Synthesis, Characterization, and Antibacterial Evaluation of Metal Complexes of Surfactant Based Schiff Bases

Abstract

Modern pharmaceutical science needs more efficient drug delivery systems (DDSs) that permit poorly aqueous soluble drugs to work effectively. Consequently, medications function effectively. Pharmacological science has found Surfactants to be an invaluable alternative for enhancing the potential of conventional drugs and improving the efficacy of drugs with poor water solubility. Solid drugs can be solubilized more easily when surfactant molecules are added and membrane permeability can be increased in lipid layers as a result.

In the last few years, the synthesis of transition metal complexes of Schiff bases has drawn a lot of interest as an alternative to coordination compounds for the creation of chelating agents. Metal chelates have suitable biological activities.

This research aims to design and develop surfactant-containing Schiff bases and their metal complexes, which can serve as a drug to solve the problems with antibiotic resistance and drug delivery. The study has focused on the structural modification of compounds under study (Pyrrole-2-carboxaldehyde, Pyrrole-3-carboxaldehyde, and Dodecylamine) by forming the Schiff bases and metal complexes and their correlation with bio-functional activities. Given this, two new Schiff bases [DDAP2C and HL (DDAP3C)] have been prepared and further complexed with four transition metal ions, Co2+, Ni2+, Cu2+, and Zn2+. The newly prepared metal complexes and Schiff bases were fully characterized by elemental microanalysis, conductivity measurement, melting point measurement, 1HNMR, 13CNMR, FT-IR, UV/Vis, ESI-mass, MALDI-TOF-mass spectrometry, and magnetic susceptibility, studies.

The conductivity data were used to calculate the synthesized compounds' critical micelle concentration (CMC), which was further utilized to derive the Gibbs free energy of micellization (ΔG°m). Thermal stability and kinetic properties of the complexes were determined using thermogravimetric and differential thermal analysis (TGA/DTA). The Coats-Redfern method was used to extract thermodynamic parameters that describe the kinetic activity of the complexes. Most complexes showed high thermal stability and non-spontaneous decomposition steps. The powder X-ray diffraction study was conducted to verify the crystalline nature of the complexes. The Origin and X'pert high score software were used to analyze PXRD data, and the diffractograms were carefully analyzed to get information about the nature of complexes. Most of the complexes were found to crystalline with nanocrystalline size. Scanning electron microscopy (SEM) studies enabled the characterization of the surface morphology of Schiff bases and complexes and revealed their different surface textures. Molecular modeling has provided additional support for the geometry of the complexes determined by spectroscopic methods. The structure optimization was achieved by running the proposed molecular structures in CsChemOffice Ultra 16 and Argus Lab 4.0.1 software with MM force field calculation.

The standard Kirby-Bauer paper disk diffusion technique demonstrated the antibacterial potency of the Schiff bases and metal complexes. Several clinical strains of both gram-positive and gram-negative bacteria have been isolated and cultured in laboratories to achieve this objective. They have interacted with synthesized complexes solution prepared in DMSO at variable concentrations. These were further quantified more precisely by performing a minimum inhibitory concentration (MIC) test. In most biological studies, the free Schiff bases and compounds under study were found to have lower antibacterial efficacy than the Schiff base metal complexes. The copper complexes of both the Schiff bases showed excellent antibacterial activity. आधुनिक औषधि विज्ञानलाई अझ प्रभावकारी औषधि वितरण प्रणालीको आवश्यकता छ, जसको उपलब्धताले खराब जलीय घुलनशील औषधिलाई पनि प्रभावकारी रुपमा कार्य गर्ने बाटो खुल्न जान्छ। परिणामस्वरुप औषधिहरूले अझ प्रभावकारी ढंगले आफ्नो कार्य सम्पादन गर्दछन्। फार्माकोलोजिकल विज्ञानले परम्परागत औषधिहरूको प्रभावकारीता बढाउन, खराब जलीय घुलनशिलता एवम् औषधिहरूको प्रभावकारीतामा सुधार गर्न सर्फेक्टेन्टहरूलाई अमूल्य विकल्प को रुपमा पहिचान गरेको छ। जब औषधिहरूमा सर्फेक्टेन्ट अणुहरू थपिन्छ, ठोश औषधिहरूको घुलनशिलतामा बृध्दि हुन जान्छ फलस्वरुप लिपिड तहहरुमा झिल्ली पारगम्यता बढ्न गई औषधिहरूको प्रभावकारीता बढ्न जान्छ। पछिल्ला केही वर्षहरुमा शिफ बेशहरुबाट धातु कमप्लेक्सहरुको सश्लेषण हुने तथ्यले चेलेटिंग एजेन्टहरूको सिर्जनाको लागि समन्वय यौगिकहरुको विकल्पको रुपमा अधिक ध्यान आकर्षण गरेको छ। धातु चेलेटहरुमा उपयुक्त जैविक गतिविधिहरु विद्यमान हुन्छन्। यस अनुसन्धानले सर्फेक्टेन्ट्युक्त शिफ बेशहरु र तिनीहरुका धातु कमप्लेक्सहरुका डिजाइन र विकाश गर्ने लक्ष्य राखेको छ, जसले एन्टिवायोटिक प्रतिरोध र औषधि वितरणको समस्याहरु समाधान हेतु औषधिको रुपमा कार्य सम्पादन गर्न सक्छन्। यो अध्ययनले शिफ बेशहरु र धातु कमप्लेक्सहरु निर्माण पश्चात, अध्ययनमा लिइएका यौगिकहरुको संरचनात्मक परिमार्जन र जैविक-कार्यात्मक गतिविधिहरुसँग तिनीहरुको अन्तर सम्बन्धका बारेमा ध्यान केन्द्रित गरेको छ। यस तथ्यलाई हृदयङ्गम गर्दै, दुई नयाँ शिफ बेशहरु तयार गरी, तिनीहरुको चार धातु आयनहरुसँग (Co2+, Ni2+, Cu2+, & Zn2+) थप धातु कमप्लेक्सहरु बनाइएको छ। नयाँ तयार गरिएका शिफ बेशहरु र धातु कमप्लेक्सहरुलाई सम्पूर्ण रुपमा Elemental microanalysis, चालकता मापन, पग्लने बिन्दु मापन, 1HNMR, 13CNMR, FT-IR, UV-Vis, ESI-mass, MALDI-TOF-mass Spectrometry र चुम्बकीय संवेदनशीलता अध्ययनहरु द्वारा चरित्र चित्रण गरिएको थियो। चालकता तथ्याङ्क सश्लेषित यौगिकहरुको महत्वपूर्ण मिसेलि एकाग्रता (CMC) को गणनाको लागि प्रयोग गरिएको थियो, जुन गिब्स फ्री एनर्जी अफ माइसलाइजेशन (ΔG°m) प्राप्त गर्न पुन: प्रयोग गरिएको थियो। थर्मोग्राभीमेट्रिक र विभेदक थर्मल विश्लेषण प्रयोग गरेर तापीय स्थिरता र कमप्लेक्सहरुको गति सम्बन्धित गुणहरु निर्धारण गरिएको थियो। कोट्स-रेडफर्न (Coats-Redfern) विधि प्रयोग गरी थर्मोडायानामिक प्यारामिटरहरु निकालिएको थियो, जसले कमप्लेक्सहरुको काइनेटिक गतिविधि वर्णन गर्दछन् । धातु कमप्लेक्सहरुले उच्च तापीय स्थिरता र गैर-स्वस्फूर्त विघटन चरणहरु देखाएका थिए। पाउडर एक्सरे विवर्तन (PXRD) अध्ययन, कमप्लेक्सहरुको क्रिस्टलीय प्रकृति प्रमाणित गर्न प्रयोग गरिएको थियो। Origin र X’ Pert High Score Software हरु प्रयोग गरी PXRD तथ्याङ्कहरुको विश्लेषण गरिएको थियो र कमप्लेक्सहरुको प्रकृतिबारे जानकारी प्राप्त गर्न तिनीहरुको Diffractograms हरुलाई सावधानीपूर्वक विश्लेषण गरिएको थियो। कमप्लेक्सहरु नैनोक्रिस्टलाइन प्रकृतिका थिए। स्क्यानिङ्ग इलेक्ट्रोन माइक्रोस्कोपी (SEM) अध्ययनद्वारा शिफ बेशहरु र कमप्लेक्सहरुको सतह उजागर गरिएको थियो र तिनीहरुको विभिन्न सतहगत बनावट पाइएको थियो। आणविक मोडेलिंगले, स्पेक्ट्रोस्कोपिक विधिद्वारा निर्धारित कमप्लेक्सहरुको ज्यामितीको लागि अतिरिक्त समर्थन प्रदान गरेको छ। CsChem Office Ultra 16 र Argus Lab 4.0.1 Software मा MM Force field गणनाको साथै प्रस्तावित आणविक संरचनाहरुलाई चलाएर, संरचना अनुकूलन हासिल गरिएको थियो। मानक किर्बी-बाउर पेपर डिस्क प्रसारण प्रविधिले शिफ बेश र धातु कमप्लेक्सहरुको जीवाणुरोधी शक्ति प्रदर्शन गरिएको थियो। यो उदेश्य हासिल गर्न प्रयोगशालामा ग्राम-पजिटिभ र ग्राम-नेगेटिभ व्याक्टेरियाका धेरै क्लिनिकल स्ट्रेनहरुलाई पृथकीकरण एवम् संवर्धन गरिएको थियो। तिनीहरुले विभिन्न एकाग्रता का DMSO मा तयार गरिएको सश्लेषित यौगिकहरुको घोलसँग अन्तरक्रिया गरेका थिए। सश्लेषित यौगिकहरु को जीवाणुरोधी सक्रियता थप सटिक रुपमा न्यूनतम अवरोध एकाग्रता (MIC) परीक्षण गरेर प्रमाणित गरिएको थियो। जैविक अध्ययनहरुमा, अध्ययन अन्तर्गतका यौगिकहरु र शिफ बेशहरु, तिनीहरुका धातु कमप्लेक्सहरुभन्दा कम जीवाणुरोधी क्षमताका पाइएका थिए।