确认结构归属并探讨结构-性质关系。这些化合物对细菌、真菌和利什曼原虫菌株表现出生物活性，结果令人满意。数据显示它们对这些菌株有显著影响，其中甲苯基衍生物通常比苯基衍生物更有效。针对人类成纤维细胞的细胞毒性测试表明，它们的存活率甚至高于标准药物。在固态、溶液中、酸性介质以及利什曼原虫培养物中的稳定性评估表明，这些化合物（尤其是化合物3）具有高度稳定性，并且在至少72小时内保持活性和结构完整，从而发挥显著的抗利什曼原虫作用。这些发现支持这些化合物作为未来药物候选物的巨大潜力。

引言：寻找具有显著生物活性的高稳定性铋配合物是一个重要的研究领域，因为铋金属的低全身毒性使其有望开发成口服药物。近年来，发现具有生物活性配体的新金属配合物作为潜在化疗剂的研究引起了全球科学家的极大兴趣[1,2]。基于铋的药物，包括次水杨酸铋、柠檬酸铋和雷尼替丁铋柠檬酸盐，已被广泛用于治疗消化系统疾病，并用于制备抗菌和促进伤口愈合的制剂[3]。由于这些药物在胃肠道中的吸收较低，因此毒性相对较低。尽管许多内源性和外源性物质可以显著提高铋化合物的溶解度，从而增强其生物活性和毒性[4]。与锑和砷等邻近元素相比，铋的毒性最低，因此被称为“绿色”金属[5]。铋配合物对细菌的毒性较低而对哺乳动物细胞无影响，这可能是由于基于铋的药物在体内的低吸收率以及它们与谷胱甘肽（GSH）和多药耐药转运蛋白的稳定相互作用[6,7]。在过去两个世纪中，基于铋的药物被用于治疗多种疾病。20世纪初，由于新抗生素的发展，铋化合物在治疗梅毒和伤口感染方面的应用大幅减少[8,8,9]。20世纪80年代，基于铋的药物重新受到关注，现在在治愈幽门螺杆菌（H. pylori）相关疾病（如十二指肠溃疡、消化性溃疡和溃疡性结肠炎）方面发挥着关键作用[10]。尽管这些药物被广泛使用，但其作用机制在细菌和哺乳动物细胞内的具体机制仍不完全清楚。其中一个原因是这些化合物的溶解度较低，需要毫摩尔浓度的铋配合物才能抑制细菌生长[11]。前缀“sub”表明大多数铋化合物在水中不稳定且易水解，形成多面体结构片段，如质子化的多核阳离子[Bi6O5(OH)3]5和[Bi6O4(OH)4]6[12,13]。因此，许多基于铋的制剂在合成重现性、稳定性和溶解度方面存在问题[14,15]。这些挑战限制了适合生物测试和药物开发的新铋制剂的发展。一个关键的研究方向是通过调节pH值或加入含有羟基和巯基等功能团的螯合剂来提高其溶解度[16]。皮尔逊的硬软酸碱理论将铋描述为一种边界金属离子，它可以与O、N和S配体配位，表现出从3到10不等的配位数[17]。这种金属与配体的配位方法可以提高新基于铋的制剂的溶解度，这一研究领域在全球范围内引起了广泛关注，旨在开发用于各种医疗应用的新金属基治疗方法[18]。

近年来，多重耐药微生物（MDR）已成为全球性的重大挑战。提出了多种采用多重作用机制的治疗策略。金属配合物是其中最具影响力的框架之一[19]。铋化合物通过干扰微生物对铁的摄取来发挥抗菌作用，包括与铁(III)竞争铁载体和铁(III)摄取受体。铋对含氧和硫基团的特殊亲和力可以中断参与ATP合成的微生物酶中的铁和硫中心之间的相互作用[20]。这促使了新型酶抑制剂的发展，因为这些酶对许多生物活动至关重要。因此，开发针对病原微生物生命周期中关键酶的抑制剂被认为是开发新型有效化疗剂的关键策略[21]。研究表明，铋化合物对多种酶具有显著的抑制作用，包括金属β-内酰胺酶、醇脱氢酶、尿素酶、延胡索酸还原酶、磷酸脂酶C和A2以及蛋白酶，例如铋配合物对SARS冠状病毒解旋酶蛋白的ATP酶活性的显著抑制[22]。现在已知，基于铋的化合物与生物分子的相互作用对其毒性、作用机制、治疗效果和副作用的解释起着重要作用。铋离子与人转铁蛋白和乳铁蛋白的铁(III)结合位点以及金属硫蛋白紧密结合，导致Zn(II)和Cd(II)离子的快速置换。研究发现，铋能诱导蛋白质结构改变并有效抑制酶活性，这主要归因于其与蛋白质靶位点中重要金属辅因子的竞争性结合或置换[6]。基于铋的制剂已被报道能够在不同程度上抑制细菌侵入哺乳动物细胞[6]。为了深入理解基于铋的治疗剂的作用机制，需要研究铋-金属硫蛋白复合物的稳定性[23]。已报道了与各种配体（包括硫醇[24]、托罗酮[25]、喹诺酮[26]、肼[27]、硫代半卡巴嗪[28]和叠氮化物[29]）形成的铋复合物，发现它们对革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌、霉菌和酵母细胞具有活性。铋复合物还表现出显著的抗利什曼原虫和抗癌活性[30,31]。这些发现支持使用含氧和硫基团的铋复合物作为发现新型抗菌化合物的有希望的骨架。尽管由于合成、稳定性和铋的复杂生物化学性质，这类研究通常具有挑战性，但深入了解铋化合物的作用机制对于加速更有效的基于铋的药物的创新及其治疗应用的扩展或重新利用至关重要。进一步开发基于铋的治疗剂，并深入理解其抗菌作用机制，将有助于发现这些复合物的新的更广泛的临床应用。

羧酸盐作为配体具有多样的结构化学性质，并且以其对原生动物、细菌和真菌的生物活性而闻名[32, [33], [34], [35]]。“COO?”官能团可以以单齿或双齿模式与铋中心配位，从而精细调节所得复合物的几何形状和稳定性。这种结构适应性提高了金属配体框架的效率，并影响化合物的整体物理化学和生物特性。选择羧酸盐作为配体的另一个原因是它们能够显著提高金属复合物的溶解度，从而通过氢键和静电力促进与微生物膜或生物分子的相互作用。通过提高亲脂性，羧酸盐配体有助于更好的细胞摄取和复合物的生物利用度。与同类化合物相比，铋化合物容易发生水解，这对它们的结构稳定性是一个重大限制。我们的团队已经在研究能够使用各种分析技术表征的基于铋的复合物，并测试它们在整个药理学过程中遇到的不同介质中的结构稳定性[16,30,36]。当前的研究项目也朝着这些方向进行，旨在开发高效基于铋的制剂，结合铋的低毒性和羧酸盐作为配体的多样性化学性质，以提高其稳定性、选择性和生物活性。

化学品和物理测量：本研究中使用的所有化学品和试剂均来自美国Sigma-Aldrich Chemical Co.。所有溶剂在使用前均按照文献中描述的标准程序进行了纯化[37,38]。熔点未经校正，使用Gallenkamp MP-D仪器（英国）在开放式毛细管中测量。本研究中报告的化合物的红外光谱在4000–400 cm?1范围内使用FT-IR光谱仪（型号：Thermo Nicolet 6700）获得。合成：同环羧酸（5-氯水杨酸、3-甲氧基水杨酸、5-溴水杨酸和3,5-二氯水杨酸）用于盐交换反应，以合成有机铋(V)衍生物1-5。逐步合成方法包括用三苯基/三羟基苯基铋与氯化铋(III)进行格氏反应，然后在0°C下在二氯甲烷中溴化产物，得到三苯基/三羟基苯基铋二溴化物作为前体。

结论：本研究涉及五种新的铋(V)羧酸盐1-5的合成、光谱表征和生物活性分析。单晶XRD数据显示，化合物4和5采用三角双锥几何结构，羧酸配体以单齿模式配位。这些铋复合物不仅在固态下稳定，而且在酸性介质和抗利什曼原虫培养基M199中也非常稳定，表明它们能够长时间保持结构以发挥抗利什曼原虫作用。

利益冲突：本研究不存在利益冲突。

支持信息：化合物4和5的晶体学数据分别可在CCDC编号2498459和2498469处获取。数据可在www.ccdc.cam.ac.uk/data_request/cif免费获取。

作者贡献声明：
索海拉·安德利布（Sohaila Andleeb）：撰写——原始草稿、验证、方法学、研究、概念化。
因提亚兹-乌德-丁（Imtiaz-ud-Din）：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、概念化。
伊鲁姆·阿西夫（Irum Asif）：撰写——审阅与编辑、验证、项目管理、形式分析。
穆罕默德·纳瓦兹·塔希尔（Muhammad Nawaz Tahir）：撰写——原始草稿、可视化、软件、项目管理、形式分析。
沙纳韦尔·尼亚兹（Shanawer Niaz）：撰写——审阅与编辑、撰写——原始草稿、可视化。

利益冲突声明：作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢：作者感谢巴基斯坦伊斯兰堡的Quaid-i-Azam大学和萨尔戈达的萨尔戈达大学为这项研究的实施提供必要的设施。