兩個(gè)有機(jī)錫雜環(huán)羧酸酯配合物的合成、結(jié)構(gòu)及抗癌活性

周玉林 張復(fù)興 朱小明 田 婕 徐賽男 趙邠婕 陳鏡姣 李芳芳 鄧 欣

(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,湘江上游重金屬污染監(jiān)測(cè)與治理湖南省工程研究中心，衡陽(yáng) 421008)

有機(jī)錫配合物由于具有結(jié)構(gòu)的多樣性和應(yīng)用的廣泛性而備受人們廣泛關(guān)注[1-6]。特別是有機(jī)錫配合物良好的抑制癌細(xì)胞增殖活性的發(fā)現(xiàn)，為開(kāi)發(fā)廣譜、高效的抗腫瘤藥物開(kāi)辟了新的方向[7-9]。研究表明，許多有機(jī)錫配合物比目前臨床上廣泛使用的抗癌藥順鉑的抗癌活性還要高出許多[10-15]。雜環(huán)羧酸是一類(lèi)具有豐富結(jié)構(gòu)和較強(qiáng)生物活性的良好配體，能與有機(jī)錫形成具有特色結(jié)構(gòu)和特殊性能的有機(jī)錫配合物，引起了人們的興趣，近年有了一些相關(guān)的研究的報(bào)道[16～20]。為了更系統(tǒng)地研究該類(lèi)配合物，我們合成了二(鄰溴芐基)錫二(2-吡啶甲酸)酯(1)和三(2-甲基-2-苯基丙基)錫 3-吲哚丁酸酯 (2)，通過(guò)元素分析、紅外光譜、核磁共振(1H、13C和119Sn)、X射線(xiàn)衍射(XRD)、熱重分析(TGA)進(jìn)行了表征，用X射線(xiàn)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，探討了配合物分子的穩(wěn)定性、分子軌道能量以及一些前沿分子軌道的組成特征。此外，我們還研究了這2個(gè)配合物的熱穩(wěn)定性和體外抗癌活性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

所有試劑均為市售分析純。合成反應(yīng)在恒溫磁力加熱攪拌器上完成。配合物的熔點(diǎn)用北京泰克X-4數(shù)字顯微熔點(diǎn)儀測(cè)定。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。核磁共振譜用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。XRD用Shimadzu X射線(xiàn)衍射儀測(cè)定，測(cè)試條件：Cu靶Kα1，λ=0.154 06 nm，工作電流30 mA，電壓40 kV，測(cè)試角度(2θ)范圍 5°～80°，掃描速度 2(°)·min-1。晶體分子結(jié)構(gòu)用BrukerSmart Apex Ⅱ CCD單晶衍射儀測(cè)定。利用TG209F3熱分析儀，在空氣氛中，加熱速度為20 ℃·min-1，氣體流速為20 mL·min-1，在50～800℃范圍內(nèi)對(duì)配合物進(jìn)行熱重測(cè)試。

1.2 配合物的合成

配合物1：在50 mL的耐壓反應(yīng)瓶中，加入無(wú)水甲醇35 mL、乙醚2 mL，在電磁攪拌器上攪拌1 min后加入0.046 g(2 mmol)切成小片的金屬鈉，攪拌至金屬鈉反應(yīng)完全。加入0.246 g(2 mmol)2-吡啶甲酸，繼續(xù)攪拌5 min，再加入0.615 g(1 mmol)二(鄰溴芐基)二溴化錫，密封反應(yīng)瓶，在110℃下恒溫?cái)嚢璺磻?yīng)3 h。冷卻后過(guò)濾，除去不溶性固體，濾液放置后析出白色固體，用二氯甲烷-乙醇重結(jié)晶得1的無(wú)色晶體0.538 g，產(chǎn)率76.53%。熔點(diǎn)：156～158℃。元素分析(C26H20Br2N2O4Sn)計(jì)算值(%)：C，44.38；N，3.98；H，2.84。實(shí)測(cè)值(%)：C，44.52；N，4.01；H，2.86。IR(KBr，cm-1)：3 038，2 945，2 839ν(C—H)，1 703νas(COO)，1 308νs(COO)，552ν(Sn—C)，492ν(Sn—N),472ν(Sn—O)。1H NMR(CDCl3，500 MHz)：δ8.19～8.11(m，4H)，7.85(t，J=7.5 Hz，2H)，7.29(t，J=6.5Hz，2H)，7.11(d，J=9.0 Hz，2H)，6.95～6.88(m，4H)，6.86(t，J=7.5 Hz，2H)，2.91(s，4H)。13C NMR(CDCl3，125 MHz)：δ164.00,145.40,143.69,140.93,139.62,132.13,129.61，127.45，127.04，125.50，125.14，123.12，35.42。119Sn NMR(CDCl3，186 MHz)：δ-366.31。

配合物2：在50 mL的耐壓反應(yīng)瓶中，加入無(wú)水甲醇 40 mL、1.052 g(1 mmol)雙(三(2-甲基-2-苯基丙基)錫)氧化物、0.406 g(2 mmol)3-吲哚丁酸，密封反應(yīng)瓶，在110℃下恒溫?cái)嚢璺磻?yīng)4 h。冷卻后旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去部分溶劑，放置后析出白色固體，用二氯甲烷-乙醇重結(jié)晶得2的無(wú)色晶體1.068 g，產(chǎn)率74.12%。熔點(diǎn)：102～104℃。元素分析(C42H51NO2Sn)的計(jì)算值(%)：C，69.95；H，7.13；N，1.94。實(shí)測(cè)值(%)：C，69.68；H，7.10；N，1.98。IR(KBr，cm-1)：3 057，2 955，2 909，2 862ν(C—H)，1 626νas(COO)，1 368νs(COO)，556ν(Sn—C)，470ν(Sn—O)。1H NMR(CDCl3，500 MHz)：δ8.05(s，1H)，7.69～7.67(m，1H)，7.41～7.39(m，1H)，7.32～7.12(m，17H)，7.03(d，J=1.5 Hz，1H)，2.85(t，J=7.0 Hz,2H),2.38～2.35(m,2H)，2.08～2.05(m，2H)，1.24～1.15(m，24H)。13C NMR(CDCl3，125 MHz)：δ178.26，150.88,136.33,128.28,127.56,125.77，125.28，121.82，121.30，119.07，119.00，116.21，111.01，37.67，37.15，35.65,32.71,26.21,24.78。119SnNMR(CDCl3，186MHz)：δ-187.52。

1.3 晶體結(jié)構(gòu)測(cè)定

分別選取大小為0.23 mm×0.21 mm×0.20 mm和0.22 mm×0.21 mm×0.20 mm 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(xiàn)(λ=0.071 073 nm)，于296(2)K，以φ-ω掃描方式收集數(shù)據(jù)?？捎^(guān)察衍射點(diǎn)數(shù)分別為4 345和7 322(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。配合物的主要晶體學(xué)數(shù)據(jù)列于表1。

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

CCDC：2133058，1；2133057，2。

1.4 配合物的體外抗癌活性測(cè)定

人肝癌細(xì)胞(HUH7)、人肺癌細(xì)胞(A549)、人表皮癌細(xì)胞(A431)、人結(jié)腸癌細(xì)胞(HCT-116)和乳腺癌細(xì)胞(MDA-MB-231)取自美國(guó)組織培養(yǎng)庫(kù)，用含10%牛胎血清的RPMI1640(GIBICO，Invitrogen)作培養(yǎng)基，在CO2體積分?jǐn)?shù)5%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)量使其在570 nm獲得1.3～2.2的吸光度，將配合物測(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3個(gè)平行和3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用GraphPad Prism5.0軟件統(tǒng)計(jì)分析確定半抑制率IC50。

2 結(jié)果與討論

2.1 配合物的譜學(xué)性質(zhì)

在紅外光譜圖中，配合物1在492和472 cm-1處出現(xiàn)了吸收峰，分別為Sn—N鍵和Sn—O鍵的吸收峰；配合物2在470 cm-1處出現(xiàn)了吸收峰，為Sn—O鍵的吸收峰。配合物1和2的羧基的不對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)νas(COO)和對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)吸收峰νs(COO)分別在1 703、1 308 cm-1和1 626、1 368 cm-1出現(xiàn)了尖銳吸收峰，其 Δν(νas(COO)與νs(COO)之差)均大于200 cm-1，表明配合物1和2中羧基氧都是以單齒形式與錫配位。

在1H NMR譜中，配合物1和2分別在δ=8.19～6.86和7.69～7.03間呈現(xiàn)多重峰，為芳環(huán)上質(zhì)子的峰，δ=8.05為配合物2的N—H的峰，配合物1亞甲基氫峰的δ在2.91；配合物2中3-吲哚丁羧基的3個(gè)亞甲基氫分別在δ為2.86～2.84、2.38～2.35、2.08～2.05，1.24～1.15出現(xiàn)的峰對(duì)應(yīng)2-甲基-2-苯基丙基中甲基和亞甲基的氫。在13C NMR譜中，配合物1和2羰基碳的δ分別在164.00和178.26處，芳環(huán)上碳分別在δ為145.40～123.12、150.88～111.01處出現(xiàn)了吸收峰。配合物1的亞甲基碳的δ在35.42，配合物2的烷基碳的δ出現(xiàn)在37.67～24.78。在119Sn NMR譜中，配合物1和2分別在δ為-366.31和-187.52處出現(xiàn)峰。以上紅外和核磁數(shù)據(jù)結(jié)果與X射線(xiàn)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

配合物的主要鍵長(zhǎng)和鍵角列于表2，配合物的分子結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1、圖2。對(duì)于配合物1，由圖1和結(jié)構(gòu)參數(shù)可知，其為單錫核分子，分子中2個(gè)2-吡啶甲酸配體分子均是以羧基氧單齒和吡啶環(huán)氮與錫原子螯合配位，中心錫原子與2個(gè)氧原子、2個(gè)氮原子和2個(gè)芐基亞甲基碳原子相連，形成六配位的八面體構(gòu)型。其中2個(gè)氧原子O1、O3和2個(gè)氮原子N1、N2處于赤道平面的4個(gè)位置，2個(gè)亞甲基碳原子C13、C20則占據(jù)了赤道平面兩側(cè)的軸向位置。處于赤道位置的4個(gè)原子之間的夾角分別為O1—Sn1—N2 79.8(3)°、O3—Sn1—N271.2(3)°、O1—Sn1—N172.2(3)°、O3—Sn1—N1 139.5(3)°。其夾角之和為 360.7°，與360°有偏差，說(shuō)明處于赤道位置的4個(gè)原子未能很好共平面。處于軸向位置的2個(gè)原子C13和C20與處于赤道位置的4個(gè)原子的鍵角在101.3°～81.6°之間，均與90°有偏差，且處于軸向位置的鍵角C13—Sn1—C20為158.8°，與180.0°線(xiàn)性角相差很大。由此可知，分子中錫原子為畸變程度很大的八面體構(gòu)型。

表2 配合物1和2的主要鍵長(zhǎng)(nm)和鍵角(°)Table 2 Selected bond distances(nm)and bond angles(°)of complexes 1 and 2

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

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

對(duì)于配合物2，由圖2和結(jié)構(gòu)參數(shù)可知，其為單錫核分子，中心Sn原子與3個(gè)2-甲基-2-苯基丙基亞甲基C原子和1個(gè)羧基O原子相連形成四面體構(gòu)型。由于配體3-吲哚丁酸基和2-甲基-2-苯基丙基的空間作用，致使配合物中3個(gè)Sn—C鍵的鍵長(zhǎng)鍵角不等。配合物中Sn原子與2個(gè)羧基氧原子O1、O2之間的距離分別為0.207 3、0.300 7 nm，其中O1與Sn原子之間的距離小于Sn原子與O原子的共價(jià)半徑之和(0.216 nm)，而O2與Sn原子之間的距離遠(yuǎn)大于這2種原子的共價(jià)半徑之和，說(shuō)明配合物中只有一個(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，配合物中羧基是以單齒形式與錫原子配位，生成四配位的變形四面體，與紅外光譜測(cè)得的結(jié)果一致。

2.3 配合物的XRD分析

為了驗(yàn)證配合物的純度，對(duì)配合物1和2進(jìn)行了XRD測(cè)試。圖3是計(jì)算機(jī)模擬的配合物1和2的單晶模擬XRD圖和相對(duì)應(yīng)的測(cè)定的XRD圖。由圖可知，兩者大部分衍射峰的位置保持一致，從而表明合成的配合物1和2的單晶純度較高。

圖3 配合物1和2的XRD圖Fig.3 XRD patterns of complexes 1 and 2

2.4 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程序和B3lyp/lanl2dz基組水平，計(jì)算得到分子的總能量(ET)和分子軌道能量(EHOMO、ELUMO)。配合物1：ET=-1 442.351 327 8 a.u.，EHOMO=-0.229 70 a.u.，ELUMO=-0.083 85 a.u.，ΔELUMO-HOMO=0.145 85 a.u.。配合物 2：ET=-1 838.627 066 2 a.u.，EHOMO=-0.198 02 a.u，ELUMO=-0.006 80 a.u.，ΔELUMO-HOMO=0.191 22 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，表明配合物分子結(jié)構(gòu)具有一定的穩(wěn)定性。但HOMO與LUMO的能量間隙ΔELUMO-HOMO均較小，說(shuō)明配合物均較易失去電子而被氧化。

為探索配合物的電子結(jié)構(gòu)與成鍵特征，將配合物分子軌道進(jìn)行分析，用參與組合的各類(lèi)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。分別把配合物原子分為7部分，配合物1：(a)錫原子Sn；(b)配體羧基氧原子O；(c)配體羧基碳原子C1；(d)芐基亞甲基碳C2；(e)鄰溴苯基碳原子和溴原子M1；(f)配體吡啶環(huán)碳原子和氮原子M2；(g)氫原子H。配合物2：(a)錫原子Sn；(b)配體羧基氧原子O；(c)配體羧基碳原子C1；(d)2-甲基-2-苯基丙基亞甲基碳C2；(e)苯基異丙基碳原子C3；(f)配體吲哚丙基碳原子和氮原子M；(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、表4和圖4、圖5所示。穩(wěn)定性；二是2-甲基-2-苯基丙基亞甲基碳原子和羧基氧原子與錫原子具有良好的結(jié)合，分子中Sn—C鍵和Sn—O鍵較穩(wěn)定。比較HOMO與LUMO的各類(lèi)原子軌道成分，可以看出，當(dāng)電子從HOMO激發(fā)到LUMO時(shí)，配體吲哚丁酰氧基上的電子通過(guò)錫原子向2-甲基-2-苯基丙基上轉(zhuǎn)移，錫原子既是電子轉(zhuǎn)移的橋梁也是電子轉(zhuǎn)移的部分受體。

表3 配合物1的分子軌道組成Table 3 Calculated frontier molecular orbitals composition of complex 1

表4 配合物2的分子軌道組成Table 4 Calculated some frontier molecular orbitals composition of complex 2

圖4 配合物1的前沿分子軌道示意圖Fig.4 Schematic diagram of frontier molecular orbital for complex 1

圖5 配合物2的前沿分子軌道示意圖Fig.5 Schematic diagram of frontier molecular orbital for complex 2

表3和圖4顯示配合物1的成鍵特征：前沿占有分子軌道中，對(duì)分子軌道貢獻(xiàn)最大的是鄰溴苯基碳原子，為80.58%；其次是鄰溴芐基亞甲基碳原子、配體羧基氧原子和錫原子，分別為9.72%、4.09%和3.17%。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；二是亞甲基碳原子和羧基氧原子與錫原子具有良好的結(jié)合，分子中Sn—C鍵和Sn—O鍵較穩(wěn)定。比較HOMO與LUMO的各類(lèi)原子軌道成分，可知，當(dāng)電子從HOMO激發(fā)到LUMO時(shí)，鄰溴芐基和錫原子上的電子向配體轉(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，而配體的吡啶環(huán)則是電子轉(zhuǎn)移的主要受體。

表4和圖5顯示配合物2的成鍵特征：前沿占有分子軌道中，對(duì)分子軌道貢獻(xiàn)最大的是配體吲哚丙基碳原子和氮原子，為90.03%；其次是2-甲基-2-苯基丙基亞甲基碳、錫原子和羧基氧原子，分別為3.08%、3.01%和2.07%。說(shuō)明：一是配體有較好的

2.5 熱穩(wěn)定性分析

配合物的熱穩(wěn)定性分析結(jié)果如圖6所示。對(duì)于配合物1，在170℃之前幾乎沒(méi)有失重；從170℃起配合物開(kāi)始緩慢失重，到220℃時(shí)開(kāi)始快速失重，到370℃時(shí)失重變緩，至740℃時(shí)失重基本停止，殘留質(zhì)量最后穩(wěn)定在20.79%?？傆?jì)失重79.21%。殘余物可認(rèn)為是SnO2，與計(jì)算值21.44%基本吻合。對(duì)于配合物2，在280℃之前幾乎沒(méi)有失重；從280℃開(kāi)始配合物緩慢失重，330℃時(shí)快速失重，到390℃時(shí)失重變緩，至655℃時(shí)失重基本停止，殘留質(zhì)量最后穩(wěn)定在19.06%，總計(jì)失重80.94%。殘余物可認(rèn)為是SnO2，與計(jì)算值20.92%基本吻合。

圖6 配合物1和2的TGA曲線(xiàn)Fig.6 TGA curves of complexes 1 and 2

2.6 抗腫瘤活性

以順鉑對(duì)照，測(cè)試了配合物對(duì)癌細(xì)胞HUH7、A549、A431、HCT-116和MDA-MB-231的體外生長(zhǎng)抑制活性，結(jié)果見(jiàn)表5。結(jié)果顯示，配合物1和2對(duì)這5種癌細(xì)胞的抑制活性均比順鉑強(qiáng)。但由于2個(gè)配合物烴基和配體結(jié)構(gòu)的不同，其抗癌活性也存在一些差異，除MDA-MB-231以外，配合物2的抑制活性均比1要強(qiáng)，它們更詳細(xì)的生物活性有待進(jìn)一步研究。

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

3 結(jié)論

以甲醇為溶劑，用溶劑熱法合成了2個(gè)有機(jī)錫雜環(huán)羧酸酯配合物：二(鄰溴芐基)錫二(2-吡啶甲酸)酯(1)和三(2-甲基-2-苯基丙基)錫3-吲哚丁酸酯(2)。體外抗癌活性測(cè)試表明這2個(gè)配合物對(duì)人肝癌細(xì)胞(HUH7)、人肺癌細(xì)胞(A549)、人表皮癌細(xì)胞(A431)、人結(jié)腸癌細(xì)胞(HCT-116)和乳腺癌細(xì)胞(MDA-MB-231)的抑制活性均比順鉑強(qiáng)。