阳离子型Ru(II)-对伞花烃膦腈配合物的合成、表征及其对革兰氏阳性菌（含MRSA）的抗菌机制研究

　　本刊推荐：为应对日益严峻的抗菌药物耐药性(AMR)问题，研究人员合成了一系列含弱配位乙腈配体的阳离子型钌(II)-对伞花烃膦配合物。研究发现配合物2和3对金黄色葡萄球菌(S. aureus)和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)表现出显著抑制活性（MIC低至12.5 μmol·L-1），并通过Langmuir单分子膜技术证实其通过破坏细菌膜结构发挥抗菌作用，为开发新型金属基抗菌剂提供了重要依据。

　　

随着抗生素的广泛使用，抗菌药物耐药性(AMR)已成为全球公共卫生领域的重大挑战。世界卫生组织(WHO)警告称，人类正步入"后抗生素时代"，曾经可治愈的常见感染可能再次成为致命威胁。虽然AMR是微生物自然进化的结果，但抗菌药物的滥用显著加速了这一进程。在这一背景下，开发新型抗菌剂迫在眉睫。

金属配合物因其独特的化学性质和生物活性，在抗菌药物研发中展现出巨大潜力。在众多金属配合物中，钌(II)-芳烃配合物因其良好的稳定性和可调节的生物活性而备受关注。特别是含有膦配体的钌(II)-芳烃配合物，大多数研究集中于其抗肿瘤特性，而关于其抗菌活性的研究相对较少。阳离子型金属配合物通过静电作用与带负电荷的细胞内生物靶标（如DNA、RNA）和膜磷脂结合，可显著增强抗菌活性。

在此背景下，巴西蓬塔格罗萨州立大学的研究团队在《Journal of Organometallic Chemistry》上发表了一项创新性研究，他们设计合成了一系列阳离子型钌(II)-对伞花烃膦配合物，并系统评估了其抗菌活性及相关机制。

研究人员采用多种技术手段开展本研究：通过核磁共振谱(³¹P NMR)、红外光谱(FT-IR)和单晶X射线衍射(SC-XRD)对配合物进行结构表征；利用循环伏安法评估电化学性质；采用微量肉汤稀释法测定最小抑菌浓度(MIC)和半数抑制浓度(IC₅₀)；通过溶血实验评估血液相容性；运用Langmuir单分子膜技术研究配合物与细菌膜模型的相互作用；并采用密度泛函理论(DFT)进行理论计算以阐明电子结构特性。

2. Experimental section

研究人员以中性前体[Ru(η⁶-p-cymene)(PAr₃)Cl₂]为起始原料，在乙腈中与AgPF₆反应，通过氯配体的置换合成了四个阳离子型配合物[Ru(η⁶-p-cymene)(PAr₃)(NCCH₃)Cl][PF₆]，其中Ar分别为3,5-二叔丁基苯基(L1)、3,5-二甲基苯基(L2)、4-甲氧基-3,5-二甲基苯基(L3)和4-甲氧基苯基(L4)。配合物1因纯化后量少未能进行全部表征。

3.1. Synthesis of cationic ruthenium(II)-arene complex

合成反应需要在无氧条件下进行，反应时间较长(4-14小时室温或2小时回流)，表明乙腈配体的σ-给电子能力较弱。膦配体的空间位阻大小(L1 > L3 > L2 > L4)与反应时间存在相关性。所得配合物1-4产率良好(69-74%)，不溶于水和乙醚，但溶于卤代烃和极性有机溶剂。

3.2. Characterization and stability

电导率测量表明配合物2-4在乙腈中表现为1:1电解质。在DMSO中，配合物2会部分转化为DMSO配位的新物种。核磁共振谱证实了配合物的形成和高纯度，FT-IR光谱显示了PF₆^-离子的特征吸收峰。

3.3. X-ray Crystallography

单晶X射线衍射分析采用Hirshfeld原子精修(HAR)技术，获得了高质量的结构模型。所有配合物均呈现典型的"钢琴凳"几何构型，其中PF₆^-阴离子总是靠近乙腈配体，可能存在静电相互作用。配合物3中的甲氧基取向与配合物4不同，这是由于3,5-二甲基取代基的空间位阻效应所致。

3.4. UV-vis spectroscopy and DFT calculations

紫外-可见光谱显示配合物在335-336 nm和436-437 nm处有特征吸收带。DFT计算表明，前者与π-π*电子跃迁有关，后者与Ru d-d电子跃迁和金属-配体电荷转移(MLTC)跃迁相关。

3.5. Voltammetric characterization of the complexes

循环伏安研究表明，配合物2-3在+1.61 V处有一个不可逆的氧化过程，对应于Ru(II)/Ru(III)氧化还原对。在-1.07 V处的还原过程与Ru(II/I)还原有关。配合物在约2.7 V的宽电位窗口内保持稳定，超过了生理电位范围(-1 V至+1 V vs. SHE)。

3.6. Antibacterial tests of ruthenium(II)-arene complexes

抗菌测试显示，配合物2和3对革兰氏阳性菌有显著活性。配合物2对金黄色葡萄球菌和MRSA的MIC值分别为25 μmol·L^-1和12.5 μmol·L^-1，IC₅₀值分别为13.5 μmol·L^-1和8.52 μmol·L^-1。配合物3对金黄色葡萄球菌的MIC为25 μmol·L^-1(IC₅₀ 15.9 μmol·L^-1)，对MRSA的IC₅₀为11.04 μmol·L^-1(MIC >100 μmol·L^-1)。配合物4对所有测试菌株均无活性。

3.7. Assessment of Hemocompatibility

血液相容性评估显示，配合物2在较高浓度(18.5 μmol·L^-1和9 μmol·L^-1)下引起显著溶血(36.40%和30.70%)，而在1-5 μmol·L^-1浓度范围内溶血率较低(0.83%至5.89%)。配合物3在所有测试浓度下均表现出较低的溶血活性，最高仅为6.35%(1 μmol·L^-1)，显示出更优的血液相容性。

3.8. Langmuir monolayers as a model to investigate antibacterial activity

Langmuir单分子膜研究表明，配合物2能够与模拟金黄色葡萄球菌细胞膜的磷脂单分子膜(DOPG/CL 1:1)发生相互作用，使膜变得更加流体化和可渗透，压缩模量从63 mN·m^-1降至48 mN·m^-1。而配合物4对膜结构影响很小，压缩模量为56 mN·m^-1。这表明配合物2可能通过破坏细菌细胞膜结构发挥抗菌作用。

本研究成功合成并表征了一系列阳离子型钌(II)-对伞花烃膦配合物，并证实了配合物2和3对革兰氏阳性菌(包括MRSA)具有显著抗菌活性。研究发现，配合物的抗菌活性与其和细菌细胞膜的相互作用能力密切相关——活性配合物能够扰动膜结构，增加膜流动性，而非活性配合物则无此效应。特别是配合物3在保持抗菌活性的同时表现出良好的血液相容性，具有进一步开发的潜力。

该研究的意义在于：首先，为应对抗菌药物耐药性挑战提供了新型金属基抗菌剂的设计思路；其次，通过系统的构效关系研究，揭示了配体结构对抗菌活性的影响规律；第三，利用Langmuir单分子膜技术从分子水平阐明了抗菌作用机制；最后，这些阳离子型钌配合物的高效抗菌活性为开发针对多重耐药菌的新型治疗策略奠定了坚实基础。

这项研究不仅丰富了金属基抗菌剂的化学库，更重要的是提供了从膜作用机制角度设计抗菌剂的新视角，为未来开发针对耐药菌的创新疗法提供了重要科学依据。