兩個(gè)三(鄰溴芐基)錫羧酸酯的合成、結(jié)構(gòu)及抗腫瘤活性

劉 熙 張復(fù)興 何麗芳 李達(dá)偉 曾維鴻 江叔沄 賀 霞 盛良兵 朱小明

(衡陽(yáng)師范學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，功能金屬有機(jī)化合物湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，金屬有機(jī)新材料湖南省普通高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，衡陽(yáng) 421008)

國(guó)家癌癥中心最新發(fā)布的全國(guó)癌癥統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，近10年來(lái)，我國(guó)惡性腫瘤發(fā)病率每年增幅達(dá)3.9%，死亡率每年增幅達(dá)2.5%，惡性腫瘤占國(guó)民全部死因的23.9%[1]。藥物治療已成為當(dāng)今臨床治療癌癥的重要手段之一。近年來(lái)，抗腫瘤藥物的研發(fā)雖然取得了許多重要進(jìn)展[2?3]，但仍然缺乏高效、特異性強(qiáng)的抗腫瘤藥物。因此，新型抗腫瘤藥物的研發(fā)對(duì)癌癥的治療具有重大意義。有機(jī)錫化合物具有良好的抑制癌細(xì)胞增殖活性的作用，為開(kāi)發(fā)高選擇性、高效、低毒的抗腫瘤藥物開(kāi)辟了新的方向，引起了人們極大的興趣[4?6]。研究表明，許多有機(jī)錫化物具有極其高效廣譜的抗癌活性[7?12]，有機(jī)錫羧酸酯是有機(jī)錫化合物中最重要的一類，不僅具有良好的性能，也具有豐富多變的結(jié)構(gòu)，因而備受人們廣泛關(guān)注[13?19]。為了更系統(tǒng)地研究該類化合物，我們合成了三(鄰溴芐基)錫噻吩2?甲酸酯(1)和三(鄰溴芐基)錫肉桂酸酯(2)，通過(guò)元素分析、紅外光譜、核磁共振譜(1H、13C和119Sn)進(jìn)行了表征，用X射線單晶衍射測(cè)定了晶體結(jié)構(gòu)，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行量子化學(xué)從頭計(jì)算，探討了化合物分子的穩(wěn)定性、分子軌道能量以及一些前沿分子軌道的組成特征。并研究了其熱穩(wěn)定性和體外抗癌活性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

合成反應(yīng)在微波有機(jī)合成系統(tǒng)(MicroSYNTLab?station for Microwave assisted，意大利)中完成。紅外光譜用Shimadzu FTIR8700(KBr壓片，400～4 000 cm-1)光譜儀測(cè)定。元素組成用PE?2400型元素分析儀測(cè)定，核磁共振用Avance Ⅲ HD 500 MHz全數(shù)字化超導(dǎo)核磁共振譜儀(瑞士Bruker公司，TMS為內(nèi)標(biāo))測(cè)定。高分辨質(zhì)譜(HRMS)用Waters Acquity UPLC H?CLASS XEVO G2?XS Qtof飛行時(shí)間串聯(lián)液質(zhì)聯(lián)用儀測(cè)定。1和2的晶體結(jié)構(gòu)用BrukerSmart Apex Ⅱ CCD單晶衍射儀測(cè)定。1和2的熔點(diǎn)用北京泰克X?4數(shù)字顯微熔點(diǎn)儀測(cè)定。熱穩(wěn)定性分析利用TG209F3熱分析儀進(jìn)行，在空氣氣氛中，加熱速度為20 ℃·min-1，氣體流速為20 mL·min-1，在40～800 ℃范圍內(nèi)對(duì)1和2進(jìn)行熱重測(cè)試。所有試劑為分析純。

1.2 化合物的合成

化合物 1：取 0.708 g(1 mmol)三(鄰溴芐基)溴化錫、0.128 g(1 mmol)噻吩 2?甲酸和 1 mmol三乙胺溶于40 mL甲醇中，將溶液轉(zhuǎn)入聚四氟乙烯微波反應(yīng)罐中，將罐蓋密封好，置于微波反應(yīng)器中。設(shè)置微波有機(jī)合成系統(tǒng)溫度120℃，微波輻射反應(yīng)2 h。冷卻過(guò)濾，除去不溶性固體,濾液旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去部分溶劑，放置析出白色固體，用二氯甲烷-甲醇重結(jié)晶得無(wú)色透明晶體0.516 g，產(chǎn)率68.26%。熔點(diǎn)：89～91℃。元素分析按C26H21Br3O2SSn的計(jì)算值(%)：C，41.27；H，2.78。實(shí)測(cè)值(%)：C，41.13；H，2.72。IR(KBr，cm-1)：3 082，3 053，2 979，2 932ν(C—H)，1 614νas(COO-)，1 361νs(COO-)；538ν(Sn—C)，426ν(Sn—O)。1H NMR(CDCl3，500 MHz)：δ7.69(dd，J=3.5 Hz，J=1.0 Hz，1H)，7.53～7.46(m，4H)，7.16～7.13(m，3H)，7.10～7.07(m，4H)，6.96～6.93(m，3H)，2.93(s，6H)。13C NMR(CDCl3，125 MHz)：δ191.85，139.21，135.29，133.83,132.08,130.13,129.81,128.77，127.56，126.44，123.58，28.92。119Sn NMR(CDCl3，186 MHz)：δ5.61。HRMS(ESI)m/zC26H21Br3O2SSn[M+Na]+計(jì)算值：778.770 6，實(shí)測(cè)值：778.770 8。

化合物2：按照上述方法，用0.148 g(1 mmol)肉桂酸代替噻吩2?甲酸，得無(wú)色透明晶體三(鄰溴芐基)錫肉桂酸酯0.594 g，產(chǎn)率76.54%。熔點(diǎn)：107～108℃。元素分析按C30H25Br3O2Sn的計(jì)算值(%)：C，46.39；H，3.22。實(shí)測(cè)值(%)：C，46.67；H，3.28。IR(KBr，cm-1)：3 057，3 042，2 982，2 929ν(C—H)，1 643νas(COO-)，1 337νs(COO-)，554ν(Sn—C)，434ν(Sn—O)。1H NMR(CDCl3，500 MHz)：δ7.60(d，J=16 Hz，1H)，7.56～7.54(m，2H)，7.50～7.48(m，3H)，7.43～7.39(m,3H),7.19～7.1(m，3H)，7.12～7.08(s，3H)，6.99～6.93(s，3H)，6.52(d，J=16 Hz，1H)，2.91(s，6H)。13C NMR(CDCl3，125 MHz)：δ191.74，144.68，139.43，134.78，132.07,130.11,129.88,128.75,127.94，127.51，126.33,123.56，119.17，28.78。119Sn NMR(CDCl3，186 MHz)：δ-3.30。HRMS(ESI)m/zC30H25Br3O2Sn[M+Na]+計(jì)算值：798.829 8，實(shí)測(cè)值：798.827 5。

1.3 晶體結(jié)構(gòu)測(cè)定

分別選取大小為0.21 mm×0.20 mm×0.17 mm(1)和0.23 mm×0.21 mm×0.20 mm(2)的晶體，在Bruker SMART APEX Ⅱ CCD單晶衍射儀上，采用經(jīng)石墨單色化的MoKα射線(λ=0.071 073 nm)，在296(2)K下以φ?ω掃描方式收集數(shù)據(jù)?？捎^察衍射點(diǎn)數(shù)分別為4 672和6 621[I>2σ(I)]，用于結(jié)構(gòu)分析和精修。衍射強(qiáng)度數(shù)據(jù)經(jīng)多重掃描吸收校正，晶體結(jié)構(gòu)中大部分非氫原子由直接法解出，其余部分非氫原子在隨后的差值傅里葉合成中陸續(xù)確定，對(duì)所有非氫原子坐標(biāo)及其溫度因子采用全矩陣最小二乘法精修。由理論加氫法給出氫原子在晶胞中的位置坐標(biāo)，對(duì)氫原子和非氫原子分別采用各向同性和各向異性熱參數(shù)精修，全部結(jié)構(gòu)分析工作在WINGX上調(diào)用SHELX?97程序完成?；衔?和2的主要晶體學(xué)數(shù)據(jù)列于表1。

表1 化合物1和2的晶體學(xué)數(shù)據(jù)Table 1 Crystallographic data of compounds 1 and 2

CCDC：2109938，1；2109939，2。

1.4 化合物的體外抗癌活性測(cè)定

人乳腺癌細(xì)胞(MCF?7)、人非小細(xì)胞肺癌細(xì)胞(A549)和人大細(xì)胞肺癌細(xì)胞(H460)取自美國(guó)組織培養(yǎng)庫(kù)，用含10%牛胎血清的RPMI1640(GIBICO，Invitrogen)培養(yǎng)液，在含體積分?jǐn)?shù)5%的CO2的培養(yǎng)箱內(nèi)于37℃下培養(yǎng)，用MTT法檢測(cè)細(xì)胞增殖與生長(zhǎng)抑制情況，調(diào)整實(shí)驗(yàn)細(xì)胞數(shù)量使在570 nm獲得1.3～2.2的吸光度，將化合物1和2的測(cè)試藥液(0.1 nmol·L-1～10 μmol·L-1)設(shè)置6個(gè)濃度，處理細(xì)胞72 h，每個(gè)濃度至少進(jìn)行3個(gè)平行和3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用Graph?Pad Prism5.0軟件統(tǒng)計(jì)分析確定IC50值。

2 結(jié)果與討論

2.1 化合物的譜學(xué)性質(zhì)

在IR中，化合物1在1 614和1 362 cm-1處出現(xiàn)的尖銳吸收峰為羧基的反對(duì)稱伸縮振動(dòng)(νas,COO)和對(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收峰(νs,COO)，而化合物2的νas,COO和νs,COO分別在1 643和1 337 cm-1，其 Δν(Δν=νas,COO-νs,COO)分別為252和306 cm-1，均大于200 cm-1，表明化合物中羧基氧都是以單齒形式與錫配位?；衔?和化合物2分別在427和434 cm-1處出現(xiàn)了吸收峰，該峰為Sn—O鍵的伸縮振動(dòng)吸收峰，說(shuō)明化合物中有Sn—O鍵存在。

在1H NMR譜中，化合物1和2分別在化學(xué)位移7.69～6.93和7.56～6.93之間出現(xiàn)多重峰，對(duì)應(yīng)為芳環(huán)上的質(zhì)子，與錫相連的亞甲基氫的δ分別在2.93和2.91；化合物2的烯烴碳上的2個(gè)質(zhì)子的δ分別在7.60和6.52處出現(xiàn)了雙重峰，其偶合常數(shù)均為16 Hz。在13C NMR譜中，化合物1和2羰基碳的δ分別在191.85和191.74處，亞甲基碳的δ分別在28.92和28.78處；化合物1芳環(huán)上碳的δ出現(xiàn)在139.21～123.85，化合物2芳環(huán)上碳和烯烴上碳的δ在144.68～119.17之間。在119Sn NMR譜中，化合物1和2分別在δ為5.61和-3.30處出現(xiàn)峰。以上紅外和核磁數(shù)據(jù)結(jié)果與X射線單晶衍射測(cè)定的晶體結(jié)構(gòu)相吻合。

2.2 晶體結(jié)構(gòu)分析

化合物的主要鍵長(zhǎng)和鍵角列于表2，化合物1和2的分子結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1、2，晶胞堆積圖見(jiàn)圖3、4。由分子結(jié)構(gòu)圖和結(jié)構(gòu)參數(shù)可知：2個(gè)化合物均為單錫核結(jié)構(gòu)，中心Sn原子與3個(gè)亞甲基C原子和1個(gè)羧基O原子相連形成四面體構(gòu)型。配體和溴代芐基的空

間互斥作用使化合物中3個(gè)Sn—C鍵的鍵長(zhǎng)、鍵角不等?；衔?和2中Sn原子與2個(gè)羧基O原子之間的距離分別為0.207 2、0.277 0 nm和0.206 0、0.277 8 nm，都只有其中的一個(gè)小于Sn原子與O原子的共價(jià)半徑之和(0.216 nm)，而另一個(gè)遠(yuǎn)大于這2個(gè)原子的共價(jià)半徑之和，說(shuō)明2個(gè)化合物中都只有一個(gè)羧基O原子與Sn很好地成鍵，而另一個(gè)羧基O原子未能與Sn原子成鍵。因此，2個(gè)化合物中的羧基均是以單齒形式與錫原子配位，生成四配位的畸形四面體，與紅外光譜測(cè)得的結(jié)果一致?；衔?與已報(bào)道的三(鄰氯芐基)錫肉桂酸酯[20]具有相似的晶體結(jié)構(gòu)，兩者都屬三斜晶系，空間群均為P1，但由于溴原子和氯原子的電子效應(yīng)和空間效應(yīng)的差別，使得中心錫原子與配位原子的鍵長(zhǎng)與鍵角存在差異。

表2 化合物1和2的主要鍵長(zhǎng)和鍵角Table 2 Selected bond lengths(nm)and bond angles(°)of compounds 1 and 2

圖1 化合物1的橢球概率15%的分子結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Molecular structure of compound 1 with ellipsoids drawn at 15% probability level

圖2 化合物2的橢球概率15%的分子結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Molecular structure of compound 2 with ellipsoids drawn at 15% probability level

圖3 化合物1的晶胞堆積圖Fig.3 Packing of compound 1 in a cell

圖4 化合物2的晶胞堆積圖Fig.4 Packing of compound 2 in a cell

2.3 量子化學(xué)研究

根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)的原子坐標(biāo)，運(yùn)用Gaussian 03W程序在B3LYP/lanl2dz基組水平上計(jì)算得到1和2的分子總能量和分子軌道能量?；衔?：ET=-1 197.684 165 4 a.u.，EHOMO=-0.311 07 a.u.，ELUMO=0.066 30 a.u.，ΔE=ELUMO-EHOMO=0.377 37 a.u.?；衔?：ET=-1 341.572 632 4 a.u.，EHOMO=-0.314 44 a.u，ELUMO=0.066 94 a.u.，ΔE=0.381 38 a.u.。從體系能量和前沿軌道的能量來(lái)看，體系能量和前沿占有軌道的能量均較低，表明1和2分子結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定。最高占據(jù)軌道與最低未占軌道的能量間隙ΔE均較大，說(shuō)明1和2均較難失去電子而被氧化。

為探索化合物1和2的電子結(jié)構(gòu)與成鍵特征，將化合物的分子軌道進(jìn)行分析，用參與組合的各類原子軌道系數(shù)的平方和來(lái)表示該部分在分子軌道中的貢獻(xiàn)，并經(jīng)歸一化。分別把化合物的原子分為7部分，化合物1：(a)錫原子Sn；(b)配體羧基碳原子和氧原子L；(c)芐基亞甲基碳C1；(d)配體噻吩環(huán)碳和硫M；(e)芐基苯環(huán)碳原子C2；(f)溴原子Br；(g)氫原子H。化合物2：(a)錫原子Sn；(b)配體羧基碳原子和氧原子L；(c)芐基亞甲基碳C1；(d)配體苯乙烯基碳原子C2；(e)芐基苯環(huán)碳原子C3；(f)溴原子Br；(g)氫原子H。前沿占有軌道和未占有軌道各取5個(gè)，計(jì)算結(jié)果如表3、4和圖5、6所示。

表3 化合物1的前沿分子軌道組成Table 3 Calculated frontier molecular orbital composition of compound 1

表4 化合物2的分子軌道組成Table 4 Calculated frontier molecular orbital composition of compound 2

圖5 化合物1的前沿分子軌道示意圖Fig.5 Schematic diagram of frontier molecular orbital for compound 1

圖6 化合物2的前沿分子軌道示意圖Fig.6 Schematic diagram of frontier molecular orbital for compound 2

表3和圖5顯示化合物1的成鍵特征：前沿占有分子軌道中，對(duì)分子軌道貢獻(xiàn)最大的是鄰溴芐基苯環(huán)碳原子和亞甲基碳原子，分別為65.55%和16.38%；其次是溴原子和錫原子，分別為8.06%和4.31%。說(shuō)明：一是溴代苯環(huán)具有良好的共軛性和較強(qiáng)的穩(wěn)定性；二是亞甲基碳原子與錫原子結(jié)合良好，分子中Sn—C鍵較穩(wěn)定。比較HOMO與LUMO的各類原子軌道成份，可以看出，當(dāng)電子從HOMO激發(fā)到LUMO軌道時(shí)，其它原子上的電子都集中向配體轉(zhuǎn)移，配體的羧基既是電子轉(zhuǎn)移的橋梁也是電子轉(zhuǎn)移的部分受體，而配體的噻吩環(huán)則是電子轉(zhuǎn)移的主要受體。

表4和圖6顯示化合物2的成鍵特征：前沿占有分子軌道中，對(duì)分子軌道貢獻(xiàn)最大的是鄰溴芐基苯環(huán)碳原子和亞甲基碳原子，分別為59.72%和19.51%；其次是配體苯乙烯基碳原子、溴原子和錫原子，分別為8.17%、5.32%和4.21%。說(shuō)明：一是溴代苯環(huán)具有良好的共軛性和較強(qiáng)的穩(wěn)定性；二是亞甲基碳原子與錫原子結(jié)合良好，分子中Sn—C鍵較穩(wěn)定；三是配體的苯乙烯基的共軛離域性和穩(wěn)定性良好。比較HOMO與LUMO的各類原子軌道成份，可以看出，當(dāng)電子從HOMO激發(fā)到LUMO軌道時(shí)，其它原子上的電子都集中向配體轉(zhuǎn)移，配體的羧基既是電子轉(zhuǎn)移的橋梁也是電子轉(zhuǎn)移的部分受體，而苯乙烯基則是電子轉(zhuǎn)移的主要受體。

2.4 熱穩(wěn)定性分析

熱穩(wěn)定性分析結(jié)果如圖7所示。在160℃之前，化合物1幾乎沒(méi)有失重；從160℃起化合物開(kāi)始緩慢失重，到200℃時(shí)化合物開(kāi)始快速失重，到390℃時(shí)失重變緩，至650℃時(shí)失重基本停止，殘留質(zhì)量最后穩(wěn)定在18.28%。總計(jì)失重81.72%，殘余物可被假定為SnO2，與19.94%的計(jì)算值基本吻合。對(duì)于化合物2，在170℃之前，其幾乎沒(méi)有失重；從170℃開(kāi)始化合物快速失重，到380℃時(shí)失重變緩，至620℃時(shí)失重基本停止，殘留質(zhì)量最后穩(wěn)定在18.06%。總計(jì)失重81.94%，殘余物可被假定為SnO2，與19.42%的計(jì)算值基本吻合。

圖7 化合物1和2的熱分析曲線Fig.7 Thermogravimetric analysis curves of compounds 1 and 2

2.5 抗腫瘤活性

測(cè)試了化合物1和2對(duì)MCF?7、A549和H460的體外生長(zhǎng)抑制活性，結(jié)果見(jiàn)表5。發(fā)現(xiàn)化合物1和2對(duì)所研究癌細(xì)胞均顯示了較強(qiáng)的抑制活性?；衔锔嗟纳锘钚杂写M(jìn)一步研究

表5 化合物1和2對(duì)體外腫瘤細(xì)胞的IC50Table 5 IC50of compounds 1 and 2 on tumor cells in vitro μmol·L-1

3 結(jié) 論

以甲醇為溶劑，在微波溶劑熱條件下，合成了2個(gè)三(鄰溴芐基)錫羧酸酯：三(鄰溴芐基)錫噻吩2?甲酸酯和三(鄰溴芐基)錫肉桂酸酯。體外抗癌活性測(cè)試表明2個(gè)化合物對(duì)人乳腺癌細(xì)胞(MCF?7)、人非小細(xì)胞肺癌細(xì)胞(A549)和人大細(xì)胞肺癌細(xì)胞(H460)均顯示出較強(qiáng)的抑制活性。