二价金属-异烟肼腙配合物：合成、波谱学、对接及抗菌活性研究

《Next Materials》：Bivalent metal-isoniazid hydrazone complexes: Synthesis, spectroscopy, docking, and antibacterial activity

　　

新型席夫碱配体(E)-N′-((4-溴萘-1-基)亚甲基)异烟酰肼（BmnisOH）由异烟肼（isoniazid, INH）与4-溴-1-萘甲醛缩合而成。其与Hg²⁺、Zn²⁺、Cd²⁺、Pd²⁺及Pt²⁺等金属离子配位后，形成了通式为[MCl₂(BmnisOH)]的配合物，其中{M²⁺ = Pd(1)、Pt(2)、Zn(3)、Cd(4)、Hg(5)}。这些配合物以单一产物形式获得，产率较高（77–97%）。研究人员采用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、¹H核磁共振波谱（¹H NMR）、¹³C核磁共振波谱（¹³C-NMR）、质谱（mass spectrometry）、元素分析（C.H.N. microanalysis）及摩尔电导率（molar conductivity）等手段对化合物进行了表征。配合物中Zn(II)、Cd(II)及Hg(II)配合物呈现单核四面体几何构型，通过钳形ON配位模式与金属结合；而Pd(II)和Pt(II)配合物则通过双NO配位模式呈平面正方形构型。生物学测试表明，配体及其金属配合物均具有抗菌性能，其中铂(II)配合物活性最高，其次为钯(II)和锌(II)配合物。研究人员选取配合物(1-3)及游离配体对大肠杆菌（Escherichia coli）和金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）进行了抗菌活性评价。尽管效果不及四环素（tetracycline），但其活性特别是在抗大肠杆菌方面显示出进一步开发为抗菌药物的潜力。BmnisOH及其金属配合物与生物素羧化酶（biotin carboxylase）的分子对接研究表明，配合物的结合亲和力均强于游离配体，结合能排序为Pt > Pd > Zn > 配体。铂配合物表现出最高的结合亲和力（–9.6 kcal/mol），与其优异的抗菌活性相关。RMSD值（1.969–4.402 ?）证实了对接构象的可靠性。

异烟肼（isoniazid, INH）作为一线抗结核药物，其化学名称为异烟酸酰肼，广泛应用于结核分枝杆菌（Mycobacterium tuberculosis）感染的预防与治疗。该药物的药理活性主要源于其对分枝菌酸（mycolic acids）合成的抑制作用，而分枝菌酸是细菌细胞壁的关键组分。然而，异烟肼治疗常伴随副作用、耐药性及快速代谢降解等问题，这些因素限制了其治疗潜力。鉴于异烟肼可作为灵活配体，通过氮、氧给体原子与金属离子配位，其配位化学近年来受到广泛关注。研究表明，异烟肼与金属形成配合物能够改变乃至增强其生物活性，包括抗菌、抗真菌及抗癌等效应。特别是过渡金属配合物可通过改变母体药物的亲脂性（lipophilicity）、稳定性及生物利用度，改善药代动力学特性并降低毒性。基于此，研究异烟肼配合物不仅有助于理解这一生物活性配体的配位行为，也为药物设计与开发开辟了新途径。金属-异烟肼配合物可作为潜在前药或治疗剂，有望克服耐药性问题并改善结核病治疗效果。

腙类化合物（hydrazones）是含有特定官能团的重要有机化合物，由肼或肼的衍生物与水合醛或酮反应制得。腙类配体因含多个配位中心而备受关注，可通过羰基和亚胺基团进行配位。异烟肼腙可与多种过渡金属及非过渡金属形成配合物，其配体与金属的选择以及配合物的最终几何构型取决于靶分子类型和待测试的潜在活性。大量研究表明，腙类化合物具有多种生物活性，包括抗菌、抗癌、抗炎、抗氧化、抗癫痫及抗真菌等，同时在工业领域也有重要应用价值，如作为催化剂、气体存储材料及防腐剂等。

分子对接（molecular docking）是一种计算模拟方法，可预测配体与靶标生物分子活性位点的结合模式、相互作用能及优先取向。对于异烟肼及其腙衍生物或金属配合物而言，结核分枝杆菌烯酰-酰基载体蛋白还原酶（enoyl-acyl carrier protein reductase, InhA）是主要的靶标酶。对接模拟可揭示氢键、π-π堆积、疏水作用等非共价相互作用，为结构-活性关系提供重要见解。将分子对接纳入药物研发流程，可辅助合成与分析工作，有助于设计具有改善药代动力学特性和降低耐药性风险的新型异烟肼衍生物。

根据论文内容，研究人员开展了以下工作：首先合成了一种新型席夫碱配体(E)-N′-((4-溴萘-1-基)亚甲基)异烟酰肼（BmnisOH），并将其与不同二价金属离子形成配合物，通过元素分析和波谱方法进行表征，评估其对两种病原菌的体外抗菌潜力，同时通过分子对接研究阐明金属中心和配体环境对抗菌活性的影响。

研究所用的主要关键技术方法包括：以乙醇为溶剂、冰醋酸为催化剂，通过等摩尔异烟肼与4-溴-1-萘甲醛回流反应合成配体；采用等摩尔配体与相应金属盐（HgCl₂、CdCl₂、ZnCl₂、Na₂PdCl₄、K₂PtCl₄）反应制备配合物；利用FT-IR、¹H NMR、¹³C NMR、质谱、元素分析及摩尔电导率进行结构表征；按照Bauer等人建立的方法，以10^?3 M DMSO溶液浓度对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌进行抗菌活性测试，四环素作为标准对照药物；采用AutoDock Vina 1.5.7软件，以金黄色葡萄球菌生物素羧化酶（PDB ID: 3jzf）为靶蛋白进行分子对接研究，利用Discovery Studio 2024进行可视化分析。

研究结果部分如下：

化学合成方面：BmnisOH配体通过等摩尔异烟肼与4-溴-1-萘甲醛在乙醇中缩合，以冰醋酸催化生成白色沉淀，产率91%。配合物[MCl₂(BmnisOH)]通过配体与相应金属盐等摩尔反应制备，Hg(II)、Cd(II)、Pd(II)配合物为黄色沉淀，Zn(II)为白色沉淀，Pt(II)为粉红色沉淀，产率77–97%。配合物在室温下稳定，溶于DMSO、THF和DMF，不溶于丙酮、乙醇、甲醇、乙醚和蒸馏水。元素分析实验值与理论值吻合良好，支持了提出的结构式。摩尔电导率测量显示配合物呈非电解质性质。

表征结果表明：质谱确认配体分子量（m/z = 353.1，计算值353.02）。¹H NMR显示配体中NH质子位于δ_H = 12.23 ppm，亚胺CHN质子位于δ_H = 9.10 ppm；配合物中NH峰仍然存在，表明配体以中性形式配位，未发生酰胺去质子化。Cd(II)和Pd(II)配合物的NH质子明显向低场移动，提示羰基氧参与配位。所有配合物中亚胺质子均向低场移动，其中Cd(II)（Δδ = +0.21 ppm）和Pd(II)（Δδ = +0.19 ppm）变化最大，证实亚胺氮原子与金属中心配位。¹³C NMR显示配体中羰基碳（δ_C = 162.08 ppm）、亚胺碳（δ_C = 150.88 ppm）等信号。IR光谱中，游离配体的ν(CO)在1689 cm^?1，配合物中移至1648–1662 cm^?1（红移27–41 cm^?1），证实羰基氧配位；ν(CN)从1615 cm^?1移至1586–1602 cm^?1，证实亚胺氮配位；新出现的422–484 cm^?1波段归属于ν(M–O)和ν(M–N)伸缩振动。Zn(II)、Cd(II)、Hg(II)配合物呈四面体构型，Pd(II)和Pt(II)配合物呈平面正方形构型。

抗菌活性方面：研究人员评价了BmnisOH配体及其Pd(II)、Pt(II)、Zn(II)配合物对金黄色葡萄球菌（革兰氏阳性菌）和大肠杆菌（革兰氏阴性菌）的抗菌活性。游离配体抗菌活性较弱，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌圈直径（DIZ）分别为9 mm和8 mm（500 μg/mL）。金属配合物活性显著增强，活性顺序为：[PtCl₂(BmnisOH)] > [PdCl₂(BmnisOH)] > [ZnCl₂(BmnisOH)] > BmnisOH。Pt(II)配合物活性最高，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的DIZ分别为16 mm和14 mm，MIC均为125 μg/mL。Pd(II)配合物DIZ为14 mm（金黄色葡萄球菌）和12 mm（大肠杆菌），MIC为250 μg/mL。Zn(II)配合物DIZ为12 mm和11 mm，MIC为250 μg/mL。所有化合物对革兰氏阳性菌的活性略强于革兰氏阴性菌，这与革兰氏阴性菌外膜脂多糖的额外渗透屏障有关。活性增强归因于螯合效应降低了金属离子极性，增加了配合物亲脂性，促进其穿过细菌细胞膜脂质双分子层，进而抑制关键酶促过程或干扰DNA功能。

分子对接方面：以金黄色葡萄球菌生物素羧化酶（PDB ID: 3jzf）为靶标进行对接研究。结合能排序为：Pt配合物（–9.6 kcal/mol）> Pd配合物（–8.1 kcal/mol）> Zn配合物（–7.3 kcal/mol）> BmnisOH（–6.4 kcal/mol）。RMSD值分别为4.402 ?（配体）、1.969 ?（Zn配合物）、2.831 ?（Pd配合物）、3.891 ?（Pt配合物），均在可接受范围内。Zn配合物通过与Gly114、Arg111、Glu288、Gly164等残基配位形成稳定螯合；Pd和Pt配合物通过氯离子和氧原子与Ile110、Arg111形成常规氢键，同时配体芳环与Arg111发生π-堆积作用，酰胺π-堆积（Glu87）进一步稳定结合。Pt(II)配合物的协同结合模式使其具有最高对接评分。

讨论部分，研究人员指出对接评分与体外抗菌活性之间存在显著相关性，支持了生物素羧化酶抑制在配合物抗菌机制中的重要作用。Pt配合物最强结合亲和力对应最高抗菌活性，而游离配体最弱结合对应最低活性，体现了结构-活性关系，证实分子对接可准确预测新化合物的抗菌效能。

研究结论：新型席夫碱配体BmnisOH及其与Hg(II)、Zn(II)、Cd(II)、Pd(II)、Pt(II)的二价金属配合物被成功合成并充分表征。波谱数据证实了配体通过羰基氧和亚胺氮原子以中性三齿钳形ON给体模式配位。Hg(II)、Zn(II)、Cd(II)配合物呈四面体几何构型，Pd(II)和Pt(II)配合物呈平面正方形构型。针对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌测试表明，金属配位显著增强了生物活性，活性顺序为：Pt(II)配合物 > Pd(II)配合物 > Zn(II)配合物 > 游离配体。铂(II)配合物具有最大的抑菌圈（16 mm抗金黄色葡萄球菌，14 mm抗大肠杆菌），尽管所有配合物活性均低于四环素。活性增强归因于螯合后亲脂性增加，促进了膜穿透和细胞内靶点相互作用。针对生物素羧化酶（PDB: 3jzf）的分子对接研究支持了实验发现，结合能与抗菌活性匹配：Pt配合物（–9.6 kcal/mol）> Pd配合物（–8.1 kcal/mol）> Zn配合物（–7.3 kcal/mol）> BmnisOH（–6.4 kcal/mol）。RMSD值（1.969–4.402 ?）在可接受范围内，证实了对接构象的可靠性。铂(II)配合物最高抗菌效能归因于通过与半胱氨酸/组氨酸残基的配位键以及多重氢键和疏水相互作用实现的更强结合。该研究表明，将异烟肼衍生的腙配体与过渡金属（尤其是Pt(II)和Pd(II)）配位，对于开发新型抗菌药物具有前景。尽管配合物未超越四环素，但其结构-活性关系为后续优化提供了有用信息。未来工作应考察毒性、体内疗效，并考虑替代金属中心或配体修饰以增强生物利用度和抗菌效力。