基于2-氰基-N’-(2-羟基亚苄基)-3-苯基丙烯酰肼衍生金属配合物的合成、光谱、非线性光学性质、分子对接及细胞毒性研究

《Scientific Reports》：Synthesis, spectral, nonlinear optical properties, molecular docking and cytotoxicity studies on some metal complexes derived from 2-Cyano-N’-(2-Hydroxybenzylidene)-3-Phenylacrylohydrazide

　　

研究人员讨论了2-氰基-N’-(2-羟基亚苄基)-3-苯基丙烯酰肼(H2L)及其Ni2+、Cu2+、Co2+和Zn2+配合物的合成与研究。这些化合物通过多种技术表征，包括CHN分析、红外(IR)光谱、质谱(MS)、13C及1H核磁共振(NMR)、热重分析(TGA)、电子自旋共振(ESR)、紫外-可见(UV-Visible)光谱及磁矩测定。采用DFT计算(DFT/B3LYP)水平结合6-311?+?+?G(d, p)基组对建议结构进行几何优化。研究提出Ni2+和Co2+配合物为八面体立体化学；Cu2+配合物为平面四方几何构型；Zn2+配合物为四配位立体化学。H2L的IR光谱经模拟并与实验结果对比，相关系数R2?=?0.99976。UV-Visible光谱用于确定光学带隙，范围为3.26–3.28 eV。研究了DFT优化化合物的非线性光学(NLO)性质，显示其值高于尿素。利用分子对接研究合成化合物与肝癌及结肠癌靶蛋白的可能相互作用。检测了所述化合物对HeP2G和HCT-116细胞系的活性，并以阿霉素(Doxorubicin)和索拉非尼(Sorafenib)为标准比较其抗癌活性。H2L对HeP2G细胞系表现出强细胞毒性；另一方面，Zn2+配合物对HCT-116细胞系表现出强细胞毒性。

该研究背景源于癌症作为全球主要死因，每年导致超1000万人死亡，且约90%的癌症死亡源于药物耐药性与肿瘤血管生成的协同作用。现有化疗药物伴随显著副作用且易复发，亟需开发创新动态药物。席夫碱(Schiff base)因其含亚甲胺基(C?=?N)及邻近供电子基团（如OH），可易与过渡金属形成稳定配合物，金属配位能改善有机分子的理化性质、稳定性及靶向性，故席夫碱金属配合物在抗氧化、抗菌及抗癌领域具广阔前景。本研究旨在合成新型席夫碱配体2-氰基-N’-(2-羟基亚苄基)-3-苯基丙烯酰肼(H₂L)及其Zn²⁺、Co²⁺、Cu²⁺、Ni²⁺配合物，通过实验与理论计算表征结构，评估光学性质、非线性光学(NLO)性能及对肝癌(HePG2)与结肠癌(HCT-116)的细胞毒性，结合分子对接探讨相互作用机制，为抗癌药物研发提供候选分子。论文发表于《Scientific Reports》。

研究人员采用的关键技术方法包括：通过元素分析(CHN)、红外(IR)、质谱(MS)、核磁共振(¹H/¹³C NMR)、热重(TGA)、电子自旋共振(ESR)、紫外-可见(UV-Vis)光谱及磁矩测定进行结构表征；采用Gaussian 03 W程序与B3LYP/6-311?+?+?G(d, p)方法进行密度泛函理论(DFT)几何优化与光谱模拟；利用MOE 2019.102平台对肝癌蛋白(4fm9)与结肠癌蛋白(3ig7)进行分子对接；通过MTT法检测化合物对美国典型培养物保藏中心(ATCC)来源的HePG2（肝细胞癌）与HCT-116（结肠直肠癌）细胞系的细胞毒性（以阿霉素与索拉非尼为阳性对照）；在生理条件(pH 2与8，37 °C)下考察金属配合物稳定性。

研究结果如下：

IR spectra：H₂L实验与理论IR光谱相关系数R²?=?0.99976，证实其以酮式存在（含ν(NH)、ν(CONH)、ν(C?=?O)）。配合物中ν(C?=?O)、δ(NH)消失，酚羟基OH消失（Co²⁺除外），出现ν(M-O)与ν(M-N)键，表明Ni²⁺、Cu²⁺、Zn²⁺配合物中H₂L以双负三齿（去质子化烯醇氧ONO）配位，Co²⁺配合物中以单负双齿（亚甲胺氮与去质子化烯醇氧）形成1:2配合物。

Nuclear magnetic resonance：¹H-NMR中H₂L显示酚OH(11.12 ppm)与NH(9.0 ppm)信号，Zn²⁺配合物中此二信号消失，证实配位后去质子化及烯醇式存在。¹³C-NMR中H₂L羰基碳(163.4 ppm)、烯醇碳(159.1 ppm)、亚甲胺碳(148.5 ppm)与腈基碳(117 ppm)信号明确。

Mass spectra：H₂L分子离子峰m/z?=?290.89（理论291.31），各配合物分子离子峰均与理论分子量吻合（如Cu²⁺配合物m/z?=?407.19，理论406.88；Co²⁺配合物m/z?=?704.08，理论702.59，证实1:2组成）。

Electronic spectra and the effective magnetic moments (μ_eff)：Ni²⁺配合物μ_eff?=?3.31 B.M.，电子跃迁支持八面体构型；Cu²⁺配合物μ_eff?=?1.88 B.M.，d-d跃迁支持平面四方构型；Co²⁺配合物μ_eff?=?5.2 B.M.，支持八面体构型。

ESR of the [Cu(L).H₂O]2H₂O complex：g_|| (2.20298)?>?g_⊥ (2.06918)?>?2.0023，G?=?2.93?2B_1g，证实平面四方几何。

Thermal gravimetrical analyses (TGA)：各配合物失水与分解阶段与理论计算吻合，最终残炭分别为CuO、NiO、CoO、ZnO，验证组成与热稳定性。

Optical band gap：H₂L带隙3.30 eV，配合物3.26–3.28 eV，均为直接跃迁半导体材料，配位后轨道扩展致带隙减小。

Geometry optimization：DFT优化显示Co²⁺、Ni²⁺为八面体，Cu²⁺、Zn²⁺为平面四方（略有畸变），键长M-O/M-N与文献类似物吻合。

Frontier molecular orbitals：H₂L的E_H-L最大(3.3 eV)，Zn²⁺配合物全局硬度最低(1.676 eV)、软度最高(0.5967 eV)，电荷转移能力增强。

The molecular electrostatic potential map (MEP)：红色区（O/N富电子）为亲电反应位点，蓝色区（H）为亲核位点，配合物中水分子H呈蓝色正电位。

ELF and LOL analysis：C–H、C–C、N–H等高ELF/LOL红/黄色区示强共价性，O/N孤对电子与金属核心电子可见，共轭体系离域稳定分子与配合物。

Natural bond orbital (NBO) calculations：金属净电荷低于+2（Ni²⁺ 1.31787 e，Cu²⁺ 0.81279 e等），证实配体→金属电荷转移(LMCT)；供体孤对电子与金属空轨道作用稳定配合物（如Ni²⁺中LP N13→LP* Ni29稳定能135.4 kcal/mol）。

NLO properties：所有化合物一级超极化率(β_total)均大于尿素，Ni²⁺配合物最高(6.305?×?10^?29 esu)，偶极矩9.06 Debye，π电子离域与电荷转移增强NLO响应。

Molecular docking：H₂L酮式与肝癌蛋白4fm9对接得分-6.85（与GLU 682、LEU 592、LEU 705形成H-供体/受体及pi-H作用）；Zn²⁺配合物与结肠癌蛋白3ig7对接得分-6.63（与LYS 89、LEU 298氢键，与LEU 592、ARG 675 pi-H及pi-阳离子作用），优于其他配合物。

Cytotoxicity activity：H₂L对HePG2的IC₅₀为19.42?±?1.4 μg/ml，对HCT-116为35.14?±?2.2 μg/ml；Zn²⁺配合物对HCT-116的IC₅₀为18.16?±?1.4 μg/ml，对HePG2为50.26?±?2.9 μg/ml；Ni²⁺中等活性，Cu²⁺对HCT-116无显著毒性；活性低于含C?=?S类似物，归因于腈基(C?≡?N)活性弱于硫代羰基。

总结讨论部分：结构表征确证新型配体H₂L及金属配合物合成成功，配位模式因金属而异（Ni/Cu/Zn为三齿1:1，Co为双齿1:2）。DFT模拟有效揭示立体化学与配位模式。光学带隙证实半导体特性。游离配体尤其H₂L对HePG2、Zn²⁺配合物对HCT-116具强细胞毒性，金属离子显著影响活性。虽需进一步体内研究与长期安全性评价，但该工作为抗癌候选分子提供依据。

翻译研究结论部分：总之，结构表征证实了新型配体2-氰基-N’-(2-羟基亚苄基)-3-苯基丙烯酰肼及其若干金属配合物已成功合成。根据所用金属离子不同，该配体具有不同的螯合模式。它以三齿方式与Ni²⁺、Cu²⁺和Zn²⁺配位形成1:1螯合物；另一方面，它以双齿模式与Co²⁺作用形成1:2金属螯合物。化合物的DFT光谱模拟为立体化学与配位模式提供了良好的理论信息。光学带隙测量证明了配体及其金属螯合物的半导体性质。本工作表明游离配体及其若干金属螯合物（尤其是Zn²⁺配合物）分别对HePG2和HCT-116具有强细胞毒性。金属螯合物活性的差异突出了金属离子的影响。尽管仍需要进一步研究来考察体内细胞毒性及所研究化合物在长期应用中的安全性。