鈷(Ⅲ)多吡啶類混配配合物的合成、表征及其與DNA鍵合性質的研究

譚年元,陳立新,顏煒偉,黃賽金

(湖南工程學院化學化工學院,湘潭 411104)

鈷(Ⅲ)多吡啶類混配配合物的合成、表征及其與DNA鍵合性質的研究

譚年元,陳立新,顏煒偉,黃賽金

(湖南工程學院化學化工學院,湘潭 411104)

合成了一種新型鈷(III)多吡啶類混配配合物[Co(phen)2dpapz](ClO4)3·2H2O(phen=1,10-鄰菲咯啉;dpapz=聯(lián)吡啶并[3,2-a:2′,3′-c]6-氮雜-吩嗪).通過元素分析、紅外光譜、紫外光譜和循環(huán)伏安法對配合物進行了表征.應用電子吸收光譜、熒光光譜和粘度法研究了配合物與DNA的相互作用.結果表明,該配合物以插入方式與DNA結合,其鍵合常數(shù)為2.2×105L·mol-1.

鈷(Ⅲ)混配配合物;dpapz;DNA鍵合

近十幾年來,小分子過渡金屬多吡啶配合物與DNA相互作用的研究一直是無機生物化學領域十分活躍的研究課題[1-6].過渡金屬多吡啶配合物廣泛地被研究用作 DNA結構探針、DNA分子光開關、DNA光裂解試劑以及抗癌藥物等[1-4].含配體dppz(聯(lián)吡啶并[3,2-a:2′,3′-c]吩嗪)的過渡金屬多吡啶配合物因其獨特的"光開關"效應及其衍生物潛在的功用一直受到人們的廣泛關注[5,6].為進一步研究該類配合物的DNA鍵合性質和DNA分子光開關機理,吳寶燕等[7]合成了一種在dppz骨架上引入另一個氮原子的配體聯(lián)吡啶并[3,2-a:2′,3′-c]6-氮雜-吩嗪(dpapz)的多吡啶釕配合物,他們發(fā)現(xiàn)該配合物與DNA鍵合作用較強,其鍵合常數(shù)為6.9×105L·mol-1,是一種良好的DNA嵌入鍵合試劑.本文合成了一種含該配體的新型鈷(Ⅲ)多吡啶類混配配合物[Co(phen)2dpapz](ClO4)3·2H2O(圖1),并測定了該配合物的電化學行為,以及分別采用紫外、熒光和粘度法研究了配合物與小牛胸腺DNA的相互作用.

圖 1 配合物[Co(phen)2dpapz](ClO4)3·2H2O的結構

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Vario-ELⅢ元素分析儀(德國Elementar公司)、AVATAR-370紅外光譜儀(US-Nicolet)、CHI660B電化學工作站(上海辰華儀器公司)、F-4500熒光分光光度計(日立)、Agilent-8453紫外可見分光光度計(德國惠普公司)、pHS-3C型精密酸度計(上海雷磁廠)、烏式粘度計.

聯(lián)吡啶并[3,2-a:2′,3′-c]6-氮雜-吩嗪(dpapz)[7],[Co(phen)2Cl2]Cl[8]參照文獻方法合成,小牛胸腺DNA(北京華美生化試劑公司),高氯酸四丁基銨,三羥甲基氨基甲烷(Tris).其它試劑均為AR級,所用試劑除特別說明外均沒有進一步處理.

研究配合物與DNA相互作用時,樣品均溶解在含 5 mmol·L-1Tris·HCl和 50 mmol·L-1NaCl的二次餾水緩沖溶液(PH=7.2)中.小牛胸腺DNA的濃度以 ε260=6600 L·mol-1·cm-1來確定[9].

1.2 配合物的合成

在氮氣保護下,將0.206 g(0.7 mmol)dpapz、0.372 g(0.7 mmol)[Co(phen)2Cl2]Cl的60 mL乙醇溶液加熱回流4h.冷卻至室溫,過濾除去不溶物,向濾液加入4倍過量的NaClO4飽和溶液,析出黃色固體.用水、無水乙醇分別洗滌3次,再用乙腈溶解,乙醚擴散法重結晶.真空干燥得0.335 g橘黃色粉末,產(chǎn)率46.2%.

1.3 實驗方法

1.3.1 電化學測定

配合物的電極電位用循環(huán)伏安法測定.采用三電極系統(tǒng),工作電極為玻碳電極,使用前先用0.05μm的Al2O3糊在拋光墊上拋光,然后依次在丙酮、二次蒸餾水中超聲清洗10 min,輔助電極為鉑電極,參比電極為飽和甘汞電極(SCE).溶劑為乙腈,使用前用P2O5重蒸2次,支持電解質為高氯酸四丁基銨(0.1 mol·dm-3).測試前通高純氮15 min除氧.

1.3.2 配合物與DNA作用的電子吸收光譜

在參比池加入2.5 mL T ris緩沖溶液,在樣品池中加入相同體積的5μmol·L-1的配合物溶液,用微量加樣器每次往參比池和樣品池中加入相同體積的DNA溶液,使DNA與配合物濃度比值不斷增加,直至吸收峰不再減色.

1.3.3 配合物與DNA作用的的熒光光譜

在樣品池中加入 2.5 mL 5μmol·L-1的配合物溶液.用微量加樣器每次往樣品池中加入相同體積的DNA溶液,使DNA與配合物濃度比值不斷增加,以適當波長激發(fā)光激發(fā),測定配合物的發(fā)射光譜.

1.3.4 DNA粘度測定實驗

溫度恒定在(30±0.1)℃,小牛胸腺DNA濃度固定為0.4 mmol·L-1,依次增大配合物濃度.相對粘度按公式η=(t-t0)/t0[t0為緩沖溶液流經(jīng)毛細管所需時間,t為DNA溶液(含濃度不等的鈷配合物)流經(jīng)毛細管所需的時間]計算[10].以(η/η0)1/3對結合比率r作圖(r=[Co]/[DNA],η0為未加配合物時DNA溶液的相對粘度.

2 結果與討論

2.1 配合物的表征

配合物[Co(phen)2dpapz](ClO4)3·2H2O元素分析的理論值由化學式C41H29N9CoCl3O14計算.其計算值為C:47.49%;H:2.82%;N:12.16%.實驗值為C:47.43%;H:2.79%;N:12.21%.實驗值與理論值一致.

室溫下,測定了配合物(KBr壓片)在 4000～400 cm-1范圍內的IR譜(圖2).配合物在 3392 cm-1處出現(xiàn)一個強的寬吸收峰,這歸屬于水分子的νOH吸收峰,而1627 cm-1處的中等強度吸收峰是δH2O的吸收峰[11].配合物在3040 cm-1處的吸收峰為νC-H的吸收峰,1493 cm-1處的吸收峰為δC=C的吸收峰,1427 cm-1處的吸收峰為νCCH的吸收峰.1357 cm-1處的吸收峰歸屬于νdpapz的吸收峰,1084和629 cm-1處的吸收峰分別歸屬于νClO4-和δClO4-的吸收峰,848和716 cm-1處的吸收峰都歸屬于δ phen的吸收峰[5].

圖2 配合物[Co(phen)2dpapz](ClO4)3·2H2O圖

2.2 配合物的電化學性質

配合物在乙腈中的循環(huán)伏安曲線如圖3所示.由圖 3可知,在0.0～ 0.8 V電位范圍內,配合物有一對氧化還原峰,其陽極峰電位和陰極峰電位分別為Ep,a=0.433 V和Ep,c=0.295 V,對應的電極反應是Co(Ⅲ)/Co(Ⅱ)的氧化還原過程.陽極峰電位和陰極峰的電位差△Ep=0.138 V,其陰極峰電流對掃描速率(0.02～0.2 V/s)的平方根作圖(圖3插圖),可得一條通過原點的直線,故認為該氧化還原反應為準可逆單電子過程[3].

圖3 配合物[Co(phen)2dpapz]3+在乙腈中伏安曲線.掃描速率分別為a=20;b=50;c=100;d=150;e=200 mV/s.插圖為陰極峰電流對掃描速率的平方根作圖.

圖4 配合物[Co(phen)2dpapz]3+在不同DNA濃度下的電子吸收光譜.

2.3 配合物與DNA作用的電子吸收光譜

配合物與DNA相互作用的電子吸收光譜如圖4所示.由圖4可知,隨著DNA濃度增加,配合物在221,272,305和365 nm處的吸收峰均發(fā)生明顯的減色效應,減色率分別為24.8%,32.6%,14.5%和39.2%,表明得到的配合物可能以插入方式與DNA鍵合[7].這是因為插入配體與DNA堿基對發(fā)生π電子堆積之后,配體的π*空軌道與堿基的π電子軌道發(fā)生偶合,偶合后的π軌道因部分填充電子,使π→π*躍遷幾率減小,產(chǎn)生減色效應.為了定量地研究配合物與DNA的結合強度,可根據(jù)下列方程式求得配合物與DNA的鍵合常數(shù)Kb[12]:

其中 ,cDNA表示DNA 的濃度,εa、εb和εf分別表示任意DNA濃度下、鍵合飽和以及未加DNA時配合物的摩爾吸光系數(shù),以cDNA/(εf-εa)對 cDNA作圖(圖4插圖),斜率與截距的比值即為配合物與DNA的鍵合常數(shù)Kb等于2.2×105L·mol-1.

2.4 配合物與DNA作用的熒光光譜

熒光光譜變化幅度的大小也能反映配合物與DNA作用的強度.以242 nm波長的光進行激發(fā),測得配合物的熒光光譜(圖5).

圖5 配合物[Co(phen)2dpapz]3+隨DNA濃度增大的熒光光譜圖.

在Tris溶液中,配合物沒有熒光,這是由于配體dpapz與水分子之間存在氫鍵作用,從而猝滅了插入配體的激發(fā)態(tài)[7].加入DNA后,配合物的插入配體dpapz插入DNA堿基對中,吩嗪N受到保護脫去締合水而產(chǎn)生發(fā)射波長為335 nm的熒光,且隨DNA濃度的增大,強度明顯增大,表明配合物與DNA作用較強,與紫外光譜結果一致.

2.5 配合物與DNA作用的粘度分析

光譜學方法對于確定配合物與DNA的作用模式只能提供必要的證據(jù).在缺少高精度晶體結構數(shù)據(jù)和核磁數(shù)據(jù)的情況下,粘度這種對DNA長度變化比較敏感的流體力學方法是檢測溶液狀態(tài)下配合物與DNA作用模式的最有效的重要手段.一般來講,當配合物以靜電、溝面結合等非插入方式與DNA作用時,DNA溶液的粘度無明顯變化;當配合物通過經(jīng)典插入方式與DNA作用時,DNA相鄰堿基對的距離變大以容納插入配體,導致DNA雙螺旋伸長,DNA溶液的粘度增加;當配合物以部分插入方式與DNA作用時,則可能使DNA雙螺旋發(fā)生扭結,使DNA溶液粘度減小[11].從圖6可知,隨著配合物濃度增加,DNA溶液的相對粘度增大,進一步證實該配合物是以經(jīng)典插入方式與DNA結合.

3 結 論

本文合成了一種新型多吡啶鈷(III)混配配合物[Co(phen)2dpapz](ClO4)3·2H2O并對其進行了表征,用電子吸收光譜、熒光光譜滴定實驗和粘度測試研究了該配合物與DNA的鍵合性質,結果表明該配合物以經(jīng)典的插入方式與DNA結合,鍵合常數(shù)為2.2×105L·mol-1.

圖6 DNA溶液的相對粘度隨配合物[Co(phen)2dpapz]3+加入量的變化.

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Synthesis,Characterization and DNA Binding Studies of a New Polypyridine Cobalt(III)Mixed Ligand Complex

TAN Nian-yuan,TAN Ling-ling,CHEN Li-xin,YAN Wei-wei,HUANG Sai-jin

(College of Chemistry and Chemical Engineering,Hunan Institute of Engineering,Xiangtan 411104,China)

A new Polypyridine cobalt(III)mixed ligand complex of[Co(phen)2dpapz](ClO4)3·2H2O(phen=1,10-phenanthroline,dppz=dipyrido[3,2-a:2′,3′-c]-6-azaphenazine)is synthesized and characterized by elemental analysis,IR,UV and electrochemical methods.The interaction of the complex[Co(phen)2dpapz](ClO4)3·2H2O with DNA has been studied by absorption spectra,fluorescence spectra and viscosity measurements.The results suggest that the new polypyridine cobalt complex interacts with DNA by intercalative binding with a binding constant of 2.2×105L·mol-1.

cobalt(III)mixed ligand complex;dpapz;DNA binding

O614

A

1671-119X(2011)02-0075-04

2010-11-18

湖南省教育廳科研資助項目(08C231);湖南師范大學化學生物學及中藥分析教育部重點實驗室開放基金課題(KLCBTCMR200909)

譚年元(1970-),男,在讀博士,講師,研究方向:功能配合物的合成與應用.

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