{LnⅢ2CoⅡ6}異金屬配合物的合成及性質(zhì)

孫同明 張夢珂 時(shí) 旭 徐潤生 陳正奕齊星原 王 金＊,,3 朱金麗＊,,3 王敏敏＊,

(1南通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，南通 226019)

(2南通大學(xué)杏林學(xué)院，南通 226019)

(3南通智能與新能源材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南通 226019)

由于稀土配合物具有迷人的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、特殊的磁學(xué)行為以及生物抑菌活性，其在材料學(xué)與醫(yī)藥學(xué)上具有廣泛的應(yīng)用而備受關(guān)注。自首例單分子磁體{Mn12}發(fā)現(xiàn)以來[1-2]，人們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)許多含MnⅢ[3-5]、FeⅡ[6-7]、CoⅡ[8-9]和NiⅡ[10-11]的配合物都表現(xiàn)出單分子磁體的行為。但是由于這些單分子磁體的阻塞溫度TB(blocking temperature)很低，其實(shí)際應(yīng)用受到很大限制。要提高單分子磁體的TB溫度，分子必須具有更高的自旋基態(tài)和更大的負(fù)零場分裂。稀土離子通常具有較大的自旋基態(tài)和磁各向異性(GdⅢ離子除外)，故在單分子磁體的設(shè)計(jì)與合成中占有非常重要的地位[12-19]。然而，稀土離子內(nèi)層的f電子使自旋載體間的磁交換作用非常弱。因此，隨著單分子磁體的發(fā)展，稀土-過渡異金屬單分子磁體受到人們的重視[20-24]。目前，報(bào)道的稀土-過渡異金屬單分子磁體中，其能壘和阻塞溫度可達(dá)625 cm-1和6 K[13]。

20 世紀(jì)60 年代的研究發(fā)現(xiàn)稀土配合物具有特殊的藥效作用，而且相對于有機(jī)合成藥物，稀土配合物的毒副作用較低，且不在體內(nèi)積累[25]。因此，如何有效地利用稀土配合物，盡可能避免或減輕其毒副作用已經(jīng)成為人們研究的主要目標(biāo)。目前，稀土配合物的研究重點(diǎn)在于如何使具有特定生理活性的配體與稀土離子結(jié)合，因此，配體的選擇顯得尤為重要。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，咪唑、嘧啶和吡啶及其衍生物具有一定的生物活性[26-28]。6-氯-2-羥基吡啶(Hcp)作為一種吡啶類配體，主要有以下特征：(1)羥基官能團(tuán)不僅傾向于與LnⅢ離子結(jié)合，而且形成的氧橋較短，可增強(qiáng)離子間的磁相互作用；(2)具有生物活性的剛性吡啶環(huán)傾向于與過渡金屬離子結(jié)合，可以得到更加穩(wěn)定且具有生物活性的配合物[29]。

因此我們以Hcp為主配體，特戊酸(Hpiv)為輔助配體，合成了5個(gè)八核的4f-3d配合物{LnⅢ2}(Ln=Sm(1)、Eu(2)、Tb(3)、Er(4)、Tm(5))，利用單晶X射線衍射進(jìn)行了結(jié)構(gòu)解析并對其磁性進(jìn)行了研究。為了對比研究，選取其同構(gòu)物{LnⅢ2}(Ln=Dy (6)、Ho(7)、Gd(8)、Y(9))[29]并對配合物1～9的抑菌性進(jìn)行了詳細(xì)研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

6-氯-2-羥基吡啶、特戊酸、稀土鹽等購自濟(jì)南恒化科技有限公司。乙腈為色譜純，購自百靈威科技有限公司。二氯甲烷、三乙胺、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、氯化鈷、牛肉膏、蛋白胨、瓊脂、胰蛋白胨、酵母浸出粉等購自雅安瑞進(jìn)特試劑公司。

所用儀器有Perkin-Elemer 240 型元素分析儀、Nicolet PerkinElmer 型紅外光譜儀、SQUID MPMS XL-7 型磁強(qiáng)計(jì)、PPMS-9 ACMS 型磁強(qiáng)計(jì)、Oxford Super-Nova 型單晶衍射儀、SuperNova 型衍射儀和Xcalibur型衍射儀、NETZSCH TG 209F3 型熱重分析儀、D/Max-RA DX-2600 型X 射線衍射儀(工作電壓：40 kV，電流：40 mA，輻射源：CuKα，波長：0.154 056 nm、掃描范圍：5°＜2θ＜60°)、GHP-9050型隔水式恒溫培養(yǎng)箱、DDZH-300型多用途臺式恒溫振蕩器、HZQF100型振蕩培養(yǎng)箱和LQ-CTS1型振蕩培養(yǎng)箱。

1.2 單晶合成方法

這些配合物的合成條件和比例完全相同，使用不同的稀土鹽和氯化鈷得到了一系列的{LnⅢ2CoⅡ6}配合物(1～5)。

{[Sm2Co6(OH)4(cp)6(piv)8(CH3CN)2]·CH2Cl2} (1)：將Hcp(0.3 mmol，0.039 g) 和CoCl2·6H2O(0.2 mmol，0.025 g)置于30 mL CH3CN 和CH2Cl2的混合溶液(1∶1，V/V)中攪拌，逐滴加入0.2 mL 三乙胺，繼續(xù)攪拌1 h 后，加入Sm(NO3)3·6H2O(0.1 mmol，0.038 g)和Hpiv(0.5 mmol，0.051 g)，繼續(xù)攪拌1 h，接著加熱攪拌15 min，得到紫色溶液。將該紫色溶液冷卻、過濾，濾液置于燒杯中，并用保鮮膜封好，靜置數(shù)天后出現(xiàn)紫色晶體。所得產(chǎn)物用CH3CN 和CH2Cl2(6 mL)洗滌。 產(chǎn)率約 51%(42 mg)。 元素分析按Sm2Co6C75H102N8O26Cl8計(jì)算的理論值(%)：C，36.48；H，4.16；N，4.54。實(shí)驗(yàn)值(%)：C，36.76；H，4.20；N，4.62。紅外光譜(KBr，cm-1)：3 462(b)，2 957(s)，1 592(vs)，1 560(vs)，1 485(vs)，1 442(vs)，1 419(vs)，1 375(s)，1 227(s)，1 168(s)，1 008(m)，794(s)，603(m)。

[Eu2Co6(OH)4(cp)6(piv)8(CH3CN)2] (2)：將Sm(NO3)3·6H2O 換成Eu(NO3)3·6H2O(0.1 mmol，0.044 g)，合成方法與配合物1 相同。產(chǎn)率約54%(43 mg)。元素分析按Eu2Co6C75H102N8O26Cl8計(jì)算的理論值(%)：C，36.43；H，4.16；N，4.53。實(shí)驗(yàn)值(%)：C，36.45；H，4.07；N，4.61。紅外光譜(KBr，cm-1)：3 463(b)，2 960(s)，1 592(vs)，1 560(vs)，1 485(vs)，1 439(vs)，1 420(vs)，1 373(s)，1 224(s)，1 169(s)，1 006(m)，794(s)，601(m)。

{[Tb2Co6(OH)4(cp)6(piv)8(CH3CN)2]·CH3CN} (3)：將Sm(NO3)3·6H2O 換成Tb(NO3)3·6H2O(0.1 mmol，0.045 g)，合成方法與配合物1 相同。產(chǎn)率約65%(53 mg)。元素分析按Tb2Co6C76H103N9O26Cl6計(jì)算的理論值(%)：C，37.37；H，4.25；N，5.16。實(shí)驗(yàn)值(%)：C，37.42；H，4.17；N,5.05。紅外光譜(KBr,cm-1)：3 461(b),2 958(s)，1 590(vs)，1 564(vs)，1 483(vs)，1 442(vs)，1 425(vs)，1 374(s)，1 227(s)，1 169(s)，1 005(m)，792(s)，605(m)。

{[Er2Co6(OH)4(cp)6(piv)8(CH3CN)2]·CH2Cl2} (4)：將Sm(NO3)3·6H2O 換成Er(NO3)3·6H2O(0.1 mmol，0.046 g)，合成方法與配合物1 相同。產(chǎn)率約52%(43 mg)。元素分析按Er2Co6C75H102N8O26Cl8計(jì)算的理論值(%)：C，35.98；H，4.11；N，4.48。實(shí)驗(yàn)值(%)：C，35.98；H，4.28；N，4.75。紅外光譜(KBr，cm-1)：3 460(b)，2 959(s)，1 592(vs)，1 560(vs)，1 483(vs)，1 441(vs)，1 420(vs),1 375(s)，1 227(s)，1 168(s)，1 005(m)，793(s)，603(m)。

{[Tm2Co6(OH)4(cp)6(piv)8(CH3CN)2]·CH2Cl2}(5)：將Sm(NO3)3·6H2O 換成Tm(NO3)3·6H2O(0.1 mmol，0.048 g)，合成方法與配合物1 相同。產(chǎn)率約50%(42 mg)。元素分析按Tm2Co6C75H102N8O26Cl8計(jì)算的理論值(%)：C，35.93；H，4.10；N，4.47。實(shí)驗(yàn)值(%)：C，36.30；H，4.25；N，4.81。紅外光譜(KBr，cm-1)：3 459(b)，2 957(s)，1 591(vs)，1 556(vs)，1 485(vs)，1 442(vs)，1 417(vs),1 373(s)，1 226(s)，1 169(s)，1 008(m)，790(s)，605(m)。

1.3 晶體結(jié)構(gòu)的測定

配合物1～5 的晶體結(jié)構(gòu)測定利用Oxford Super-Nova 型單晶衍射儀進(jìn)行，采用經(jīng)石墨單色器單色化的MoKα射線(λ=0.071 073 nm)作輻射源，以ω-φ掃描方式收集衍射點(diǎn)。非氫原子用直接法解出，并對其坐標(biāo)及各向異性熱參數(shù)用全矩陣最小二乘法修正。氫原子的位置由理論加氫或?qū)ふ腋道锶~峰得到，并使用固定的各向同性熱參數(shù)加入結(jié)構(gòu)精修。所有計(jì)算使用SHELXTL 程序包和Olex2 進(jìn)行[30-32]。所有非氫原子均進(jìn)行了各向異性精修，并且利用PLATON 中SQUEEZE 命令將無序的溶劑分子去除[33]。在一個(gè)晶胞里，配合物1～5 的溶劑體積和剩余電子數(shù)分別為0.322 nm3和64e、0.300 nm3和16e、0.040 nm3和1e、0.048 nm3和3e、0.031 nm3和5e，與元素分析及熱重(圖S1，Supporting information)結(jié)果一致。Hpiv 配體上的一些C 原子無序，利用EADP 指令將其指定相同的位移參數(shù)。有關(guān)衍射分析的實(shí)驗(yàn)條件和晶體學(xué)數(shù)據(jù)列于表1 中，相關(guān)的鍵長和鍵角的數(shù)據(jù)在表S1中列出。

表1 配合物1～5的晶體學(xué)數(shù)據(jù)Table 1 Crystallographic data for complexes 1～5

CCDC：2022664，1；2022665，2；2022666，3；2022667，4；2022668，5。

國有建設(shè)用地使用權(quán)網(wǎng)上交易監(jiān)管體系建設(shè)的探索實(shí)踐（葉賀炯等） ...........................................................5-19

1.4 抑菌性測試

采用培養(yǎng)基擴(kuò)散法測試稀土-鈷異金屬配合物(1～9)的抑菌作用。

1.4.1 培養(yǎng)基的配制

細(xì)菌培養(yǎng)采用牛肉膏蛋白胨固體培養(yǎng)基和LB(Luria-Bertanin)液體培養(yǎng)基。牛肉膏蛋白胨固體培養(yǎng)基：牛肉膏3.0 g、蛋白胨10.0 g、氯化鈉5.0 g、瓊脂15.0～20.0 g、蒸餾水1 000 mL，用1 mol·L-1的NaOH或HCl 調(diào)pH=7.4～7.6。LB 液體培養(yǎng)基：胰蛋白胨10.0 g、酵母浸出粉5.0 g、氯化鈉10.0 g、蒸餾水1 L，用1 mol·L-1的NaOH或HCl調(diào)pH=7.0。

1.4.2 抑菌劑的配制及滅菌

將稀土金屬硝酸鹽、過渡金屬氯化鹽、Hcp、Hpiv 及配合物1～9 用DMF 配制成濃度為10-1、10-2、10-3、10-4、10-5mol·L-1的溶液，待用。采用高壓蒸汽滅菌：將LB 液體培養(yǎng)基分裝在150 mL 的廣口錐形瓶中，連同培養(yǎng)皿、濾紙片、槍頭、鑷子等放入滅菌鍋內(nèi)，在121 ℃下高溫滅菌25 min，取出，放在無菌干燥箱內(nèi)干燥。

1.4.3 菌懸液與抑菌片的制備

將1 mL 的LB 培養(yǎng)基加入1.5 mL 含有大腸桿菌(E.coli)和金黃色葡萄球菌(S.aureus)的離心管中，放入振蕩器里振搖4～5 h，然后將菌種移入裝有LB 液體培養(yǎng)基(100 mL)的錐形瓶中，放入振蕩器里振搖12 h，制成菌懸液。將菌懸液用生理鹽水配制成10-3mol·L-1的濃度。

1.4.4 抑菌活性的測定

在無菌操作臺上，先用移液槍移取50 μL 菌懸液于牛肉膏蛋白胨平板中，用涂布器涂抹均勻，然后用無菌鑷子取直徑為6 mm的無菌濾紙片，用移液槍分別滴加稀土硝酸鹽、Hcp、Hpiv 及配合物1～9 溶液20 μL，貼于染菌平板表面，再置于37 ℃恒溫培養(yǎng)24 h。平行試驗(yàn)3 次，用游標(biāo)卡尺多次測量抑菌圈直徑取其平均值，即為該菌種抑菌圈的大小。

2 結(jié)果與討論

2.1 單晶X射線結(jié)構(gòu)分析

單晶結(jié)構(gòu)解析表明配合物1～5 是同構(gòu)的，屬于三斜晶系，空間群為P1。僅以配合物5 為例來詳細(xì)闡述這個(gè)系列配合物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。在配合物5 中，TmⅢ和CoⅡ離子由氧橋聯(lián)形成Tm-Tm 共邊的雙三角雙錐構(gòu)型(圖S2)。該分子的重復(fù)單元中包含晶體學(xué)獨(dú)立的1 個(gè)TmⅢ離子(Tb1)、3 個(gè)CoⅡ離子(Co1、Co2、Co3)、2個(gè)μ3-OH、3個(gè)cp-陰離子、4個(gè)piv-陰離子、1個(gè)配位CH3CN 分子和0.5 個(gè)CH2Cl2溶劑分子(圖1a)。Tm1、Co2 和Co3 離子位于赤道平面，Tm1A 和Co1 在軸向位置，形成[Tm2Co3]的三角雙錐構(gòu)型，通過對稱操作，共用Tm1-Tm1A，得到[Tm2Co6]的雙三角雙錐構(gòu)型(圖1b)。Tm…Co 的距離為0.342 5～0.392 7 nm，Co…Co 的距離為0.310 8～0.387 6 nm。金屬核[Tm2Co6O8]的外圍由6個(gè)cp-配體、8個(gè)piv-配體和2個(gè)CH3CN 分子構(gòu)成。6 個(gè)cp-配體都采用μ3∶η2∶η1的配位模式，或者可認(rèn)為4 個(gè)采用μ3∶η3∶η1的配位模式(包含弱的配位鍵)，2 個(gè)采用μ3∶η2∶η1的配位模式。所有的piv-配體都采用syn-syn的橋聯(lián)模式。

圖1 (a)配合物5的分子結(jié)構(gòu)(碳上的氫被省略);(b)配合物5的[Tm2Co6]骨架結(jié)構(gòu)Fig.1 (a)Molecular structure of 5,highlighting the[Tm2Co6O8]core,and H atoms of C atoms are omitted for clarity;(b)Partially labeled[Tm2Co6]skeleton of complex 5

Tm1 的配位構(gòu)型為八配位的變形十二面體(圖S3)。Tm—O 的平均鍵長為0.233 2 nm，與所報(bào)道的Tm—O 鍵長一致[34-37]。根據(jù)bond-valence sum(BVS)計(jì)算和電荷守恒得知所有的Co 為+2 價(jià)(表S2)。其中，Co1 的配位環(huán)境由5 個(gè)氧原子和1 個(gè)氮原子組成，形成變形的八面體構(gòu)型(圖S4a)。Co2 和Co3 的配位構(gòu)型為變形的四方錐，分別由O4N 和O3N2構(gòu)成(圖S4b、S4c)。Co1—O、Co2—O 和Co3—O 的平均鍵長分別為0.209 0、0.205 6和0.209 7 nm，而Co—N 分別為0.210 4、0.209 2、0.215 1 和0.212 5 nm，與報(bào)道的Co—O 和Co—N 鍵長范圍一致[38-42]。此外，Co2 和Co3 與相鄰的cp-配體的O 原子(O5 和O4)有弱的配位作用，鍵長分別為0.229 4(5)和0.258 2(7)nm，大于一般的Co—O 鍵長。因此，Co2 和Co3 的配位構(gòu)型也可以看作準(zhǔn)八面體。

對配合物1～5進(jìn)行了粉末X 射線衍射(PXRD)測試，結(jié)果如圖S5 所示。由單晶X 射線衍射數(shù)據(jù)模擬得到的PXRD 圖和實(shí)驗(yàn)圖基本吻合，證明了測試樣品的純度。

2.2 磁 性

在1 000 Oe 磁場下，測定了配合物1～5 的變溫磁化率(圖2)。其室溫χmT分別為11.43、11.25、34.89、34.21 和25.55 cm3·mol-1·K，高于2 個(gè)孤立的LnⅢ離子和6個(gè)CoⅡ離子的理論值(表2)，可能是八面體場中CoⅡ離子的軌道角動(dòng)量所致。在25 K 以上，配合物1～5 的χmT變化趨勢相似(稍微下降)，可能是稀土離子Stark亞能級熱布居的減少或基態(tài)CoⅡ(4T1g)的自旋軌道耦合引起。在25 K 以下，隨著溫度的下降，配合物1～5 的χmT急劇下降，在2 K 時(shí)達(dá)到最低值，可能是LnⅢ和/或CoⅡ離子的單離子行為或旋軌耦合所致。在0～80 kOe 范圍內(nèi)，測定了配合物1～5在低溫下的M-H曲線(圖3)，其磁化強(qiáng)度值見表2。在低場下隨著磁場強(qiáng)度的增加，配合物1～5 的磁化強(qiáng)度逐漸上升。在高場下，所有配合物的磁化強(qiáng)度都沒有達(dá)到飽和，可能存在較高的磁各向異性。交流磁化率測試表明在零外場下配合物1～5沒有表現(xiàn)出頻率依賴的實(shí)部和虛部磁化率信號(圖S6)。

圖2 配合物1～5的變溫磁化率圖Fig.2 Temperature dependence of χmT for 1～5

圖3 配合物1～5在2 K下的M-H圖(0～80 kOe)Fig.3 M-H plots for 1～5 at 2 K in a field range of 0～80 kOe

2.3 抑菌性

為了研究配合物的生物活性，我們對Hcp、Hpiv、金屬鹽、配合物1～5 以及報(bào)道過的同構(gòu)物6～9[29]的抑菌活性圈進(jìn)行測定[26-28,44]。當(dāng)配合物濃度為10-2mol·L-1，菌懸液的濃度為10-3mol·L-1時(shí)，其抑菌結(jié)果見圖4。在抗菌性測試中，CoCl2·6H2O對2種菌均無抑制作用，稀土硝酸鹽和配體Hcp、Hpiv的抑菌圈小于6.5 mm，可認(rèn)為基本無抗菌活性，而配合物1～9 對E. coli和S. aureus都有一定的抑制作用。配合物5 對E. coli的抑菌效果最好，而配合物9 對S.aureus的抑菌效果最好。

表2 配合物1～5的磁性數(shù)據(jù)Table 2 Magnetic data of complexes 1～5

圖4 配體Hcp、Hpiv、CoCl3、稀土硝酸鹽和配合物1～9的抑菌活性圈Fig.4 Diameters of growth inhibition areas of ligand Hcp,Hpiv,CoCl2,rare earth nitrate and complexes 1～9

分析可見，配合物5和9分別對E.coli和S.aureus具有較強(qiáng)的抑菌活性，因此通過調(diào)節(jié)配合物的濃度進(jìn)行抑菌試驗(yàn)(圖5)。隨著配合物5 的濃度升高，其對E.coli的抑菌活性有所升高；當(dāng)濃度下降時(shí)，抑菌性能顯著減弱。配合物9 與配合物5 表現(xiàn)出了類似的趨勢。

圖5 配合物5對E.coli和9對S.aureus的抑菌活性圈Fig.5 Diameter of growth inhibition area of complex 5 for E.coli and 9 for S.aureus

在抗菌測試中，配合物1～9的抑菌性較強(qiáng)，根據(jù)2002 年《消毒技術(shù)規(guī)范》中對抑菌作用的判斷[28]，屬于中等抑菌效果。通過試驗(yàn)判斷，配合物的抑菌性并非來源于配體與金屬鹽，可能是由于配體與金屬離子發(fā)生反應(yīng)生成配合物后，產(chǎn)生了協(xié)同作用，導(dǎo)致抑菌效果大大增強(qiáng)。與同類稀土基配合物相比，這一系列配合物的抑菌效果較強(qiáng)，可能是由于引入過渡離子后，配合物的空間結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，使其抑菌效果增強(qiáng)。上述試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，除配合物4外，所有配合物對E.coli的抑制作用都強(qiáng)于S.aureus，這是由于革蘭氏陰性菌的細(xì)胞壁含有肽聚糖，只占細(xì)胞壁干重的10%～20%，而革蘭氏陽性菌占50%～80%，且細(xì)胞壁是由肽聚糖組成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并有磷壁酸相連[44-45]。所以革蘭氏陽性菌細(xì)胞壁的堅(jiān)韌性要明顯高于革蘭氏陰性菌，導(dǎo)致配合物1～3 和5～9 對E. coli的抑制作用明顯強(qiáng)于對S. aureus的抑制作用。

3 結(jié) 論

以Hcp 作為主配體，Hpiv 為輔助配體，合成了5個(gè)八核的{LnⅢ2}金屬簇合物(1～5)。磁性研究發(fā)現(xiàn)在配合物1～5 里存在反鐵磁相互作用。此外，對配合物1～5 及其同構(gòu)物6～9 進(jìn)行抗菌性試驗(yàn)，結(jié)果表明配合物1～9 對E.coli和S.aureus都有一定的抑制作用。本論文為稀土配合物的應(yīng)用及抗菌藥物的開發(fā)提供了研究基礎(chǔ)。后續(xù)將通過控制配位幾何和修飾有機(jī)配體，進(jìn)一步探尋具有磁性和抗菌活性的多功能高性能配合物。

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