四齿席夫碱(Schiff base)及其锌配合物被葫芦[7]脲(cucurbit[7]uril, CB7)超分子包结：实验与计算相结合的研究

《Results in Chemistry》：Supramolecular encapsulation of a tetradentate Schiff base and its zinc complex by cucurbit[7]uril: A combined experimental and computational study

　　

研究人员采用光谱学与计算方法，在DMSO溶液中研究了新型四齿席夫碱配体(ZH4)及其锌配合物(ZnZH4)被葫芦[7]脲(cucurbit[7]uril, CB7)包结所形成的超分子体系。ZH4经CB7滴定后荧光发射强度显著增强，归因于包结后分子刚性增加，结合常数(binding constant)为5.0 × 104M?1。相比之下，ZnZH4本身荧光很弱，但加入CB7后荧光大幅增强，源于锌配合物的解离，此发现经1H NMR光谱证实。抗菌实验显示ZH4及其CB7包结物对两种革兰氏阳性菌有选择性活性，包结后最小抑菌浓度(minimum inhibitory concentration, MIC)升高表明活性降低。密度泛函理论(density functional theory, DFT)与分子动力学(molecular dynamics, MD)模拟表明，ZH4通过硝基苯酚部分进入CB7空腔形成稳定包结配合物，主要由范德华(van der Waals)与静电相互作用稳定，采用MM-PBSA法估算结合自由能ΔG = ?13.7 kcal·mol?1。

本文解读论文发表于《Results in Chemistry》，研究对象为四齿席夫碱配体ZH₄（由2,2′-二氨基-6,6′-二溴-4,4′-二甲基-1,1′-联苯与5-硝基水杨醛缩合制得）及其锌配合物ZnZH₄与葫芦[7]脲(cucurbit[7]uril, CB7)的超分子包结行为。席夫碱及其金属配合物因多样生物活性被广泛研究，而葫芦脲类主体分子可通过非共价作用包结客体以调控其理化与生物性质，但目前关于四齿席夫碱—金属配合物—CB7三者相互作用及CB7对金属配合物稳定性的影响尚缺乏系统研究。该研究旨在阐明CB7对游离席夫碱及其锌配合物的不同包结模式，评估包结对抗菌活性的影响，并从计算层面揭示作用机理与结合热力学。研究人员通过光谱滴定、核磁共振、抗菌实验结合DFT与MD模拟，证实ZH₄可与CB7形成稳定1:1包结物，而CB7促使ZnZH₄解离并释放游离ZH₄再与CB7结合；ZH₄对革兰氏阳性菌有选择性抑制，包结后活性减弱。该工作深化了对主客体化学调控金属-席夫碱配合物稳定性及生物活性的理解。

为开展研究，研究人员使用的前期关键方法包括：¹H NMR实验（DMSO?d₆中测定游离及含CB7的ZH₄/ZnZH₄谱图）；荧光滴定（激发波长分别为460 nm与410 nm，监测525 nm与457 nm处发射，非线性拟合求结合常数）；抗菌活性测试（琼脂孔扩散法与resazurin法测最小抑菌浓度MIC，菌株为金黄色葡萄球菌 Staphylococcus aureus ATCC 29213、表皮葡萄球菌 Staphylococcus epidermidis ATCC 12228、大肠杆菌 Escherichia coli ATCC 25922及粘质沙雷氏菌 Serratia marcescens ATCC 27117）；计算化学方法——用Gaussian 16进行DFT几何优化(M062x/6-31G(d,p)，SMD溶模型)及频率分析确认极小点，AutoDock Vina分子对接初探结合模式，AMBER 16中GAFF力场、RESP电荷、DMSO溶剂盒子下做200 ns MD模拟(40 ns平衡)，MM-PBSA法取5000帧快照估算结合自由能。

研究结果如下：

3.1. Fluorescence titration（荧光滴定）

ZH₄在452 nm有最大吸收，激发460 nm于525 nm发射；逐次加入CB7后发射强度升高但发射波长不变，说明部分包结使分子受限旋转减少从而荧光增强，按1:1模型拟合得结合常数K = (5.0 ± 0.3) × 10⁴M^?1。ZnZH₄本底荧光极弱，加CB7后荧光剧增且归一化光谱红移逐渐趋近游离ZH₄特征，UV–Vis也重现游离ZH₄吸收带，表明CB7诱导ZnZH₄解离生成ZH₄，后者再与CB7包结发光。

3.2. ¹H NMR（质子核磁共振）

ZH₄与CB7混合后出现酚羟基质子(a, ~13.4 ppm)轻微高场位移、亚胺质子(g, ~9.1 ppm)及芳环质子微小低场位移，说明硝基苯酚环部分伸入CB7空腔、其余结构位于腔外，与MD结果吻合且因快速交换致化学位移变化小。ZnZH₄加CB7后谱图中出现游离ZH₄特征峰(a, g及芳环信号)，证实CB7使ZnZH₄解离为Zn²⁺与ZH₄，后者随即被CB7包结，解离驱动力为Zn²⁺与CB7羰基端口间的离子—偶极相互作用。

3.3. Antimicrobial activity of ZH₄and its CB7 complex（ZH₄及ZH₄–CB7配合物的抗菌活性）

平皿扩散与MIC测定显示ZH₄及ZH₄–CB7仅对革兰氏阳性菌(金黄色葡萄球菌与表皮葡萄球菌)有抑制圈，对革兰氏阴性菌无作用；MIC值ZH₄为89 μg/mL，ZH₄–CB7为200 μg/mL，表明CB7包结降低ZH₄抗菌效力，可能因关键官能团被部分屏蔽妨碍与细菌靶标作用。选择性抑菌归因于革兰氏阳性菌厚肽聚糖层较易被小分子穿透，革兰氏阴性菌外膜脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)构成通透屏障。

DFT（密度泛函理论）

优化得到两种初始结合模式：模式A为硝基苯酚部分(nitrophenol moiety)伸入CB7腔，模式B为溴代甲基苯部分(tolyl moiety)伸入。ZH₄–CB7模式A比模式B焓更有利(~2.1 kcal·mol^?1)，总ΔG更负约4.6 kcal·mol^?1，表明硝基苯酚部分优先被包结，结合过程为焓驱动并伴有不利熵变(ΔH = ?34.4 kcal·mol^?1, TΔS = ?20.6 kcal·mol^?1, ΔG = ?13.8 kcal·mol^?1)。ZnZH₄–CB7两模式ΔG均为正值(模式A ΔG = 8.9 kcal·mol^?1, 模式B ΔG = 23.2 kcal·mol^?1)，配合不稳定；DFT显示Zn²⁺被CB7羰基氧吸引(Zn–O距离缩短至~2.3 ?)，配位水分子被排开(Zn–O(H₂O)由2.2 ?拉长至3.4 ?)，削弱Zn–席夫碱配位键促使其解离。

MD simulations（分子动力学模拟）

仅ZH₄–CB7模式A在200 ns MD中稳定，硝基苯酚苯环质心距CB7质心分布受限，硝基及邻位酚羟基部分进入空腔；分子内氢键平均数由游离态1.72增至包结态1.90，几乎无主客体间氢键。MM-PBSA结合自由能ΔG = ?13.7 ± 2.67 kcal·mol^?1，其中范德华作用ΔE_vdW= ?23.1 kcal·mol^?1、静电作用ΔE_ELE= ?16.8 kcal·mol^?1，去溶剂化项不利(ΔG_PB= 28.8 kcal·mol^?1, ΔG_NP= ?2.6 kcal·mol^?1)，表明包结主要靠范德华与静电贡献稳定。

Conclusion（结论部分翻译）

本研究采用实验与计算方法考察了四齿席夫碱配体(ZH₄)及其锌配合物(ZnZH₄)与葫芦[7]脲(CB7)的络合行为。结果表明ZH₄与CB7形成稳定包结配合物，而ZnZH₄与CB7的结合不利并促进金属配合物解离。抗菌测试显示ZH₄对革兰氏阳性菌具选择性抑制活性，被CB7包结后活性降低。后续研究应拓展至更广菌种(含耐药株)及哺乳动物细胞毒性评价。计算研究进一步支持ZH₄–CB7配合物稳定性：DFT揭示硝基苯酚部分优先被包入主体空腔，MD显示仅为部分包结；MM-PBSA分析表明配合物形成由范德华与静电相互作用共同驱动，前者贡献更大。DFT结果亦表明锌配位削弱客—主相互作用导致结合不利。