新型單羥基氯代咔咯的合成及其光斷裂DNA性質(zhì)

史 蕾， 楊文聰， 曾淑瑩， 莫婷婷， 汪華華， 劉海洋

(1. 廣東第二師范學(xué)院 化學(xué)系，廣東 廣州 510303； 2. 華南理工大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，廣東 廣州 510640)

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新型單羥基氯代咔咯的合成及其光斷裂DNA性質(zhì)

史 蕾1*， 楊文聰1， 曾淑瑩1， 莫婷婷1， 汪華華2， 劉海洋2

(1. 廣東第二師范學(xué)院 化學(xué)系，廣東 廣州 510303； 2. 華南理工大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，廣東 廣州 510640)

以五氟苯甲醛和吡咯經(jīng)縮合反應(yīng)合成了五氟苯基二吡咯烷烴(1)； 1與3-氯-4-羥基苯甲醛經(jīng)縮合反應(yīng)合成了一個(gè)新的10-位苯環(huán)被氯原子取代的單羥基自由咔咯——10-(3-氯-4-羥苯基)-5,15-二(五氟苯基)咔咯(2)，收率12.0%，其結(jié)構(gòu)經(jīng)UV-Vis，1H NMR，19F NMR, HR-ESI-MS和X-射線單晶衍射表征。瓊脂糖凝膠電泳實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：2在光照下能夠有效引起超螺旋質(zhì)粒pBR 322 DNA發(fā)生斷裂，當(dāng)濃度為100 μmol·L-1時(shí)，活性最強(qiáng)，斷裂百分比為68%。

五氟苯甲醛; 咔咯; 合成； 晶體結(jié)構(gòu)； 光斷裂； DNA

咔咯是與卟啉具有相似結(jié)構(gòu)的大環(huán)化合物，未與金屬配位的稱為自由咔咯，咔咯與金屬配位后可形成高價(jià)態(tài)的金屬咔咯[1-2]。咔咯是一種新型光敏劑，在光動(dòng)力治療(PDT)方面與卟啉相比表現(xiàn)出優(yōu)良的性能，如在可見光區(qū)具有更強(qiáng)的吸收、更大的斯托克斯位移以及在新陳代謝中更容易分解[3-4]。卟啉類光敏劑能夠選擇性地聚集在腫瘤細(xì)胞并且在光照條件下引起細(xì)胞的損傷，并且卟啉誘導(dǎo)的DNA光斷裂在過去幾年已經(jīng)被廣泛報(bào)道[5-9]。然而，有關(guān)咔咯光斷裂DNA的研究相對(duì)較少。2007年,SanKar等[10]合成了氧雜咔咯銅衍生物，發(fā)現(xiàn)其在光照下能夠有效斷裂DNA。本課題組[11]制備了一系列含鹵族元素氟、氯、溴和碘的單羥基自由咔咯衍生物，發(fā)現(xiàn)咔咯的重原子效應(yīng)對(duì)其單線態(tài)氧量子產(chǎn)率和光核酸酶活性均有影響。之后我們又合成了一系列咔咯-吩噻嗪二元體、水溶性咔咯及其鎵配合物[12-15]，吩噻嗪的引入可以提高咔咯的光核酸酶活性，然而，與自由咔咯相比，與鎵配位后其光斷裂效果較弱。

Scheme 1

本文以五氟苯甲醛和吡咯經(jīng)縮合反應(yīng)合成了五氟苯基二吡咯烷烴(1)； 1與3-氯-4-羥基苯甲醛經(jīng)縮合反應(yīng)合成了一種10-位苯環(huán)被氯原子取代的單羥基自由咔咯——10-(3-氯-4-羥苯基)-5,15-二(五氟苯基)咔咯(2, Scheme 1)，收率12.0%，其結(jié)構(gòu)經(jīng)UV-Vis，1H NMR，19F NMR, HR-ESI-MS和X-射線單晶衍射表征。并通過瓊脂糖凝膠電泳實(shí)驗(yàn)研究了其光斷裂DNA性質(zhì)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

UV-Vis 2450型紫外可見分光光度計(jì)(甲苯為溶劑)；AVANCE Digital 400 MHz型傅里葉變換核磁共振儀(CDCl3為溶劑，TMS為內(nèi)標(biāo))；Agilent1290/maXis impact型超高壓液相色譜-高分辨質(zhì)譜聯(lián)用儀；Oxford SuperNova TM型X-射線單晶衍射儀；31-CN型凝膠電泳儀；BIO-RAD Gel Dox XR+凝膠自動(dòng)成像分析系統(tǒng)(用COM3，開啟302 nm光源)。

Tris-HCl緩沖溶液I和II參考文獻(xiàn)[18]方法配制；pBR 322DNA，大連寶生物工程有限公司；三羥甲基甲胺(Tris)、生物氯化鈉(NaCl)、硼酸(H3BO3)、瓊脂糖、溴酚藍(lán)、溴化乙錠(EB)，生物純，上海生工生物工程公司；實(shí)驗(yàn)用水為去離子水；其余所用試劑均為分析純。

1.2 合成

(1) 1的合成[16-17]

在反應(yīng)瓶中加入五氟苯甲醛1.96 g(10 mmol)和吡咯50 mL，攪拌使其均勻;加入TFA 15 μL，于室溫反應(yīng)15 min，加入三乙胺30 μL中和TFA。減壓蒸餾(120 ℃)除去過量吡咯，殘余物經(jīng)硅膠柱層析[洗脫劑：A=V(二氯甲烷) ∶V(正己烷)=1 ∶2，收集淡黃色條帶]純化得淡黃色粉末1，收率78.0%。

(2) 2的合成

在反應(yīng)瓶中加入1 499.2 mg(0.80 mmol)和二氯甲烷50 mL，攪拌使其溶解；加入3-氯-4-羥基苯甲醛62.8 mg(0.40 mmol)和TFA 20 μL，于室溫反應(yīng)7 h;注入三乙胺40 μL中和TFA;加入2,3-二氯-5,6-二氰對(duì)苯醌(DDQ)182.0 mg(0.8 mmol)，于室溫反應(yīng)2 h。經(jīng)硅膠柱層析(先用二氯甲烷淋洗除去DDQ，梯度洗脫劑：A=1 ∶3～1 ∶2)純化得紫色粉末2，收率12.0%; UV-Visλmax(relative intensity): 422.0(0.85), 563.5(0.17), 611.0(0.09) nm；1H NMRδ: 7.39(d,J=10.8 Hz, 1H, ArH), 8.00(d,J=11.6 Hz, 1H, ArH), 8.15(br s, 1H, ArH), 8.58(br s, 2H, pyrrole-H), 8.72(br s, 4H, pyrrole-H), 9.12(d,J=7.6 Hz, 2H, pyrrole-H)；19F NMRδ: -162.1(m, 4F), -153.1(m, 2F), -138.3(m, 4F)； HR-ESI-MSm/z: Calcd for C37H15N4OF10Cl {[M]+}756.077 5, found 756.049 8。

1.3 單晶培養(yǎng)及晶體結(jié)構(gòu)測(cè)定

將2溶于二氯甲烷，緩慢加入正己烷(A=1 ∶3)，靜置結(jié)晶3 d得紫色晶體。

將2單晶(0.12 mm×0.10 mm×0.02 mm)置衍射儀上，于298(2) K以經(jīng)石墨單色儀單色化的CuKα射線(λ=1.541 78 ?)以ω-φ方式掃描，共收集衍射點(diǎn)6 165個(gè)，其中I>2σ(I)獨(dú)立衍射點(diǎn)3 342個(gè)，并用于結(jié)構(gòu)分析。非氫原子坐標(biāo)用直接法解出，并對(duì)其坐標(biāo)及其各向異性熱參數(shù)進(jìn)行全矩陣最小二乘法修正。氫原子的位置由理論加氫得到，并使用騎式換型位置參數(shù)和固定的各向同性熱參數(shù)加入結(jié)構(gòu)精修。所有計(jì)算通過SHELXS-97和SHELXL-97程序包進(jìn)行。

表1 2的晶體學(xué)數(shù)據(jù)

1.4 光斷裂DNA性質(zhì)測(cè)定

采用10 μL的反應(yīng)體系(在Tris-HCl緩沖溶液I中進(jìn)行)，包含pBR 322 DNA(0.1 μg)和不同濃度的化合物。將反應(yīng)液在熒光燈(10 W)照射下反應(yīng)一段時(shí)間(將光源和反應(yīng)液置于避光系統(tǒng)，反應(yīng)液和熒光燈之間保持10 cm距離)。加入溴酚藍(lán)2 μL終止反應(yīng)，瓊脂糖凝膠(瓊脂糖含量1.0%，在Tris-HCl緩沖溶液Ⅱ中進(jìn)行)電泳2 h(77 V， 30 mA)后，放入EB溶液中染色20 min，置凝膠成像系統(tǒng)中成像，測(cè)定Form I和Form Ⅱ型DNA所占的百分比。

2 結(jié)果與討論

2.1 晶體結(jié)構(gòu)

2(CCDC： 1 448 781)的晶體學(xué)參數(shù)見表1，晶體結(jié)構(gòu)見圖1。

晶體結(jié)構(gòu)分析表明:2屬三斜晶系，P-1空間群。2中大環(huán)的四個(gè)吡咯環(huán)不完全在同一平面上，與大環(huán)平面均有一定程度的偏離，四個(gè)吡咯環(huán)與擬合得到的大環(huán)平面的夾角分別為11.720 °， 10.271 °， 22.224 °和8.908 °。三個(gè)meso-位取代苯環(huán)與咔咯大環(huán)平面的夾角分別為：63.339 °， 70.001 °和50.866 °。 2中存在明顯的π-π相互作用，咔咯大環(huán)與上下相鄰兩個(gè)大環(huán)平面的距離分別為3.623 8 ?和3.627 7 ?。

圖1 2的晶體結(jié)構(gòu)圖

2.2 光斷裂DNA性質(zhì)研究

DNA是許多抗腫瘤藥物在生物體內(nèi)的重要靶標(biāo)分子，小分子在光照下與DNA相互作用導(dǎo)致的DNA損傷，有可能影響相關(guān)蛋白質(zhì)翻譯從而抑制腫瘤細(xì)胞增殖，最終導(dǎo)致癌細(xì)胞凋亡[19]。本文對(duì)不同濃度2對(duì)pBR 322 DNA的光斷裂行為進(jìn)行了考察，結(jié)果見圖2。

圖2 2的光斷裂DNA的瓊脂糖凝膠電泳圖*

Figure 2 Agarose gel electrophoresis pattern of 2 for

the cleavage of supercoiled pBR 322 DNA

*樣品(10 μL)包含0.1 μg質(zhì)粒DNA， 2 和 5%DMF，泳道1：僅DNA，泳道2：DNA+100 μM 2(無光照)，泳道 3～6: DNA分別加10, 40, 70, 100 μM 2(光照2 h)。

從圖2可見，DNA空白樣品以及加入2而沒有光照條件下均沒有發(fā)現(xiàn)DNA有明顯的斷裂；在濃度為10 μmol·L-1，用10 W的熒光燈照射2 h， 2能使25%的Form I DNA轉(zhuǎn)變?yōu)镕orm II DNA，增大樣品濃度，其光斷裂DNA的活性相應(yīng)增強(qiáng)；當(dāng)濃度為100 μmol·L-1時(shí)，其光斷裂DNA的活性最強(qiáng)，斷裂百分比為68%。2的光斷裂DNA行為與我們之前合成的一系列鹵代咔咯類似[11]。該研究結(jié)果對(duì)于開拓新型的PDT光敏劑及臨床光動(dòng)力治療藥物提供相應(yīng)的理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

3 結(jié)論

以五氟苯甲醛為起始原料合成了一個(gè)新的10-位苯環(huán)被氯原子取代的單羥基自由咔咯——10-(3-氯-4-羥苯基)-5,15-二(五氟苯基)咔咯。該化合物能夠在光照下有效引起超螺旋質(zhì)粒DNA發(fā)生斷裂。該研究結(jié)果對(duì)于開拓新型的核酸酶試劑、以及從分子水平了解這類化合物作為光動(dòng)力治療藥物的作用機(jī)制和構(gòu)效關(guān)系提供重要的理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

[1] Gross Z, Galili N, Saltsman I,etal. The first direct synthesis of corroles from pyrrole[J].Angew Chem Int Ed,1999,38(10):1427-1429.

[2] Grodkowski J, NetaI, Fujita E,etal. Reduction of cobalt and iron corroles and catalyzed reduction of CO2[J].J Phys Chem A,2002,106:4772-4778.

[3] Paolesse R, Marini A, Nardis S,etal. Novel routes to substituted 5,10,15-triaryl corroles[J].J Porphyr Phthalocya,2003,7(1):25-36.

[4] Ventura B, Degli E, Gryko D T,etal. Photophysical characterization of free-base Corroles,promising chromophores for light energy conversion and singlet oxygen generation[J].New J Chem,2005,29(12):1559-1566.

[5] Henderson B W, Sumlin A B, Owczarczak B L,etal. Bacteriochlorophyll-a as photosensitizer for photodynamic treatment of transplantable murine tumors[J].J Photochem Photobiol B,1991,10(4):303-313.

[6] MacDonald I J, Morgan J, Bellnier D A,etal. Subcellular localization patterns and their relationship to photodynamic activity of pyropheophorbide-a derivatives[J].Photochem Photobiol,1999,70(5):789-797.

[7] Dougherty T J, Gomer C J, Henderson B W,etal. Photodynamic therapy[J].J Nati Cancer,1998,90(12):889-905.

[8] Bonnett R, Martinez G. Photobleaching of sensitisers used in photodynamic therapy[J].Tetrahedron,2001,57:9513-9547.

[9] Kim Y S, Song R, Kim D H,etal. Synthesis,biodistribution and antitumor activity of hematoporphyrin-platinum(II) conjugates[J].Bioorg Med Chem,2003,11:1753-1760.

[10] Sankar J, Rath H, Prabhuraja V,etal. meso-meso-linked corrole dimers with modified cores:Synthesis,characterization,and properties[J].Chem Eur J,2007,13:105-114.

[11] Shi L, Liu H Y, Si L P,etal. The heavy atom effect on photocleavage of DNA by mono-hydroxyl halogenated corroles[J].Chin Chem Lett,2010,21:373-375.

[12] Shi L, Liu H Y, Peng K M,etal. Synthesis of phenothiazine-corrole dyads:The enhanced DNA photocleavage properties[J].Tetrahedron Lett,2010,51:3439-3442.

[13] Shi L, Jiang H F, Yi W,etal. Synthesis,fluorescence and DNA photocleavage activity of phenothiazine-corrole Gallium(III) complexes[J].Acta Phys-Chim Sin,2012,28(2):465-469.

[14] Huang J T, Zhang Y, Wang X L,etal. DNA binding and photonuclease activity of sulfonated corrole and its gallium(III) complex[J].Chinese J Inorg Chem,2013,29(8):1649-1656.

[15] Wang J M, Shi L, Liu H Y. Theinteraction of corrole and its metal complex with DNA and their anti-tumor activity[J].Progress in Chem,2015,27(6):755-762.

[16] Gryko D T. A simple,rational synthesis of meso-substituted A2B-Corroles[J].Chem Commun,2000, 22:2243-2244.

[17] Gryko D T, Jadach K. A simple and versatile one-pot synthesis ofmeso-substitutedtrans-A2B-corroles[J].J Org Chem,2001,66:4267-4275.

[18] Agadjanian H, Ma J, Rentsendorj A,etal. Tumor detection and elimination by a targeted gallium corrole[J].Proc Natl Acad Sci,2009,106:6105-6110.

[19] Song Y M, Wu Q, Yang P J,etal. DNA binding and cleavage activity of Ni(II) complex with all-trans retinoic acid[J].J Inorg Biochem,2006,100:1685-1691.

Synthesis of A Novel Mono-hydroxyl Chloro-corrole and Its Photocleavage of DNA

SHI Lei1*, YANG Wen-cong1, ZENG Shu-ying1,MO Ting-ting1, WANG Hua-hua2, LIU Hai-yang2

(1. Department of Chemistry, Guangdong University of Education, Guangzhou 510303, China;2. School of Chemistry and Chemical Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

5-(Pentafluoro-phenyl)-dipyrromethane(1) was prepared by condensation reaction of pentafluorobenzaldehyde with pyrrole. A novel mono-hydroxyl corrole, 10-(3-chloro-4-hydroxylphenyl)-5,15-bis(pentafluorophenyl) corrole(2) with yield of 12.0%, was synthesized by condensation reaction of 1 with 3-chloro-4-hydroxylbenzaldehyde. The structure was characterized by UV-Vis，1H NMR，19F NMR, HR-ESI-MS and X-ray single crystal diffraction. Agarose gel electrophoresis showed that 2 could cleave 68% supercoiled DNA(form I) to give nicked-circular DNA(form II) under irradiation at 100 μmol·L-1.

pentafluorobenzaldehyde; corrole; synthesis; crystal structure; photocleavage; DNA

2015-12-21

大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目(國(guó)家級(jí))； 廣東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(S2012040006270)； 廣東大學(xué)生科技創(chuàng)新培育專項(xiàng)資金(攀登計(jì)劃專項(xiàng)資金)項(xiàng)目

史蕾(1982-)，女，漢族，廣東廣州人，博士，講師，主要從事Corrole大環(huán)的合成及其性質(zhì)研究。 Tel. 020-34113254, E-mail: shil@gdei.edu.cn

O614.81

A

10.15952/j.cnki.cjsc.1005-1511.2016.04.15408