8-羟基喹啉-2-羧酸与二价阳离子在水溶液中的化学形态及配位行为：一项Irving-Williams系列研究

《ACS Omega》：Chemical Speciation and Coordination Behavior of 8-Hydroxyquinoline-2-carboxylic Acid with Divalent Cations in Aqueous Solution: An Irving–Williams Series Study

8-HQA对Irving-Williams系列二价金属离子的配位性质及螯合能力研究，通过电位滴定、紫外-可见光谱及量子化学计算确定形成ML?、ML、ML?2?三种物种，稳定性常数显示符合Irving-Williams趋势，证实8-HQA作为高效螯合剂对微生物群落调控的作用。

　　
本研究系统考察了8-羟基喹啉-2-羧酸（8-HQA）与Irving-Williams系列中Mn2?、Fe2?、Co2?、Ni2?、Cu2?及Zn2?的配位行为，通过多维度实验验证和理论计算揭示了该配体与金属离子的结合机制及稳定性规律。研究采用离子选择性电极电位滴定、紫外-可见光谱、差分脉冲安培伏安法（DP-ASV）、电子顺磁共振（EPR）及量子力学计算相结合的方法，全面解析了8-HQA与金属离子的配位模式、物种组成及稳定性特征。

在实验方法方面，研究构建了标准化的离子强度（0.2 mol/dm3 KCl）和温度（298.2 K）体系，通过电位滴定法测定了Mn2?、Co2?、Ni2?的稳定常数，而Cu2?和Zn2?因易形成沉淀则采用紫外光谱分析。研究特别创新性地结合了伏安法与EPR技术，通过监测Mn2?/Co2?体系在不同pH下的电流响应和EPR谱图特征，区分了金属-羟基配合物与双齿配位物种。量子力学计算进一步揭示了配位结构，证实8-HQA在所有配合物中均以三齿模式结合，涉及喹啉环氮原子（N）、苯酚氧原子（O_phen）和羧酸氧原子（O_carb）。

实验结果表明，所有金属-8-HQA体系均形成ML?、ML和ML?2?三种物种，其中ML?2?的稳定常数显著高于其他物种。通过比较发现，配位稳定性遵循Irving-Williams系列趋势：logβ???（ML?2?）值呈现Mn2?（12.45）< Fe2?（13.45）< Co2?（15.90）< Ni2?（17.17）< Cu2?（20.64）> Zn2?（18.78）的规律。量子化学计算显示，金属-氮键长（M–N）与稳定常数呈负相关，键长越短（如Cu2?的2.14 ?）配位稳定性越高，这为传统配位化学理论提供了新的分子层面的证据。

在配位模式方面，EPR谱图证实金属离子处于高自旋状态，排除六配位八面体结构可能。结构优化显示，8-HQA在ML和ML?2?中均保持三齿配位，且双齿配位时两个配体分子呈垂直排列。特别值得注意的是，即使MLH?物种中苯酚氧原子被质子化，仍能通过其他两个配位点形成稳定配合物。这种刚性分子通过三个固定配位点形成稳定螯合结构，显著区别于其他柔性配体。

化学计量模型分析显示，8-HQA对金属离子的螯合能力在pH 4-10范围内表现突出，其半抑制浓度pL?.?值最高可达14.2（Cu2?/8-HQA体系），远高于传统有机螯合剂。通过比较不同金属离子的pL?.?值与金属离子水合半径，发现当金属离子半径与配体空间位阻匹配时（如Ni2?半径1.62 ?与配体平面结构契合度最高），稳定常数达到峰值。这种尺寸适配效应解释了为何Cu2?的稳定常数显著高于Zn2?，尽管Zn2?离子半径更大。

研究还深入探讨了配位模式与生物活性的关联。通过模拟不同pH条件下的化学物种分布，发现8-HQA在生理pH（6-8）下主要形成ML?2?物种，其摩尔分数可达80%以上。这种高稳定性的配合物可有效防止金属离子水解沉淀，维持生物体内的金属稳态。特别值得注意的是Zn2?体系，尽管其稳定常数低于Cu2?，但在pH>8时因形成Zn(OH)?沉淀导致有效螯合能力下降，这为解析肠道金属代谢提供了重要依据。

在微生物学应用层面，研究揭示了8-HQA作为金属螯合剂可能通过两种机制调节菌群：1）直接螯合游离金属离子，抑制病原菌生长；2）改变宿主肠道金属稳态，调控菌群代谢途径。例如，Mn2?与8-HQA的快速配位可能影响产吲哚乙酸菌的活性，而Cu2?的高稳定性配合物可能通过螯合毒素或酶活性位点发挥抗菌作用。这些发现为开发基于营养免疫策略的新型益生菌调节剂提供了理论支撑。

研究同时创新性地提出了"动态配位-溶剂化"协同机制。通过伏安法观察到，在pH 4-9范围内，配合物中水分子存在动态交换，导致电流响应峰形变化。结合DFT计算发现，MLH?物种在溶液中存在两种构象：三齿配位结合三个水分子（能量最低）和四齿配位结合四个水分子（能量差仅16.3 kJ/mol）。这种动态平衡使8-HQA能根据环境pH自适应调节配位模式，从而维持金属离子在溶液中的有效螯合。

在方法学创新方面，研究构建了多技术联用体系：1）电位滴定法结合PyES软件实现化学计量模型的精确拟合；2）通过DP-ASV的电流突跃特征（如pH 9.5时电流下降50%）验证ML?2?物种的形成；3）EPR谱线宽度和g因子变化（如Mn2?配合物出现宽泛吸收带）指示配位场对称性降低，证实六配位八面体结构。这种多维验证体系显著提升了配位化学研究的可靠性。

最后，研究通过pL?.?值与pH的关系曲线（图7），直观展示了8-HQA的螯合能力随pH变化的规律。在pH 5-8的关键生理范围内，其螯合能力呈现指数增长趋势，这与ML?2?物种的占比提升相吻合。这种宽pH适应性使其在污水处理、工业废水净化等领域具有潜在应用价值，特别在调节pH 6-8的中性环境时，8-HQA的螯合效率比传统氨基羧酸类配体提高2-3倍。

该研究不仅完善了8-HQA的配位化学理论，更为后续开发功能材料（如金属有机框架材料）和生物医学应用（如靶向金属递送系统）提供了关键参数。特别值得关注的是，8-HQA对Cu2?的稳定常数高达20.64，这为设计抗铜过载的靶向药物载体开辟了新途径。未来研究可进一步探索该配体在核酸修饰酶催化体系中的调控机制，以及其在微塑料污染治理中的应用潜力。