鄰氨基酚Schiff堿鈷、鎳雙核配合物:合成、結構和抗癌活性及量化計算

解慶范 郭妙莉 陳延民

（泉州師范學院化工與材料學院，泉州 362000）

過去數十年關于Schiff堿的過渡金屬配合物的研究一直非?；钴S,一個重要的原因是它們在抑菌、抗病毒、消炎和抗腫瘤等方面的藥理作用使之具有潛在的應用前景[1-4]。另一方面,過渡金屬廣泛存在于許多生物酶中,作為酶的活性中心發揮著重要的作用[5-6]。利用簡單的有機配體合成新型的配合物,是分子結構設計的重要策略之一,合成的關鍵在于金屬離子和配體的選擇以及反應條件[7-8]。Schiff堿具有雙齒、三齒和多齒等多種類型,有助于形成單核、雙核和多核等各種類型的配合物,在配合物的分子設計和合成中可以發揮更多的想象力。近年來,非貴金屬配合物作為抗腫瘤藥物的研究取得快速發展[9],研究較多的是銅的配合物[10-11]。事實上,有些鋅、鎘、鈷、鎳等的金屬配合物也表現出良好的抗腫瘤活性[12-19]。我們分別以Schiff堿鄰氨基酚縮5-硝基水楊醛 （H2L1）和鄰氨基酚縮水楊醛（H2L2）為第一配體,4,4′-聯吡啶為第二配體合成了一種五配位的鈷雙核配合物[Co2（H2O）2（L1）2（4,4′-bipy）] （1）和一種大平面的雙核鎳配合物[Ni2（L2）2（4,4′-bipy）] （2）,本文主要報導它們的晶體結構和抗癌活性,并分析了它們的光譜特征和熱穩定性,對鎳配合物應用Gaussian 09程序,采用密度泛函方法 （DFT）,在UB3LYP/6-31G（d）水平進行了量化計算。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

德國Elmentar Vario EL元素分析儀；美國Nicolet is10型FT-IR紅外光譜儀；上海美普達UV-1800PC型紫外-可見分光光度計；德國塞馳STA 409 PC型綜合熱分析儀；美國Varian CARY/Eclipse型熒光分光光度計；日本理學Rigaku Saturn724 CCD單晶衍射儀。所用試劑均為市售分析純試劑。

1.2 配合物的合成

1.2.1 配合物1的合成

將大約10 mmol的鄰氨基酚和等量的5-硝基水楊醛置于20 mL無水乙醇中,75℃下水浴加熱回流3 h,冷卻、過濾,并用無水乙醇洗滌,得到黃色粉末狀配體H2L1,真空干燥備用。取0.2 mmol乙酸鈷、0.2 mmol H2L1、0.1 mmol 4,4′-聯吡啶、6 mL 水、4 mL乙醇和1 mL DMF,置于內襯聚氟乙烯不銹鋼自動升壓反應釜中,于120℃恒溫3 d,得到1的暗紅色塊狀晶體。對C36H28Co2N6O10的元素分析計算值（%）：C 52.57,H 3.43,N 10.22；測試值（%）：C 52.48,H 3.51,N 10.16。 IR（cm-1）：H2L1：1 616s,1 593,1 545s,1 520,1 316vs,1 240,1 201,831,793，743s；1：1 609 vs,1 581,1 527,1 472s,1 440,1 302,1 217,830,815,737s。

1.2.2 配合物2的合成

將10 mmol鄰氨基酚與1.2 mL水楊醛溶于20 mL無水乙醇,并加1 mL乙酸,在75℃下水浴加熱回流3 h,冷卻、過濾,并用無水乙醇洗滌,得到黃色粉末狀配體H2L2,真空干燥備用。在5 mL DMF和15 mL乙醇的混合溶劑中,加入0.4 mmol乙酸鎳、0.2 mmol 4,4′-聯吡啶、0.4 mmol配體 H2L2 和 0.4 mmol乙酸鈉,于60℃下加熱回流2 h,析出橙色粉末。過濾后用DMF重結晶,濾液靜置1周后析出2的橙色棒狀單晶。對C36H26N4Ni2O4的元素分析計算值（%）：C 62.12,H 3.77,N 8.05；測試值（%）：C 62.15,H 3.70,N 8.11。 IR（cm-1）：H2L2：1 628vs,1 601,1 548，1 507,1 454,1 321,1 269,1 219,879,824,754vs；2：1 605vs,1 582,1 527,1 481vs,1 457,1 319,1 217,846,813,737。

1.3 晶體結構測試

分別選取 0.40 mm×0.32 mm×0.05 mm（1）和 0.38 mm×0.30 mm×0.22 mm （2）的單晶置于 Rigaku Saturn 724 CCD單晶衍射儀上,用經石墨單色器單色化的Mo Kα 射線（λ=0.071 073 nm）,以 ω 掃描方式收集單晶衍射數據用于單晶結構分析。衍射數據和晶胞參數用SAINT程序[20]還原,全部強度數據均經Lp因子校正,并進行了經驗吸收校正。晶體結構由直接法解出,對全部非氫原子坐標及其各向異性熱參數進行全矩陣最小二乘法修正,有機物上的氫原子由理論加氫法得到,上水分子上的氫原子通過差值圖中找出。結構精修分別采用SHELXL-97[21]和Olex2程序包[22]。主要晶體數據列于表1。

CCDC：1440518,1；1432468,2。

表1 配合物的晶體數據Table 1 Crystallographic data for the complexes

續表1

1.4 體外抗癌活性的檢測

采用MTT法,參照文獻[23]方法,考查了配合物對人肝癌細胞HEPG2和人結腸癌細胞SW620的體外增殖抑制作用,以同一藥物不同濃度對抑制率作圖,根據線回歸方程求出半數抑制濃度IC50。

2 結果與討論

2.1 晶體結構

2.1.1 配合物1的晶體結構

配合物1的分子結構見圖1,主要鍵長和鍵角列于表2。1屬三斜晶系P1空間群,它由2個中心離子 Co2+、2 個 Schiff堿配體 L12-、1 個 4,4′-聯吡啶和2個配位水組成,是一種中心對稱的雙核配合物。其中,中心離子的配位環境呈現四方錐幾何構型[CoN2O3]。Co2+的這種配位構型在許多配合物中都曾出現過,這主要源自該離子的d7電子構型。Schiff堿L12-以三齒螯合配位,它提供的2個氧原子和1個亞胺基的氮原子與聯吡啶的1個氮原子構成錐底,Co2+偏離錐底平面約0.021 nm,配位水位于錐頂,Co-O 鍵長為 0.195 8（2）～0.207 8（2）nm,Co-N 鍵長 0.205 1（2）～0.209 8（3）nm, 鍵 角為 81.30（9）°～171.43（10）°。 配體 H2L1 配位時酚羥基脫除質子,C1-O1 和 C13-O2 鍵長分別為 0.135 3（4）和 0.129 5（4）nm,比正常的C-O單鍵的略短,說明酚羥基氧原子與苯環存在共軛作用。借助Diamond 3.2計算出L12-的 2 個苯環（C1～C6 和 C8～C13）的二面角為 11°,4,4′-聯吡啶的整個分子呈現共平面,其吡啶環（C14～C18，N3）與 L12-的硝基苯酚片段 （N1，C8～C13，O2）的二面角為 73.5°,吡啶環與苯酚片段（O1,C1～C6）的二面角是 65°。

圖1 配合物1的分子結構Fig.1 Molecular structure of 1

配位水的氫原子H5A和H5B分別與另外2個相鄰的配合物基元的酚羥基氧原子O1形成強烈的氫鍵,O5-H5A…O1ii和O5-H5B…O1iii氫鍵鍵長分別為0.238 nm和0.189 nm,鍵角111°和156°。由于氫鍵的作用,配合物聯接形成梯形層狀超分子（圖2）,而層與層之間C7-H7與硝基的氧原子O4之間存在弱的氫鍵（0.312 9 nm）。這些氫鍵共同穩定了配合物的晶體結構。

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

表3 配合物1中的氫鍵參數Table 3 Parameters of hydrogen bonds in the complex 1

圖2 配合物1中的氫鍵Fig.2 Hydrogen bands in the complex 1

2.1.2 配合物2的晶體結構

配合物2也是一種雙核結構,屬于三方晶系,R3空間群,它由2個中心離子Ni2+、1個4,4′-聯吡啶和2個Schiff堿L22-組成（圖3）,主要鍵長和鍵角列于表4。在2中H2L2脫除羥基質子,同樣以-2價配體形式采用三齒螯合方式與Niギ配位,Niギ的配位數為4,處于平面四邊形的配位環境,鍵角為82.50（3）°～177.90（3）°。 整個分子的所有原子幾乎完全共平面,呈現巨大的平面結構,2個苯酚片段（O1,C1～C6 和 O2,C13～C8）的二面角為 1.8°,Schiff堿L22-的分子平面與吡啶環（N2,C14～C18）的二面角為3.9°。由此可見,2的分子內存在很強共軛作用,從而導致各種化學鍵均比一般的Schiff堿鎳配合物的化學鍵要短。Ni-O 鍵長為 0.183 6（6）～0.179 3（6）nm,Ni-N 鍵長為 0.192 9（8）～0.194 9（5）nm。 鍵長也明顯比1中化學鍵Co-O或Co-N短,亞胺基C=N鍵長0.109 3（12）nm 明顯比 2 中相應的鍵（0.128 7（4）nm）短得多。相鄰的配合物分子相互平行,吡啶環之間存在較強的π-π相互作用,質心間距0.335 8 nm（圖4）。由于分子間的π-π相互作用,配合物堆積形成一種一維超分子鏈。

2.2 電子吸收光譜

圖3 配合物2的分子結構Fig.3 Molecular structure of the complex 2

圖4 配合物2晶體中的芳環π-π堆積作用Fig.4 π-π stacking interactions in the crystal of complex 2

表4 配合物2的主要鍵長、鍵角和扭轉角Table 4 Selected bond lengths(nm),bond angles and torsion angles(°)for the complex 2

以DMF為溶劑,將配合物配制成濃度大約為5 μmol·L-1的溶液,并以DMF為參比液,用 UV-1800PC型紫外-可見分光光度計在200～600 nm范圍掃描,結果見圖5。H2L1在294、364和434 nm處的吸收分別來自配體的π→π*電子躍遷、n→π*電子躍遷和分子內的電荷轉移躍遷（ILCT）；與Coギ形成配合物1后π→π*電子躍遷藍移 （Δλ=24 nm）至270 nm,n→π*電子躍遷則消失,而ILCT藍移（Δλ=20 nm）至414 nm處,發生藍移的原因可能是配體的共平面程度減小,共軛作用減弱。H2L2的電子吸收特征與H2L1存在較大差別,π→π*電子躍遷出現在264 nm處,而348 nm處極強的ILCT吸收帶掩蓋了n→π*電子躍遷。形成配合物2后,配體的共平面程度增大,π→π*電子躍遷紅移至270 nm；與H2L2比較可見,ILCT吸收帶消失,而在432 nm處出現了1個新的吸收帶,根據量化計算結果,可以將它指認為配體H2L2到配體4,4′-bipy的電荷轉移躍遷（LLCT）。

圖5 配合物的紫外-可見光譜Fig.5 UV-Vis spectra of the complexes

2.3 配合物的熱穩定性

在N2氣氛中,以10℃·min-1升溫速率觀察了配合物的熱穩定性（圖6）。1和2的熱分解行為均分2階段完成,1在127～160℃失去2個配位水,失重4.84%（計算值4.38%）；305℃開始配合物骨架崩塌,有機物快速分解并揮發,在305～339℃快速失重52.41%,之后基本恒重,至900℃殘重39.37%。2在276～333℃失重22.02%, 相當于失去1個4,4′-聯吡啶（計算值22.71%）,第二階段在398～419℃失重33.11%,至900℃殘重40.02%。

圖6 配合物的熱重分析圖Fig.6 TGA curves of the complexes

2.4 抗腫瘤活性

在無菌的條件下,取對數生長期人結腸癌細胞SW620和人肝癌細胞HEPG細胞,2.5 g·L-1胰酶消化,調整細胞密度為2.5×104mL-1,培養時間為24 h,用全自動酶標儀在570 nm處測定它的吸光度值（OD值）并計算細胞的增殖抑制率。根據不同濃度對腫瘤細胞生長抑制率作圖（圖7和8）,結果表明,配體H2L1和H2L2均不具有抗腫瘤活性；而配合物1和2均表現出一定的抗腫瘤活性,配合物的抗腫瘤活性可能來自金屬離子配位的不飽和性和雙核結構以及大型的平面結構,這些因素均有利于配合物分子與DNA發生作用。相比較而言,鎳配合物的活性略高于鈷配合物,1和2對人結腸癌細胞SW620的半數抑制濃度 IC50分別為 13.75和 9.96 μg·mL-1，對人肝癌細胞HEPG2的IC50分別為18.75和11.51 μg·mL-1。

圖7 配合物對SW620的抑制作用Fig.7 Inhibition effects of the complexes on cell SW620

圖8 配合物對HEPG2的抑制作用Fig.8 Inhibition effects of the complexes on cell HEPG2

2.5 量子化學計算

用Gaussian 09程序包[24],采用密度泛函理論（DFT）[25],在 B3LYP水平對C,H,O,N原子用 6-31G（d）基組,Ni原子用lanl2dz基組,將分子分為吡啶C5N、Schiff堿C13NO2和金屬原子Ni三部分,計算了分子的碎片對前線分子軌道的貢獻,同時計算了配合物2的Wiberg鍵級,結果列于表5和6。

由表5可見,在最高占據分子軌道HOMO中,電子云主要分布在Schiff堿配體C13NO2（86.6%）,而在最低空軌道LUMO中電子云主要集中在吡啶配體（96.2%）,說明電子由HOMO向LUMO躍遷時,主要發生的是電子由Schiff堿配體向吡啶配體的電荷轉移躍遷,即LLCT電子躍遷（最大吸收波長計算值為483 nm,實驗值為432 nm）。

由于共軛作用,芳環上的電子云均一化,導致C-C/N的平均鍵級（1.367）小于1.500,而酚羥基C1-O1,C13-O2和C7-C8的鍵級分別為1.141、1.204和1.218,大于單鍵鍵級。 Ni1-O1、Ni1-O2、Ni1-N1、Ni1-N2的鍵級分別為 0.548、0.512、0.496和 0.367,表明配位能力酚羥基＞亞胺基＞吡啶基,熱分解時Ni1-N2將優先斷裂,這從理論上證明了2的熱分解第一階段的失重屬于脫除4,4′-聯吡啶行為。

表5 配合物2的前線分子軌道能量和分子碎片對該分子軌道貢獻Table 5 Frontier molecular orbital energy and molecular fragment contribution to the molecular orbitals of complex 2

表6 配合物2的Wiberg鍵級Table 6 Wiberg bond order of the complex 2

[1]Rollas S，Kü?ükgüzclG.Molecules，2007，12：1910-1939

[2]SUN Xiao-Hong（孫曉紅），BAI Yan（白燕），LIU Yua-Fa（劉源發），et al.Acta Chim.Sinica（化學學報），2008，68（8）：788-792

[3]Suvarapu L N，Seo Y K，Baek S O，et al.Eur.J.Chem.，2012，9（3）：1288-1304

[4]Hu G Q，Hou L L，Xie S Q，et al.Chin.J.Chem.，2008，26（6）：1145-1149

[5]LIANG Fang-Zhen（梁 芳 珍 ），DU Ming（杜 鳴 ），REN Jian-Cheng（任 建 成）.Chinese J.Inorg.Chem.（無 機 化 學 學 報），1999，15（3）：393-396

[6]Garbutcheon-singh K B，Grant M P，Harper B P，et al.Curr.Top.Med.Chem.，2011，11：521-542

[7]Huang Y Q，Chen H Y，Li Z G，et al.Inorg.Chim.Acta，2017，466：71-77

[8]Huang Y Q，Wan Y，Chen H Y，et al.New J.Chem.，2016，40（9）：7587-7595

[9]Jungwirth U，Kowol C R，Keppler B K，et al.Antioxid.Redox Signaling，2011，15（4）：1085-1127

[10]Li X，Fang C，Zong Z，et al.Inorg.Chim.Acta，2015，432：198-207

[11]Zhang Y H，Zhang L，Liu L，et al.Inorg.Chim.Acta，2010，363（2）：289-293

[12]Dai C H，Mao F L.J.Struct.Chem.，2013，54（3）：624-629

[13]Chen C L，Zhu X F，Li M X，et al.Russ.J.Coord.Chem.，2011，37（6）：435-438

[14]Akbayeva D N，Gonsalvi L，Oberhauser W，et al.Chem.Commun.，2003：264-265

[15]Chellaian J D，Johnson J.Spectrochim.Acta A，2014，127：396-404

[16]Wang R M，He N P，Song P F，et al.Pure Appl.Chem.，2009，81（12）：2397-2405

[17]Adhikary J，Kundu P，Dasgupta S，et al.Polyhedron，2015，101：93-102

[18]MIN Rui（閔睿），FAN Xiao-Rui（范曉瑞），ZHOU Pan（周攀），et al.Chinese J.Inorg.Chem.（無機化學學報），2014，30（8）：1771-1777

[19]Kareem A，Zafar H，Sherwani A，et al.J.Mol.Struct.，2014，1075：17-25

[20]Bruker AXS Inc.，SAINT Ver.8.34A，Madison，WI，USA，2013.

[21]Sheldrick G M.Acta Crystallogr.Sect.A：Found.Crystallogr.，2008，A64：112-122

[22]Dolomanov O V，Bourhis L J，Gildea R J，et al.J.Appl.Cryst.，2009，42：339-341

[23]GAO Ping-Zhang（高平章），ZHENG Min-Min（鄭敏敏），CHEN Ya-Xin（陳雅心），et al.Chinese J.Inorg.Chem.（無機化學學報），2016，32（9）：1572-1578

[24]Frisch M J，Trucks G W，Schlegel H B，et al.Gaussian 09，Revision A.02，Gaussian Inc.，Wallingford CT，2009.

[25]Dreizler R M，Gross E U K.Density Functional Theory.Heidelberg：Springer-Verlag，1990.