室温合成新型嗪键共价有机框架：分子对接、理论计算研究及其抗菌活性

《Scientific Reports》：Room temperature synthesis of novel azine-linked covalent organic framework: molecular docking, theoretical investigation studies, and antimicrobial activity

　　

摘要专业翻译 本研究通过对苯二甲醛与水合肼之间的席夫碱反应，在室温条件下合成了一种嗪键连接的共价有机框架（COFTH）。与传统有机溶剂中的溶剂热反应相比，COFTH的合成在室温下的二氧六环中进行，该合成方法具有可规模化生产、操作简单、安全、成本低以及反应时间短等优势。所合成的COFTH具有较大的比表面积以及优异的热稳定性和化学稳定性，其比表面积为118.358 m2 g?1，孔径为1.80 nm，孔容为0.113 cm3/g。相较于妥布霉素，COFTH作为抗菌剂对革兰氏阴性菌（大肠杆菌和铜绿假单胞菌）和革兰氏阳性菌（金黄色葡萄球菌和粪肠球菌）表现出更高的敏感性。此外，研究人员对COFTH进行了分子对接分析，以理解其与不同蛋白质的分子相互作用及其与COFTH的反应性。同时，研究人员对COFTH、对苯二甲醛和NH2NH2进行了计算研究，以阐明其物理性质、前线分子轨道（FMO）、静电势（ESP）和分子静电势（MEP）。此外，研究人员通过DFT/WB97XD/6–311(G)基组证实了1H NMR和13C NMR的相关性。

论文解读

一、研究背景与问题

水是生命之源，维持着不同物种生物体与其环境之间的生态平衡。然而，水体中的细菌种类对人体健康构成有害影响。抗生素药物常被用于消除这些细菌，但动物和人类对抗生素药物消耗量的增加以及抗菌治疗处方不当，已导致更为严重的污染问题。因此，持续努力以实现安全的饮用水质量十分必要。在过去几十年中，人们持续开发能够满足环境和生物抗菌应用要求的材料。多孔材料被认为是生态系统中抗菌和抗微生物应用的合适候选材料。抗菌剂可分为三个阶段：第一代抗菌剂为有机/无机化合物和盐类；第二代抗菌剂为金属氧化物/物质；第三代抗菌剂为具有特定拓扑结构的材料，如共价有机框架（COFs）。COFs是一类新兴的结晶性多孔材料，其有机构建单元连接在一起，产生具有明确孔道的有序结构。COFs在药物递送、催化、吸附、传感、传质等领域具有广泛应用前景。此外，COFs具有一系列卓越特性，使其成为包括抗菌和抗肿瘤治疗在内的生物应用的优异选择。COFs具有高度多孔且精确工程化的结构，为受控药物递送提供了平台，并确保相关药物的持续和靶向释放，最大限度地减少不必要的暴露和潜在副作用。与传统材料相比，COFs具有高结晶度、大比表面积以及高热稳定性和化学稳定性等特征。然而，COF材料在生物医学和工业抗菌领域面临诸多挑战：其一，COFs不同程度地对外部环境因素（如pH、湿度）敏感，可能发生水解并导致结构退化，进而降低材料的长期稳定性；其二，通过传统溶剂热法制备的COFs是不溶性且不可加工的粉末，限制了其抗菌应用；其三，随着COFs在药物抗菌领域的出现，越来越多的可能性正在被探索，除了大肠杆菌和金黄色葡萄球菌外，迫切需要具有更广谱的抗菌剂。此外，COFs在抗菌领域的多样化应用仍处于早期阶段，需要付出巨大努力来改善COFs的物理和化学性质，以促进其更广泛和更有效应用前景的发展。因此，本研究旨在通过室温合成方法制备一种新型嗪键连接的COF，并系统评估其抗菌性能及分子层面的作用机制。

二、研究内容与结论

研究人员通过将对苯二甲醛与水合肼在乙酸催化下于二氧六环中室温共缩合，成功合成了嗪键连接的共价有机框架COFTH。该室温合成方法相较于传统溶剂热法具有大规模生产、操作简单、安全、低成本且反应时间短的优势。所合成的COFTH具有较大的比表面积（118.358 m² g^?1）、1.80 nm的孔径和0.113 cm³/g的孔容，并表现出优异的热稳定性和化学稳定性。抗菌活性研究表明，COFTH对革兰氏阴性菌（大肠杆菌和铜绿假单胞菌）和革兰氏阳性菌（金黄色葡萄球菌和粪肠球菌）均表现出良好的抗菌活性，且其敏感性高于对照抗生素妥布霉素。COFTH对大肠杆菌、铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌和粪肠球菌的MIC值分别为9、6、4和5 mg/mL，且MBC/MIC比值均小于4，表明COFTH具有杀菌能力而非抑菌能力。分子对接分析显示COFTH与四种细菌蛋白受体（大肠杆菌HOT蛋白PDB ID：1SE7、铜绿假单胞菌AmpC β-内酰胺酶PDB ID：4WYY、金黄色葡萄球菌硫氧还蛋白PDB ID：2O7K、粪肠球菌过氧化氢酶PDB ID：1SI8）均具有强结合能（?10.2770至?10.7379 kcal/mol），RMSD值在0.89–0.94 ?范围内，表明对接构象具有良好的可重复性。DFT计算研究阐明了COFTH及其反应物的物理性质、前线分子轨道、静电势和分子静电势特征。该研究的重要意义在于提供了一种简便、绿色、可规模化的COF合成路线，并证实嗪键连接的COF作为广谱抗菌剂的潜力，为开发新型抗菌材料提供了理论和实验基础。

三、主要关键技术方法

研究人员采用了以下主要技术方法：通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）确认化学键形成与结构稳定性；通过粉末X射线衍射（PXRD）结合Materials Studio软件的结构模拟与Pawley精修确定晶体结构和堆积模式；通过氮气吸附-脱附等温线结合Brunauer–Emmett–Teller（BET）模型测定比表面积和孔径分布；通过热重分析（TGA）评估热稳定性；通过扫描电子显微镜（SEM）观察形貌；通过¹³C核磁共振（NMR）和元素分析确认化学结构；采用稀释试管法（DTM）测定最低抑菌浓度（MIC）和最低杀菌浓度（MBC）；利用分子操作环境（MOE）软件进行分子对接研究；采用密度泛函理论（DFT）在ωB97X-D/6-311G基组水平上进行几何优化、前线分子轨道、静电势和NMR化学位移计算。

四、研究结果

化学合成与结构表征： 研究人员通过对苯二甲醛与水合肼在乙酸催化下室温共缩合成功合成COFTH，产率约80%。FTIR光谱显示氨基和羰基特征峰消失，在1646 cm^?1处出现新的嗪键C=N–N伸缩峰，证实了嗪键连接的形成。COFTH在水及多种有机溶剂中不溶，且在6 M NaOH和6 M HCl中浸泡一周后结构保持稳定。¹³C NMR谱显示醛羰基峰（~191.57 ppm）消失，出现嗪键碳信号（158.16 ppm），进一步确认结构。元素分析结果（C 73.42%、H 4.58%、N 21.30%）与理论值接近。

紫外-可见光谱分析： COFTH在320、395和449 nm处显示吸收峰，相较于对苯二甲醛（298 nm）发生红移，归因于嗪键连接形成的更大共轭体系。

粉末X射线衍射与结构模拟： PXRD图谱显示COFTH具有良好结晶性，2θ=9.1°处的强衍射峰归属于（100）晶面，2θ=24.5°、36.9°和64.7°处的衍射峰分别归属于（110）、（200）和（210）晶面，~17.6°处的宽峰对应（001）晶面的层间π–π堆叠。d间距为3.63 ?，表明层间存在较强相互作用。通过P21/C空间群模拟（a=20.78 ?，b=36.26 ?，c=10.95 ?，β=123°），精修因子Rp=7.04%和Rwp=9.39%。AA堆积模式的模拟PXRD图谱与实验数据吻合良好，而AB堆积模式偏差较大，支持COFTH采用重叠AA堆积排列。

热稳定性分析： TGA显示COFTH在接近425 °C时仍保持优异热稳定性，归因于共轭嗪键连接。热降解过程分为四个阶段：100 °C以下约8.6%失重（吸附水脱附）；200–350 °C约7.1%失重（残留溶剂去除）；350–425 °C约37.9%失重（骨架分解）；更高温度下芳香结构碳化分解。

扫描电子显微镜分析： SEM显示对苯二甲醛呈长针状棒形貌，而COFTH呈现不规则石块状形貌，证实了聚合反应的发生。

吸附等温线分析： N₂吸附等温线显示COFTH具有I型吸附特征，表明其具有微孔结构。BET比表面积为118 m²/g，孔径约1.80 nm，总孔容为0.113 cm³/g。实验比表面积低于理论值（831.22 m²/g），归因于孔道部分堵塞、框架缺陷、层间堆叠无序等因素。COFTH的比表面积优于多种已报道的COF材料（如BT-DG_Cl 3 m²/g、HBF 30 m²/g、TpBD1 35 m²/g等）。

抗菌活性评估： 抑菌圈实验显示COFTH对大肠杆菌、铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌和粪肠球菌的抑菌圈直径分别为2.0、5、5和5 mm。MIC测定显示COFTH对大肠杆菌、铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌和粪肠球菌的MIC值分别为9、6、4和5 mg/mL，均低于妥布霉素（10 mg/mL），表明COFTH具有更高的抗菌敏感性。MBC/MIC比值均小于4，确认COFTH具有杀菌作用。细胞存活曲线显示随着COFTH浓度增加，四种细菌的存活率逐渐下降。革兰氏阳性菌对COFTH更为敏感，归因于嗪基团的静电相互作用和氮原子孤对电子的配位作用。

分子对接研究： 分子对接分析显示COFTH与大肠杆菌HOT蛋白（PDB ID：1SE7）的结合能为?10.2770 kcal/mol，与铜绿假单胞菌AmpC β-内酰胺酶（PDB ID：4WYY）的结合能为?10.7379 kcal/mol，与金黄色葡萄球菌硫氧还蛋白（PDB ID：2O7K）的结合能为?10.4750 kcal/mol，与粪肠球菌过氧化氢酶（PDB ID：1SI8）的结合能为?10.3524 kcal/mol。RMSD值范围为0.89–0.94 ?，均低于2.0 ?的接受标准，表明对接构象具有良好的可重复性。对接结果与抗菌活性仅呈现部分定性一致，未建立直接的定量相关性，对接发现应视为支持性计算证据而非抗菌机制的确认。

计算研究： DFT/WB97XD/6-311(G)优化表明COFTH及其反应物分子均非平面构型，具有形成多层结构的能力。通过前线分子轨道、静电势和分子静电势分析阐明了COFTH的电荷分布特征，为理解其抗菌活性提供了理论依据。

五、讨论与结论

讨论部分指出，COFTH的抗菌活性可能源于多种机制的协同作用，包括嗪键（C=N）极化后碳带正电荷与带负电荷的细菌细胞表面的静电相互作用、嗪基团与磷脂之间的氢键作用、氮原子孤对电子与革兰氏阳性菌的配位作用、疏水相互作用以及比表面积对细胞摄取的增强效应。研究还指出，多孔性与抗菌活性之间的关系复杂，不能仅以BET比表面积来解释，还涉及孔道可达性、表面化学和框架结构等因素。分子对接结果仅作为假设生成证据，而非分子机制的证明或抗菌效力的定量预测指标。研究结论表明，COFTH作为一种通过室温简便合成的新型嗪键连接共价有机框架，具有优异的物理化学稳定性和广谱杀菌活性，对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌均表现出优于妥布霉素的敏感性，为开发新型抗菌材料提供了绿色合成路线和理论基础，在抗菌治疗和水体消毒等领域具有广阔的应用前景。