铜基金属水凝胶作为Biginelli缩合反应的多功能异相可回收催化剂及抗菌剂

《Dalton Transactions》：A multi-functional copper metallogel as a heterogeneous reusable catalyst for Biginelli condensation and as an antimicrobial agentOpen Access

　　

研究人员利用凝胶因子2-(3-叔丁基-2-羟基-5-甲氧基苄氨基)乙酸（H3L）合成了一种铜金属水凝胶（copper metallohydrogel）。该水凝胶通过流变学（rheology）、基质辅助激光解吸电离-飞行时间质谱（MALDI-TOF）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、场发射扫描电子显微镜（FESEM）、高分辨透射电子显微镜（HRTEM）、原子力显微镜（AFM）、X射线光电子能谱（XPS）、粉末X射线衍射（PXRD）和热重分析（TGA）进行了表征。研究人员考察了该水凝胶作为Biginelli缩合反应的异相、可回收催化剂的效能。此外，研究人员还研究了该水凝胶对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的抗菌活性。

论文解读文章

一、研究背景与科学问题

金属有机凝胶（metal–organic gels, MOGs）是近年来兴起的一类新型软材料，由金属离子与配体或凝胶因子通过自组装形成三维网络结构，能够固定大量溶剂。金属离子与配体的配位作用，以及π–π堆积、氢键、范德华力等非共价相互作用共同驱动金属凝胶的形成，使其结构具有可调性，并能对外界刺激（如温度、pH、化学物质和机械力）作出响应。金属凝胶在染料吸附与分离、催化、传感、药物递送、生物医学应用和电化学应用等领域展现出广阔前景。

杂环化合物是药物化学、农用化学品和材料科学中的重要有机分子类别，其中嘧啶衍生物因具有广泛的生物活性和药学应用价值而备受关注，包括抗菌、抗病毒和抗炎等活性。传统的嘧啶合成方法往往涉及多步操作、苛刻的反应条件和较低的总体产率。多组分反应（multicomponent reactions, MCRs）因此成为快速合成该类衍生物的有力工具。其中，Biginelli缩合反应是经典的构建二氢嘧啶酮（dihydropyrimidinone, DHPM）衍生物的多组分反应，由意大利化学家Pietro Biginelli于1893年首次报道，涉及醛、β-酮酸酯和尿素（或硫脲）在酸性条件下的一锅缩合。已有多种催化剂被用于该反应，包括Br?nsted酸、Lewis酸、过渡金属配合物、离子液体和金属有机框架（metal–organic frameworks, MOFs）等，但现有方法普遍存在催化剂用量高、反应温度较高等问题。值得注意的是，金属凝胶催化剂在该领域尚未被探索。与MOF合成需要多步溶剂热方法不同，金属有机凝胶合成简便，作为异相催化剂具有易合成、可回收和可重复使用的优势。

另一方面，细菌感染是当今主要的健康威胁之一。尽管已开发出大量抗生素，但耐药菌株的快速出现使传统治疗手段效果下降。金属基纳米颗粒、纳米簇、超分子凝胶和金属凝胶因其理化性质、生物相容性和结构多样性，近年来在生物医学应用中展现出潜力。金属凝胶通过金属离子与有机配体的配位驱动自组装形成，兼具金属离子的天然生物活性与凝胶基质的结构优势，可作为抗菌剂。金属中心能够与细菌细胞膜相互作用、产生活性氧物种（reactive oxygen species, ROS）并破坏关键细胞过程，凝胶基质还可作为活性物种的持续释放储库，增强抗菌效果并降低耐药性发展的可能性。

基于上述背景，研究人员利用氨基酸衍生的凝胶因子2-(3-叔丁基-2-羟基-5-甲氧基苄氨基)乙酸（H₃L）与CuCl₂·2H₂O合成了铜金属水凝胶（Cu-MOG），旨在探索其作为Biginelli缩合反应异相可回收催化剂的效能，并初步评估其抗菌活性。

二、关键技术与方法

研究人员采用多种表征手段对铜金属水凝胶进行系统表征：流变学实验测定凝胶的机械强度和粘弹性；MALDI-TOF质谱确认配体与铜离子的1:1配位；FTIR分析配位方式；FESEM、HRTEM和AFM观察干凝胶的纤维状微观形貌；XPS分析元素化学态，确认Cu⁺和Cu²⁺共存；PXRD确认新物相形成；TGA分析热稳定性。催化实验以苯甲醛、乙酰乙酸乙酯和尿素为模型反应，在室温无溶剂条件下进行条件优化。抗菌活性通过琼脂孔扩散法、最低抑菌浓度（minimum inhibitory concentration, MIC）测定、生长曲线分析和结晶紫（crystal violet, CV）生物膜定量实验进行评估，测试菌株包括铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa PAO1）、鲍曼不动杆菌（Acinetobacter baumannii ATCC 19606）和甲氧西林敏感金黄色葡萄球菌（methicillin-susceptible Staphylococcus aureus, MSSA）。

三、研究结果

铜金属水凝胶的合成与表征

研究人员将H₃L（0.08 mmol）溶于含1当量三乙胺的水中，与CuCl₂·2H₂O（0.08 mmol）水溶液混合后，室温静置2分钟即形成深绿色不透明金属有机凝胶。凝胶因子与金属离子比例为1:1，最低凝胶化浓度为43.04 mg mL^-1（4.30% w/v）。MALDI-TOF质谱确认了1:1配合物形成。凝胶具有机械响应性和化学响应性：摇动和超声可使凝胶转变为粘稠溶液，静置后可恢复凝胶态，呈现触变性；加热后凝胶溶解但冷却不能恢复；在pH 4–9范围内稳定。流变学实验表明，储能模量G′在低应变下始终高于损耗模量G″，屈服应力为13.68 Pa，G′–G″差值为151.68 Pa；阶跃应变实验显示凝胶在反复形变后具有可恢复的自修复能力，第一次循环后恢复10%，第二次恢复7%。FTIR显示羧酸根的不对称和对称伸缩振动峰发生位移，表明配体通过羧酸根氧原子与金属配位，Cu–O伸缩振动出现在690 cm^-1。FESEM和HRTEM显示聚集的纤维状形貌，AFM确认互连纤维结构，元素分布均匀。XPS确认C、O、N、Cu存在，Cu 2p谱显示Cu⁺和Cu²⁺共存，Cu(I)由Cu(II)向配体的分子内电子转移产生。TGA显示多步失重，450 °C以上残留物为热稳定的无机产物。PXRD显示与自由配体和CuCl₂前驱体不同的衍射图谱，确认形成了结构不同的含铜新物相。

铜金属水凝胶的催化活性

研究人员以苯甲醛、乙酰乙酸乙酯和尿素为模型反应优化条件。最佳条件为：干凝胶（xerogel）6 mg、无溶剂、室温、3小时，产物5-乙氧羰基-6-甲基-4-苯基-3,4-二氢嘧啶-2(1H)-酮的分离产率达98%。使用3 mg催化剂在50 °C下3小时产率为92%；在水（3 mL）中室温反应3小时产率为80%；使用凝胶态催化剂在50 °C下6小时产率为84%；使用CuCl₂·2H₂O在室温下6小时产率仅62%；无催化剂时6小时产率仅21%。底物拓展实验表明，多种取代苯甲醛（4-甲基、4-甲氧基、4-氯、4-氟）和1-萘甲醛与不同β-酮酸酯（乙酰乙酸乙酯、乙酰乙酸甲酯、乙酰丙酮）和尿素反应，均以84%–97%的产率获得相应二氢嘧啶酮产物。研究人员提出了可能的催化机理：醛羰基配位至Cu中心增强亲电性，促进与尿素缩合生成亚胺/亚胺鎓中间体，烯醇化的乙酰乙酸乙酯对该中间体进行亲核加成形成C–C键，随后发生分子内环化、质子转移和脱水，生成二氢嘧啶酮，Cu活性位点再生完成催化循环。异相性验证实验表明，反应1小时后移除催化剂，反应不再推进；催化剂经离心分离、丙酮洗涤和60 °C干燥后，可连续使用4个循环而无明显活性下降，FTIR和PXRD确认回收催化剂结构完整性保持。ICP-MS测定滤液中铜含量为11.16 ppm，表明催化主要呈异相性质。

铜金属水凝胶的抗菌活性

琼脂孔扩散实验显示，Cu-MOG对MSSA、鲍曼不动杆菌和铜绿假单胞菌均表现出清晰抑菌圈，抑菌圈直径分别为24 mm、17 mm和12 mm。铜绿假单胞菌抑菌圈较小，归因于其外膜渗透性极低，含低渗透性孔蛋白和致密脂多糖层，限制颗粒渗透和金属离子摄取。MSSA的厚肽聚糖层更易被金属基材料破坏。自由配体和CuCl₂·2H₂O单独均表现出抗菌活性，表明Cu-MOG的抗菌效果可能反映铜中心和有机配体的联合贡献。MIC测定结果显示：MSSA的MIC为32 mg mL^-1，鲍曼不动杆菌为64 mg mL^-1，铜绿假单胞菌大于128 mg mL^-1。MIC值高于传统抗生素，但与已报道的凝胶体系相当。生长曲线分析显示，在MIC浓度下，MSSA和鲍曼不动杆菌的增殖被完全抑制。生物膜实验表明，Cu-MOG处理使鲍曼不动杆菌的生物膜指数降低约4倍（p = 0.0054），MSSA的生物膜生物量减少约2–3倍，但对铜绿假单胞菌生物膜无显著效果。Cu-MOG对已形成生物膜的破坏能力具有重要意义，因为预形成的生物膜因致密的胞外聚合物（extracellular polymeric substance, EPS）基质和嵌入细胞代谢活性降低，对常规抗生素具有增强耐受性。

四、讨论与结论

讨论部分指出，Cu-MOG的抗菌活性呈现物种依赖性差异，与细胞包膜结构密切相关。其相对较高的MIC值可能反映扩散受限、接触依赖的作用机制，这在超分子金属凝胶和纳米颗粒体系中常见。鉴于其胶体性质，Cu-MOG更适合局部应用而非全身给药。铜释放动力学、ROS产生、膜完整性和哺乳动物细胞毒性/选择性等机制的定量解析被列为未来研究的重要方向。

研究结论：研究人员利用凝胶因子2-(3-叔丁基-2-羟基-5-甲氧基苄氨基)乙酸（H₃L）合成了铜金属水凝胶，并通过流变学、FTIR、FESEM、EDX、元素分布、HRTEM、AFM、TGA、XPS、MALDI-TOF和PXRD等手段进行了全面表征。干凝胶被用作Biginelli缩合反应的高效异相催化剂，多种取代二氢嘧啶酮以良好至优异的产率合成。催化剂可回收并连续使用4个循环，证实其异相性质。此外，该水凝胶对革兰氏阳性和革兰氏阴性菌株表现出不同程度的抗菌活性，并通过抑菌圈和MIC值等标准生物学参数进行了系统评估。