《Results in Chemistry》：Synthesis, stability assessment, thermodynamic function analysis, and biological activity of novel Schiff base complexes with manganese (II) and cadmium (II) ions
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本研究通过席夫碱配体（L）与锰(II)和镉(II)离子的反应合成了两种新型配合物。采用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、紫外-可见分光光度法（UV-Vis）、摩尔电导率、磁化率测定及熔点测定对游离配体及其金属配合物进行了系统表征。Job连续变化法确认两种配合物
本研究通过席夫碱配体（L）与锰(II)和镉(II)离子的反应合成了两种新型配合物。采用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、紫外-可见分光光度法（UV-Vis）、摩尔电导率、磁化率测定及熔点测定对游离配体及其金属配合物进行了系统表征。Job连续变化法确认两种配合物的化学计量比均为1:2（金属:配体）。乙醇中的摩尔电导率值（Mn–L为13.5 μS·cm?1，Cd–L为16.6 μS·cm?1）证实了其非电解质性质。FT-IR光谱表明配位通过偶氮甲碱氮原子发生，表现为ν(C=N)位移至1630 cm?1，并出现新的ν(M–N)吸收带（546 cm?1）。UV-Vis电子光谱和磁化率测定支持两种金属中心均为八面体几何构型。基于Van 't Hoff方法的热力学研究揭示了高稳定性常数（log Kf），其随温度升高（288–308 K）而降低，证实了配位过程的放热性质（ΔH° < 0）。所有温度下吉布斯自由能变化均为负值（ΔG° < 0），表明反应在热力学上可行且自发进行。此外，Mn–L的正ΔS°值表明其遵循熵驱动路径，而Cd–L的负ΔS°值则反映了配位后形成的结构刚性。Cd(II)配位增强了配合物的电子分布、空间性质和亲脂性，从而提高了其对细菌靶标的结合能力。Cd–L配合物表现出高于游离配体和Mn–L的活性。分子对接揭示配体和配合物通过氢键、极性、疏水及π相互作用与活性位点氨基酸发生作用，与生物活性结果一致。
论文解读
一、研究背景与意义
抗菌素耐药性问题已成为全球性危机，耐药菌的快速出现和临床抗生素治疗选择的有限性，使得开发替代性抗菌策略迫在眉睫。席夫碱作为配位化学中的基础化合物，由羰基与胺缩合而成，是优良的螯合剂，能形成稳定的金属配合物。含偶氮甲碱键的化合物在抗菌、抗真菌、抗病毒、抗疟和抗结核等方面展现出广阔前景。金属基药物的重要性日益凸显，席夫碱配合物因具有稳定的有色配合物、独特的物理化学性质及潜在生物学功能而备受关注，其能够模拟蛋白质和酶中的金属位点。硫、氧、氮原子作为有效配位点，对金属离子的配位至关重要。锰(II)因具有多种氧化态和不同配位环境能力，在酶催化系统中发挥基础作用；镉(II)则具有独特的光学和电子性质，可与有机化合物中的氮、氧、硫原子配位。理解这些配合物的稳定性和行为，对于预测其在溶液中的表现和未来应用至关重要。因此，本研究旨在合成新型席夫碱，并利用其制备锰(II)和镉(II)金属配合物，评估其生物活性和稳定性，研究特定实验条件下的平衡行为，包括确定化学计量比、考察温度对生成常数的影响及计算热力学函数，从而为该类化合物提供更深入的理论和实践认识。
二、主要技术方法
研究人员合成了新型席夫碱配体，并分别与MnCl?·4H?O和Cd(NO?)?·4H?O以1:2金属-配体摩尔比反应制备了Mn–L和Cd–L配合物。表征手段包括元素分析（C、H、N）、FT-IR光谱、1H NMR和13C NMR谱、UV-Vis电子光谱、磁化率测定、摩尔电导率测定及熔点测定。采用Job连续变化法确定配合物化学计量比。稳定性常数通过UV-Vis分光光度法在不同温度（288–308 K）下测定，热力学参数（ΔH°、ΔG°、ΔS°）基于Van 't Hoff方程计算。抗菌活性采用琼脂孔扩散法评估，测试对象为金黄色葡萄球菌（S. aureus）和大肠杆菌（E. coli）两种临床分离菌株。分子对接研究使用MOE软件，靶标为大肠杆菌生物素羧化酶（PDB ID: 3JZF）和金黄色葡萄球菌生物素蛋白连接酶（PDB ID: 4DQ2）。
三、研究结果
3.1 席夫碱及其金属配合物的表征
FT-IR光谱显示，配体中偶氮甲碱C=N伸缩振动从1621 cm?1位移至两种配合物中的1630 cm?1，证实偶氮甲碱氮原子参与金属配位；新出现的546 cm?1吸收带归属为ν(M–N)振动。1H NMR谱显示配位后部分信号化学位移发生变化，如异噁唑环甲基信号位移，而叔丁基信号保持九质子积分不变。13C NMR谱中，Cd–L配合物的偶氮甲碱碳向低场位移至δ=169.97 ppm（Δδ=+3.36 ppm），归因于亚胺键电子密度向配位键（N→Cd）转移；Mn–L配合物的偶氮甲碱碳则向高场位移至δ=163.51 ppm（Δδ=?3.10 ppm），归因于高自旋d?锰(II)离子未配对电子产生的局部磁场效应。元素分析结果与计算值吻合。
3.2 配合物的磁化率测定
Mn–L配合物的磁矩为5.96 B.M.，表明其为八面体高自旋构型，具有顺磁性，源于d?构型中的五个未配对电子。Cd–L配合物磁矩为0 B.M.，呈反磁性特征，符合d1?电子构型。
3.3 摩尔电导率
在乙醇中测得的摩尔电导率值分别为Mn–L 13.5 μS·cm?1和Cd–L 16.6 μS·cm?1，表明两种配合物均为非电解质。
3.4 配合物的电子光谱
Mn–L配合物在484 nm处出现高强度的吸收带，归属为金属到配体的电荷转移（MLCT）与自旋禁阻d–d电子跃迁（?A?g→?T?g(G)）的重叠。Cd–L配合物因Cd2?的d1?电子构型，在可见区无吸收带，确认不存在d–d电子跃迁。
3.5 配合物稳定常数的测定
通过UV-Vis分光光度法结合Van 't Hoff方程，在不同温度下测定了配合物的离解度（α）和总稳定常数（Kf）。结果表明，两种配合物的K和log K值均随温度升高而逐渐降低，证实高温不利于配合物稳定性。Mn–L配合物在288–308 K范围内log K=10.31–9.87，显著高于Cd–L的log K=8.23–7.00。负的ΔH°值（Mn–L为?34.21 kJ·mol?1，Cd–L为?101.19 kJ·mol?1）证实配位反应为放热过程，符合勒夏特列原理。所有温度下ΔG°均为负值，表明配位反应热力学可行且自发。Mn–L的正ΔS°值（约+78 J·mol?1·K?1）表明熵驱动路径，源于金属离子和配体配位时的大量去溶剂化；Cd–L的负ΔS°值（约?193 J·mol?1·K?1）则归因于形成更刚性、高度有序配合物结构时旋转和振动自由度的丧失。
3.6 生物活性
游离配体对大肠杆菌的抗菌活性有限，仅在0.1 mg/mL浓度下产生1 cm抑菌圈，较低浓度无活性；对金黄色葡萄球菌则表现出较弱活性，抑菌圈分别为4、2、2 cm（0.1、0.01、0.001 mg/mL）。与Mn(II)和Cd(II)配位后抗菌性能较游离配体增强，但增强幅度取决于金属离子种类。Cd–L配合物表现出最高的总体抗菌活性，在0.1 mg/mL浓度下对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的最大抑菌圈分别为5 cm和3.7 cm，且在0.001 mg/mL浓度下仍保持可测活性。Mn–L配合物较游离配体活性提高，但对金黄色葡萄球菌的抑菌圈在0.1、0.01、0.001 mg/mL浓度下分别约为2.5、1.3、1.0 cm，对大肠杆菌分别为2.5、1.2、0.4 cm。对照药环丙沙星（0.01 mg/mL）对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌圈分别为0.8 cm和1.5 cm。Cd–L的优越活性归因于镉(II)较大的离子半径、极性和电子密度，增强了与细菌酶的相互作用。
3.7 分子对接研究
针对大肠杆菌生物素羧化酶（3JZF）的对接结果显示，Cd–L配合物在预测结合亲和力与构象相似性之间表现出最佳平衡，首位构象评分S=?7.17074 kcal/mol，RMSD为1.721245 ?。游离配体L的首位构象评分略优（S=?7.18184 kcal/mol），但RMSD值（2.078374 ?）表明其结构相似性较低。Mn–L配合物的预测结合亲和力最弱（?5.70554和?5.62272 kcal/mol）。针对金黄色葡萄球菌生物素蛋白连接酶（4DQ2）的对接中，游离配体L明显优于两种金属配合物，两个首位构象评分分别为S=?7.80982和?7.72707 kcal/mol，RMSD值分别为1.6280637和1.3258451 ?。Cd–L配合物呈中等预测亲和力（?5.44641和?5.00813 kcal/mol），Mn–L配合物预测亲和力最弱（?4.71200和?4.69219 kcal/mol），且构象偏差超过4.36 ?。
四、结论
本研究成功合成了两种新型席夫碱配体的Mn(II)和Cd(II)金属配合物。光谱数据和Job法确定了两种配合物均为1:2金属-配体化学计量比，整体为八面体空间构型。乙醇中的摩尔电导率测定确认了Mn–L和Cd–L配合物的非电解质性质。稳定性常数评估表明两种配合物均具有较强稳定性。ΔH°和ΔG°的负值证实配位反应为放热、自发且热力学有利的过程，稳定性随温度升高而降低。Cd–L配合物表现出最高的抗菌活性，表明Cd(II)配位可能增强配合物的电子、空间和亲脂性质。分子对接结果表明，配体及其配合物可通过氧、氮原子和芳香基团与活性位点氨基酸残基形成相互作用，与生物活性结果一致。这些结果凸显了所制备化合物（Cd–L和Mn–L）作为未来潜在药物化合物的实际重要性，对其细胞毒性、生物稳定性和与DNA及酶相互作用机制的评估，以及对耐药菌株和生物膜的效力测试和化学结构优化，为其作为高效、高选择性抗生素和疗法先导化合物的发展铺平了道路。
