理论计算揭示铜(II)β-丙氨酸异羟肟酸12-金属冠醚-4与3-羟基-4-吡啶酮铜盐超分子组装的非共价作用机制及生物医学应用前景

本文通过DFT计算（密度泛函理论）揭示了铜(II)β-丙氨酸异羟肟酸12-金属冠醚-4（12-MC-4）与3-羟基-4-吡啶酮铜盐通过NH2?OC(O)氢键和Cu–O配位作用形成超分子组装体的机制，QTAIM（量子理论分子拓扑分析）和RDG（约化密度梯度）方法证实了非共价相互作用模式，为设计功能性生物材料（如抗菌/抗肿瘤药物载体）提供了理论依据。

　　

Highlight

DFT计算预测含铜(II)的β-丙氨酸异羟肟酸12-金属冠醚-4（12-MC-4）与3-羟基-4-吡啶酮（3,4-HPs）铜盐衍生物可通过非共价相互作用形成分子组装体。通过QTAIM（量子理论分子拓扑分析）和RDG（约化密度梯度）方法分析表明，NH₂?OC(O)型氢键和轴向Cu–O相互作用是关键接触方式。ELF（电子定域化函数）揭示了12-MC-4与铜盐中中心Cu²⁺离子配位环境的差异。研究进一步提出了晶体相中组装体可能的一维（1D）和二维（2D）堆积模式，并基于NH₂?OC(O)和Cu–O相互作用的空间结构及计算的偶极矩进行了预测。在甲醇极性介质中，由单独12-MC-4和铜盐形成对应分子组装体的能量变化经PBE0/DGDZVP计算分别为0.7和?19.2 kcal/mol，并与相同基组下TPSSH计算结果进行了对比。

Computational details

配合物1和2采用密度泛函理论（DFT）和Gaussian 09程序包进行研究。使用DGDZVP基组在默认收敛标准下完成全几何优化，该基组此前已成功应用于多核异羟肟酸配合物研究。采用两种不同哈特里-福克交换比例的杂化泛函PBE0（25%）和TPSSH（10%）以评估其对相对能量的影响。

Results and discussion

DFT优化结构显示1和2中12-MC-4平台与3,4-HPs铜盐衍生物通过多种分子间作用力发生柔性结合。组装体中金属冠醚板块较单独12-MC-4物种呈现更明显凹形结构。在[Cu^II(L1)₂]^2?离子中，吡啶酮环与方形(O,O)Cu(O,O)配位平面均发生扭转，而羧酸根基团则通过NH₂?OC(O)氢键与12-MC-4结合。

Conclusions

总结表明，DFT计算预测[12-MC-4]²⁺平台与3,4-HPs阴离子铜盐衍生物的组装主要由NH₂?OC(O)分子间作用和轴向Cu–O接触驱动，并通过QTAIM和RDG予以识别。对于组装体1和2，PBE0泛函给出的NH₂?OC(O)作用能及 equatorial Cu–O键能均高于TPSSH，而TPSSH对2中轴向Cu–O相互作用的能量预测高于PBE0。