基于1-烯丙基-3-甲基咪唑的表面活性离子液体的抗菌性能研究：实验验证、分子对接与DFT计算

本研究针对离子液体(ILs)的环境残留与抗菌机制不明确等问题，通过合成一系列1-烯丙基-3-甲基咪唑基ILs，系统评估其热稳定性、酸度、光催化降解特性及抗菌活性。研究发现水杨酸盐阴离子ILs对革兰氏阳性/阴性菌均展现显著抑菌效果，分子对接揭示其与细菌蛋白靶点具有高结合亲和力(结合能达-91.83 kcal/mol)，DFT计算表明其具有最小能隙(0.65 eV)和高亲电性(41.21 eV)。该研究为设计环境友好型抗菌ILs提供了理论依据和实践指导。

　　

随着绿色化学概念的兴起，离子液体（Ionic Liquids, ILs）因其低挥发性、高热稳定性和可设计性被视为传统有机溶剂的理想替代品。然而，这类化合物在环境中的持久性残留及其潜在的生态毒性问题日益凸显，特别是其抗菌机制与结构特性间的构效关系尚未系统阐明。此外，ILs在生物降解过程中表现出的顽固性，尤其是含有特定阴离子组合的ILs，给实际工业应用带来了巨大挑战。正是在这样的背景下，研究人员开始关注如何通过理性设计平衡ILs的功能性与环境相容性。

本研究以《Results in Chemistry》发表的论文为载体，通过多学科交叉方法深入探究了1-烯丙基-3-甲基咪唑基ILs的物理化学特性与生物活性。研究团队合成了一系列具有相同阳离子（1-allyl-3-methylimidazolium）但不同阴离子（乙酸根OAc^?、四氟硼酸根BF₄^?、三氟甲磺酸根OTf^?和水杨酸根SaL^?）的ILs，并系统表征了其热行为、酸性强度、降解特性及抗菌效能。值得注意的是，水杨酸盐基ILs展现出卓越的广谱抗菌活性，同时对光催化降解表现出显著抗性，这为开发兼具高效功能和环境持久性的ILs提供了新思路。

在研究过程中，团队运用了多项关键技术：一是通过离子交换法合成ILs并利用核磁共振（NMR）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）进行结构验证；二是采用热重-差示扫描量热法（TGA-DSC）分析热稳定性；三是基于Hammett acidity function的紫外-可见光谱法测定Br?nsted酸度；四是借助紫外/过氧化氢体系评估光催化降解性能；五是通过琼脂扩散法测定抗菌活性；六是使用iGEMDOCK软件进行分子对接模拟；七是应用密度泛函理论（DFT）计算电子性质。

3.1. UV–Vis acidity determination

通过Hammett acidity function测定发现，[1-allyl-3-mim][OAc]的酸度最强（H₀=3.9861），而[1-allyl-3-mim][Cl]酸度最弱（H₀=4.3940）。阴离子的电子效应显著影响ILs的质子解离能力，乙酸根阴离子的氧孤对电子可向咪唑环提供电子，促进H⁺释放。

3.2. Photocatalytic degradation

经过72小时UV/H₂O₂处理，水杨酸盐基ILs仍稳定存在，表明其苯环结构及电子 withdrawing基团导致降解抗性。降解顺序为：[Cl]^? > [OAc]^? > [BF₄]^? > [OTf]^?，而[SaL]^?基本未降解。

3.3. Antibacterial studies

抗菌实验显示，水杨酸盐基ILs对肺炎链球菌（ATCC 49619）的抑菌圈直径达27±1.0 mm，对铜绿假单胞菌（ATCC BAA 1744）为15±1.0 mm。三氟甲磺酸盐基ILs对金黄色葡萄球菌（ATCC 12600 0173P）抑菌圈为20±1.0 mm。阴离子的疏水性和生物活性共同决定了抗菌效能。

3.4. Molecular docking

分子对接表明[1-allyl-3-mim][SaL]与细菌蛋白结合能最低（铜绿假单胞菌PDB 6P8U：-91.83 kcal/mol），其水杨酸阴离子通过π-π堆叠和氢键与TRP131、MET118等残基相互作用。三氟甲磺酸盐基ILs对肺炎链球菌（4K48）结合能为-70.05 kcal/mol。

3.5. DFT calculations

DFT计算揭示[1-allyl-3-mim][SaL]具有最小HOMO-LUMO能隙（0.65 eV）、最高亲电指数（41.21 eV）和最大软度（3.03 eV^-1），表明其高反应活性。静电势（ESP）分析显示水杨酸阴离子区域富含电子，利于生物分子相互作用。

本研究通过实验与理论计算相结合，证实了阴离子选择对ILs性能的关键影响。水杨酸盐基ILs展现出优异的抗菌活性和环境持久性，但其降解抗性也提示需进一步研究其环境归趋。分子对接与DFT计算从原子层面阐释了ILs与生物靶点的相互作用机制，为设计高性能ILs提供了量化依据。该研究不仅推进了对ILs构效关系的理解，也为开发绿色功能材料提供了重要参考，特别是在抗菌剂设计和环境可持续性评估方面具有指导意义。