鄰氨基酚Schiff堿鈷、鎳雙核配合物:合成、結(jié)構(gòu)和抗癌活性及量化計(jì)算

解慶范 郭妙莉 陳延民

（泉州師范學(xué)院化工與材料學(xué)院，泉州 362000）

過去數(shù)十年關(guān)于Schiff堿的過渡金屬配合物的研究一直非?；钴S,一個(gè)重要的原因是它們?cè)谝志⒖共《?、消炎和抗腫瘤等方面的藥理作用使之具有潛在的應(yīng)用前景[1-4]。另一方面,過渡金屬廣泛存在于許多生物酶中,作為酶的活性中心發(fā)揮著重要的作用[5-6]。利用簡(jiǎn)單的有機(jī)配體合成新型的配合物,是分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要策略之一,合成的關(guān)鍵在于金屬離子和配體的選擇以及反應(yīng)條件[7-8]。Schiff堿具有雙齒、三齒和多齒等多種類型,有助于形成單核、雙核和多核等各種類型的配合物,在配合物的分子設(shè)計(jì)和合成中可以發(fā)揮更多的想象力。近年來,非貴金屬配合物作為抗腫瘤藥物的研究取得快速發(fā)展[9],研究較多的是銅的配合物[10-11]。事實(shí)上,有些鋅、鎘、鈷、鎳等的金屬配合物也表現(xiàn)出良好的抗腫瘤活性[12-19]。我們分別以Schiff堿鄰氨基酚縮5-硝基水楊醛 （H2L1）和鄰氨基酚縮水楊醛（H2L2）為第一配體,4,4′-聯(lián)吡啶為第二配體合成了一種五配位的鈷雙核配合物[Co2（H2O）2（L1）2（4,4′-bipy）] （1）和一種大平面的雙核鎳配合物[Ni2（L2）2（4,4′-bipy）] （2）,本文主要報(bào)導(dǎo)它們的晶體結(jié)構(gòu)和抗癌活性,并分析了它們的光譜特征和熱穩(wěn)定性,對(duì)鎳配合物應(yīng)用Gaussian 09程序,采用密度泛函方法 （DFT）,在UB3LYP/6-31G（d）水平進(jìn)行了量化計(jì)算。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

德國Elmentar Vario EL元素分析儀；美國Nicolet is10型FT-IR紅外光譜儀；上海美普達(dá)UV-1800PC型紫外-可見分光光度計(jì)；德國塞馳STA 409 PC型綜合熱分析儀；美國Varian CARY/Eclipse型熒光分光光度計(jì)；日本理學(xué)Rigaku Saturn724 CCD單晶衍射儀。所用試劑均為市售分析純?cè)噭?/p>

1.2 配合物的合成

1.2.1 配合物1的合成

將大約10 mmol的鄰氨基酚和等量的5-硝基水楊醛置于20 mL無水乙醇中,75℃下水浴加熱回流3 h,冷卻、過濾,并用無水乙醇洗滌,得到黃色粉末狀配體H2L1,真空干燥備用。取0.2 mmol乙酸鈷、0.2 mmol H2L1、0.1 mmol 4,4′-聯(lián)吡啶、6 mL 水、4 mL乙醇和1 mL DMF,置于內(nèi)襯聚氟乙烯不銹鋼自動(dòng)升壓反應(yīng)釜中,于120℃恒溫3 d,得到1的暗紅色塊狀晶體。對(duì)C36H28Co2N6O10的元素分析計(jì)算值（%）：C 52.57,H 3.43,N 10.22；測(cè)試值（%）：C 52.48,H 3.51,N 10.16。 IR（cm-1）：H2L1：1 616s,1 593,1 545s,1 520,1 316vs,1 240,1 201,831,793，743s；1：1 609 vs,1 581,1 527,1 472s,1 440,1 302,1 217,830,815,737s。

1.2.2 配合物2的合成

將10 mmol鄰氨基酚與1.2 mL水楊醛溶于20 mL無水乙醇,并加1 mL乙酸,在75℃下水浴加熱回流3 h,冷卻、過濾,并用無水乙醇洗滌,得到黃色粉末狀配體H2L2,真空干燥備用。在5 mL DMF和15 mL乙醇的混合溶劑中,加入0.4 mmol乙酸鎳、0.2 mmol 4,4′-聯(lián)吡啶、0.4 mmol配體 H2L2 和 0.4 mmol乙酸鈉,于60℃下加熱回流2 h,析出橙色粉末。過濾后用DMF重結(jié)晶,濾液靜置1周后析出2的橙色棒狀單晶。對(duì)C36H26N4Ni2O4的元素分析計(jì)算值（%）：C 62.12,H 3.77,N 8.05；測(cè)試值（%）：C 62.15,H 3.70,N 8.11。 IR（cm-1）：H2L2：1 628vs,1 601,1 548，1 507,1 454,1 321,1 269,1 219,879,824,754vs；2：1 605vs,1 582,1 527,1 481vs,1 457,1 319,1 217,846,813,737。

1.3 晶體結(jié)構(gòu)測(cè)試

分別選取 0.40 mm×0.32 mm×0.05 mm（1）和 0.38 mm×0.30 mm×0.22 mm （2）的單晶置于 Rigaku Saturn 724 CCD單晶衍射儀上,用經(jīng)石墨單色器單色化的Mo Kα 射線（λ=0.071 073 nm）,以 ω 掃描方式收集單晶衍射數(shù)據(jù)用于單晶結(jié)構(gòu)分析。衍射數(shù)據(jù)和晶胞參數(shù)用SAINT程序[20]還原,全部強(qiáng)度數(shù)據(jù)均經(jīng)Lp因子校正,并進(jìn)行了經(jīng)驗(yàn)吸收校正。晶體結(jié)構(gòu)由直接法解出,對(duì)全部非氫原子坐標(biāo)及其各向異性熱參數(shù)進(jìn)行全矩陣最小二乘法修正,有機(jī)物上的氫原子由理論加氫法得到,上水分子上的氫原子通過差值圖中找出。結(jié)構(gòu)精修分別采用SHELXL-97[21]和Olex2程序包[22]。主要晶體數(shù)據(jù)列于表1。

CCDC：1440518,1；1432468,2。

表1 配合物的晶體數(shù)據(jù)Table 1 Crystallographic data for the complexes

續(xù)表1

1.4 體外抗癌活性的檢測(cè)

采用MTT法,參照文獻(xiàn)[23]方法,考查了配合物對(duì)人肝癌細(xì)胞HEPG2和人結(jié)腸癌細(xì)胞SW620的體外增殖抑制作用,以同一藥物不同濃度對(duì)抑制率作圖,根據(jù)線回歸方程求出半數(shù)抑制濃度IC50。

2 結(jié)果與討論

2.1 晶體結(jié)構(gòu)

2.1.1 配合物1的晶體結(jié)構(gòu)

配合物1的分子結(jié)構(gòu)見圖1,主要鍵長(zhǎng)和鍵角列于表2。1屬三斜晶系P1空間群,它由2個(gè)中心離子 Co2+、2 個(gè) Schiff堿配體 L12-、1 個(gè) 4,4′-聯(lián)吡啶和2個(gè)配位水組成,是一種中心對(duì)稱的雙核配合物。其中,中心離子的配位環(huán)境呈現(xiàn)四方錐幾何構(gòu)型[CoN2O3]。Co2+的這種配位構(gòu)型在許多配合物中都曾出現(xiàn)過,這主要源自該離子的d7電子構(gòu)型。Schiff堿L12-以三齒螯合配位,它提供的2個(gè)氧原子和1個(gè)亞胺基的氮原子與聯(lián)吡啶的1個(gè)氮原子構(gòu)成錐底,Co2+偏離錐底平面約0.021 nm,配位水位于錐頂,Co-O 鍵長(zhǎng)為 0.195 8（2）～0.207 8（2）nm,Co-N 鍵長(zhǎng) 0.205 1（2）～0.209 8（3）nm, 鍵 角為 81.30（9）°～171.43（10）°。 配體 H2L1 配位時(shí)酚羥基脫除質(zhì)子,C1-O1 和 C13-O2 鍵長(zhǎng)分別為 0.135 3（4）和 0.129 5（4）nm,比正常的C-O單鍵的略短,說明酚羥基氧原子與苯環(huán)存在共軛作用。借助Diamond 3.2計(jì)算出L12-的 2 個(gè)苯環(huán)（C1～C6 和 C8～C13）的二面角為 11°,4,4′-聯(lián)吡啶的整個(gè)分子呈現(xiàn)共平面,其吡啶環(huán)（C14～C18，N3）與 L12-的硝基苯酚片段 （N1，C8～C13，O2）的二面角為 73.5°,吡啶環(huán)與苯酚片段（O1,C1～C6）的二面角是 65°。

圖1 配合物1的分子結(jié)構(gòu)Fig.1 Molecular structure of 1

配位水的氫原子H5A和H5B分別與另外2個(gè)相鄰的配合物基元的酚羥基氧原子O1形成強(qiáng)烈的氫鍵,O5-H5A…O1ii和O5-H5B…O1iii氫鍵鍵長(zhǎng)分別為0.238 nm和0.189 nm,鍵角111°和156°。由于氫鍵的作用,配合物聯(lián)接形成梯形層狀超分子（圖2）,而層與層之間C7-H7與硝基的氧原子O4之間存在弱的氫鍵（0.312 9 nm）。這些氫鍵共同穩(wěn)定了配合物的晶體結(jié)構(gòu)。

表2 配合物1的主要鍵長(zhǎng)和鍵角Table 2 Selected bond lengths(nm)and bond angles(°)for the complex 1

表3 配合物1中的氫鍵參數(shù)Table 3 Parameters of hydrogen bonds in the complex 1

圖2 配合物1中的氫鍵Fig.2 Hydrogen bands in the complex 1

2.1.2 配合物2的晶體結(jié)構(gòu)

配合物2也是一種雙核結(jié)構(gòu),屬于三方晶系,R3空間群,它由2個(gè)中心離子Ni2+、1個(gè)4,4′-聯(lián)吡啶和2個(gè)Schiff堿L22-組成（圖3）,主要鍵長(zhǎng)和鍵角列于表4。在2中H2L2脫除羥基質(zhì)子,同樣以-2價(jià)配體形式采用三齒螯合方式與Niギ配位,Niギ的配位數(shù)為4,處于平面四邊形的配位環(huán)境,鍵角為82.50（3）°～177.90（3）°。 整個(gè)分子的所有原子幾乎完全共平面,呈現(xiàn)巨大的平面結(jié)構(gòu),2個(gè)苯酚片段（O1,C1～C6 和 O2,C13～C8）的二面角為 1.8°,Schiff堿L22-的分子平面與吡啶環(huán)（N2,C14～C18）的二面角為3.9°。由此可見,2的分子內(nèi)存在很強(qiáng)共軛作用,從而導(dǎo)致各種化學(xué)鍵均比一般的Schiff堿鎳配合物的化學(xué)鍵要短。Ni-O 鍵長(zhǎng)為 0.183 6（6）～0.179 3（6）nm,Ni-N 鍵長(zhǎng)為 0.192 9（8）～0.194 9（5）nm。 鍵長(zhǎng)也明顯比1中化學(xué)鍵Co-O或Co-N短,亞胺基C=N鍵長(zhǎng)0.109 3（12）nm 明顯比 2 中相應(yīng)的鍵（0.128 7（4）nm）短得多。相鄰的配合物分子相互平行,吡啶環(huán)之間存在較強(qiáng)的π-π相互作用,質(zhì)心間距0.335 8 nm（圖4）。由于分子間的π-π相互作用,配合物堆積形成一種一維超分子鏈。

2.2 電子吸收光譜

圖3 配合物2的分子結(jié)構(gòu)Fig.3 Molecular structure of the complex 2

圖4 配合物2晶體中的芳環(huán)π-π堆積作用Fig.4 π-π stacking interactions in the crystal of complex 2

表4 配合物2的主要鍵長(zhǎng)、鍵角和扭轉(zhuǎn)角Table 4 Selected bond lengths(nm),bond angles and torsion angles(°)for the complex 2

以DMF為溶劑,將配合物配制成濃度大約為5 μmol·L-1的溶液,并以DMF為參比液,用 UV-1800PC型紫外-可見分光光度計(jì)在200～600 nm范圍掃描,結(jié)果見圖5。H2L1在294、364和434 nm處的吸收分別來自配體的π→π*電子躍遷、n→π*電子躍遷和分子內(nèi)的電荷轉(zhuǎn)移躍遷（ILCT）；與Coギ形成配合物1后π→π*電子躍遷藍(lán)移 （Δλ=24 nm）至270 nm,n→π*電子躍遷則消失,而ILCT藍(lán)移（Δλ=20 nm）至414 nm處,發(fā)生藍(lán)移的原因可能是配體的共平面程度減小,共軛作用減弱。H2L2的電子吸收特征與H2L1存在較大差別,π→π*電子躍遷出現(xiàn)在264 nm處,而348 nm處極強(qiáng)的ILCT吸收帶掩蓋了n→π*電子躍遷。形成配合物2后,配體的共平面程度增大,π→π*電子躍遷紅移至270 nm；與H2L2比較可見,ILCT吸收帶消失,而在432 nm處出現(xiàn)了1個(gè)新的吸收帶,根據(jù)量化計(jì)算結(jié)果,可以將它指認(rèn)為配體H2L2到配體4,4′-bipy的電荷轉(zhuǎn)移躍遷（LLCT）。

圖5 配合物的紫外-可見光譜Fig.5 UV-Vis spectra of the complexes

2.3 配合物的熱穩(wěn)定性

在N2氣氛中,以10℃·min-1升溫速率觀察了配合物的熱穩(wěn)定性（圖6）。1和2的熱分解行為均分2階段完成,1在127～160℃失去2個(gè)配位水,失重4.84%（計(jì)算值4.38%）；305℃開始配合物骨架崩塌,有機(jī)物快速分解并揮發(fā),在305～339℃快速失重52.41%,之后基本恒重,至900℃殘重39.37%。2在276～333℃失重22.02%, 相當(dāng)于失去1個(gè)4,4′-聯(lián)吡啶（計(jì)算值22.71%）,第二階段在398～419℃失重33.11%,至900℃殘重40.02%。

圖6 配合物的熱重分析圖Fig.6 TGA curves of the complexes

2.4 抗腫瘤活性

在無菌的條件下,取對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期人結(jié)腸癌細(xì)胞SW620和人肝癌細(xì)胞HEPG細(xì)胞,2.5 g·L-1胰酶消化,調(diào)整細(xì)胞密度為2.5×104mL-1,培養(yǎng)時(shí)間為24 h,用全自動(dòng)酶標(biāo)儀在570 nm處測(cè)定它的吸光度值（OD值）并計(jì)算細(xì)胞的增殖抑制率。根據(jù)不同濃度對(duì)腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)抑制率作圖（圖7和8）,結(jié)果表明,配體H2L1和H2L2均不具有抗腫瘤活性；而配合物1和2均表現(xiàn)出一定的抗腫瘤活性,配合物的抗腫瘤活性可能來自金屬離子配位的不飽和性和雙核結(jié)構(gòu)以及大型的平面結(jié)構(gòu),這些因素均有利于配合物分子與DNA發(fā)生作用。相比較而言,鎳配合物的活性略高于鈷配合物,1和2對(duì)人結(jié)腸癌細(xì)胞SW620的半數(shù)抑制濃度 IC50分別為 13.75和 9.96 μg·mL-1，對(duì)人肝癌細(xì)胞HEPG2的IC50分別為18.75和11.51 μg·mL-1。

圖7 配合物對(duì)SW620的抑制作用Fig.7 Inhibition effects of the complexes on cell SW620

圖8 配合物對(duì)HEPG2的抑制作用Fig.8 Inhibition effects of the complexes on cell HEPG2

2.5 量子化學(xué)計(jì)算

用Gaussian 09程序包[24],采用密度泛函理論（DFT）[25],在 B3LYP水平對(duì)C,H,O,N原子用 6-31G（d）基組,Ni原子用lanl2dz基組,將分子分為吡啶C5N、Schiff堿C13NO2和金屬原子Ni三部分,計(jì)算了分子的碎片對(duì)前線分子軌道的貢獻(xiàn),同時(shí)計(jì)算了配合物2的Wiberg鍵級(jí),結(jié)果列于表5和6。

由表5可見,在最高占據(jù)分子軌道HOMO中,電子云主要分布在Schiff堿配體C13NO2（86.6%）,而在最低空軌道LUMO中電子云主要集中在吡啶配體（96.2%）,說明電子由HOMO向LUMO躍遷時(shí),主要發(fā)生的是電子由Schiff堿配體向吡啶配體的電荷轉(zhuǎn)移躍遷,即LLCT電子躍遷（最大吸收波長(zhǎng)計(jì)算值為483 nm,實(shí)驗(yàn)值為432 nm）。

由于共軛作用,芳環(huán)上的電子云均一化,導(dǎo)致C-C/N的平均鍵級(jí)（1.367）小于1.500,而酚羥基C1-O1,C13-O2和C7-C8的鍵級(jí)分別為1.141、1.204和1.218,大于單鍵鍵級(jí)。 Ni1-O1、Ni1-O2、Ni1-N1、Ni1-N2的鍵級(jí)分別為 0.548、0.512、0.496和 0.367,表明配位能力酚羥基＞亞胺基＞吡啶基,熱分解時(shí)Ni1-N2將優(yōu)先斷裂,這從理論上證明了2的熱分解第一階段的失重屬于脫除4,4′-聯(lián)吡啶行為。

表5 配合物2的前線分子軌道能量和分子碎片對(duì)該分子軌道貢獻(xiàn)Table 5 Frontier molecular orbital energy and molecular fragment contribution to the molecular orbitals of complex 2

表6 配合物2的Wiberg鍵級(jí)Table 6 Wiberg bond order of the complex 2

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