含四溴合銅配陰離子的復(fù)合季鏻鹽的制備、晶體結(jié)構(gòu)和抗菌活性

李曼娜, 潘燕輝, 林雪妮, 鄭曉旭, 錢業(yè)龍, 鄭文旭, 周家容, 倪春林

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 材料與能源學(xué)院生物材料研究所, 廣東 廣州 510642)

含四溴合銅配陰離子的復(fù)合季鏻鹽的制備、晶體結(jié)構(gòu)和抗菌活性

李曼娜, 潘燕輝, 林雪妮, 鄭曉旭, 錢業(yè)龍, 鄭文旭, 周家容, 倪春林*

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 材料與能源學(xué)院生物材料研究所, 廣東 廣州 510642)

以溴化銅和溴化芐基三苯基鏻鹽為原料,在含有氫溴酸的甲醇溶液中合成了1種含四溴合銅配陰離子的芐基三苯基季鏻鹽[BnTPP]2[CuBr4]·2H2O([BnTPP]+為芐基三苯基鏻鎓離子),通過元素分析、紅外光譜、紫外-可見光譜、電子噴霧質(zhì)譜和X-射線單晶衍射對(duì)其進(jìn)行了組成分析和結(jié)構(gòu)表征.結(jié)果表明:合成的季鏻鹽[BnTPP]2[CuBr4]·2H2O屬于單斜晶系,空間群P2(1),晶胞參數(shù)為：a=0.871 6(1) nm,b=1.641 5(2) nm,c=1.646 8(2) nm,β=96.156(3)°,V=2.342 5(4) nm3,Z=2,Dc=1.596 g/cm3,GOOF=1.032,R1=0.046 8,wR2=0.096 4.季鏻鹽由1個(gè)[CuBr4]2-陰離子、2個(gè)[BnTPP]+陽(yáng)離子和2個(gè)水分子組成,相鄰陽(yáng)離子通過苯環(huán)之間的π…π堆積作用形成了二聚體;晶體中的C—H…Br、O—H…Br和C—H…O氫鍵使整個(gè)分子形成了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu).抗菌活性表明,[BnTPP]2[CuBr4]比[BnTPP]+Br-對(duì)大腸桿菌和金葡萄球菌具有更好的抗菌活性.

芐基三苯基季鏻鹽； 合成； 晶體結(jié)構(gòu)； 抗菌活性

有機(jī)季鏻鹽是一類優(yōu)良的表面活性劑、抗菌劑和相轉(zhuǎn)移催化劑[1-3].最近,人們將有機(jī)季鏻鹽作為平衡離子引入二硫烯和多鹵合過渡金屬等配陰離子體系,制備一系列具有優(yōu)良的相轉(zhuǎn)變、磁學(xué)和光學(xué)性能的有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化材料[4-9].在這些雜化材料中,季鏻鹽陽(yáng)離子的體積大小和構(gòu)型對(duì)配陰離子的重疊模式、堆積方式和材料的物理性質(zhì)有著重要影響.本研究通過取代芐基三苯基季鏻鹽([RBnTPP]+)與四氯合鈷(II)和四氯合錳(II)配陰離子進(jìn)行組裝,合成了[4RBnTPP]2[CoCl4](R=H,NO2,F,Cl)和[4RBnTPP]2[MnCl4](R=H,NO2,F,Cl)等雜化材料,研究了它們的晶體結(jié)構(gòu)和磁學(xué)性能,以及C—H…Cl,C—H…O,O—H…O和C—H…π氫鍵,O…O和Cl…O短程作用,p…π和π…π堆積作用等弱相互作用對(duì)這些雜化材料結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的影響[10-12].為了拓展研究工作,本文采用以溴化銅和溴化芐基三苯基鏻鹽為原料,在含有氫溴酸的甲醇溶液中合成了1種含四溴合銅配陰離子的芐基三苯基季鏻鹽[BnTPP]2[CuBr4]·2H2O([BnTPP]+為芐基三苯基鏻鎓離子)(CCDC1409465),通過元素分析、紫外-可見光譜、紅外光譜、電子噴霧質(zhì)譜和X-射線單晶衍射等手段進(jìn)行了組成分析和結(jié)構(gòu)表征,并以大腸桿菌和金葡萄球菌為致病菌測(cè)定了其抗菌活性,并與[BnTPP]Br的抗菌活性進(jìn)行了對(duì)比.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑和儀器 溴化芐(BnBr)、溴化銅和三苯基膦均由國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司提供,抗菌實(shí)驗(yàn)用的營(yíng)養(yǎng)肉湯來(lái)源于廣州環(huán)凱微生物生物科技有限公司,其他試劑均為市售分析純?cè)噭?溴化芐基三苯基季鏻鹽([BnTPP]Br)按文獻(xiàn)[13]方法合成.美國(guó)Perkin-Elmer公司240C型元素分析儀,美國(guó)Nicolet公司Acvatar 360 FT-IR紅外光譜儀,日本島津公司UV-Vis 2550型紫外-可見分光光譜儀,日本Shimadzu LCMS-2010A液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀和德國(guó)Bruker公司Smart APEX CCD-射線衍射儀(MoKα光源λ=0.071 073 nm).

1.2 季鏻鹽的合成 參照文獻(xiàn)[10]的方法合成[BnTPP]2[CuBr4]·2H2O：取0.86 g(1 mmol)[BnTPP]Br于錐形瓶中,加入0.11 g(0.5 mmol)的CuBr2,以20 mL甲醇為溶劑,再加入1 mL氫溴酸,加熱攪拌回流1 h,過濾,靜置,自然揮發(fā)5周,得到黑色晶體0.41 g,產(chǎn)率74.5%.

1.3 季鏻鹽的晶體結(jié)構(gòu)測(cè)定 選取尺寸為0.12 mm×0.15 mm×0.21 mm的季鏻鹽晶體置于Bruker Smart CCD單晶衍射儀上,在291 K下,采用石墨單色器單色化的MoKα射線,以φ-ω掃描方式在1.8°≤θ≤25.0°范圍內(nèi)收集,共收集到30 659個(gè)衍射點(diǎn),其中可觀測(cè)的獨(dú)立衍射點(diǎn)[I>2σ(I)]為6 131個(gè),強(qiáng)度因子經(jīng)經(jīng)驗(yàn)吸收校正,晶體結(jié)構(gòu)采用SHELXS-97程序由直接法解出[14-15].對(duì)非氫原子坐標(biāo)及其各向異性溫度因子進(jìn)行全矩陣最小二乘法精修.以I>2σ(I)的數(shù)據(jù)修正到一致性因子R1=0.046 8,wR2=0.096 4,殘余電子密度的最高峰107 0 e·nm-3,最低峰為-800 e·nm-3.[BnTPP]2[CuBr4]·2H2O的晶體學(xué)數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)精修信息列于表1.季鏻鹽的主要的鍵長(zhǎng)和鍵角列于表2.

1.4 抗菌活性測(cè)定 采用二倍稀釋法和平板紙片擴(kuò)散法分別測(cè)定季鏻鹽的最小抑菌濃度(MIC)[16]和抑菌圈直徑大小[17].

表 1 季鏻鹽[BnTPP]2[CuBr4]·2H2O的晶體學(xué)數(shù)據(jù)

表 2 季鏻鹽[BnTPP]2[CuBr4]·2H2O的主要鍵長(zhǎng)和鍵角

2 結(jié)果與討論

2.1 元素分析與電子噴霧質(zhì)譜 標(biāo)題季鏻鹽[BnTPP]2[CuBr4]·2H2O的元素分析實(shí)測(cè)值為C,53.33%;H,4.30%;計(jì)算值為C,53.42%;H,4.45%.由此可見,實(shí)驗(yàn)值與化學(xué)式(C50H48P2Br4CuO2)的計(jì)算值基本吻合.正離子的電子噴霧質(zhì)譜出現(xiàn)在353.1,與[BzTPP]+的理論值353.4基本一致.

2.2 紫外-可見光譜 標(biāo)題季鏻鹽的紫外-可見吸收光譜中有4個(gè)吸收帶,其中270 nm處的吸收峰屬于π→π*躍遷,363 nm處的吸收峰屬于L(π)→L(π*)躍遷,437 nm處的吸收峰屬于L(π)→M躍遷,640 nm附近的弱吸收峰為金屬銅離子的d→d*躍遷的吸收峰[18-21].

2.3 紅外光譜 標(biāo)題季鏻鹽的紅外光譜中在3 590～3 330 cm-1之間有一個(gè)很寬的吸收帶,歸屬于水分子的羥基振動(dòng)峰.305 5 cm-1為苯環(huán)中的C—H伸縮振動(dòng),苯環(huán)亞甲基的C—H伸縮振動(dòng)峰分別位于292 8 和288 5 cm-1處.在164 5和158 3 cm-1處的峰歸屬于苯環(huán)中的CC的伸縮振動(dòng);在143 7 cm-1處的峰歸屬于苯環(huán)中的飽和C—H變形振動(dòng),在111 5 cm-1處的峰歸屬于C—P伸縮振動(dòng),750和688 cm-1處的峰歸屬于苯環(huán)單取代C—H變形振動(dòng).這些特征吸收峰與文獻(xiàn)報(bào)道的類似季鏻鹽的基本一致[22].

2.4 季鏻鹽的晶體結(jié)構(gòu) 季鏻鹽[BnTPP]2[CuBr4]·2H2O屬于單斜晶系,空間群為P2(1),其分子結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要的鍵長(zhǎng)和鍵角列于表2.由圖2可見,季鏻鹽的一個(gè)不對(duì)稱晶胞中含1個(gè)[CuBr4]2-陰離子,2個(gè)[BnTPP]+陽(yáng)離子和2個(gè)水分子.[CuBr4]2-陰離子中的中心原子Cu(II)與4個(gè)Br離子配位,呈現(xiàn)出扭曲的四面體構(gòu)型,平均Cu—Br鍵長(zhǎng)為0.239 2 nm,Br—Cu—Br鍵角在94.50°～147.60°范圍內(nèi)變化,這些鍵參數(shù)接近文獻(xiàn)報(bào)道的含[CuBr4]2-離子的其他鹽類參數(shù)[23].通過晶體結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)陰離子之間沒有相互作用,兩個(gè)陰離子之間Cu…Cu的最短距離為0.871 6 nm,而Br…Br的最短距離0.507 8 nm.2個(gè)[BzTPP]+陽(yáng)離子中4個(gè)苯環(huán)圍繞著P原子伸向不同的空間,對(duì)于含有P(1)的陽(yáng)離子,取代芐基中的苯環(huán)與三苯基膦中的3個(gè)苯環(huán)繞著P(1)原子扭曲,C(1)—C(6)、C(8)—C(13)、C(14)—C(19)和C(20)—C(25)4個(gè)苯環(huán)與C(6)—C(7)—P(1)參考平面之間二面角分別為93.2°、93.8°、20.5°和112.2°.對(duì)于含有P(2)的陽(yáng)離子,4個(gè)苯環(huán)C(26)—C(31)、C(33)—C(38)、C(39)—C(44)和C(45)—C(50)與C(31)—C(32)—P(2)參考平面之間二面角發(fā)生了一定的變化,分別為89.1°、115.1°、22.7°和94.7°.這些二面角的大小明顯不同于文獻(xiàn)報(bào)道的[BnTPP]2[CoCl4]·H2O[12]和[BnTPP]2[MnCl4][12]中的夾角,表明對(duì)于含[MX4]2-陰離子的季鏻鹽,當(dāng)陽(yáng)離子相同時(shí),陰離子中金屬離子和鹵素離子的變化導(dǎo)致了季鏻陽(yáng)離子構(gòu)型的改變.相鄰陽(yáng)離子通過苯環(huán)之間邊對(duì)面的…堆積作用[24]形成了二聚體(圖2),其中含P(1)原子的一個(gè)陽(yáng)離子中的C(23)和C(24)到另一個(gè)陽(yáng)離子中苯環(huán)C(14A)—C(19A)中心和C(16A)的距離分別為0.367 4和0.360 4 nm；含P(2)原子的一個(gè)陽(yáng)離子中的C(34)和C(33)到另一個(gè)陽(yáng)離子中苯環(huán)C(14A)—C(19A)中心和C(41A)的距離分別為0.371 3和0.367 9 nm.值得注意的是,陽(yáng)離子[BnTPP]+與陰離子[CuBr4]2-通過C—H…Br的氫鍵[25]相連,[CuBr4]2-與水分子間通過O—H…Br的氫鍵[26]相連,而[BnTPP]+與水分子間通過C—H…O的氫鍵[27]相連,相關(guān)的鍵參數(shù)列于表3中.如圖3所示,季鏻鹽[BnTPP]2[CuBr4]·2H2O中陰、陽(yáng)離子和與水分子間的氫鍵作用促進(jìn)了晶體的堆積和穩(wěn)定性并使整個(gè)分子形成了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu).

表 3 季鏻鹽[BnTPP]2[CuBr4]·2H2O中氫鍵的鍵長(zhǎng)和鍵角

注:#用來(lái)生成等價(jià)原子的對(duì)稱交換: #1= -x+1,-y+1/2,-z+1;#2=x+1,y,z;#3=x,-y,z+1.

表 4 季鏻鹽的抗菌活性

季鏻鹽試管二倍稀釋法平板紙片擴(kuò)散法金葡萄球菌大腸桿菌金葡萄球菌大腸桿菌MIC/(mmol·L-1)抑菌圈直徑D/cm[BnTPP]Br0.015630.031252.101.22[BnTPP]2[CuBr4]0.007810.015632.312.34

2.5 季鏻鹽的抗菌活性 采用二倍稀釋法和平板紙片擴(kuò)散法分別測(cè)定季鏻鹽[BnTPP]2[CuBr4]·2H2O和[BnTPP]Br的最小抑菌濃度(MIC)[16]和抑菌圈直徑大小[17],3次測(cè)定結(jié)果的平均值列于表5.從表5可以看出,2種季鏻鹽對(duì)大腸桿菌和金葡萄球菌均具有一定的抗菌活性,其中[BnTPP]2[CuBr4]·2H2O對(duì)大腸桿菌和金葡萄球菌的抗菌活性大于[BnTPP]Br,這是由于對(duì)于物質(zhì)的量濃度相同的2種抗菌劑而言,[BnTPP]2[CuBr4]·2H2O中含有[BnTPP]和[CuBr4]2個(gè)抗菌物種的緣故[28].另外,[BnTPP]2[CuBr4]·2H2O對(duì)大腸桿菌和金葡萄球菌的抗菌活性大于文獻(xiàn)報(bào)道的[BnTPP]2[CoCl4]和[BnTPP]2[MnCl4][29].

致謝 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)2014年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201410564212)對(duì)本文給予了資助,謹(jǐn)致謝意.

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(編輯 陶志寧)

Synthesis, Crystal Structure and Antibacterial Properties of a Composite Quaternary Phosphonium Salt Containing Tetrabromocopperate Complex Anion

LI Manna, PAN Yanhui, LIN Xueni, ZHENG Xiaoxu, QIAN Yelong,

ZHENG Wenxu, ZHOU Jiarong, NI Chunlin

(College of Materials and Energy, Institute of Biomaterial, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, Guangdong)

A benzyltriphenylphosphonium salt containing tetrabromocuprate(II) anion, [BnTPP]2[CuBr4]·2H2O, has been synthesized by the reaction of copper bromide and benzyltriphenylphosphonium bromide in methanol solution, and characterized by elemental analysis, infrared spectra, UV-Vis, electrospray mass spectra and single crystal X-ray diffraction. The results show that it crystallizes in monoclinic system andP2(1) space group witha=0.871 6 (1) nm,b=1.641 5(2) nm,c=1.646 8(2) nm,α=γ=90°,β=96.156(3)°,V=234 2.5(4) nm3,Z=2, Dc=1.596 g/cm3, GOOF=1.032,R1= 0.046 8,wR2= 0.102 4. The unit cell of the compound contains two [BnTPP]+cations, one [CuBr4]2-anion and two water molecules. Two neighboring [BnTPP]+cations form a dimer through theπ…πstacking interaction. The C—H…Br、O—H…Br and C—H…O hydrogen bonds found in this salt result in the forming of network structure. The antibacterial experiment shows that [BnTPP]2[CuBr4]·2H2O has better antibacterial activity on colibacillus and staphylococcus aureus than [BnTPP]Br.

tetrabromocuprate(II) anion; benzyl triphenylphosphonium salt; crystal structure; antibacterial activity

2015-09-29

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014B010105037)

O627.51; O614.12

A

1001-8395(2016)06-0889-06

10.3969/j.issn.1001-8395.2016.06.021

*通信作者簡(jiǎn)介：倪春林(1965—),男,教授,主要從事無(wú)機(jī)功能材料的制備和性能的研究,E-mail:niclchem@scau.edu.cn