具有抑菌活性的氮雜環(huán)鉛配合物的合成、結(jié)構(gòu)及構(gòu)效關(guān)系

白鳳英 王學(xué)敏 曲長(zhǎng)慶 王 玉 邢永恒

近年來(lái)，金屬鉛的配位化學(xué)受到人們的廣泛關(guān)注[1]。Pbギ離子具有較大的半徑，配位能力強(qiáng)，其配位數(shù)可以在2～12之間變化[2-4]，能夠形成配位形式多樣的配位聚合物，加上惰性電子對(duì)效應(yīng)的存在，使得構(gòu)筑鉛的配位聚合物并研究其結(jié)構(gòu)，對(duì)合成以主族金屬為配位中心的新型無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化及具有孔洞的材料具有十分重要的意義[5-6]。此外，鉛也是一種對(duì)人體危害嚴(yán)重的微量元素，它所具有的毒性和對(duì)環(huán)境的污染以及在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)它的應(yīng)用，也同樣增加了人們對(duì)它的研究的濃厚興趣。因此尋找合適的配體與之配位，利用其良好的溶解性或變成沉淀吸附于排毒劑上，不僅可以排除人體內(nèi)過(guò)量的鉛，而且還可以尋找其合理有效的應(yīng)用途徑。氮雜環(huán)類配體因其氮原子較強(qiáng)的配位能力，被廣泛應(yīng)用于構(gòu)筑金屬有機(jī)骨架配位聚合物。其中，1，10-菲咯啉(phen)具有平面剛性結(jié)構(gòu)，同時(shí)含有2個(gè)可螯合配位的氮原子，使之成為一種應(yīng)用廣泛的螯合配體。另外phen是很好的π電子受體，與金屬離子配位時(shí)能夠形成反饋π鍵，可以穩(wěn)定低價(jià)態(tài)的金屬離子，對(duì)于金屬具有很好的配位能力[7-9]。許多phen的配合物表現(xiàn)出良好的光化學(xué)、電化學(xué)和催化性質(zhì)，并在抗腫瘤方面也具有一定的應(yīng)用前景，這些配合物無(wú)論在配位化學(xué)理論研究上還是在科研生產(chǎn)實(shí)際過(guò)程中，都發(fā)揮著重要的作用。此類配體的金屬配合物已見報(bào)道，但是其抗菌活性研究報(bào)道還不是很完善[10-11]。因此，在實(shí)驗(yàn)中我們分別以phen為配體設(shè)計(jì)組裝了2個(gè)新穎的鉛配合物[Pb(phen)(NO3)(H2O)]NO3(1)，[Pb(phen)2(NO3)]NO3(2)，并測(cè)定了它們晶體結(jié)構(gòu)。利用瓊脂擴(kuò)散法測(cè)試了配合物1和2的抑菌活性。結(jié)果表明配合物1和2對(duì)2種受試菌株具有較強(qiáng)的抑菌活性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

元素分析采用 Perkin-Elmer 240C型元素分析儀測(cè)定，紅外光譜用JASCO FT/IR-480型傅立葉變換紅外光譜儀(KBr壓片，400～4 000 cm-1)測(cè)定，其他儀器包括RT-2100酶標(biāo)儀、恒溫培養(yǎng)箱、恒溫?fù)u床、離心機(jī)和超凈工作臺(tái)等。硝酸鉛、phen、吲哚乙酸、甲醇、乙醇、氯化鈉和二甲基亞砜均為分析純，蛋白胨、瓊脂和牛肉浸膏均為生化試劑，全部購(gòu)買于上海阿拉丁生化科技股份公司。

1.2 菌種及培養(yǎng)

本實(shí)驗(yàn)所用菌種為大腸桿菌(Escherichia coli，以下簡(jiǎn)稱：E.C.)，革蘭陰性細(xì)菌；金黃色葡萄球菌(Golden staph，以下簡(jiǎn)稱 G.S.)，革蘭陽(yáng)性細(xì)菌，由遼寧師范大學(xué)微生物實(shí)驗(yàn)室提供。實(shí)驗(yàn)所用培養(yǎng)基為L(zhǎng)B的配方：牛肉浸膏3 g、蛋白胨10 g、氯化鈉5 g、瓊脂 15～20 g和蒸餾水 1 L，pH=7.4～7.6。 LB 培養(yǎng)液：不加瓊脂，其它成分同固體培養(yǎng)基。

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.3.1 配合物[Pb(phen)(NO3)(H2O)]NO3(1)的合成

稱取0.083 g(0.25 mmol)硝酸鉛(Pb(NO3)2)，用 10 mL乙醇溶解得溶液a，稱取0.09 g(0.5 mmol)吲哚乙酸(HIAA)和 0.05 g(0.25 mmol)的 phen，用 10 mL 乙醇溶解得溶液b，把b加入a中，得到淺黃色的有點(diǎn)渾濁的液體。過(guò)濾后得到淺黃色的清液。室溫放置5 d，最終得到0.103 g淺黃色晶體，產(chǎn)率78%(以Pb計(jì))。配合物1的分子式為C12H10N4O7Pb，元素分析按C12H10N4O7Pb 計(jì)算值(%)：C 27.22，H 1.90，N 10.58；實(shí)驗(yàn)值(%)：C 26.98，H 1.87，N 10.53。 IR(KBr，cm-1)：3 368(νO-H)；3 062(νAr-H)；1 517(νC=N)；1 496(νC=C)；1 385(ν)；1 139(νC-C)；1 100(νC-N)；854，778，725(δAr-H)；558(νPb-O)；415(νPb-O)。

1.3.2 配合物[Pb(phen)2(NO3)]·NO3(2)的合成

除了把phen的用量改為0.10 g(0.5 mmol)，溶劑換為甲醇以外，其余試劑、用量均不變，混合后得到淺黃色的有點(diǎn)渾濁的液體。過(guò)濾后得到淺黃色的清液。室溫放置15 d，最終得到0.123 g淺黃色晶體，產(chǎn)率71%(以Pb計(jì))。元素分析按C24H16N6O6Pb計(jì)算值(%)：C 41.68，H 2.33，N 12.15；實(shí)驗(yàn)值(%)：C 41.61，H 2.29，N 12.15。 IR(KBr，cm-1)：3 054(νAr-H)；1 514(νC=N)；1 496(νC=C)；1 386(νN)；1 141(νC-C)；1 100(νC-N)；848，776，724(δAr-H)；552(νPb-O)；417(νPb-O)。

1.4 晶體結(jié)構(gòu)的測(cè)定

選擇晶體大小為0.25 mm×0.20 mm×0.15 mm的配合物1和0.78 mm×0.61 mm×0.18 mm的配合物2，用Bruker Smart APEXⅡ CCD(Mo Kα為輻射源，λ=0.071 073 nm)，在室溫下收集衍射數(shù)據(jù)。衍射強(qiáng)度數(shù)據(jù)經(jīng)Lp因子校正。晶體結(jié)構(gòu)由直接法解出，對(duì)所有非氫原子坐標(biāo)和各向異性溫度因子進(jìn)行全矩陣最小二乘法修正。氫原子坐標(biāo)由理論加氫程序確定。所有計(jì)算均用SHELX-97[12]程序進(jìn)行。配合物1和2的晶體學(xué)參數(shù)列于表1，配合物1和2的部分鍵長(zhǎng)(nm)與鍵角(°)列于表 2。

CCDC：1574687，1；1574688，2。

1.5 抑菌活性實(shí)驗(yàn)

LB培養(yǎng)基、所有的實(shí)驗(yàn)器皿和Φ5 mm的濾紙片均在121℃滅菌30 min。將滅菌后的培養(yǎng)基融化并冷卻到50℃左右，嚴(yán)格按照無(wú)菌操作倒入9 cm的培養(yǎng)皿中，使之冷凝成平板，放入(37±1)℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h后，檢查有無(wú)雜菌產(chǎn)生。如無(wú)雜菌產(chǎn)生，則接入大腸桿菌(E.C.)和金黃色葡萄球菌(G.S.)，將滅菌后的濾紙片(Φ 5 mm)平攤在含菌的LB培養(yǎng)基上，用二甲基亞砜溶解配合物1、2和硝

酸鉛，配制成 20、10、5 和 2.5 mg·mL-1的溶液，而把phen 分別配制成 6.8、3.4、1.7、0.85 mg·mL-1(phen 1)和 10.4、5.2、2.6、1.3 mg·mL-1(phen 2)的溶液，每一片濾紙片上加入藥品量10μL，在(37±1)℃ 的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h[13]，取出測(cè)定抑菌環(huán)直徑(3個(gè)重復(fù)的平均值)(表4)。根據(jù)《消毒技術(shù)規(guī)范》對(duì)抑菌作用進(jìn)行判斷：抑菌圈直徑大于20 mm表示具有強(qiáng)抑菌效果；抑菌圈在10～20 mm為中等抑菌；抑菌圈小于10 mm為弱抑菌。

表1 配合物1和2的晶體學(xué)數(shù)據(jù)Table 1 Crystal data for complexes 1 and 2

表2 配合物1和2的部分鍵長(zhǎng)(nm)與鍵角(°)Table 2 Selected bond lengths(nm)and bond angles(°)of complexes 1 and 2

2 結(jié)果與討論

2.1 晶體結(jié)構(gòu)

圖1 (a)配合物1中金屬Pbギ的配位環(huán)境;(b)配合物1的一維鏈狀結(jié)構(gòu)Fig.1 (a)Coordination environment of metal Pbギin complex 1;(b)One-dimensional chain structure of complex 1

配合物1的不對(duì)稱單元中存在1個(gè)四配位的金屬Pb2+離子，1個(gè)phen分子，1個(gè)配位硝酸根離子和1個(gè)配位的水分子，以及1個(gè)游離的硝酸根離子。金屬Pbギ的配位環(huán)境如圖1a所示，Pb2+離子分別與2個(gè)氧原子和2個(gè)氮原子進(jìn)行配位形成扭曲的四面體，其中2個(gè)氧原子分別來(lái)自于1個(gè)配位水分子和1個(gè)配位的硝酸根離子(O4和O1)，2個(gè)氮原子則來(lái)自于同一個(gè)phen分子 (N1和N2)。鉛與phen上的氮形成的Pb-N鍵長(zhǎng)分別是0.249 9(4)和0.256 4(3)nm，與文獻(xiàn)值(0.247 8～0.260 3 nm)接近[14]。鉛與配位的硝酸根離子形成的Pb-O鍵長(zhǎng)為0.269 8(4)nm，鉛與水分子形成的Pb-O鍵長(zhǎng)為0.245 1(3)nm。此外，配合物1中的2個(gè)硝酸根離子中的氧原子(O1和O7)與鉛之間的距離不同，分別為0.269 8(4)和0.274 9 nm，較短的要比較長(zhǎng)的氧與鉛之間的距離小0.005 1 nm。根據(jù)價(jià)鍵理論，Pb與O7之間可能存在著弱相互作用，不存在共價(jià)鍵。所以O(shè)7所在的硝酸根離子是以游離的形式存在于結(jié)構(gòu)當(dāng)中。配合物1中O-Pb-O之間的鍵角在80.68(12)°～144.74(11)°范圍內(nèi)，而 N-Pb-N 之間的角度則為65.88(12)°。配合物1中存在配位水分子與硝酸根形成的O-H…O氫鍵。配合物通過(guò)這些氫鍵將結(jié)構(gòu)單元擴(kuò)展成一維鏈狀超分子結(jié)構(gòu)(如圖1b)。

圖2 (a)配合物2中金屬Pbギ的配位環(huán)境;(b)配合物2的三維超分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.2 (a)Coordination environment of metal Pbギin complex 2;(b)Three-dimensional supramolecular network structure of complex 2

配合物2的不對(duì)稱單元中存在1個(gè)六配位的Pb2+離子，2個(gè)phen分子，1個(gè)配位硝酸根離子以及1個(gè)游離的硝酸根離子。金屬Pbギ的配位環(huán)境如圖2a所示，Pb2+離子分別與4個(gè)氮原子和2個(gè)氧原子進(jìn)行配位形成扭曲的八面體，其中4個(gè)氮原子則來(lái)自于2個(gè)phen分子 (N1-N4)，2個(gè)氧原子來(lái)自于1個(gè)以雙齒螯合配位的硝酸根離子 (O1和O2)。鉛與phen上的氮形成的Pb-N鍵長(zhǎng)為0.248 3(6)～0.261 0(6)nm，鉛與硝酸根離子形成的Pb-O鍵長(zhǎng)分別為0.268 1(6)和0.275 7(6)nm。O-Pb-O之間的鍵角為46.29(19)°，而N-Pb-N之間的鍵角則為63.45(19)°～137.01(19)°。 配合物 2 中也存在大量的由phen上的碳原子和硝酸根上的氧原子形成的C-H…O氫鍵，所有這些氫鍵將結(jié)構(gòu)單元擴(kuò)展連接成三維網(wǎng)絡(luò)超分子結(jié)構(gòu)(如圖2b)。

2.2 紅外光譜分析

在配合物1的紅外光譜圖中，3 368 cm-1的強(qiáng)吸收峰歸屬為配位水分子的O-H的特征吸收峰；配體1，10-phen特征伸縮振動(dòng)吸收峰νC=N(1 586 cm-1)，在形成配合物后向低波數(shù)方向移動(dòng)(1 517 cm-1)，發(fā)生了紅移，表明配體phen參與了配位；1 385 cm-1為配位的NO3-的特征吸收峰，配合物在558和415 cm-1處的強(qiáng)峰分別為Pb-N和Pb-O的吸收。對(duì)于配合物2，配體phen特征伸縮振動(dòng)吸收峰νC=N(1 586 cm-1)，在形成配合物后向低波數(shù)方向移動(dòng)(1 514 cm-1)，發(fā)生了紅移，表明配體phen參與了配位；1 386 cm-1為配位和沒(méi)配位的NO3-的特征吸收峰，配合物在552和417 cm-1處的強(qiáng)峰分別為Pb-N和Pb-O的吸收。配合物1和2與配體的官能團(tuán)的特征峰詳細(xì)指認(rèn)見表3。

表3 配體與配合物紅外光譜的主要特征峰Table 3 IR spectra adscription and comparison of the ligands and the complexes

2.3 抑菌活性

抑菌實(shí)驗(yàn)結(jié)果(表4，圖3～8)表明：配合物的抑菌活性來(lái)源于phen，配合物1和2對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌具有較強(qiáng)的抑制作用，特別是對(duì)革蘭氏陰性細(xì)菌的大腸桿菌。配合物1和2的抑菌作用明顯強(qiáng)于單獨(dú)的硝酸鉛、phen，表明形成配合物后，鉛離子對(duì)phen的抑菌有正協(xié)同作用。配合物的抑菌環(huán)直徑與其phen含量具有很好的線性關(guān)系 (R2=0.959～0.980)，因此配合物的濃度越高，對(duì)兩種細(xì)菌的抑制作用越強(qiáng)。

表4 不同樣品對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑菌活性Table 4 Bacteriostatic activity of different samples on Escherichia coli and Golden staph

續(xù)表4

圖3 配合物1及配體對(duì)金黃色葡萄球菌的抑制作用Fig.3 Inhibitory effects of 1 and ligands on G.S.

圖4 配合物2及配體對(duì)金黃色葡萄球菌的抑制作用Fig.4 Inhibitory effects of 2 and ligands on G.S.

圖5 配合物1及配體對(duì)大腸桿菌的抑制作用Fig.5 Inhibitory effects of 1 and ligands on E.C.

圖6 配合物2及配體對(duì)大腸桿菌的抑制作用Fig.6 Inhibitory effects of 2 and ligands on E.C.

圖7 配合物1和2對(duì)金黃色葡萄球菌的抑制作用Fig.7 Inhibitory effect of 1 and 2 on G.S.

圖8 配合物1和2對(duì)大腸桿菌的抑制作用Fig.8 Inhibitory effect of 1 and 2 on E.C.

圖9 配合物1和2中phen含量與其對(duì)金黃色葡萄球菌抑菌圈的線性關(guān)系Fig.9 Linear relationship of phen content of 1 and 2 vs D br on G.S.

圖10 配合物1和2中phen含量與其對(duì)大腸桿菌抑菌圈的線性關(guān)系Fig.10 Linear relationship of phen content of 1 and 2 vs D br on E.C.

3 結(jié) 論

采用溶液合成的方法，以phen為配體與硝酸鉛反應(yīng)合成了2個(gè)結(jié)構(gòu)新穎的鉛配合物。當(dāng)nphen∶nPb=1∶1時(shí)，在乙醇體系中合成了配合物1；而當(dāng)nphen∶nPb=2∶1時(shí)，在甲醇體系中合成了配合物2。結(jié)構(gòu)分析表明，配合物1通過(guò)分子間氫鍵形成1D鏈狀超分子結(jié)構(gòu)，而配合物2則形成3D超分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。其中phen配體采取雙齒螯合配位模式，硝酸根離子存在單齒橋連和雙齒螯合兩種配位模式。配合物1和2對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑制作用均優(yōu)于配體，配合物的抑菌活性來(lái)源于phen，配合物2的抑菌活性優(yōu)于配合物1，并且濃度越高，抑制作用越強(qiáng)。

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