基于吡唑基碳酰肼的Schiff碱及其铜(II)配合物：设计、合成、表征、密度泛函理论（DFT）研究，以及体外抗癌、抗菌和计算机模拟的抗疟疾活性测试

《Inorganic Chemistry Communications》：Pyrazolylcarbohydrazide-derived Schiff bases and their cu(II) complexes: Design, synthesis, characterization, DFT, in-vitro anticancer, antimicrobial and in-silico antimalarial studies

　　

普拉蒂玛·库马里（Pratima Kumari）、穆克塔尔·艾哈迈德（Mukhtar Ahmed）、阿曼·库马尔（Aman Kumar）、阿扎杰·安萨里（Azaj Ansari）、穆拉卡·马鲁蒂（Mulaka Maruthi）、杨加拉·苏迪尔·巴布（Yangala Sudheer Babu）、肖里亚·普拉卡什（Shaurya Prakash）、安特雷什·库马尔（Antresh Kumar）、拉梅什·卡塔里亚（Ramesh Kataria）、维诺德·库马尔（Vinod Kumar）

印度哈里亚纳邦中央大学基础科学学院化学系，马亨德加尔（Mahendergarh），邮编123031

摘要

为了探索基于铜的生物活性剂，我们报道了新型吡唑基碳肼连接配体及其铜（II）配合物的制备过程。这些化合物的结构通过先进的光谱技术和热重分析方法得到确定。进一步的结构信息基于密度泛函理论（DFT）研究的结果进行了解释。合成的铜（II）配合物在高达365°C的温度下仍能保持稳定，显示出较高的热稳定性。扫描电子显微镜数据显示，配体表面粗糙呈棒状，而铜（II）配合物则具有均匀、光滑的形态，并呈现出束状结构。生物筛选实验表明，这些化合物对A549肺癌细胞和Vero细胞具有抗癌潜力，同时对白色念珠菌（Candida albicans）以及大肠杆菌（Escherichia coli）和金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）具有抗菌作用。在抗癌筛选中，化合物4c、4d和4e的IC50值分别为97.75±7.34 μg/mL、67.82±1.56 μg/mL和55.66±5.05 μg/mL，优于常用的抗癌药物卡博铂（Carboplatin，IC50值为93.67±4.57 μg/mL）。此外，铜配合物4d对金黄色葡萄球菌的抗菌浓度为0.5418 mg/mL，对大肠杆菌的抗菌浓度为0.5114 mg/mL；配体3a和3c对金黄色葡萄球菌的抗菌浓度分别为1.142 mg/mL和0.4867 mg/mL。通过分子对接实验评估了这些化合物对抗恶性疟原虫（Plasmodium falciparum）二氢叶酸还原酶-胸苷酸合成酶（PDB ID：1j3i）的潜力。

引言

顺铂（Cisplatin）作为化疗药物的出现，开启了金属基药物的时代，这类药物能够与DNA分子结合并破坏其结构[1]、[2]、[3]。顺铂和卡博铂（Carboplatin，图1）作为第一代金属药物，通过在鸟嘌呤（guanine）碱基N-7位形成铂加合物来激活DNA损伤响应蛋白[4]。抑制周期依赖性激酶（CDK）后，这些蛋白会通过p53信号通路诱导细胞死亡[5]、[6]。顺铂的主要缺点是自我诱导的耐药性以及系统性毒性，尤其是肾毒性和耳毒性[7]。这促使人们重新设计了卡博铂的配体结构，并探索了在生理条件下能与DNA相互作用的生物相容性金属配合物[8]、[9]、[10]。

执行多种生物功能的金属蛋白通常包含第一过渡系列中的多种金属元素。铜在超氧化物歧化酶[11]、酪氨酸酶[12]、多巴胺β-羟化酶[13]、细胞色素氧化酶[14]和蓝色铜蛋白[15]等化合物中尤为关键，因为铜对核碱基具有很强的亲和力[16]、[17]、[18]，并且具有重要的氧化还原特性[16]、[18]。因此，铜配合物成为众多研究的热点。文献表明，铜配合物具有光解、水解和氧化核酸酶活性[19]、[20]、[21]。此外，有研究指出甘氨酸-铜配合物能够恢复白血病细胞的耐药性[22]、[23]。

含氮配体及其与不同金属形成的配合物在有机合成、染料、荧光剂和聚合物制造等应用中展现出广泛的应用前景[24]、[25]、[26]。它们还能通过破坏细胞膜来对抗多种微生物，包括病毒、真菌和细菌[27]、[28]、[28](a)、[28](c)、[28](d)、[28](e)、[28](f)、[28](g)。此外，这些配体还对肺癌、结肠癌和乳腺癌细胞表现出抗癌活性[29]。由于氢键和其他分子间相互作用带来的结构灵活性，金属配合物在形成超分子结构方面更为高效[30](a)、[30](b)。

通过修改金属配合物的结构，可以改变其电子和磁性质，从而使其适用于多种应用[31]。分子内和分子间的相互作用，如氢键、配位键、π-π堆叠和电子转移反应，显著影响金属离子的独特性质[31a]。最近的研究表明，席夫碱（Schiff base）的铜配合物具有预防肺癌的作用，因此合成具有抗癌特性的铜（II）配合物具有重要意义[31b]。

在本研究中，我们合成了一系列吡唑基碳肼连接的螯合剂及其新型铜（II）配合物，对其进行了详细的表征，并评估了它们对A549肺癌细胞和Vero细胞的细胞毒性。为了研究其抗菌潜力，通过体外实验评估了所有化合物的抗菌效果。同时，通过DFT和分子对接理论研究分析了这些化合物的结构特征及其与pf DHFR-TS蛋白（PDB ID：1j3i）的结合能力，以评估其抗疟疾潜力。

节选内容

化学

配体（3a-e）是按照先前报道的程序[32]制备的（方案1）。采用文献中的方法[33]合成了多种肼类化合物，这些肼类化合物与Vilsmeier-Haack试剂反应生成3-芳基-1-苯基-1H-吡唑-3-甲醛，随后经KMnO4处理生成羧酸[34]、[35]。这些羧酸进一步通过硫酰氯转化为相应的酯类[36]。

DFT研究

本研究优化了五种合成的配体（3a-e）及其相应的铜（II）配合物（4a-e）的结构（见图S13和图8）。结构分析显示，铜（II）中心的配位环境受到芳香环上取代基的影响而发生畸变。

为了进一步了解配体和铜（II）配合物的稳定性、电子特性和反应性，我们进一步进行了前沿分子

材料

本研究中使用的化学试剂和材料，如-o-羟基乙酰苯酮（>99%）和Cu(NO3)2·3H2O（≥98%），均为AR级纯度。这些试剂直接从商业供应商处购买，无需进一步纯化。

仪器设备

使用Perkin-Elmer BX III光谱仪，在4000–400 cm?1的频率范围内测量FT-IR光谱数据。Bruker Avance III 500 MHz NMR设备用于获取席夫碱配体的1H和13C核磁共振数据。

结论

我们合成了五种新型吡唑基碳肼连接的席夫碱配体（3a-e）及其铜（II）配合物（4a-e），并利用物理和光谱方法对其进行了表征。光谱数据分析及DFT研究表明，铜（II）配合物具有平面四方结构。生物筛选结果显示，这些铜（II）配合物的抗癌效果优于相应的配体，其效力顺序为：4b > 4c > 4a > 4e > ……

作者贡献声明

普拉蒂玛·库马里（Pratima Kumari）：负责撰写初稿、验证结果、概念构思。穆克塔尔·艾哈迈德（Mukhtar Ahmed）：负责软件开发。阿曼·库马尔（Aman Kumar）：负责数据验证和形式分析。阿扎杰·安萨里（Azaj Ansari）：负责软件开发和形式分析。穆拉卡·马鲁蒂（Mulaka Maruthi）：负责资源协调和数据管理。杨加拉·苏迪尔·巴布（Yangala Sudheer Babu）：负责形式分析。肖里亚·普拉卡什（Shaurya Prakash）：负责形式分析。安特雷什·库马尔（Antresh Kumar）：负责资源协调。拉梅什·卡塔里亚（Ramesh Kataria）：负责撰写、审稿和编辑工作，以及软件开发和形式分析。维诺德·库马尔（Vinod Kumar）：负责撰写、审稿和监督工作。

[30], [37], [45]

维诺德·库马尔（Vinod Kumar）是印度哈里亚纳中央大学（Central University of Haryana, Mahendergarh）化学系的高级教员。他指导过多名博士生和研究生，在杂环化学、绿色化学、药物化学、配位化学和过程开发领域做出了重要贡献。他发表了120多篇研究论文，撰写了3本国际专著，并拥有27项印度专利。