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Synthesis, characterization and crystal structures of four copper(II) complexes derived from tridentate Schiff bases with urease inhibitory activity

Sono stati sintetizzati e caratterizzati strutturalmente quattro nuovi complessi di rame(II) derivati da basi di Schiff tridentate, rivelando che le loro attività inibitorie dell'ureasi sono significativamente potenziate dalla coordinazione, con i complessi polinucleari a ponte azidico e tiocianato che esibiscono una potenza superiore rispetto ai rispettivi controparti dinucleari a ponte alogenuro.

Autori originali: Yang-Lei Li, Zi-Han Pu, Fei-Yang Xie, Zhong-Lu You

Pubblicato 2026-09-08

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CC BY 4.0

Autori originali: Yang-Lei Li, Zi-Han Pu, Fei-Yang Xie, Zhong-Lu You

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Gli enzimi sono i cavalli da tiro microscopici della vita, proteine specializzate che accelerano le reazioni chimiche essenziali per la sopravvivenza. Uno di questi enzimi, l'ureasi, agisce come una macchina molecolare che scompone l'urea, un comune prodotto di scarto presente nell'urina e nel suolo, in ammoniaca e anidride carbonica. Sebbene questo processo sia vitale per il ciclo dell'azoto in natura, un eccesso di attività dell'ureasi può causare problemi significativi. Nel corpo umano, un'eccessiva produzione di ammoniaca può danneggiare i tessuti e contribuire alle infezioni, mentre in agricoltura porta alla rapida perdita di azoto dai fertilizzanti, inquinando le vie d'acqua e sprecando risorse. A causa di queste conseguenze, gli scienziati cercano da tempo modi efficaci per rallentare o fermare questo enzima. La strategia più comune prevede la progettazione di molecole che si inseriscano nel sito attivo dell'enzima come una chiave in una serratura, bloccandone la funzione. Tuttavia, trovare inibitori che siano allo stesso tempo potenti e sicuri rimane una sfida difficile.

In uno studio recente, i ricercatori hanno esplorato un approccio diverso combinando molecole organiche con il rame, un metallo noto per la sua capacità di interagire con i sistemi biologici. Si sono concentrati su una classe di composti organici chiamati basi di Schiff, strutture flessibili capaci di avvolgersi attorno agli ioni metallici per formare complessi stabili. Il team ha ipotizzato che, attaccando queste strutture organiche al rame, avrebbero potuto creare nuove forme che potessero incastrarsi nel enzima ureasi in modo più efficace rispetto alle sole parti organiche. Per testare ciò, hanno sintetizzato quattro distinte strutture a base di rame, variando attentamente gli ingredienti per vedere come piccole variazioni nell'architettura molecolare influenzassero l'attività dell'enzima. L'obiettivo non era solo creare nuovi composti, ma comprendere come la specifica disposizione degli atomi all'interno di queste molecole influenzi la loro capacità di agire come inibitori.

I ricercatori hanno iniziato creando due blocchi di costruzione organici, che hanno poi mescolato con sali di rame e altre piccole molecole ausiliarie in una soluzione liquida. Cambiando le molecole ausiliarie, hanno guidato il rame e le parti organiche ad assemblarsi in quattro diverse forme. Due delle strutture risultanti hanno formato lunghe catene ripetitive dove gli atomi di rame erano collegati tra loro da ponti a base di azoto. Le altre due strutture hanno formato coppie isolate, dove due atomi di rame erano tenuti insieme sia da un atomo di alogeno che da un ponte di azoto. Utilizzando tecniche di imaging avanzate, il team ha mappato la posizione esatta di ogni atomo in questi nuovi complessi, confermando che le diverse molecole ausiliarie avevano guidato con successo l'assemblaggio in questi distinti schemi.

Una volta confermate le strutture, il team ha testato quanto ciascuna fosse capace di fermare l'enzima ureasi. Hanno misurato la quantità di ciascun composto necessaria per ridurre la metà dell'attività enzimatica, un parametro standard per la potenza. I risultati sono stati sorprendenti. I due composti che formavano lunghe catene si sono rivelati eccezionalmente potenti, richiedendo solo quantità minuscole per bloccare l'enzima. Nello specifico, una di queste strutture a catena ha bloccato metà dell'attività dell'enzima a una concentrazione di appena 0,2 micromoli per litro, mentre la sua compagna nella serie lo ha fatto a 0,3 micromoli per litro. Questi numeri rappresentano un livello di efficacia che supera di gran lunga molti inibitori esistenti. Al contrario, i due composti che formavano coppie isolate erano molto meno potenti, richiedendo concentrazioni intorno ai 14 o 15 micromoli per litro per ottenere lo stesso effetto. Anche le parti organiche libere, prima di essere attaccate al rame, mostravano una capacità molto scarsa di inibire l'enzima da sole.

Lo studio ha anche confrontato questi nuovi complessi di rame con un noto inibitore chiamato acido acetoidrossammico, attualmente utilizzato nella ricerca ma dotato di limitazioni. Il complesso di rame a catena più efficace era significativamente più potente del riferimento standard, lavorando a una concentrazione circa cento volte inferiore. I ricercatori hanno anche notato che il tipo specifico di ponte che tiene uniti gli atomi di rame contava meno della forma complessiva della molecola. Che la catena fosse tenuta insieme da azoto o da un gruppo contenente zolfo faceva poca differenza al risultato finale, poiché entrambi offrivano prestazioni simili di alta efficienza. Tuttavia, la differenza tra le strutture a catena e le coppie isolate era profonda, suggerendo che il modo in cui gli atomi di rame sono disposti nello spazio è il fattore critico per il successo.

Questi risultati evidenziano che la forza di questi inibitori deriva dall'unione della struttura organica e del metallo rame. Il rame non agisce semplicemente come un ancoraggio passivo; la sua presenza e la geometria specifica che crea sono essenziali affinché la molecola si incastri strettamente nel sito attivo dell'enzima. Sebbene lo studio non abbia determinato esattamente come queste molecole si leghino all'enzima a livello atomico, i dati mostrano chiaramente che le strutture a catena lunga sono molto superiori alle strutture a coppie. Ciò suggerisce che le progettazioni future per gli inibitori dell'ureasi dovrebbero concentrarsi sulla creazione di disposizioni estese, simili a catene, piuttosto che su cluster isolati. Il lavoro fornisce una chiara tabella di marcia per sviluppare strumenti più efficaci per controllare l'attività dell'ureasi, portando potenzialmente a migliori trattamenti per le infezioni o a pratiche agricole più efficienti.

Sintesi Tecnica

Problematica
I leganti a base di Schiff sono strumenti versatili per la costruzione di complessi metallici con diverse architetture strutturali e proprietà bioattive. Sebbene i complessi di basi di Schiff con metalli di transizione siano noti come potenziali inibitori enzimatici, la specifica relazione tra l'assemblaggio di coordinazione diretto dagli anioni ausiliari e la risultante attività biologica rimane insufficientemente esplorata. Nello specifico, è necessario comprendere come le variazioni nelle modalità di ponte (ad esempio, il passaggio da azide $\mu$ -1,3 a tiocianato $\mu$ -1,3, o l'introduzione di ponti simultanei di alogenuro e azide) influenzino la nuclearità e la topologia degli assemblaggi di Cu(II) e se tali cambiamenti strutturali correlino con l'efficienza dell'inibizione dell'ureasi. L'ureasi, un enzima metallo-dipendente a base di nichel, è un bersaglio significativo per l'inibizione a causa del suo ruolo nella patogenicità microbica e nel metabolismo dell'azoto, tuttavia gli attuali inibitori come l'acido acetoidrossammico presentano dei limiti che spingono la ricerca di alternative più efficienti.

Metodologia
Lo studio ha impiegato un approccio sintetico e di caratterizzazione per investigare quattro complessi di Cu(II) derivati da due basi di Schiff tridentate: 2-bromo-6-(((2-(dimetilammino)etil)imino)metil)fenolo (HL1) e 2-bromo-6-(((3-(metilammino)propil)imino)metil)fenolo (HL2).

Sintesi: Quattro complessi sono stati sintetizzati in condizioni di soluzione blande in metanolo a temperatura ambiente utilizzando un rapporto molare 1:1:1 di base di Schiff, sale di Cu(II) e anione ausiliario.
- I complessi 1 ( $[CuL1(\mu_{1,3}\text{-N}_3)]_n$ ) e 2 ( $[CuL1(\mu_{1,3}\text{-NCS})]_n$ ) sono stati preparati utilizzando HL1, CuBr $_2$ e, rispettivamente, sodio azide (NaN $_3$ ) o ammonio tiocianato (NH $_4$ SCN).
- I complessi 3 ( $[Cu_2(\mu\text{-Br})(L2)_2(\mu_{1,1}\text{-N}_3)]$ ) e 4 ( $[Cu_2(\mu\text{-Cl})(L2)_2(\mu_{1,1}\text{-N}_3)]$ ) sono stati preparati utilizzando HL2, NaN $_3$ e, rispettivamente, CuBr $_2$ o CuCl $_2$ .
Caratterizzazione: I complessi sono stati caratterizzati mediante analisi elementare, spettroscopia FT-IR, spettroscopia UV-Vis, misurazioni della conducibilità molare e diffrazione di raggi X su singolo cristallo.
Saggio Biologico: L'attività inibitoria dell'ureasi è stata valutata mediante un saggio colorimetrico con ureasi di fagiolo di Jack, fenolo rosso e urea. I tassi di inibizione e i valori di IC $_{50}$ sono stati determinati e confrontati con i leganti liberi (HL1, HL2), CuBr $_2$ e l'inibitore di riferimento acido acetoidrossammico.

Contributi Chiave e Risultati

Diversità Strutturale: La diffrazione di raggi X su singolo cristallo ha rivelato che la natura della base di Schiff e dell'anione ausiliario determina la nuclearità e la topologia di ponte dei complessi.
- I complessi 1 e 2 hanno formato estese architetture polinucleari di Cu(II). In queste strutture, l'anione azide (in 1) e il tiocianato (in 2) hanno agito come ponti $\mu_{1,3}$ (end-to-end per l'azide; a ponte N,S per il tiocianato), collegando i centri di Cu(II) in catene 1D. Ogni ione Cu(II) esibiva una geometria piramidale a base quadrata distorta.
- I complessi 3 e 4 hanno adottato strutture dinucleari discrete di Cu(II). In questi casi, l'anione azide ha assunto una modalità di ponte end-on ( $\mu_{1,1}$ ), coesistendo con un ponte $\mu_2$ -alogenuro (bromuro in 3, cloruro in 4). Questa combinazione ha dato origine a unità dinucleari isolate in cui ogni centro di Cu(II) presentava inoltre una coordinazione a cinque con una geometria piramidale a base quadrata distorta.
Correlazione Spettroscopica: Gli spettri IR hanno confermato le modalità di coordinazione; le frequenze di stretching dell'azide ( $\nu_{as}$ ) erano inferiori per il complesso a ponte $\mu_{1,3}$ 1 (2044 cm $^{-1}$ ) rispetto ai complessi a ponte $\mu_{1,1}$ 3 e 4 (2077 e 2072 cm $^{-1}$ ), in accordo con i dati X-ray. Gli spettri UV-Vis hanno mostrato transizioni caratteristiche centrate sul legante e di trasferimento di carica ligando-metallo (LMCT) tipiche dei sistemi Cu(II)-base di Schiff.
Attività Inibitoria dell'Ureasi: La coordinazione al Cu(II) ha aumentato significativamente l'inibizione dell'ureasi rispetto alle basi di Schiff libere.
- I complessi 1 e 2 hanno esibito un'eccellente attività inibitoria con valori di IC $_{50}$ rispettivamente di $0,2 \pm 0,1$ e $0,3 \pm 0,1$ $\mu$ mol L $^{-1}$ . Questi valori sono superiori all'inibitore di riferimento acido acetoidrossammico (IC $_{50} = 23 \pm 1$ $\mu$ mol L $^{-1}$ ) e al CuBr $_2$ (IC $_{50} = 5 \pm 1$ $\mu$ mol L $^{-1}$ ).
- I complessi 3 e 4 hanno mostrato un'attività moderata con valori di IC $_{50}$ rispettivamente di $15 \pm 2$ e $14 \pm 2$ $\mu$ mol L $^{-1}$ .
- L'attività dei leganti liberi è stata debole (15–21% di inibizione a 100 $\mu$ mol L $^{-1}$ ).

Significatività e Rivendicazioni
L'articolo sostiene che le variazioni strutturali indotte dai diversi anioni ausiliari e dagli scheletri delle basi di Schiff giocano un ruolo critico nel modulare l'inibizione dell'ureasi. Nello specifico:

L'ambiente di coordinazione è decisivo: La drammatica differenza di attività tra i complessi polinucleari (1 e 2) e i complessi dinucleari (3 e 4) suggerisce che lo scheletro della base di Schiff e il risultante ambiente di coordinazione del Cu(II) siano più influenti sulle prestazioni inibitorie rispetto alla specifica identità dell'anione a ponte (azide vs tiocianato o bromuro vs cloruro).
Relazione Struttura-Attività: Lo studio dimostra che i complessi di Cu(II) con basi di Schiff sostituite con gruppi aminoalchilici, in particolare quelli derivati da HL1 che formano architetture polinucleari, rappresentano inibitori dell'ureasi altamente potenti.
Intuizione Strategica: Il lavoro evidenzia che, sebbene il cambiamento delle modalità di ponte possa generare assemblaggi strutturalmente distinti, la ritenzione o l'incremento dell'attività biologica dipende fortemente dallo specifico scaffold del legante e dalla geometria di coordinazione del metallo piuttosto che dall'anione a ponte da solo.

Gli autori concludono che questi risultati supportano lo sviluppo di complessi di Cu(II) a base di Schiff sostituiti con gruppi aminoalchilici come candidati promettenti per un ulteriore sviluppo come inibitori dell'ureasi.

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