炔基化与烷氧基化查尔酮的结构、电子、热学和电导率性质的实验与理论方法研究及其在棘阿米巴细胞中细胞毒性机制的阐明

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Experimental and theoretical approaches on structural, electronic, thermal and conductivity properties of ethynylated versus alkoxylated chalcones and elucidation of their cytotoxicity mechanisms in Acanthamoeba cells

　　

摘要：通过Claisen-Schmidt缩合反应，成功设计并合成了具有给体-π-受体（D-π-A）和给体-π-给体（D-π-D）体系的炔基化及烷氧基查尔酮衍生物新成员（4TDEP和4HPEP）。利用FTIR、1H和13C NMR、UV–Vis、UV-荧光及TGA分析确定了这些分子的理化性质。采用B3LYP/6-311G (d,p)基组的密度泛函理论（DFT）计算分析了这些化合物的优化分子几何结构、HOMO-LUMO能级以及分子静电势（MEP）。4TDEP的能隙低于4HPEP；然而，两种化合物均落在半导体能隙范围内。在ITO玻璃基底上制备的OLED薄膜表现出电致发光行为，证实了这些化合物作为发光材料的潜力。同时，作为新兴化合物开发中环境安全管理策略的一部分，进行了利用棘阿米巴（Acanthamoeba）细胞进行的生物分析。细胞毒性评估显示，4TDEP未表现出细胞毒性，而4HPEP显示出显著的生物活性。仅确定了4HPEP的IC??值。通过AO/PI染色证明，经4HPEP处理的细胞还观察到形态改变和膜完整性破坏。相比之下，暴露于4TDEP的细胞中未检测到此类影响，包括细胞形态改变或膜损伤。令人惊讶的是，4HPEP表现出与其光电性质相关的更强生物活性，而4TDEP则保持生物惰性，这表明结构-电子-性质依赖性在主导细胞毒性反应中起作用。尽管4TDEP表现出有前景的生物活性，但建议进行进一步的结构修饰，以在保持其理想光电性能的同时尽量减少细胞毒性影响。

引言：有机荧光分子因制备简单、结构多样、光学性质可调且应用领域广泛（如有机发光二极管OLED）而备受关注[1]。然而，由于聚集导致猝灭（ACQ）效应[2]，大多数有机荧光团在固态下性能较差。为克服这一局限，聚集诱导增强发光（AIEE）已被探索并引入光化学材料中。AIEE是一种重要的光物理现象，分子在聚集时因分子内运动受限并具有非平面几何结构，而变得高发光[3]，从而产生强荧光发射[4]、[5]、[6]。在此背景下，基于给体-π-给体（D-π-D）架构的分子通过连接给电子基团的π共轭桥实现有效的分子内电荷转移（ICT），产生大的斯托克斯位移和可调发射波长[7]、[8]。互补地，给体-π-给体（D-π-D）体系支持AIEE行为和高电子迁移率，使其成为电子显示器发光材料的稳定候选者[7]、[8]。

离域电子的共轭π体系促进了能带之间的电荷转移并稳定了吸收的能量。此外，由于有机底物上取代基模式变化而产生的HOMO与LUMO轨道之间可调的能隙，也有助于光诱导电荷转移[9]、[10]。在各种π共轭有机材料中，查尔酮衍生物因性价比高、结构多样、易于化学修饰和易于制备而在光电应用中受到广泛关注。查尔酮以连接两个芳香环的α,β-不饱和羰基为特征，具有化学稳定性、可调共轭效应和强荧光性质等内在优势[11]、[12]、[13]。这些特性使查尔酮成为有机光伏（OPV）、有机发光二极管（OLED）、荧光传感器和非线性光学（NLO）材料的理想构件块[14]、[15]。在查尔酮衍生物中引入扩展的π共轭及D-π-A或D-π-D框架可进一步增强其吸收和发射性质，改善斯托克斯位移，并提高电荷迁移率，使其成为先进光电设备的理想候选者[7]、[8]。

特别地，探索了两种不同的结构修饰，即炔基化及烷氧基取代的查尔酮。将炔基引入查尔酮结构延长了π共轭并增加了分子刚性，同时其构型允许精确调节电子能级。同时，烷氧基化查尔酮作为OLED器件中的半导体添加剂具有前景，可增强分子内电荷转移，从而提高其电导率、效率和整体性能[16]、[17]。

在本工作中，我们报道了新查尔酮杂化化合物的合成与表征：(E)-3-(4-三氟甲基苯基)-1-[4-(4-(二甲氨基)苯基)乙炔基]苯基]-丙烯-1-酮（4TDEP）和(E)-1-(4-庚氧基苯基)-3-(对甲苯基)丙烯-2-1-酮（4HPEP）。这些化合物分别具有D-π-A和D-π-D体系，通过Claisen-Schmidt缩合反应合成。这些化合物使用光谱和热学技术进行了全面表征，并由密度泛函理论（DFT）计算加以补充，以阐明其电子性质并关联理论预测与实验观察。鉴于查尔酮通常在溶液中表现出强发射[18]，这些体系作为OLED应用的发光材料显示出有前景的性质。

此外，还进行了针对棘阿米巴细胞的细胞毒性筛选，以在光电应用之前评估这些化合物的环境安全性。本研究选用棘阿米巴，因为它是一种常见且自由生活的原生生物，存在于各种环境储库中。将棘阿米巴用作环境安全筛选工具的理由在于其作为食细菌捕食者的生态相关性、其保守的真核生物应激途径，以及其便于高通量、无动物测试的实用性。然而，我们承认，将单生物细胞毒性外推到实际环境安全性存在固有的局限性。此体外检测衡量的是理想化条件下的急性致死效应，从而忽视了慢性/亚致死影响、非生物可利用性调节因子（例如pH、有机物）以及复杂微生物群落的缓冲能力。因此，我们不建议将棘阿米巴作为生态系统健康独立的生物指示剂。相反，我们主张将其用作保守的第一级筛选检测：低细胞毒性表明细胞风险最小，而阳性结果则要求在得出环境安全性结论之前，使用多物种微宇宙或群落水平生态毒理学测试进行后续验证。为更彻底地表征生物反应，采用了剂量-反应分析、MTT检测、形态变化观察，以及利用吖啶橙/碘化丙啶（AO/PI）双荧光染色分析生化影响，以基于膜完整性区分活细胞、凋亡细胞和坏死细胞群体。此方法提供了化合物处理所诱导的细胞死亡方式的直接视觉证据。4TDEP和4HPEP处理细胞之间的差异染色结果印证了活力检测中所观察到的结构依赖性细胞毒性行为。

研究片段

研究设备和资源：本研究所使用的所有试剂、溶剂和化学品均购自Merck、Sigma-Aldrich、Acros Organics、Emsure、Supelco和Fisher，未经额外预处理，直接用于实验工作。采用Bruker INVENIO-S傅里叶变换红外（FTIR）分光光度计，通过铂金衰减全反射（ATR）技术在400 cm?1至4000 cm?1范围内获取振动红外（IR）光谱。

1H和13C NMR以及优化结构分析：4TDEP和4HPEP的优化结构使用B3LYP/6-311G (d,p)理论水平确定，分子如图1所示。键长、键角和二面角的计算数据汇总于表S1中。计算的键长与先前报道的类似查尔酮体系的数值大致吻合。4TDEP和4HPEP的查尔酮骨架CC键观察值为1.345 ?，而4TDEP和4HPEP的羰基键（C=O）均发现于

结论：通过Claisen-Schmidt缩合反应，成功合成了新的炔基化及烷氧基查尔酮衍生物（4TDEP、4HPEP），它们分别体现了对比鲜明的D-π-A和D-π-D体系。利用FTIR、1H和13C NMR以及UV–Vis确定了这些分子的理化性质。4TDEP和4HPEP分别在热学上稳定至200 °C，体现了热稳定性性质。此外，理论计算方法

利益冲突声明：作者声明不存在已知可能影响本文所报告工作的竞争经济利益或个人关系。

致谢：我们荣幸且感激马来西亚高等教育部提供的基本研究补助金计划（FRGS/1/2023/STG04/UMT/01/）研究资助支持。我们同时衷心感谢马来西亚登嘉楼大学科学与海洋环境学院提供的设施和支持。

作者：Mas Mohammed、Wan M. Khairul、Akmal Harez Azhar、Muhammad Izz Muhamad Safian、Intan Titis Setyaningrum、Rafizah Rahamathullah、Norazlan Mohmad Misnan、Fatimah Hashim、Humairah Abdul Wahid、Syed Ahmad Tajudin Tuan Johari、Hassan Rabi'a Muhammad、Hock Seng Tan

马来西亚登嘉楼大学科学与海洋环境学院，马来西亚登嘉楼瓜拉那鲁斯21030