2-氨基吡啶類雙核銅（Ⅱ）配合物的合成、晶體結(jié)構(gòu)及性質(zhì)

佟 萍 吳江萌 徐 萍 王曉瑩 李海南 王 城 楊斯淇 周嘉薈 許瑞波

(江蘇海洋大學(xué)藥學(xué)院，連云港 222005)

關(guān)鍵字：雙核銅（Ⅱ）配合物；氨基吡啶；晶體結(jié)構(gòu)；電化學(xué)性質(zhì)；生物活性

銅（Ⅱ）離子是生物體不可或缺的一種必需微量元素，具有內(nèi)源生物相容性；作為酶的重要輔助因子，銅（Ⅱ）離子在酶發(fā)揮其生物功能時起到關(guān)鍵作用[1-3]。Cu（Ⅱ）半徑較小，可呈現(xiàn)+1、+2、+3三種氧化態(tài)，具有很強(qiáng)配位能力，易與N、O等原子配位形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、配位模式多樣的單核、多核銅配合物[4]。銅配合物的脂溶性比Cu（Ⅱ）離子好，更容易通過細(xì)胞膜發(fā)揮生物學(xué)功能[5-6]。近年來，國內(nèi)外利用過渡金屬配合物開發(fā)新型金屬基藥物的興趣日益濃厚，尤其是銅配合物的相關(guān)報道很多。研究表明，銅配合物具有優(yōu)良的抗菌[7]、抗病毒[8]、抗氧化[9]等生物活性，同時，也可以調(diào)節(jié)分子與靶點之間的特異性相互作用，從而降低螯合效應(yīng)引起的毒性[10]。因此，在醫(yī)學(xué)上被廣泛用來探索其對各種疾病的治療[11-14]。

吡啶環(huán)上氮原子具有一對定域孤對電子，易與不同金屬離子配位，配位后不僅可以穩(wěn)定不同氧化態(tài)的金屬離子[15]，而且構(gòu)建的吡啶配合物結(jié)構(gòu)繁多、功能各異，在臨床、分析、催化等領(lǐng)域具有很好應(yīng)用前景[16]。由于一些銅配合物具有催化活化小分子化合物性能，而且生物體中許多酶的活性部位含有雙核銅結(jié)構(gòu)單元，因此，設(shè)計含有吡啶環(huán)的雙核銅配合物具有重要意義?；诖耍覀兎謩e以3-甲基-2-氨基吡啶(L1)、5-溴-2-氨基吡啶(L2)為配體，設(shè)計、合成了2個具有籠狀結(jié)構(gòu)的雙核銅吡啶配合物1、2，利用多種手段對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。采用瓊脂平板擴(kuò)散抑菌法和DPPH(1，1-二苯-2苦基肼)法初步研究了1和2抑菌活性和抗氧化能力，并采用循環(huán)伏安(CV)法研究其電化學(xué)性質(zhì)。

1 實驗部分

1.1 實驗試劑及儀器

L1、L2、無水醋酸銅、無水乙醇、1，1-二苯-2苦基肼自由基(DPPH·)、營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基及其他溶劑等均為市售分析純試劑，直接使用。大腸桿菌(E.coli)、金黃色葡萄球菌(S.aureus)、枯草芽孢桿菌(B.subtilis)等菌種均為江蘇海洋大學(xué)藥學(xué)院實驗室自行保存。

主要儀器：SGW X-4型顯微熔點測定儀(上海精密科學(xué)儀器有限公司)、Nicolet-iS10型傅里葉紅外光譜儀(Thermo Fisher Scientific 公司)、UV-Vis 2550型紫外分光光度計(日本島津公司)、F-7000熒光光譜儀(日本日立公司)、Bruker Smart-1000單晶衍射儀(德國BRUKER公司)、CHI 660E電化學(xué)工作站(上海辰華儀器公司)。

1.2 配合物合成

1.2.1 配合物[Cu2(CH3COO)4(L1)2](1)的合成

將無水醋酸銅(0.181 6 g，1 mmoL)與乙醇(15 mL)加入圓底燒瓶，80℃水浴攪拌溶解，再加入L1(0.216 3 g，2 mmoL)，反應(yīng)2 h，冷卻至室溫，過濾。在濾液中加入氯仿(2～3 mL)，置于燒杯中靜置，待溶劑緩慢揮發(fā)后析出藍(lán)色晶體，過濾。將晶體用少量乙醇淋洗、干燥，產(chǎn)率為52.3%。m.p.＞290℃。FT-IR(KBr，cm-1)：3 465(m)，3 357(m)，2 977(w)，1 627(m)，1 606(s)，1 477(s)，1 460(s)，1 434(s)，1 353(m)，1 199(s)，795(m)，764(m)，680(s)，630(m)，474(m)。 HRMS(ESI)：C20H29Cu2N4O8([M+H]+)的m/z計算值579.057 7，實測值579.055 3。

1.2.2 配合物[Cu2(CH3COO)4(L2)2](2)的合成

將L1換為L2(0.348 g，2 mmoL)，其余步驟與1的制備相同，得到藍(lán)色晶體，產(chǎn)率約為57%。m.p.＞290 ℃。FT-IR(KBr，cm-1)：3 451(m),2 976(w),1 631(s),1 600(s)，1 481(w)，1 433(m)，1 354(m)，1 262(w)，1 138(m)，1 067(m)，955(m)，866(m)，82(w)，669(m)，624(w)，540(w),526(w)。HRMS(ESI)：C18H22Br2Cu2N4O8([M+2]+)的m/z計算值707.839 6，實測值707.219 1。

1.3 晶體結(jié)構(gòu)測定

分別選取尺寸為0.15 nm×0.14 nm×0.12 nm(1)、0.18 nm×0.16 nm×0.14 nm(2)的單晶置于BRUKER SMART 1000 CCD單晶衍射儀上，用石墨單色化的MoKα(λ=0.710 73 nm)射線，以ω-2θ掃描方式，于296(2)K下測定。全部強(qiáng)度數(shù)據(jù)還原在Bruker SAINT程序上進(jìn)行。以Lp因子修正數(shù)據(jù)，晶體結(jié)構(gòu)采用SHELX-97軟件由直接法解出，理論加氫，全部非氫原子的坐標(biāo)和各向異性熱參數(shù)經(jīng)全矩陣最小二乘法修正收斂。詳細(xì)晶體學(xué)數(shù)據(jù)見表1，部分鍵長和鍵角數(shù)據(jù)見表2。

表2 配合物1和2結(jié)構(gòu)中部分鍵長(nm)和鍵角(°)Table 2 Selected bond lengths(nm)and bond angles(°)of complexes 1 and 2

CCDC：2123588，1；2123589，2。

1.4 UV-Vis和熒光光譜測試

以N，N-二甲基甲酰胺(DMF)為溶劑，配制濃度為 20 μmol·L-1的 L1、L2、1和 2 的待測液，以 DMF 為參比，測定樣品的UV-Vis譜圖。同時，測定樣品在室溫下的熒光激發(fā)光譜(EX)和發(fā)射光譜(EM)。其中，L1和1激發(fā)狹縫為2.5 nm，發(fā)射狹縫為5.0 nm；而L2和2激發(fā)和發(fā)射狹縫均為10 nm。

1.5 電化學(xué)分析

將 1、2溶于 DMF 配成 1 mmol·L-1溶液，以 0.1 mol·L-1KCl為支持電解質(zhì)，掃描速率為50 mV·s-1，于-1.0～0.8 V范圍內(nèi)進(jìn)行CV掃描。

1.6 抑菌活性測試

參照文獻(xiàn)[17]的牛津杯法進(jìn)行抑菌活性實驗。樣品用二甲基亞砜溶解，配制成質(zhì)量濃度為5.000、2.500、1.250、0.625 0、0.312 5 mg·mL-1的溶液。移取100 μL菌懸液于固體培養(yǎng)基上，均勻涂布，等距離放置5個牛津杯，分別移入100 μL上述溶液。把培養(yǎng)皿置于37℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)16～24 h，測定配合物1、2對3種受試菌株的抑制作用。

1.7 抗氧化活性測試

配制0.3 mmol·L-1的DPPH·甲醇溶液和不同質(zhì)量濃度(0.05、0.1、0.2、0.5、0.8、1 mg·mL-1)的樣品待測液備用。將文獻(xiàn)[18]的方法略加改動，測定抗氧化活性。

1.7.1 反應(yīng)時間的確定

在25 mL具塞棕色比色管中加入0.3 mmol·L-1DPPH·甲醇溶液10 mL，再加入1 mg·mL-1待測液10 mL，搖勻，置于37℃水浴鍋中，避光反應(yīng)，反應(yīng)一定時間(5、30、40、50、60、70和80 min)時取樣，以甲醇為參比，測定516 nm處吸光度(A)。按照如下公式計算配合物對DPPH·的清除率(r)，確定最佳反應(yīng)時間：

其中A0是空白對照的吸光度，Ai是加樣品液后吸光度，Aj是樣品液本底吸收。

1.7.2 DPPH·清除率與質(zhì)量濃度關(guān)系

取6支10 mL具塞棕色比色管，分別加入2 mL 0.3 mmol·L-1DPPH·甲醇溶液和2 mL不同質(zhì)量濃度的樣品待測液，再用1 mL甲醇定容至5 mL。搖勻，置于37℃水浴鍋中，避光反應(yīng)60 min。取樣，以甲醇為參比，測定516 nm處吸光度。對DPPH·的清除率計算方法同上。

2 結(jié)果與討論

2.1 紅外光譜分析

配合物1和2的紅外光譜如圖1所示。從圖中可以看出：1和2在3 480、3 327 cm-1和3 465、3 357 cm-1處的2個中強(qiáng)吸收峰可歸屬于配體上氨基N—H的對稱與反對稱伸縮振動；在1 627、1 617 cm-1與1 434、1 424 cm-1處的2個強(qiáng)吸收峰可歸屬于醋酸根上COO-的反對稱和對稱伸縮振動，其峰值差Δν均為193 cm-1，表明該羧酸根與Cu（Ⅱ）發(fā)生雙齒配位[19]。在1 606和1 599 cm-1處的吸收峰分別歸屬為配體L1和L2吡啶環(huán)上C=N伸縮振動[16]。

圖1 配合物1和2的FT-IR譜圖Fig.1 FT-IR spectra of complexes 1 and 2

2.2 紫外可見光譜和熒光光譜

2.2.1 紫外可見光譜

配體和配合物的UV-Vis譜圖如圖2所示。由圖可知，L1、L2分別在296 nm和268、313 nm處出現(xiàn)寬而強(qiáng)的吸收峰，可歸屬為吡啶環(huán)π-π*、n-π*躍遷及NH2增色效應(yīng)；而1、2在290 nm和264、311 nm處出現(xiàn)類似吸收峰，分別藍(lán)移6 nm和4、2 nm，且峰強(qiáng)度明顯減弱，但峰寬變化不大，可能是由于Cu2+引起配體與金屬之間的電荷轉(zhuǎn)移，減少了配體共軛體系的電子云密度[20-22]。此外，在320～450 nm范圍內(nèi)，出現(xiàn)較弱的由金屬中心d-d躍遷引起的吸收帶[23]。

圖2 配體、1和2的UV-Vis譜圖Fig.2 UV-Vis spectra of the ligands,1,and 2

2.2.2 熒光光譜

配體和配合物的熒光光譜如圖3所示。從圖3可以看出，L1與1、L2與2的激發(fā)與發(fā)射光譜譜圖相似，說明配合物1、2的熒光可能是配體吡啶環(huán)的ππ*躍遷所致。與配體相比，1、2最大發(fā)射波長分別藍(lán)移了1、3 nm，可能是吡啶環(huán)上N原子與Cu（Ⅱ）離子配位后，配體共軛程度減弱引起的[24]；同時，1的熒光強(qiáng)度明顯減弱，約為L1的一半；而2的變化很小，略高于L2。配體熒光強(qiáng)度的差異主要是2個配體吡啶環(huán)上取代基的差異引起的。L1上3-CH3為供電子基，而L2上5-Br為強(qiáng)吸電子基，產(chǎn)生了重原子效應(yīng)，使熒光強(qiáng)度明顯減弱；配合物熒光強(qiáng)度的變化可能是配體的N通過電子轉(zhuǎn)移與Cu（Ⅱ）配位，引起了分子剛性、共軛程度等改變所致[22,25]。

圖3 配體、1和2的熒光譜圖Fig.3 Fluorescence spectra of the ligands,1,and 2

2.3 晶體結(jié)構(gòu)分析

單晶分析結(jié)果表明，1屬于正交晶系，Pbca空間群；2為單斜晶系，P21/n空間群。1、2的分子結(jié)構(gòu)如圖4、5所示。由圖可知，1、2均為對稱的雙核銅配合物，都是由2個配體分子(L1或L2)、4個醋酸根離子和2個Cu2+組成。每個Cu2+都是五配位的，分別與1個來自L1或L2吡啶環(huán)的N原子、4個來自于醋酸根的O原子配位。每一個醋酸根均以二齒橋聯(lián)配體形式與2個Cu2+配位，形成雙核銅籠狀結(jié)構(gòu)，其軸向被吡啶環(huán)上N占據(jù)。雙核銅1、2的金屬離子中心間距分別為 0.269 04(8)、0.264 54(12)nm，小于 2個銅原子的范德華半徑之和(0.286 nm)，大于2個銅離子半徑之和(0.255 nm)[24]。1、2中五配位的銅離子均為四方錐幾何構(gòu)型，對1而言，O1、O2#1、O3、O4#1四個原子處于同一平面(平均偏離該平面距離為0.000 06 nm)，構(gòu)成四方錐的錐底；Cu1距離該平面的距離為0.024 38 nm，而N1位于錐頂，與Cu1距離為0.222 7(2)nm。對2而言，O1#1、O2、O3、O4#1四個原子可近似看作處于同一平面(平均偏離該平面距離為0.000 1 nm)，構(gòu)成四方錐的錐底；Cu1距離該平面的距離為0.021 73 nm，而N1位于錐頂，與Cu1距離為0.222 6(3)nm。通過對比中心Cu2+相關(guān)的鍵長、鍵角等數(shù)據(jù)，可知1、2均為變形的四方錐結(jié)構(gòu)。圖6、圖7是1、2沿a軸的晶胞堆積圖，配合物通過范德華力、吡啶環(huán)之間的π-π堆積作用等分子間作用力，形成了三維空間結(jié)構(gòu)。

圖4 配合物1的分子結(jié)構(gòu)Fig.4 Molecular structure of complex 1

圖5 配合物2的分子結(jié)構(gòu)Fig.5 Molecular structure of complex 2

圖6 配合物1沿a軸的晶胞堆積圖Fig.6 Cell stacking diagram along the a-axis of complex 1

圖7 配合物2沿a軸的晶胞堆積圖Fig.7 Cell stacking diagram along the a-axis of complex 2

2.4 電化學(xué)分析

配合物1和2的CV曲線如圖8所示。由圖可知，配合物1、2在-1.0～0.8 V范圍內(nèi)分別給出了2對氧化還原峰。配合物1氧化峰電位Epa1=-0.153 V，Epa2=0.202 V，還原峰電位Epc1=-0.392 V，Epc2=0.133 V。峰電位差ΔEp1=0.239 V，ΔEp2=0.069 V；半峰電位Ep1/2,1=0.119 V，Ep1/2,2=0.034 V；峰電流比Ipa1/Ipc1=6.046，Ipa2/Ipc2=1.201。配合物 2 氧化峰電位Epa1′=-0.148 V，Epa2′=0.218 V，還原峰電位Epc1′=-0.505 V，Epc2′=0.114 V。峰電位差 ΔEp1′=0.357 V，ΔEp2′=0.104 V；半峰電位Ep1/2,1′=0.178 V，Ep1/2,2′=0.052 V；峰電流比Ipa1′/Ipc1′=1.878，Ipa2′/Ipc2′=1.093。

圖8 配合物1和2的CV曲線Fig.8 CV curves of complexes 1 and 2

由峰電位差、半峰電位和峰電流比可知，配合物1、2的2對氧化還原峰分別對應(yīng)Cu（Ⅱ）+e-?Cu（Ⅰ）+e-?Cu(0)的氧化還原過程，因此可認(rèn)為1、2中銅中心離子可以發(fā)生準(zhǔn)可逆的氧化還原反應(yīng)[23]。

2.5 抑菌實驗分析

配合物的抑菌實驗結(jié)果見表3。從中可以看出，在測試質(zhì)量濃度范圍內(nèi)(0.312 5～5.000 mg·mL-1)，隨樣品質(zhì)量濃度(ρ)增加，樣品對3種受試菌株的抑菌作用增強(qiáng)。配合物1和2對S.Aureus和B.subtilis抑制作用非常強(qiáng)，對E.coli抑制作用一般，與已有報道一致[26-27]。研究表明，E.coli抗藥性越來越強(qiáng)，可能是其外膜的親水多糖鏈起到配合物滲透屏障作用引起的[27-28]。

表3 配合物1、2的抑菌活性Table 3 Antibacterial activities of complexes 1 and 2

2.6 抗氧化活性分析

配合物1、2清除DPPH·的反應(yīng)時間測定結(jié)果見圖9。由圖可知，1、2對DPPH·具有優(yōu)良的清除作用；隨著反應(yīng)時間的延長，清除率不斷增大，30 min時，1和2的清除率分別達(dá)到75%和72%，60 min時清除率最大(92%和93%)，再延長時間，清除率基本不發(fā)生明顯改變，故確定清除DPPH·的最佳反應(yīng)時間為60 min。

圖9 配合物1和2清除DPPH·的反應(yīng)時間Fig.9 Reaction times of complexes 1 and 2 to scavenge DPPH·

圖10是不同濃度的配合物1、2對DPPH·的清除率曲線。由圖可知，隨著質(zhì)量濃度的增加，配合物對DPPH·清除率增大。在0.05～0.5 mg·mL-1范圍內(nèi)，1的質(zhì)量濃度與DPPH·清除率呈良好線性關(guān)系，其回歸方程為y=1.426x+0.197 5，R2=0.998 8，IC50為0.21 mg·mL-1；在0.05～1.0 mg·mL-1范圍內(nèi)，2的質(zhì)量濃度與DPPH·清除率呈良好線性關(guān)系，其回歸方程為y=0.730 3x+0.125 2，R2=0.996 8，IC50為 0.51 mg·mL-1。說明二者清除DPPH·能力良好，具有較強(qiáng)的抗氧化活性。

圖10 配合物1和2對DPPH·的清除率曲線Fig.10 Curves of scavenging rate of complexes 1 and 2 to DPPH·

3 結(jié) 論

合成了2個新的雙核銅配合物[Cu2(CH3COO)4(L1)2](1)和[Cu2(CH3COO)4(L2)2](2)，并采用熔點、X射線單晶衍射、紅外光譜、紫外可見光譜等手段進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征。配合物1、2均具有五配位的變形四方錐構(gòu)型。循環(huán)伏安法實驗結(jié)果表明，配合物1、2可發(fā)生準(zhǔn)可逆氧化還原過程。生物活性實驗結(jié)果表明，1、2對實驗測試菌株B.subtilis、S.aureus表現(xiàn)出優(yōu)良的抑制作用；對DPPH·具有良好的清除效率，IC50分別為 0.21和0.51 mg·mL-1。此外，它們具有一定的熒光發(fā)射性能。本研究結(jié)果對設(shè)計、開發(fā)具有優(yōu)良生物活性、光學(xué)性能的銅配合物具有一定的參考價值。