鎳(Ⅱ)-吡嗪-2，3-二羧酸配合物的結(jié)構(gòu)及其生物活性

焦 韋， 付 虹， 徐曉瑩， 高恩軍

(1.沈陽化工大學(xué)應(yīng)用化學(xué)學(xué)院，遼寧沈陽 110142;2.沈陽市無機(jī)分子基材料化學(xué)(國際)重點(diǎn)實驗室，遼寧沈陽 110142)

在過去幾年中，配合物的分子結(jié)構(gòu)和生物活性在無機(jī)化學(xué)領(lǐng)域受到人們更多的關(guān)注.鎳(Ⅱ)是一種常見的過渡金屬，一般具有2種配位形式:四配位和六配位［1-3］.鎳(Ⅱ)的配位方式取決于配體結(jié)構(gòu)、溶劑和反應(yīng)條件，其中配體起決定性作用.它不僅可以確定分子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，協(xié)調(diào)超分子的新穎聚集方式［4-5］，還可與 DNA和各種生物活性相互作用［6-10］.吡嗪是非常好的橋聯(lián)配體，金屬離子可通過它的軌道重疊達(dá)到相互間的電子偶合.因而吡嗪可看做一個潛在的磁交換媒介.羧酸配體也可做為橋聯(lián)基團(tuán)為金屬提供磁交換作用的途徑.然而對于同時將含有這2類基團(tuán)的吡嗪二羧酸類化合的研究并不常見.本文采用吡嗪-2，3-二羧酸為配體，合成新穎的配合物 Ni［Pyzdc(COO)COOH］2·2H2O 單晶，并通過2個吡嗪-2，3-二羧酸配體以氮原子和氧原子與鎳(Ⅱ)離子反式螯合配位.通過X-射線衍射結(jié)構(gòu)分析表明，鎳(Ⅱ)形成一個八面體幾何形狀，通過氫鍵的弱相互作用使整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定.應(yīng)用紫外光譜法和熒光光譜法，初步證實配合物與DNA相互間以插入作用為主.與此同時，又用凝膠電泳法測定配合物對pBR-322質(zhì)粒DNA的切割能力.

1 實驗部分

1.1 試劑和儀器

從商業(yè)來源所獲得的化學(xué)品試劑均為分析純，不經(jīng)進(jìn)一步純化，直接使用.通過Finnigan EA 1112元素分析儀，Nicolet 470紅外光譜儀，Bruker Smart 1000 CCDX射線晶體衍射儀，Shimadzu UV-240紫外-可見分光光度計，Perkin Elmer LS55熒光分光光度計以及JS-380A自動凝膠圖像分析儀對配合物的結(jié)構(gòu)、特性以及生物活性進(jìn)行初步研究.

1.2 配合物的合成

將10 mL濃度為10 mmol/L的硝酸鎳水溶液與20 mL濃度為10 mmol/L的吡嗪-2，3-二羧酸水溶液混合，在連續(xù)攪拌下，用0.5 mol/L的KOH調(diào)節(jié)混合溶液pH值為6.3，攪拌8 h后pH值相對穩(wěn)定為7.52.將該溶液過濾至燒杯中，在室溫下放置16 d后有淡綠色晶體析出.

元素分析實測值(%，C12H8N4NiO10計算值):C 33.74(33.76);H 41.86(41.89);N 13.13(13.12).

紅外圖譜顯示(cm-1;s，強(qiáng)峰;m，中峰;w，弱峰):3 404(m);2 360(m);1 636(m);1 609(m);1 438(m);1 395(m);1 129(m);668(m).

2 配合物的晶體結(jié)構(gòu)及弱作用分析

選取尺寸為0.13 mm×0.05 mm×0.08 mm的配合物單晶.在BruckerSmart 1000 CCDX單晶衍射儀上，以經(jīng)過石墨單色器的Mo-Ka為靶源(λ =0.071 073 nm)，在2.84°＜2θ＜26.02°范圍內(nèi)收集衍射數(shù)據(jù).在293 K下，以ω-2θ方式共收集了4 610個衍射數(shù)據(jù)，其中獨(dú)立數(shù)據(jù)1 479個［R(int)=0.0218］，-11≤ h ≤ 10，-9≤ k≤9，-12≤ l≤12，R 最終指數(shù)(I＞2σ(I)):R1=0.036 9，wR2=0.092 8;R 指數(shù)(所有數(shù)據(jù)):R1=0.040 4，wR2=0.095 5.部分配合物鍵長鍵角如下:

配合物晶體結(jié)構(gòu)中主要的鍵長(nm)如下:Ni(1)—N(1):0.204(2)nm;Ni(1)—O(4):0.202(2)nm;Ni(1)—O(5):0.212(2)nm.

配合物晶體結(jié)構(gòu)中主要的鍵角(°)如下:N(1)—Ni(1)—O(4):79.26(8)°;N(1)—Ni(1)—O(5):91.08(8)°;O(4)—Ni(1)—O(5):90.28(8)°.

從晶體結(jié)構(gòu)(見圖1)可以看出，配合物Ni［Pyzdc(COO)COOH］2·2H2O 是由 2個吡嗪-2，3-二羧酸為配體的單核配合物，Ni(Ⅱ)分別與2個Pyzdc配體上的羧酸氧和氮以及2個水分子中的氧形成八面體結(jié)構(gòu).該分子存在穿過Ni(Ⅱ)的中心對稱.配體的羧酸與其Ni(Ⅱ)的距離(Ni(1)—O(4))為0.202(2)nm.C(6)—O(3)的距離為0.126(4)nm、C(6)—O(4)的距離為0.125(4)nm，這兩個距離很相近，說明羧酸的3個原子O—C—O之間存在某種程度的共軛使C—O鍵長發(fā)生了平均化.從圖2可以看出，每個配合物之間通過C—O…H的氫鍵作用，形成穩(wěn)定的一維結(jié)構(gòu)，其中 O(1)—H(5A)、O(2)—H(5A)的距離分別為0.206 nm、0.275 nm.與此同時，在圖3中可以看到，通過O(1)與H(5B)之間C—O…H的氫鍵作用，形成了二維空間結(jié)構(gòu).其中O(1)—H(5B)之間的距離為0.211 nm.

圖1 Ni［Pyzdc(COO)COOH］2·2H2O 的分子結(jié)構(gòu)Fig.1 Molecular structure of Ni［Pyzdc(COO)COOH］2·2H2O

圖2 Ni［Pyzdc(COO)COOH］2·2H2O的一維鏈結(jié)構(gòu)Fig.2 One-dimensional chain structure of Ni［Pyzdc(COO)COOH］2·2H2O

圖3 Ni［Pyzdc(COO)COOH］2·2H2O的二維鏈結(jié)構(gòu)Fig.3 Two-dimensional structure of Ni［Pyzdc(COO)COOH］2·2H2O

3 配合物與DNA作用機(jī)理討論

3.1 配合物與CT-DNA作用的紫外光譜測定

DNA分子在波長為260 nm處具有典型的吸收峰，這是由核酸中有堿基共軛雙鍵存在.在波長為260 nm處，DNA雙螺旋分子的吸光度值比DNA分子中各堿基的吸光度值的和要小很多，這種現(xiàn)象被稱為“減色效應(yīng)”.這是由于DNA分子中各堿基平行、緊密的堆疊所引起的.

配合物與CT-DNA(CT-DNA是小牛胸腺DNA)相互作用的紫外光譜如圖4所示.由圖4可知，在波長為190～360 nm范圍內(nèi)有多個吸收峰.相同濃度 Ni［Pyzdc(COO)COOH］2·2H2O(2.0×10-5mol/L)摻入到不同濃度DNA后，對應(yīng)285 nm左右的吸光度值逐漸減小，表現(xiàn)為比較明顯的減色效應(yīng)，DNA的最大吸收峰發(fā)生藍(lán)移現(xiàn)象.當(dāng)配合物與DNA堿基對以插入方式結(jié)合時，由于配體與堿基的π*空間和π電子軌道發(fā)生偶合現(xiàn)象，使能級發(fā)生變化，從而導(dǎo)致藍(lán)移現(xiàn)象的產(chǎn)生［11］.上述紫外光譜的變化顯示配合物中較大的平面芳環(huán)配體Pyzdc與DNA以插入方式發(fā)生了非共價鍵作用.

圖4 Ni［Pyzdc(COO)COOH］2·2H2O 對CT-DNA的吸收光譜影響Fig.4 Absorption spectrum of the Ni［Pyzdc(COO)COOH］2·2H2O in the absence and presence of increasing amounts DNA

3.2 配合物與DNA-EtBr作用的熒光光譜測定

溴化乙錠(EtBr)是非常重要的平面分子熒光探針［12］.EtBr分子平行地嵌插入DNA分子內(nèi)部，由于EtBr本身具有一定的熒光，而DNA分子沒有熒光，當(dāng)EtBr插入DNA分子之后，增加了EtBr分子的平面剛性，淬滅現(xiàn)象減小，熒光明顯增強(qiáng).

圖5為配合物與HeLa-DNA作用的熒光光譜圖.由圖5可知，隨著配合物濃度的增加，DNA-Et-Br體系熒光強(qiáng)度逐漸減弱，并且濃度越大，熒光猝滅現(xiàn)象愈明顯.由斯特恩-沃爾默(Stern-Volmer)方程［13］:I0/I=1+Ksqr，其中 r是配合物與DNA濃度的比值，I0和I分別表示不存在和存在淬滅體時的熒光強(qiáng)度，Ksq是斯特恩-沃爾默(Stern-Volmer)淬滅常數(shù).由圖6可計算出該混合物的Ksq=0.190 4.實驗結(jié)果表明:當(dāng)DNA分子加入到配合物中，發(fā)生了π-π堆砌作用，這是由于配合物［Pyzdc(COO)COOH］2·2H2O中較大的疏水平面芳環(huán)(Pyzdc)插入到了DNA堿基對中.

圖5 Ni［Pyzdc(COO)COOH］2·2H2O 對DNA-EtBr體系熒光強(qiáng)度的影響Fig.5 Emission spectrum of EB bound to DNA in the presence of Ni［Pyzdc(COO)COOH］2·2H2O

圖6 Ni［Pyzdc(COO)COOH］2·2H2O的Stern-volmer圖Fig.6 Stern-volmer quenching plots of the Ni［Pyzdc(COO)COOH］2·2H2O

3.3 配合物對pBR322-DNA的切割能力測定

在外電場作用下，帶電顆粒如不處于等電狀態(tài)，將向著與其所帶電荷電性相反的電極移動.電泳時，樣品在電槽中外電場的作用下發(fā)生移動，超螺旋帶(FormⅠ)分子質(zhì)量較小，在電場的作用下遷移速率較大;開環(huán)帶(FormⅡ)分子質(zhì)量最大，在電場的作用下遷移速率最小，而線性帶(FormⅢ)處于兩者之間.實驗中，隨著配合物濃度增加，F(xiàn)ormⅠ解旋慢慢轉(zhuǎn)化為FormⅡ，同時DNA會發(fā)生一定降解［14-17］.

配合物與pBR322-DNA(0.01 g/L)作用相同時間后斷裂結(jié)果如圖7所示.隨著配合物濃度的增加(Lane 0是純的DNA，Lane 1～3為配合物與DNA在有氧條件下反應(yīng)2 h的電泳圖像，配合物濃度分別為 3.3、6.6、13.2 μmol/L)，其對pBR322-DNA切割能力越來越大，即FormⅠ逐漸減少，解旋慢慢轉(zhuǎn)化FormⅡ，即FormⅡ越來越多，但無線性帶FormⅢ出現(xiàn).因此可以看出該配合物對pBR322質(zhì)粒DNA具有一定的切割能力，這與紫外吸收光譜、熒光光譜實驗中得到的結(jié)論相吻合.

圖7 Ni［Pyzdc(COO)COOH］2·2H2O與質(zhì)粒pBR322-DNA電泳切割圖Fig.7 Cleavage of pBR322-DNA in the presence of Ni［Pyzdc(COO)COOH］2·2H2O

4 結(jié)論

(1)Ni［Pyzdc(COO)COOH］2·2H2O 單晶為八面體構(gòu)型，2個吡嗪-2，3-二羧酸配體以氮原子和氧原子與鎳(Ⅱ)離子反式螯合配位，2個H2O分子則以氧原子與鎳(Ⅱ)離子軸向配位，形成八面體配合物.

(2)配合物分子之間通過氫鍵弱相互作用形成新穎的超分子結(jié)構(gòu).紫外光譜和熒光光譜的測定均表明配合物與DNA之間發(fā)生了插入作用.在配合物對pBR322-DNA的切割能力測定中可以看出該配合物對pBR322質(zhì)粒DNA具有一定的切割能力，這與紫外吸收光譜、熒光光譜實驗中得到的結(jié)論相吻合.

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