銅L-色氨酸配合物的合成與表征

劉　慧，李少萍，黨亞茹，鄒　濤，潘婷婷，張建兵，趙紅衛(wèi)*

(1.華東理工大學(xué)　化工學(xué)院，上海　200237；2.中國(guó)科學(xué)院　上海應(yīng)用物理研究所　 中國(guó)科學(xué)院微觀界面物理與探測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海　201800)

?

銅L-色氨酸配合物的合成與表征

劉慧1,2，李少萍1*，黨亞茹1,2，鄒濤1,2，潘婷婷1,2，張建兵2，趙紅衛(wèi)2*

(1.華東理工大學(xué)化工學(xué)院，上海200237；2.中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 中國(guó)科學(xué)院微觀界面物理與探測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201800)

利用液相反應(yīng)合成法制得了銅(Ⅱ)和L-色氨酸的配合物，結(jié)合元素分析、差示掃描量熱與熱重分析聯(lián)用、粉末X射線衍射法以及紅外光譜實(shí)驗(yàn)手段對(duì)該配合物進(jìn)行表征。結(jié)果表明，1個(gè)銅離子能夠與2個(gè)L-色氨酸分子通過(guò)側(cè)鏈氨基上的氮原子和羧基上的氧原子配合，形成穩(wěn)定的配合物。利用太赫茲時(shí)域光譜法獲得了室溫條件下銅-L-色氨酸配合物在低頻波段的光譜特征，并結(jié)合密度泛函理論計(jì)算對(duì)太赫茲光譜進(jìn)行分析。該配合物在太赫茲波段的吸收對(duì)應(yīng)于分子整體的振動(dòng)，涉及吲哚環(huán)和側(cè)鏈的扭曲振動(dòng)。研究結(jié)果有助于深入了解銅離子與氨基酸的相互作用，以及銅離子在復(fù)雜生物體中所起的作用。

銅離子；L-色氨酸；金屬配合物；分析方法；太赫茲時(shí)域光譜

銅是人和動(dòng)物生長(zhǎng)必需的微量元素，對(duì)造血和中樞神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育、骨骼及結(jié)締組織的形成具有重要作用。銅的氨基酸配合物在體內(nèi)和體外的活性較高，可作為抗癌抑制劑使用[1-2]。色氨酸是人和動(dòng)物必需的氨基酸，在調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的合成、提高人體免疫力及促進(jìn)消化方面具有重要作用[3]。色氨酸分子含有吲哚環(huán)以及氨基和羧基，能夠給金屬銅提供多個(gè)配位點(diǎn)[4-5]。一些光譜手段已被用于銅離子和色氨酸的相互作用和性質(zhì)的研究。最近，Yorita等[6]利用紫外和圓二色光譜首次給出了銅離子和色氨酸在溶液中存在離子π作用的光譜學(xué)證據(jù)。Tabak等[7]利用時(shí)間分辨熒光光譜研究了銅離子和色氨酸形成配合物時(shí)氨基酸的熒光猝滅。銅離子和氨基酸類(lèi)物質(zhì)所形成的配合物還具有良好的抗炎、抗?jié)兒涂贵@厥性[8]，深入研究這些氨基酸與Cu2+配合物的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，對(duì)于理解銅元素在生物體中的傳輸和作用具有重要意義。

本文利用液相反應(yīng)合成法制得了銅(Ⅱ)和L-色氨酸(Trp)的配合物，結(jié)合元素分析、差示掃描量熱與熱重分析聯(lián)用、粉末X射線衍射法、太赫茲時(shí)域光譜和紅外光譜表征手段對(duì)銅氨基酸配合物(Cu-Trp配合物)進(jìn)行表征，對(duì)其元素組成、熱力學(xué)性質(zhì)以及結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了探究，并結(jié)合密度泛函理論(DFT)對(duì)太赫茲低頻波段該配合物的振動(dòng)光譜進(jìn)行了理論分析和討論。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1儀器與試劑

Elementar Corporation Vario EL Ⅲ元素分析儀；NETZSCH STA 449 F3 Jupiter?同步TG-DSC熱分析儀(德國(guó)耐馳公司)；X'Pert Pro多晶衍射儀(荷蘭帕納科公司)；太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)(天津大學(xué))；TENSOR 27 紅外光譜儀(德國(guó)Bruker Optics公司)。

L-色氨酸(Trp，純度99%，百靈威科技有限公司)；CuCl2·2H2O(純度99%，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)。所有藥品使用前未進(jìn)一步純化。

1.2Cu-Trp 配合物的合成

稱(chēng)取1.113 8 g的Trp溶于100 mL超純水中，逐滴加入20 mL的0.5 mol/L CuCl2溶液，攪拌，不斷產(chǎn)生沉淀。靜置2 d后，將沉淀過(guò)濾，用超純水淋洗多次，經(jīng)冷凍干燥，得到一種難溶于水和乙醇等有機(jī)溶劑的藍(lán)色沉淀。

1.3差示掃描量熱與熱重分析聯(lián)用

利用NETZSCH STA 449 F3 Jupiter?同步TG-DSC熱分析儀(德國(guó)耐馳公司)，獲得原料Trp(2.6 mg)和Cu-Trp配合物(2.3 mg)的DSC-TG譜。采用帶蓋未密封鉑坩堝，測(cè)量溫度范圍20～300 ℃，升溫速率10 ℃/min，分別以60，20 mL/min氬氣為吹掃氣體和保護(hù)氣。數(shù)據(jù)用Proteus thermal analysis軟件處理。

1.4太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)

實(shí)驗(yàn)用THz-TDS系統(tǒng)采用光電導(dǎo)天線發(fā)射和接收THz波，Maitai飛秒激光器(Spectra-Physics，中心波長(zhǎng)800 nm，脈寬< 100 fs，平均功率> 700 mW，重復(fù)頻率80 MHz)為抽運(yùn)源，THz頻譜范圍為0.1～2.0 THz，系統(tǒng)信噪比大于10 000∶1。將所測(cè)樣品以質(zhì)量比1∶3與高密度聚乙烯粉末混合，用壓片機(jī)壓制成直徑為13 mm，厚度約為1.2 mm的薄片。聚乙烯在所測(cè)量的THz波段吸收很低，在THz光譜測(cè)量中常作為襯底。將樣品置于THz光路中，以干燥空氣為參考，測(cè)得樣品的透射譜。依照文獻(xiàn)[9]方法得到整個(gè)樣品的折射率和吸收系數(shù)。在室溫下進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量過(guò)程中濕度保持在2%左右。

2　結(jié)果與討論

2.1元素分析

所制備的樣品為藍(lán)色細(xì)小顆粒，不溶于水和大部分有機(jī)溶劑(甲醇、乙醇、丙酮和氯仿)，微溶于二甲亞砜[10]。將藍(lán)色沉淀樣品進(jìn)行元素分析，得到C，N，H的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為55.33%，11.80%，4.59%。銅離子可與2個(gè)氨基酸分子發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)[11-12]。通過(guò)分子式計(jì)算，得到C，N，H的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為56.17%，11.91%，4.68%。證明金屬配合物的分子式為Cu(C11H11N2O2)2。

2.2DSC-TG測(cè)量

圖1為T(mén)rp和Cu-Trp配合物的DSC-TG曲線。Trp原料和Cu-Trp配合物在100 ℃左右均未觀察到吸熱峰和質(zhì)量損失，說(shuō)明兩種物質(zhì)均不含結(jié)晶水。Trp的TG曲線在30～268.1 ℃范圍內(nèi)呈現(xiàn)一定的穩(wěn)定性。從268.1 ℃升至329.4 ℃，質(zhì)量損失20.59%，可認(rèn)為是Trp失去1個(gè)COOH(理論值為22.06%)，形成了中間胺產(chǎn)物[13]。 DSC曲線同時(shí)伴有1個(gè)明顯的吸熱峰，292.8 ℃處的吸熱峰由化合物的熱分解引起，峰的吸熱量為312.5 J/g。從TG曲線可以看出，Cu-Trp配合物在266.8 ℃之前較穩(wěn)定，266.8 ℃至329.3 ℃，質(zhì)量損失22.85%，可認(rèn)為Cu-Trp配合物受熱分解，推測(cè)可能是由于兩個(gè)配體Trp發(fā)生部分脫羧引起(理論值為18.72%)。DSC曲線同時(shí)伴有1個(gè)吸熱峰，在268.6 ℃處有一明顯的熔解峰，峰的吸熱量為181.5 J/g。從兩種物質(zhì)的DSC-TG曲線可以看出，Cu2+和Trp形成了較穩(wěn)定的配合物，其熱穩(wěn)定性與Trp相近。

2.3PXRD測(cè)量

2.4THz光譜

近年來(lái)，THz-TDS作為一種新的光譜手段，在生物分子結(jié)構(gòu)表征和分子弱相互作用研究方面取得了諸多進(jìn)展[17-19]。利用THz-TDS測(cè)得Trp和Cu-Trp配合物在0.2～2.0 THz(6.7～66.7 cm-1)的吸收系數(shù)和折射率變化見(jiàn)圖3。Trp在1.44,1.81 THz處的兩個(gè)吸收峰與文獻(xiàn)報(bào)道[20]一致，其中1.44 THz處為側(cè)鏈的扭曲振動(dòng)，1.81 THz處為吲哚環(huán)的扭曲振動(dòng)。從圖3可以看出，Cu-Trp配合物有3個(gè)峰，其中在1.44和1.79 THz處的兩個(gè)吸收峰與Trp兩個(gè)吸收峰的位置基本一致。吸收峰位置的相似在一定程度上反映了Cu-Trp配合物中存在支鏈和吲哚環(huán)的扭曲振動(dòng)。Cu-Trp配合物在0.64 THz處有1個(gè)明顯的吸收峰。由于THz吸收譜主要反映分子的振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)以及晶格振動(dòng)等[21]，而Cu2+的出現(xiàn)，使得Trp分子周?chē)沫h(huán)境發(fā)生了變化，并使分子間原有的相互作用受到影響，空間排布發(fā)生了改變。

為了更好地從分子層面上理解Cu2+與Trp配合物的結(jié)構(gòu)，利用Gaussain 09軟件包對(duì)其振動(dòng)光譜進(jìn)行模擬計(jì)算。采用DFT中的B3LYP方法，選擇6-31++G(d,p)基組[4,22]進(jìn)行Cu-Trp配合物結(jié)構(gòu)優(yōu)化和THz光譜的計(jì)算。對(duì)計(jì)算出的頻率乘以經(jīng)驗(yàn)系數(shù)0.961 4進(jìn)行校正[23]，與實(shí)際所得的THz光譜進(jìn)行比較。Cu2+通過(guò)Trp側(cè)鏈氨基上的氮和羧基上的氧成鍵[11-12]，結(jié)合位點(diǎn)和鈀(Pd)、鉑(Pt)等其他二價(jià)金屬類(lèi)似[4,22]，Cu-Trp配合物的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4A所示，計(jì)算結(jié)果如圖4B所示。計(jì)算光譜和實(shí)驗(yàn)光譜經(jīng)歸一化以消除吸收峰強(qiáng)度的影響。與實(shí)驗(yàn)得到的THz光譜進(jìn)行比較，計(jì)算所得光譜在峰的個(gè)數(shù)、強(qiáng)度和部分峰位上有較好的吻合。如1.0 THz之前的低頻波段中，計(jì)算所得的0.67 THz(21 cm-1)和實(shí)驗(yàn)值0.64 THz(21 cm-1)相吻合。而理論計(jì)算所得的2.03 THz(68 cm-1)和2.38 THz(79 cm-1)處的吸收峰，與實(shí)驗(yàn)所觀察到的1.44 THz(48 cm-1)和1.79 THz(60 cm-1)存在一定偏差，但峰的強(qiáng)度與形狀，以及兩峰之間的差值Δf(實(shí)驗(yàn)值和計(jì)算值的差值均為0.35 THz)相吻合。其中，造成偏差的主要原因可能是由于實(shí)驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，測(cè)量結(jié)果受樣品顆粒度、參雜PE及環(huán)境的溫濕度等因素影響；而理論模擬是在0 K、無(wú)外界環(huán)境干擾的理想條件下進(jìn)行。此外，由于確切的晶胞結(jié)構(gòu)和參數(shù)未獲得，所采用的單分子計(jì)算未考慮分子之間的相互作用力。但即便如此，理論計(jì)算所獲得的信息仍為從分子層面理解THz光譜和分子結(jié)構(gòu)提供了幫助。研究結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)所獲得的3個(gè)吸收峰均反映了分子整體的運(yùn)動(dòng)，包括吲哚環(huán)及側(cè)鏈的扭曲振動(dòng)，說(shuō)明Cu2+的參與顯著影響了Trp分子的排布。FTIR測(cè)量則進(jìn)一步反映了中紅外區(qū)的變化。

2.5FTIR光譜

3　結(jié)　論

本文利用液相反應(yīng)合成方法制備了Cu2+和Trp的金屬配合物，經(jīng)元素分析測(cè)定了金屬配合物中C，N，H元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，驗(yàn)證其化學(xué)式為Cu(C11H11N2O2)2；DSC-TG結(jié)果顯示Cu-Trp配合物具有較好的熱穩(wěn)定性，在292.8 ℃處有一明顯的熔解分解峰，提示化合物中存在結(jié)構(gòu)單元的分解；PXRD結(jié)果表明，Cu-Trp配合物與Trp原料的晶體結(jié)構(gòu)有明顯差異；利用THz-TDS和FTIR光譜獲得了化合物在遠(yuǎn)紅外THz波段(6.7～66.7 cm-1)和中紅外波段(400～4 000 cm-1)的光譜信息，其中THz波段體現(xiàn)了分子的整體運(yùn)動(dòng)，中紅外波段反映了官能團(tuán)的振動(dòng)。研究表明Cu2+與文獻(xiàn)報(bào)道的Pd2+，Pt2+一樣能夠與Trp通過(guò)氨基上的氮原子和羧基上的氧原子配合成鍵。

[1]Chauhan M,Banerjee K,Arjmand F.Inorg.Chem.,2007,46(8):3072-3082.

[2]Onoa B,Moreno V.TransitionMet.Chem.,1998,23(4):485-490.

[3]Chuang C H,Chen Y T.J.RamanSpectrosc.,2009,40(2):150-156.

[4]Carvalho M A,Souza B C,Paiva R E F,Bergamini F R G,Gomes A F,Gozzo F C,Lustri W R,Formiga A L B,Rigatto G,Corbi P P.J.Coord.Chem.,2012,65(10):1700-1711.

[5]Shimazaki Y,Takani M,Yamauchi O.DaltonTrans.,2009,(38):7854-7869.

[6]Yorita H,Otomo K,Hiramatsu H,Toyama A,Miura T,Takeuchi H.J.Am.Chem.Soc.,2008,130(46):15266-15267.

[7]Tabak M,Sartor G,Neyroz P,Spisni A,Cavatorta P.J.Lumin.,1990,46(5):291-299.

[8]Sorenson J R J.J.Med.Chem.,1976,19(1):135-148.

[9]Han J G,Zhang W L,Chen W,Thamizhmani L,Azad A K,Zhu Z Y.J.Phys.Chem.B,2006,110(5):1989-1993.[10]Claudia C W,Enrique J B.ActaFarm.Bon.,2004,23(3):339-342.

[11]Allen H C,Becker J W,Mandriol M.J.Chem.Phys.,1972,56(2):997-999.

[12]Siu C K,Ke Y,Guo Y,Hopkinson A C,Siu K W M.Phys.Chem.Chem.Phys.,2008,10(38):5908-5918.

[13]Zhao Q J,Xu G D,Yan C N,Zhang Z H,Qu S S.AminoAcids&BioticResources(趙群金，徐桂端，顏承農(nóng)，張忠海，屈松生.氨基酸和生物資源)，1997,19(4):8-11.

[14]Engberg A.ActaChem.Scand.,1970,24(10):3510-3526.

[15]G?rbitz C H,T?rnroos K W,Day G M.ActaCrystallogr.B,2012,68:549-557.

[16]Cao X L,Fischer G.J.Phys.Chem.A,1999,103(48):9995-10003.

[17]Ho L,Pepper M,Taday P.Nat.Photon,2008,2(9):541-543.

[18]Beard M C,Turner G M,Schmuttenmaer C A.J.Phys.Chem.B,2002,106(129):7146-7159.

[19]Ferguson B,Zhang X C.Nat.Mater.,2002,1(1):26-33.

[20]Yu B,Zeng F,Yang Y,Xing Q,Chechin A,Xin X,Zeylikovich I,Alfano R R.Biophys.J.,2004,86(3):1649-1654.[21]Nguyen K L,Friscic T,Day G M,Gladden L F,Jones W.Nat.Mater.,2007,6(3):206-209.

[22]Carvalho M A,Shishido S M,Souza B C,de Paiva R E F,Gomes A F,Gozzo F C,Formiga A L B,Corbi P P.Spectrochim.ActaA,2014,122:209-215.

[23]Scott A P,Radom L.J.Phys.Chem.,1996,100(41):16502-16513.

[24]Qu N,Zhu M C,Dou S.J.Instrum.Anal.(曲楠，朱明超，竇森.分析測(cè)試學(xué)報(bào))，2015,34(1):120-126.

[25]Duncan M A.Int.Rev.Phys.Chem.,2003,22(2):407-435.

[26]Carvalho M A,de Paiva R E F,Bergamini F R G,Gomes A F,Gozzo F C,Lustri W R,Formiga A L B,Shishido S M,Ferreira C V,Corbi P P.J.Mol.Struct.,2013,1031:125-131.

Synthesis and Characterization of Copper L-Tryptophan Complex

LIU Hui1,2,LI Shao-ping1*,DANG Ya-ru1,2,ZOU Tao1,2,PAN Ting-ting1,2,ZHANG Jian-bing2,ZHAO Hong-wei2*

(1.School of Chemical Engineering,East China University of Science and Technology,Shanghai200237,China;2.Key Laboratory of Interfacial Physics and Technology,Chinese Academy of Sciences,Shanghai Institute of Applied Physics,Chinese Academy of Sciences,Shanghai201800,China)

A copper(Ⅱ)L-tryptophan complex was synthesized in aqueous solution and characterized by element analysis,differential scanning calorimetry and thermogravimetry,powder X-ray diffraction and Fourier transform infrared spectroscopy.The results showed that the compound had a good stability.A copper ion could combine with twoL-tryptophan molecules through the nitrogen of the amine group and one oxyen of the carboxyl group.The low-frequency vibrational spectrum was measured by terahertz time-domain spectroscopy(THz-TDS) at room temperature.Density functional theory was employed to calculate the low-frequency vibrational properties.The result indicated that THz absorption spectrum mainly reflected the collective vibrational modes of the whole molecules including the distortional vibration of indole ring and the side chain.The studies are helpful to understand the interaction of copper ion with amino acid and the role of the copper ion in complex organisms.Key words：copper;L-tryptophan;metal complex;analysis method;terahertz time-domain spectroscopy(THz-TDS)

2015-11-04；

2015-12-20

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(2014CB339806)；中國(guó)科學(xué)院微觀界面物理與探測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題

李少萍，博士，副教授，研究方向：石油化工，Tel:021-64251934,E-mail:spli@ecust.edu.cn

趙紅衛(wèi)，博士，副研究員，研究方向：太赫茲技術(shù)，Tel:021-39194818，E-mail:zhaohongwei@sinap.ac.cn

doi:10.3969/j.issn.1004-4957.2016.06.018

O657.3;O629.7

A

1004-4957(2016)06-0734-05