光可调有机金属1,2,3-三唑的构效关系及其作为潜在抗癌细胞毒性剂的研究

《Molecules》：Organometallic Triazoles with Phototunable Properties as Cytotoxic Agents for Potential Anticancer Applications

　　

有机金属–有机杂化分子的构建为获得具有广谱生物活性的分子提供了途径。为简化此类化合物的构建，需要建立结构–活性关系以及理化性质–活性关系。本研究考察了含环戊二烯基三羰基锰烷基（cymantrenylalkyl）或二茂铁基烷基（ferrocenylalkyl）部分的1,2,3-三唑。光物理性质研究表明，荧光主要受介质粘度和聚集体形成的影响。1,2,3-三唑的氧化还原性质由有机金属部分及其在杂环中的位置决定。实验与理论研究表明，有机金属部分在改变1,2,3-三唑的电子性质和反应性方面起关键作用。仅有cymantrene（环戊二烯基三羰基锰）衍生物表现出光化学活性，光解导致在杂环中形成含Mn–N2键的稳定螯合物。值得注意的是，这些螯合物反应性最高且最易发生氧化。对1,2,3-三唑抗肿瘤活性的研究表明，1-cymantrenylethyl-4-phenyl-1,2,3-triazole（4）在暗条件下表现出最高细胞毒性（A549：CC₅₀ = 9.0 ± 0.6 μM；HCT116：CC₅₀ = 15.9 ± 2.2 μM），而照射的影响不一致且取决于孵育时间。因此，该研究为基于光可调有机金属化合物的生物活性分子的合理设计开辟了道路。

研究背景：1,2,3-三唑环是含三个氮原子的五元杂环，已成为重要药效团，也可作为连接其他药效团的连接子。其重要生物活性主要源于易合成和修饰，铜催化叠氮–炔环加成（CuAAC，点击反应）是主要合成方法之一；1,2,3-三唑还能与酶、蛋白和受体形成氢键、范德华和偶极–偶极等非共价相互作用，因而具有抗菌、抗疟、抗结核、抗病毒、抗寄生虫和抗肿瘤等活性，并可诱导癌细胞周期阻滞和凋亡。三唑是多齿配体，可与金属形成稳定配合物；三唑-胺铂配合物对乳腺癌细胞系具选择性细胞毒性；引入有机金属片段可获得目标性质，含三唑片段的单金属和异双金属配合物对结肠癌细胞CT26和HT29有显著抗肿瘤活性，其中二茂铁和二吡啶胺配合物抑制活性与顺铂相当。二茂铁研究充分，其衍生物抗癌效果可与顺铂相比；cymantrene（环戊二烯基三羰基锰）衍生物研究较少但具前景，含cymantrenyl片段可增加细胞通透性，锰可在癌细胞累积并跨膜；进入细胞后光照光解可释放CO，导致癌细胞死亡或活力降低，具高光毒性；此类光敏有机金属化合物可在低氧张力下产生ROS或通过替代机制补充¹O₂途径，从而治疗缺氧肿瘤；锰羰基配合物属于PhotoCORMs（光诱导一氧化碳释放分子），对几乎全部癌细胞系具高细胞毒性。现存问题在于需建立构效关系和理化性质–活性关系以简化生物活性分子构建，并需开发具可变、可控光物理和生物性质的光可调细胞毒性剂用于癌症诊疗。为此，研究人员旨在建立跨学科方法创建光可调细胞毒性剂，比较含二茂铁和cymantrene的1,2,3-三唑与有机类似物，确定金属及结构对活性的影响，并在A549（人非小细胞肺癌）、HCT116（人结直肠癌）和MCF7（乳腺癌）细胞系中于暗条件和UV照射下测试。

关键技术方法：合成三唑1–5采用CuAAC，2采用先前方法提高产率，6经有机金属取代基迁移制得；结构经NMR、高分辨质谱和单晶X射线衍射（XRD）确认，并进行Hirshfeld表面分析；测定固相和乙醇溶液UV–visible、荧光光谱（量子产率及水–乙醇聚集）；用循环伏安法（CV）研究氧化还原；用密度泛函理论（DFT）和含时DFT（TD-DFT）及自然跃迁轨道（NTO）、分子静电势（MEP）计算；以365 nm光解并结合红外光谱（IR）、电喷雾电离质谱（ESI-MS）、UV–vis、荧光和CV监测；用MTT法在A549、HCT116、MCF7细胞系评估暗/UV细胞毒性，细胞系2024年STR谱分析、使用前支原体检测。

研究结果：
2.1 4-苯基-1,2,3-三唑的合成与X射线晶体学研究：研究人员经CuAAC合成1–5，2经改进方法合成，6经取代基迁移；光谱确认结构，2获单晶XRD。晶体堆积因金属和取代基不同而显著不同，但由相似基团间相似相互作用形成；1和2形成主要由氢键稳定的二聚体，2的二聚体成链并呈圣诞树堆积；6沿b轴形成强堆积和梯状分子堆；1换为3后变为三维氢键框架；Hirshfeld表面显示N···H–C作用为亮红点并在二维指纹图中呈尖峰，3还有O…C作用，H…H接触最多。结论：结构修饰改变晶体堆积和分子间相互作用。
2.2 三唑1–6的光物理性质：固相UV–visible显示3和4谱相似，吸收带源于有机金属部分d–d*跃迁；1–2和6在350–500 nm有ferrocenyl d–d*带；3在300–350 nm分裂而4无，二茂铁衍生物450 nm半高宽按1<6<2变化；5仅见π–π*吸收带边缘；E_g^opt按5>3>4>1>6≈2降低。乙醇中3–4在330 nm、1–2和6在420 nm有d–d*带，所有有机金属化合物在270 nm有π–π*带；5在268、274、281 nm有三带。荧光（λ_Ex=285 nm）最大约355 nm，1–4和6的量子产率0.3–0.4，5为0.24，Stokes位移73–90 nm；发射来自三唑–苯基共轭系统，N1/N2取代基不参与共轭；有机金属到三唑的非辐射能量转移可解释1–4和6量子产率较5约增高1.5倍。4的水–乙醇聚集研究显示水含量增至0.3时荧光增强，随后猝灭，最大从355 nm移至375 nm；低水含量时粘度与聚集竞争且粘度更显著，高水含量时二者协同。结论：荧光受介质粘度和聚集影响，可用于监测转化。
2.3 三唑1–6的电化学行为：CV显示1–3和5在还原支仅一不可逆双电子波；1还原电位低于5，归因于三唑氮与铁分子内相互作用；1到6还原电位显著升高；甲基取代出现两步单电子还原；2和4初始还原电位接近，归因于铁–三唑相互作用；第二电子转移cymantrene比二茂铁容易，差0.43 V。氧化均为单电子；二茂铁片段约0.1–0.4 V氧化，cymantrene约1 V；1和2为准可逆，2出现第二氧化波可能与BF₄^?配位有关；甲基作为σ给体降低电位；6比1易氧化。2和6最易氧化，6不可逆氧化最有前景。电子参数显示3和4电离势最高，1和6相似且比2低0.13 eV；给电子甲基对cymantrene影响弱、对二茂铁影响明显；电子亲和势降低；能隙6<2<1<4<3<<5，与光学E_g一致，结构变化对二茂铁烷基E_g影响最大。结论：氧化还原由金属片段、位置和分子内相互作用决定。
2.4 三唑1–6的DFT计算：TPSSh优化3的键长误差<0.01 ?，并计算1–2和4–6。TD-DFT显示3在200–400 nm有255和310 nm两带，310 nm由310.7和307.3 nm跃迁组成；NTO分析表明310.7 nm为81.3% Mn d轨道到三唑π*的MLCT（金属到配体电荷转移），307.3 nm为金属d壳内简并跃迁（63.4%和31.8%，合计95.2%）；MLCT对三羰基cymantrene不典型，可能与三唑的给受体性质有关。FMO的HOMO–LUMO能隙顺序6<2<1<4<3<<5与实验一致。反应性参数显示cymantrene衍生物电负性最高、受体性最强；甲基影响小于有机金属片段从1位迁至2位；全局软度6最高、5最低；全局亲电性表明cymantrenyl易与软亲核试剂反应且甲基促进；ΔN_max为正，所有三唑为受体，3、4、6电子接受能力最高，研究人员据此提出6可能具最高生物活性的假设。MEP显示正蓝区位于连接芳香取代基与三唑的甲基/乙基连接基氢附近，3和4的连接基正电位最高，3和4的CO碳为亲核攻击位点并提示锰配体交换可能；所有三唑最大负电荷在杂环氮，N3最可能受亲电攻击；6氮MEP最低、反应性降低。结论：三唑可作亲电或亲核体，具多机制抑制癌细胞潜力。
2.5 三唑3和4的光化学性质：先前研究表明3和4在365 nm照射下发生光诱导配体交换，生成含Mn–2N三唑键的螯合物di3、di4和Mn–溶剂二羰基配合物3DMF、4DMF；比例取决于溶剂n供体和Cp α取代基，热反应使分子间配合物转为螯合物。水–乙醇中1–2和5–6经365 nm照射10 min无光谱或CV变化，为光惰性。3和4的IR监测显示ν(MCO)2024和1943 cm^?1降低，出现1944/1880 cm^?1（di3/di4）和1931/1958 cm^?1（3sol/4sol）新带；5 min热反应后溶剂配合物几乎不可见，螯合物强度增加并45 min稳定；延长照射使di3/3sol强度比由1.2升至1.6。光解经CO消除形成16电子Mn中心，由溶剂和杂环氮稳定，配体交换生成热力学更稳定螯合物；4 min内11.7 μmol 3和4释放CO最少8.0和7.7 μmol。ESI-MS检测到[M–2CO+CH₃CN]⁺和[M–2CO]⁺。UV–vis显示327 nm带随水比例变化弱，水/乙醇消光增1.6倍，可能为MLCT；照射后出现349 nm新带，从纯乙醇到水向低能移动5 nm；TD-DFT将di3的393.4 nm态对应实验349 nm，96.8%为Mn d到三唑–苯基π*转移。荧光显示di3/di4谱不变但295–600 nm强度降1.1倍，无新能级；电荷转移复合物引起部分能量转移和非辐射复合。CV显示新不可逆单电子氧化峰?0.04 V和?0.08 V；di3两个连续不可逆还原峰总双电子，第一还原比3快；di4第一不可逆、第二准可逆；di3/di4能隙降至0.73和0.71，氧化电位更低、反应性增强，比1–2和6更易氧化。结论：仅cymantrene衍生物具光化学活性，光解形成稳定螯合物并改变性质。
2.6 三唑1–6的抗癌活性：MTT法显示暗条件下4活性最强，抑制A549（CC₅₀=9.0±0.6 μM）和HCT116（CC₅₀=15.9±2.2 μM）；5对A549最活跃（CC₅₀=12.0±1.5 μM），2对MCF7最活跃（CC₅₀=18.3±5.8 μM）；1和3无显著细胞毒性（CC₅₀>300 μM），6对HCT116有差异活性（CC₅₀=37.0±13.3 μM）。UV照射和孵育时间效应不一致：UV增强5和6对HCT116毒性，降低5对A549和MCF7及2对MCF7毒性。研究人员建议4最有前景，2、5、6为相应肿瘤细胞系靶向治疗候选；并指出缺乏参考细胞毒和非恶性对照为局限。结论：4细胞毒性最高，UV效应需进一步研究。

讨论总结：研究人员指出理化性质并非生物活性唯一决定因素，简单系统不能反映复杂生物过程；6基于初步能力应具活性却对A549和MCF7无细胞毒性，可能因生物分子不能与其形成稳定键或形成不抑制功能的结合物；暗条件下有机金属化合物对A549和MCF7活性与三唑还原容易程度部分相关；5虽还原电位低但以不同机制抑制A549；不能排除与生物分子形成分子间相互作用降低还原电位、增强电子接受能力；光惰性2、5、6的UV效应可能归因于与不同生物分子形成复合物；光活性3、4的生物活性依赖照射前孵育时间；Cp侧链1位甲基对生物活性影响最大；Mn或Fe在细胞毒性中的作用需进一步研究；需考虑与生物分子的相互作用及反应性变化，该假设需仔细研究。

研究结论翻译：研究人员系统研究了含1位有机金属取代基的4-苯基-1,2,3-三唑的结构、光物理、电化学和电子性质，并与有机类似物及2,4-取代衍生物比较。引入有机金属部分较有机类似物提高荧光强度；三唑衍生物荧光依赖介质粘度和溶液中分子聚集；氧化和还原不仅由有机金属片段性质决定，也由其杂环位置及金属原子与杂环氮原子分子内相互作用可能性决定；实验和计算显示二茂铁衍生物最活泼，但cymantrenylalkyl取代促进与软亲核试剂反应；光化学研究表明仅cymantrene衍生物能发生锰原子配体交换，水–乙醇照射形成含Mn–N三唑键螯合物和Mn–溶剂二羰基配合物，螯合物热力学更稳定；形成螯合物改变光物理和电化学性质并提高cymantrene烷基衍生物反应性和氧化剂电位；有机金属三唑对A549、HCT116和MCF7的生物活性取决于还原电位；1-(cymantrenylethyl)-4-phenyl-1,2,3-triazole（4）细胞毒性最高（A549 CC₅₀=9.0±0.6 μM；HCT116 CC₅₀=15.9±2.2 μM）；UV照射效应不明确，需进一步研究机制；首次研究cymantrenylalkyl和ferrocenylalkyl三唑的水–乙醇荧光、电化学、电子和抗癌性质并经DFT确认，显示UV下细胞活性改变；其作用机制及各种生物分子影响需进一步研究；构建准确生物活性预测模型和构效关系，需研究三唑与癌细胞主要生物分子相互作用及结合对理化性质影响，并扩大化合物范围；研究1位侧链或4位苯环取代基性质有意义。