兩個錳配合物的合成、晶體結構及與DNA的作用

徐蘊澤 沈金杯 趙國良＊,,2 胡未極

(1浙江師范大學化學與生命科學學院，金華 321004)

(2浙江師范大學行知學院，金華 321004)

(3寧波工程學院，寧波 315211)

雜環(huán)化合物是一類含有雜環(huán)結構(如氮、氧、磷、硫等雜原子)的有機物，種類繁多，普遍存在于自然界中，因其特殊的分子結構，具有諸多的生物學活性。噻唑及其衍生物是一類重要的含氮、硫原子的雜環(huán)化合物，具有良好的抗菌、抗真菌、抗結核、抗氧化、消炎、抗驚厥、抗抑郁、抗焦慮乃至抗高血壓、抗癌等多種生物活性[1-8]；Seck等最近報道噻唑類化合物可作為潛在的抗冠狀病毒藥物[9]。噻二唑在唑類家族中是一種五元雜環(huán)芳香化合物，結構中含有1個硫原子和2個氮原子，是一類重要的雜環(huán)化合物。由于噻二唑衍生物具有廣譜的生物學特性，以噻二唑作為母核，對其結構進行修飾或者改造后，可以拓展其功能，在醫(yī)藥、農業(yè)和材料化學等領域具有廣泛的應用前景。如在農業(yè)領域，由于它們對植物病原真菌具有很高的殺菌能力，噻二唑衍生物被認為是潛在的農藥[10]，也可以用作除草劑和植物生長調節(jié)劑[11-12]；在醫(yī)藥領域，它們對許多癌細胞株表現出顯著的抗增殖活性，在抗腫瘤藥研發(fā)中也非?；钴S[13-18]；作為生物材料，噻二唑衍生物可應用于生物分子或離子的熒光傳感[19-20]。

錳與蛋白質、DNA、RNA的關系密切，它能維持正常的糖、脂肪代謝，改善機體的造血功能；可促進骨骼生長發(fā)育，保護線粒體的完整性，保持正常的腦功能；能增強內分泌功能，維持甲狀腺的正常功能，促進性激素的合成，調節(jié)神經反應能力等。錳還是超氧歧化酶(MnSOD)的重要組成成分，MnSOD在機體中擔負著清除氧自由基，保護生物免受脂質過氧化的作用，維護了生物膜的完整性[21]。

金屬與各種有機配體形成的配合物、配位聚合物由于結構和性能的多樣性而廣受關注。近年來各種雜環(huán)羧酸配合物已被大量報道[22-24]，這不僅因為雜環(huán)體系中含有豐富的可與金屬離子配位的電子，還容易形成氫鍵、芳族堆積等非共價鍵合；而且其中的羧基呈現出的配位方式的多樣性帶來了大量結構新穎、性能特異的配合物。噻唑衍生物配合物也不例外，它們同樣具備各種性能而受到重視[25-29]。我們以 4-甲基-1，2，3-噻二唑-5-甲酸(HL)為反應物，合成了2個新型錳（Ⅱ）配合物，并對其進行了相關表征和單晶結構分析。用溴化乙錠(EB)熒光探針法研究了配合物、HL與ct-DNA的相互作用。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

四水合氯化錳、無水乙醇、氫氧化鈉、菲咯啉(phen)等試劑均為市售分析純試劑且直接使用，HL按文獻[30]方法自制。小牛胸腺DNA為生化試劑，將其用0.1 mol·L?1的NaCl溶液配成200 μg·mL?1(cDNA=0.372 mmol·L?1)的溶液，經純度測定 A260/A280=1.8～2.0，置4℃保存，在4 d之內使用；Tris-HCl緩沖溶液的pH=7.40，cTris=0.01 mol·L?1。

碳、氫、氮含量用德國Elementar公司Vario ELⅢ型元素分析儀測定，錳含量用重量法測定。FT-IR光譜采用美國Nicolet公司NEXUS 670型傅里葉變換紅外光譜儀測定，KBr壓片，測定范圍為400～4 000 cm?1。用瑞士 Mettler Toledo 公司 TGA/SDTA 851e熱重分析儀進行熱重分析(TGA)，升溫速率10 ℃·min?1，測試范圍30～800 ℃，空氣氣氛。UVVis光譜使用Nicolet Evlution 500雙光束型紫外可見分光光度計測定，掃描速率為240 nm·min?1，掃描范圍200～500 nm。熒光光譜測試在美國Perkin Elmer公司的LS-55型熒光光譜儀上進行。

1.2 配合物的制備

[Mn3(L)6(H2O)4]n(1)：稱取0.288 g(2.0 mmol)HL溶于10 mL去離子水中，用 0.50 mol·L?1氫氧化鈉溶液調節(jié)溶液的pH值為6.5～7.0；另稱取0.197 g(1.0 mmol)四水合氯化錳溶于5 mL去離子水中，不斷攪拌下將其逐滴加入上述溶液中，室溫攪拌反應8 h。將不溶物過濾，黃棕色濾液于室溫下自然揮發(fā)，2周后得到適合于單晶分析的塊狀橘黃色晶體，過濾、洗滌、干燥收集產品，產率53%(以氯化錳計)。元素分析按 C24H26Mn3N12O16S6的計算值(%)：C 26.30，H 2.39，N 15.34，Mn 15.04；實驗值(%)：C 26.45，H 2.37，N 15.43，Mn 15.21。IR(KB，cm?1)：3 403(w)，1 638(s)，1 508(w)，1 392(s)，1 297(w)，1 220(m)，1 026(w)，864(w)，787(s)，659(w)，579(w)，508(w)。

[Mn2(phen)4(H2O)2Cl2](L)2·3H2O(2)：稱取 0.144 g(1.0 mmol)HL溶于10 mL乙醇/水(1∶1，V/V)溶液中，用0.50 mol·L?1氫氧化鈉溶液調節(jié)溶液的pH值為6.5～7.0，加入10 mL溶有0.198 g(1.0 mmol)phen的乙醇溶液；另稱取0.099 g(0.5 mmol)四水合氯化錳溶于5 mL去離子水中，不斷攪拌下將其逐滴加入上述溶液中，室溫攪拌8 h，有沉淀生成，過濾并用蒸餾水洗滌不溶物，收集濾液，放置2 d后，得到黃色晶體，產率：60%(以氯化錳計)。元素分析按C56H48Cl2Mn2N12O9S2的計算值(%)：C 52.63，H 3.79，N 13.16，Mn 8.60；實驗值(%)：C 52.75，H 3.82，N 13.03，Mn 8.53。IR(KB，cm?1)：3 433(w)，1 730(s)，1 528(m)，1 439(w)，1 384(m)，1 298(m)，1 233(s)，1 206(s)，1 111(s)，1 026(w)，983(w)，926(w)，849(m)，753(s)，691(m)，656(w)，601(w)，494(m)。

1.3 晶體結構測定及解析

晶體衍射數據是在296(2)K溫度下，將大小為0.427 mm×0.312 mm×0.062 mm(1)和 0.282 mm×0.266 mm×0.138 mm(2)的配合物單晶安裝在Bruker APEXII CCD單晶X射線衍射儀上，使用經石墨單色器單色化的MoKα射線(λ=0.071 073 nm)，以φ-ω掃描方式在設定的2θ(3.98°～49.98°，1；4.86°～49.98°，2)角度范圍內收集衍射數據，衍射數據用程序SADABS[30]進行經驗吸收校正，晶體結構用SHELXS-97[32]程序由直接法解出，對所有非氫原子坐標及其各向異性溫度因子用SHELXL-97程序[33]進行全矩陣最小二乘法修正至收斂。除水上的氫原子外，其余氫原子均為理論加氫，水上的氫原子通過差值Fourier合成得到。配合物1～2的晶體學數據列于表1，主要的鍵長和鍵角列于表2～3。

表1 配合物1和2的晶體學數據Table 1 Crystallographic data for complexes 1 and 2

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

CCDC：2031047，1；2031048，2。

續(xù)表2

表3 配合物2的主要鍵長(nm)和鍵角(°)Table 3 Selected bond lengths(nm)and bond angles(°)for complex 2

1.4 配體及配合物與DNA作用的研究

在10 mL比色管中加入1.0 mL 200 μg·mL?1的DNA溶液、1.0 mL 200 μg·mL?1EB溶液以及2.0 mL pH=7.40的Tris-HCl緩沖溶液，在室溫下放置2 h。然后向混合溶液中加入不同量的濃度為0.1 mmol·L?1的化合物溶液，用二次蒸餾水稀釋至刻度，室溫下反應4 h后，在美國Perkin Elmer公司的LS-55型熒光光譜儀上以251 nm為激發(fā)波長，記錄復合體系在520～700 nm范圍的熒光光譜。

2 結果與討論

2.1 晶體結構分析

2.1.1 配合物1的晶體結構

三核Mn（Ⅱ）配合物1的晶體屬單斜晶系中心對稱P21/c空間群。在其不對稱結構單元中，有2個晶體學不等價的Mn（Ⅱ）離子，3個噻唑甲酸根配體和2個配位水分子。如圖1所示，3個錳離子通過6個噻唑甲酸根中的氧原子雙齒橋聯(lián)，形成了直線型三核簇合物單元，簇合物單元間又通過其中一個噻二唑環(huán)上的N3與另一個簇合物單元的Mn2配位，形成層狀結構。中間的Mn1處于晶體學反對稱中心的位置上，與來自6個L?離子中的6個氧原子配位，形成了壓扁的變形八面體幾何結構，其中O1、O1#1、O5和O5#1處于八面體的赤道位置，這4個原子與Mn1完全在同一平面。Mn1到O5的距離略長于Mn1到O1的距離，前者為0.217(4)nm，后者為0.215 7(4)nm。O4和O4#1處于八面體的軸向位置，O4#1—Mn1—O4的鍵角是180.0(3)°，說明Mn1處于八面體結構的中心。Mn1—O4鍵長(0.213 9(4)nm)比赤道平面中Mn1—O鍵長短。

圖1 (a)配合物1的橢球率30%的分子結構圖;(b)Mn1和Mn2的配位環(huán)境Fig.1 (a)Molecular structure of complex 1 with ellipsoids shown at 30% level;(b)Coordination sphere around Mn1 and Mn2

Mn1兩邊的2個+2價的錳離子都處于嚴重扭曲八面體的環(huán)境中，6個配位原子分別來自4個噻唑甲酸根配體上的3個O原子、1個N原子和2個配位水分子上的O原子。以O2、O6#1、O1W、O2W為八面體的赤道平面，其最小二乘平面偏差為0.000 07 nm，Mn2到該平面的垂直距離為0.022 17 nm。Mn2—O的距離是0.212 9(4)～0.223 1(4)nm。位于八面體軸向位置的O3#1、N3#2到Mn2的距離分別為0.211 5(4)、0.239 5(5)nm，O3#1—Mn2—N3#2的鍵角是176.96(19)°。與文獻[34]報道的錳配合物相比，無論是羧基氧還是水中的氧，其Mn—O略短，而Mn—N略長。

在配合物1中，配體有2種不同的配位方式，一種是通過羧基上的2個O原子二齒橋聯(lián)2個Mn2+離子，另一種則是通過1個N原子和羧基上的2個氧原子三齒橋聯(lián)3個Mn2+離子。如圖2所示，通過這2種配位方式連接的線性三核Mn（Ⅱ），最終成為Z形的4-連接的二維拓撲網絡。

圖2 配合物1的4-連接的二維拓撲結構Fig.2 Four-connected 2D topology structure of complex 1

由圖3和表4，我們可以看到配合物1中存在著豐富的氫鍵，這些氫鍵不僅存在于二維層結構內部，穩(wěn)定了二維層結構，而且沿b軸方向將二維層結構擴展為最終的三維結構格子狀結構。此外，相鄰噻二唑環(huán)間存在著強的π-π堆積作用，穩(wěn)定了三維結構。

表4 配合物1中的氫鍵參數Table 4 Hydrogen bond parameters of complex 1

圖3 配合物1由氫鍵連成的三維結構Fig.3 Three-dimensional structure by hydrogen bond interaction in complex 1

2.1.2 配合物2的晶體結構

單核Mn（Ⅱ）配合物2的晶體屬三斜晶系P1空間群。在其最小不對稱結構單元中，由1個配陽離子[Mn(phen)2(H2O)(Cl)]+、1個外界L?陰離子和1.5個結晶水分子組成。Mn（Ⅱ）與分別來自2個雙齒螯合的phen中的4個氮(N3、N4、N5和N6)、1個Cl?和1個水分子配位，形成六配位的扭曲八面體陽離子，與之電荷平衡的是L?陰離子。Mn—O、Mn—N鍵長略長于文獻[35]報道的錳配合物，Mn—Cl鍵長與文獻[36]中的錳配合物很接近。2個與Mn（Ⅱ）配位的phen平面幾乎相互垂直，他們之間的二面角為87.416(5)°，處于赤道面位置的原子與Mn1之間的N5—Mn1—N6、N5—Mn1—O1W、O1W—Mn1—N4和N4—Mn1—N6的 鍵 角 分 別 為 72.69(1)°、94.80(1)°、9.02(0)°和91.46(1)°，總鍵角為357.97°，接近360°，表明N5、N6、N4和O1W共面性較好，同時也說明Mn1處在由N5、N6、N4、O1W構成的平面上。

圖4 配合物2的橢球率30%的分子結構圖Fig.4 Molecular structure of complex 2 with ellipsoids shown at 30%level

值得一提的是，N4—Mn1—N5的鍵角明顯地小于同類型配合物的相應鍵角。根據價層電子對互斥理論，其原因可能是由于氯原子的電負性不如氮和氧原子，Cl?離子與M（Ⅱ）配位時，配位鍵中的成鍵電子對偏向Cl?不顯著，對軸向上Mn1—N4、Mn1—N5成鍵電子對的斥力較大，使得N4—Mn1—N5的鍵角變小。

配合物2中相鄰phen平面間存在著連續(xù)且較強的π-π堆積作用(圖5a)，其相鄰平面之間的面心距分別為0.365 9和0.379 1 nm，平面之間的夾角(二面角)都為0°，平面之間的垂直距離分別為0.336 3和0.348 8 nm。同時，噻二唑環(huán)與相鄰含N4的phen也存在著連續(xù)的π-π堆積作用(圖5b)，其面心距為0.411 6 nm，平面之間的夾角為4.527(1)°，平面之間的距離(平面中心到另一平面垂直距離)為0.352 1 nm。

圖5 配合物2的π-π堆積作用Fig.5 π-π interaction of complex 2

圖6為配合物2沿a方向的晶胞堆積結構，從圖中很容易觀察到陰離子與配陽離子通過靜電力和分子間氫鍵作用呈現交替排列的結構，且氫鍵的存在穩(wěn)定了配合物2的晶體結構。分析配合物2的氫鍵鍵長和鍵角(表5)，發(fā)現參與配位的Cl?離子和水分子(O1W)、游離水分子(O2W、O3W、O4W)以及配位陰離子L?中的羧基氧原子(O1、O2)之間存在著豐富的分子內和分子間氫鍵，其氫鍵鍵長(D…A距離)和鍵角分別在0.269 7(7)～0.324 4(6)nm和155(8)°～179(3)°范圍。通過π-π堆積和氫鍵作用使配合物2形成了更加穩(wěn)定的三維網絡結構。

圖6 配合物2的三維結構圖Fig.6 Three-dimensional structure of complex 2

表5 配合物2的氫鍵參數Table 5 Hydrogen bond parameters of complex 2

2.2 配合物的熱重分析

配合物1和2的TG曲線如圖7所示。它們的分解曲線相似，有2個失重臺階。配合物1在67～165℃范圍內的失重率為6.67%，對應于失去4個晶格水(理論值6.57%)；第二階段，在229～401℃的溫度范圍內快速失重，配體被氧化分解，失重率達到73.78%，最終殘余物可能為MnO，重量為樣品總重的19.55%(理論值19.42%)。對于配合物2來說，第一階段在79～134℃范圍內的失重率為7.08%，對應于失去5個水分子(理論值7.04%)；第二階段，在216～433℃范圍內配體氧化分解，失去總質量的72.62%，最終殘余物MnO重量為樣品總重的11.30%(理論值 11.10%)。

圖7 配合物1和2的TG曲線Fig.7 TG curves of complexes 1 and 2

2.3 配合物的紅外光譜

游離配體HL的光譜中羧基的伸縮振動出現在1 733 cm?1處，在配合物1的光譜中此處的羧基特征吸收峰均消失，取而代之的是COO?反對稱伸縮振動吸收峰1 638 cm?1和對稱伸縮振動吸收峰1 508 cm?1，這說明羧基中的氧原子已經與金屬離子配位[37]，3 403 cm?1處有寬峰出現，說明配合物中有水，同時在659 cm?1處有振動峰，說明有配位水。對于配合物2來說，L?的羧基振動峰出現在1 730 cm?1處，與游離配體比位移很小，說明其中的羧基未參與配位；1 528和849 cm?1處的峰為菲咯啉中C=N與C—H的伸縮振動，說明菲咯啉參與了配位[38]；在3 433 cm?1附近出現了寬的吸收帶，主要歸因于分子中的配位水和結晶水的O—H伸縮振動，656 cm?1處出現的振動峰說明配合物中有配位水[37]。以上這些與配合物晶體結構分析的結果一致。

2.4 UV?Vis光譜

將配體HL和配合物均用甲醇配成0.1 mmol·L?1的溶液，測定了200～500 nm范圍內的UV-Vis光譜(圖8)。從圖中可以看出，無論是配體還是配合物，均有2個吸收峰，分別在219和268 nm處，是配體本身的n-π*和π-π*躍遷所致。當形成配合物后，吸收峰的位移并不大，但強度有所變化。從強度變化趨勢來看，溶液中游離配體濃度越大其吸收峰強度也越大。

圖8 配合物1、2和配體HL的UV-Vis光譜Fig.8 UV-Vis spectra of complexes 1,2 and ligand HL

2.5 配體和配合物與DNA的作用研究

溴化乙錠(EB)分子本身的熒光很弱，因其為一共軛平面分子，能專一平行地插入DNA雙螺旋或三螺旋內部的堿基對之間，與DNA形成EB-DNA復合物后，其熒光強度顯著增強。假如共存于EB-DNA體系中的其它化合物分子也能與DNA發(fā)生類似于EB的插入作用，則這些化合物分子就會競爭DNA與EB的結合位點，以致EB-DNA體系的熒光猝滅，這些分子使EB-DNA體系熒光猝滅的程度可以說明它與DNA插入作用的強弱，因此EB被廣泛用作DNA結構探針，來分析自身熒光較弱的金屬配合物與DNA的作用模式。根據Stern-Volmer方程[39]：I0/I=1+Ksqr，其中I0為未加化合物時EB-DNA體系的熒光強度，I為加入不同濃度的化合物后EB-DNA復合體系的熒光強度，r為化合物與DNA濃度之比，Ksq是線性Stern-Volmer常數，I0/I與r呈線性關系，Ksq可以由直線斜率求出，該常數可用于比較化合物分子與DNA的結合能力。圖9為配體HL和2個配合物與DNA-EB復合體系的熒光猝滅圖，由Stern-Volmer方程擬合結果得到HL和配合物1、2的Ksq分別為0.24、0.30、2.80，說明配合物與DNA的作用強于配體HL，由于配合物2中有菲咯啉分子，總體分子的平面性又好于配合物1，所以其Ksq自然也大得多。

圖9 配合物1、2與配體HL對EB-DNA復合體系的熒光猝滅Fig.9 Fluorescence quenching of EB-DNA complex system by complexes 1,2 and ligand HL

3 結論

由 4-甲基-1，2，3-噻二唑-5-甲酸(HL)合成了配位聚合物[Mn3(L)6(H2O)4]n(1)和配合物[Mn2(phen)4(H2O)2Cl2](L)2·3H2O(2)，2個配合物的中心離子Mn（Ⅱ）均為六配位。通過π-π堆積和氫鍵作用，配合物1形成了三維格子狀結構，配合物2形成了三維網絡結構。用溴化乙錠熒光光譜法測定了配體和配合物與DNA作用情況，結果表明配合物與DNA的作用強于配體，有平面型配體的配合物2的作用又強于配合物1。