Jyoti H. Ajudiya|Deep M. Patel|Parth Pandya|Kaushal Agheda|B.S. Chakrabarty|Harsh Shah|Hetvi Shah|Mayur C. Shah
印度古吉拉特邦艾哈迈达巴德古吉拉特文理学院理学院
摘要
我们通过将呋喃-2-甲醛（FC）与4-苯基-3-硫代半胱氨脲（PTSC）缩合，成功合成并表征了一种新型硫代半胱氨脲衍生物——呋喃-2-甲醛4-苯基-3-硫代半胱氨脲（FCPTSC）。利用多种光谱和分析技术（包括PXRD、红外光谱、核磁共振、紫外-可见光谱、热重分析、质谱和元素分析）确认了该化合物的结构。采用密度泛函理论（DFT）在RB3LYP/6-31G(d,p）水平上的计算研究表明，其HOMO-LUMO能隙为3.839 eV，表明该化合物具有显著的电子稳定性和较低的化学反应性。分子静电势（MESP）图谱揭示了亲电和亲核攻击的潜在位点，这与观察到的生物活性相关。FCPTSC配体对革兰氏阳性菌（金黄色葡萄球菌 和枯草芽孢杆菌 ）以及革兰氏阴性菌（大肠杆菌 和肺炎克雷伯菌 ）表现出良好的抗菌活性。此外，它还对恶性疟原虫（Plasmodium falciparum）具有中等程度的抗疟活性，并对三阴性乳腺癌细胞系（MDA-MB-231）表现出显著的细胞毒性。分子对接研究进一步证实了FCPTSC与生物相关靶标之间的强相互作用。为了提升其性能，还合成了FCPTSC的Cu(II)配合物并对其进行了表征。DFT优化的结构显示铜原子周围呈平面四方构型，具有有效的电荷转移特性。HOMO-LUMO分析和MESP表面进一步表明该配合物具有适合生物和催化应用的电子分布。
引言
近年来，硫代半胱氨脲因其多样的配位化学性质和广泛的生物应用而受到广泛关注[1]。这类化合物通常通过硫代半胱氨脲与醛类或酮类的缩合反应生成，属于席夫碱（Schiff bases）的一个重要子类——席夫碱是一类含有氨基甲炔（-C=N-）官能团的化合物[2]、[3]。席夫碱反应由Hugo Schiff于1864年首次报道，至今仍是生成结构多样且具有生物活性的化合物的最常用合成方法之一[4]。其易于合成、热稳定性和可调节的电子性质使得席夫碱衍生物（包括硫代半胱氨脲）成为众多化学和生物医学应用的理想候选物质[5]、[6]。硫代半胱氨脲具有氮、硫和氧等多种供体原子，这些原子赋予了它们多齿配位能力，能与多种金属离子形成稳定的配合物，尤其是过渡金属，这些配合物往往具有生物活性和催化活性[7]。分子框架中的酰胺、硫醇和氨基甲炔基团使得它们能够形成多样的键合模式，从而影响自由配体及其金属配合物的几何结构、氧化还原性质和反应性[6]、[8]。这些配位特性对于增强化合物的生物活性以及扩展其在材料科学、分析化学和环境应用中的功能至关重要[6]。硫代半胱氨脲及其金属配合物在药物化学中展现了多种药理作用[9]，包括抗菌[10]、抗真菌[11]、抗疟[12]、抗病毒[13]、抗肿瘤[6]、抗阿米巴[14]和细胞毒性[15]作用。这些活性很大程度上归因于配体的金属螯合能力，它们能够干扰病原体或癌细胞中的关键生物过程[16]。例如，金属-硫代半胱氨脲配合物可以产生活性氧（ROS），抑制金属酶，并与核酸结合，最终阻碍细胞复制和存活。引入特定的芳香或杂环基团可以进一步提高目标选择性和生物利用度[17]。
尽管具有这些优势，基于硫代半胱氨脲的药物开发仍面临的主要挑战之一是其水溶性有限，这是由于它们的疏水性所致。这通常导致吸收、分布和生物利用度较差[17]。为了解决这一问题，人们采取了结构修饰方法来提高水溶性并改善药代动力学特性，例如引入极性取代基或形成金属配合物以增加溶解度同时保持或增强生物活性[18]、[19]。在过渡金属中，Cu(II)因其生物学相关性和氧化还原性质而备受关注。铜是一种重要的微量元素，参与许多酶促和生理过程，其配合物具有多种生物效应。从环境角度来看，铜在金属表面处理、蚀刻、电子和制造等工业领域的广泛应用导致水体中铜离子污染严重。水中过量的铜对水生生物有毒，并对人类健康构成严重威胁，包括肝脏和肾脏毒性、胃肠道问题以及神经系统症状[20]。因此，开发实用的铜解毒方法变得日益重要。传统的铜去除方法（如化学沉淀、膜过滤、离子交换和吸附）在某些条件下可能成本高昂或效率低下。这促使人们研究新型螯合材料和配体，以实现水中铜离子的选择性和高效结合[21]。硫代半胱氨脲凭借其强大的金属结合能力，在这方面表现出显著的抗菌活性。稳定的Cu(II)配合物的形成不仅提供了铜的隔离途径，还生成了具有增强反应性和生物活性的化合物[9]、[22]。FCPTSC就是这样一类配体。呋喃环的存在有助于提高分子的共轭性和平面性，而苯基-硫代半胱氨脲基团则赋予了芳香性和硫基供体潜力。这种结构使配体能够有效地与Cu(II)离子配位，形成结构稳定且电子丰富的平面四方配合物。配位通过氨基甲炔氮原子和硫羰基原子实现，形成五元螯合环，从而增强配合物的稳定性[23]。
除了配位稳定性外，Cu(II)-FCPTSC配合物还表现出显著的生物和环境特性。在生物系统中，Cu(II)配合物可作为氧化还原活性剂，干扰氧化应激途径和细胞代谢。配位过程增强了配体与生物分子靶标（如酶和核酸）的相互作用[24]。在抗菌和抗癌应用中，铜配合物通常比游离配体表现出更强的活性，这归因于其增强的亲脂性和在细胞内产生活性氧的能力[24]、[25]。从环境角度来看，Cu(II)-FCPTSC配合物作为一种可重复使用的吸附剂或螯合剂，可用于去除受污染水中的铜离子。其对铜的高亲和力和在水相中的稳定性使其能够在低浓度下有效清除金属离子。此外，铜在配合物中的氧化还原活性使其适用于催化应用，包括氧化和交叉偶联反应。这种多功能性提高了化合物的可持续性，使其在医药和环境领域都有应用潜力[17]、[24]、[25]、[26]。为了深入了解FCPTSC及其Cu(II)配合物的结构和电子行为，我们采用了密度泛函理论（DFT）计算。DFT已成为计算化学的基石，因为它能够以较高的准确性和较低的计算成本预测分子几何结构、能级和电子分布[27]、[28]。几何优化和电子结构评估使用了B3LYP泛函，以及适用于非金属和金属原子的基组。通过前线分子轨道能量计算了电化学参数（电离势、电子亲和力、化学硬度和亲电性指数），以评估反应性和稳定性[29]、[30]。分子静电势（MESP）表面图谱用于识别配体及其金属配合物上的活性位点，这些图谱突出了富电子区和缺电子区，为理解与生物分子或金属离子的潜在相互作用提供了可视化框架。实验合成、光谱表征、生物测定和DFT建模的结合为评估这些化合物的多功能性提供了全面的方法[19]、[31]、[32]、[33]。总之，像FCPTSC这样的硫代半胱氨脲及其Cu(II)配合物在双生物医学和环境应用中具有重要的价值。它们丰富的配位化学性质、多样的电子特性和可调的生物活性使其成为进一步开发的理想目标。通过配体设计、金属配位和计算分析的结合，我们可以扩展这些化合物在应对健康和可持续性挑战中的应用。
材料与方法
本研究中使用的所有试剂和溶剂均为分析级，购自商业供应商。呋喃-2-甲醛和4-苯基-3-硫代半胱氨脲（Sigma-Aldrich）用于合成配体FCPTSC。三水合硝酸铜(II) [Cu(NO3 )2 ·3H2 O] 由Loba Chemie Pvt. Ltd.提供。丙酮购自印度Merck公司。所有溶剂在使用前均经过蒸馏以确保纯度。实验过程中始终使用蒸馏水。
一般方法
反应混合物
FCPTSC配体的X射线衍射分析
图1显示了FCPTSC的粉末XRD图谱，其中多个尖锐的衍射峰表明其具有出色的结晶性，尤其是在20°（2θ）处有一个特别强烈的峰。这些明确的峰表明分子以规则的重复模式排列，形成了高质量的晶体。观察到的图谱与这类有机化合物的预期完全一致，既包含刚性组分（呋喃环和苯环），也包含柔性组分（硫代半胱氨脲链）。
抗菌活性
使用肉汤扩散法评估了FCPTSC对选定的革兰氏阳性菌（枯草芽孢杆菌 MTCC 441和金黄色葡萄球菌 MTCC 96）和革兰氏阴性菌（大肠杆菌 MTCC 443及肺炎克雷伯菌 MTCC 109）的体外抗菌活性。FCPTSC的抗菌效果与标准抗生素（包括氨苄西林、氯霉素、环丙沙星、庆大霉素和诺氟沙星）进行了比较，结果总结在表3中。
分子对接结果与讨论
分子对接研究表明FCPTSC与关键凋亡蛋白之间存在强相互作用，支持其在MDA-MB-231细胞中调节凋亡的潜力。值得注意的是，FCPTSC对促凋亡蛋白BAX的结合亲和力最高（对接得分：−7.2 kcal/mol），表明其在促进线粒体外膜通透性（MOMP）和随后的细胞色素c释放等内在凋亡关键事件中的作用（图8）。虽然FCPTSC与...
MTT测定结果与讨论
MTT测定中观察到的细胞毒性（IC₅₀ = 18.91 μM）与FCPTSC对凋亡相关蛋白的预测结合亲和力一致。然而，由于MTT主要反映代谢活性，因此不能直接确认凋亡诱导。因此，对接-MTT相关性应被视为支持性的而非机制性的，表明FCPTSC对MDA-MB-231细胞的细胞毒性具有浓度依赖性，IC₅₀值为18.91 μM。
FCPTSC配体的计算研究
模拟使用ORCA 5.0.0 [90]、[91]计算软件完成。DFT方法适用于小型和中等规模系统，计算精度高且计算资源需求低。气相中的几何优化采用RB3LYP [92]混合泛函和6-31G (d, p) [93]基组进行，未使用扩散函数。通过降低所有几何结构的能量来实现几何优化。
结论
FCPTSC配体成功合成，其结构通过元素分析、FT-IR、核磁共振、质谱和DFT计算得到确认。所有表征结果与预测的结构一致。3.839 eV的HOMO-LUMO能隙表明该配体具有电子稳定性，这与观察到的化学行为相符。在生物研究中，FCPTSC对恶性疟原虫（Plasmodium falciparum）表现出显著的抗疟活性，IC₅₀值为...
CRediT作者贡献声明
Jyoti H. Ajudiya： 撰写初稿、方法学设计、研究实施、资金获取、数据分析、数据整理。Deep M. Patel： 方法学设计、数据整理。Parth Pandya： 数据分析。Kaushal Agheda： 数据分析。B.S. Chakrabarty： 数据分析。Harsh Shah： 数据分析。Hetvi Shah： 数据分析。Mayur C. Shah： 撰写、审稿与编辑、概念构思。
利益冲突声明
作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
我们还要感谢印度古吉拉特邦艾哈迈达巴德古吉拉特文理学院的化学系提供的研究实验室设施。
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