单核铜（Ⅱ）配合物［Cu（phen）（C2O4）H2O］·H2O的合成、晶体结构及与DNA相互作用研究

王 芳，张万举，徐志花，张 龑，肖文平，胡思江

（1.黄冈师范学院 化工学院，湖北 黄冈，438000；2.黄冈师范学院 数学与计算机科学学院，湖北 黄冈，438000）

单核铜（Ⅱ）配合物［Cu（phen）（C2O4）H2O］·H2O的合成、晶体结构及与DNA相互作用研究

王 芳1，2，张万举1＊，徐志花1，张 龑1，肖文平1，胡思江1

（1.黄冈师范学院 化工学院，湖北 黄冈，438000；2.黄冈师范学院 数学与计算机科学学院，湖北 黄冈，438000）

合成了一个单核铜－邻菲啰啉配合物［Cu（phen）（C2O4）H2O］·H2O，培养了配合物的单晶并通过X－射线衍射解析了其晶体结构.晶体结构研究表明，该配合物为单核铜配合物，中心铜原子处在五配位的四方锥构型中.采用光谱法研究了配合物与小牛胸腺DNA（CT－DNA）的相互作用，紫外光谱研究发现，DNA的加入使得配合物的紫外吸收呈现明显的减色效应，但红移不明显，说明配合物与DNA之间可能存在较弱的插入作用；荧光光谱研究表明，配合物对EB－DNA复合物的荧光有明显的淬灭作用，即配合物能够竞争EB与DNA的结合，发生了类似于EB的插入作用，与紫外实验结果一致.

单核铜（Ⅱ）配合物；晶体结构；DNA相互作用；插入结合

过渡金属配合物与DNA的相互作用研究是近几十年来生物无机化学领域的重要的研究课题之一，其中铜－邻菲啰啉（phen）配合物的研究尤其引人关注［1］.铜－邻菲啰啉配合物不仅可以抑制DNA和RNA多聚核酸酶的活性，在H2O2、O2等氧化剂存在的条件下，还可以诱导DNA断裂［2-3］，表现出强烈的核酸酶功能.深入理解这些配合物与DNA的作用机制、键合能力及断裂机理对于设计新型的核酸定位断裂试剂及抗肿瘤药物等具有重要的意义［4］.本文合成了一个单核铜－邻菲啰啉配合物［Cu（phen）（C2O4）H2O］·H2O（C2O2－4＝草酸根），通过X－射线衍射解析了配合物的晶体结构.虽然该配合物的晶体结构已被报道多次，但有关该配合物与DNA相互作用研究还未见文献报道，我们采用紫外光谱法和荧光光谱法研究了该配合物与小牛胸腺DNA（CT－DNA）的相互作用.

1 实验部分

1.1 仪器及试剂

VARIAN CARY－300型紫外－可见分光光度计；Fp－750W 型荧光测定仪；pHS－25型pH 计（上海雷磁仪器厂）.

小牛胸腺 DNA（CT－DNA，Sigma），三羟甲基氨基甲烷（Tris，Sigma）；其它试剂均为国产分析纯；实验用水为二次蒸馏水；DNA溶液用pH＝7.13的Tris－HCl缓冲溶液配制.

1.2 配合物的合成

配体N，N’－双（2－吡啶基）草酰胺采用文献方法［5］合成.

搅拌下，将含有0.2mmol（27.0mg）氯化铜的甲醇溶液逐滴加到10mL含0.1mmol（36.8 mg）N，N’－双（2－吡啶基）草酰胺和 0.2mmol NaOH（40.0mg）的甲醇溶液中.60℃下搅拌半小时后，向上述反应液中滴加5mL含0.2mmol（39.6mg）phen的甲醇溶液，此时反应体系的颜色很快变为绿色，并有沉淀析出.继续搅拌反应5小时，冷至室温，抽滤，用甲醇洗涤沉淀.将得到的绿色粉末取少量在甲醇和水（V／V＝3∶1）的混合溶剂中溶解，室温静置约1周后得到绿色块状晶体.单晶X－ray衍射研究结果表明，所得单晶并非目标产物，而是生成了配合物［Cu（phen）（C2O4）H2O］·H2O，这可能是由于 N，N’－双（2－吡啶基）草酰胺不稳定，在实验条件下水解引起的.

1.3 配合物的晶体结构测定

晶体的X射线衍射数据采用BRUKERSMART APEX CCD面探衍射仪在室温下用MoKα辐射（λ＝0.71073Å）收集，吸收校正使用SADABS程序.晶体结构用SHELXL－97程序以直接法解析，用全矩阵最小二乘法修正.H原子位置用理论加氢确定，修正采用riding方式，Uiso取为riding原子Ueq的1.2倍，芳香环上C—H键长固定为0.93Å，水的 H原子位置用差值Fourier图确定，修正时将其位置固定，并将Uiso固定为0.08Å2.所有计算使用SHELXTL程序完成.

1.4 配合物与DNA相互作用研究

1.4.1 紫外光谱滴定 Tris－HCl缓冲液的配制：称取0.6057g（5mmol）的Tris溶于25mL水中，得到0.2mol／L的 Tris溶液，再加入37.5mL的0.1mol／L的 HCl溶液，稀释至100mL，得到pH值为7.13的Tris－HCl缓冲溶液.

在样品池和空白池分别装3mL配合物溶液及Tris－HCl缓冲溶液，配合物浓度为1.0×10－5mol／L，用1cm石英比色皿在240～360nm的波长范围内对其进行扫描.然后用微量管往两池同时依次加入等量的DNA缓冲溶液，加完后充分混合并且静止10min再进行波长扫描，测定DNA与金属配合物相互作用的吸收光谱.实验过程中等量的DNA缓冲溶液被加入到空白池中以扣除DNA浓度对其紫外吸收的影响.

1.4.2 荧光光谱滴定 以522nm作为激发波长记录溴化乙锭（EB）－DNA复合物的荧光.然后往样品池中逐步加入等量的配合物缓冲溶液，测定不同浓度的配合物－溴化乙锭（EB）－DNA系列试样在540～650nm波长区间内的荧光强度变化.系列试样中溴化乙锭的浓度为2.0×10－6mol·L－1，DNA的浓度为1.0×10－4mol·L－1，配合物的浓度依次为：（a）0，（b）4.0×10－6，（c）8.0×10－6，（d）12.0×10－6，（e）16.0×10－6mol·L－1.

2 结果与讨论

2.1 晶体结构描述

配合物［Cu（phen）（C2O4）H2O］·H2O 由一个单核铜单元［Cu（phen）（C2O4）H2O］和一个游离水分子组成，配合物的晶体结构如图1所示，晶体学数据见表1，部分键长键角见表2.

如图1所示，配合物中心铜原子与phen的两个氮原子（N1、N2），C2O2－4中的两个氧原子（O1、O2）和一个配位水中的氧原子（O5）配位，处在五配位的变形四方锥构型的配位环境中.N1、N2、O1、O2构成四方锥的底面，而四方锥的顶点位置被O5占据.四方锥底面的四个原子与它们组成的最小二乘平面的偏差分别为0.0062（8）Å（N1）、0.0062（8）Å（N2）、0.0062（8）Å（O1）、0.0063（8）Å（O2）.Cu1位于四方锥的底面上，偏离其配位平面的距离为0.2174（7）Å.中心铜原子与配位原子构成两个五元环，phen以双齿形式参与配位，与铜原子配位的螯合角为82.26（6）°，而 C2O2－4中两个配位氧原子与铜原子间的螯合角为84.91（5）°.配合物中，游离的水分子（O6）以氢键的形式与单核铜单元中的配位水分子（O5）相连（如图1中虚线所示）.

图1 配合物［Cu（phen）（C2O4）H2O］·H2O的晶体结构Fig.1 Ortep drawing of complex［Cu（phen）（C2O4）H2O］·H2O

表1 配合物［Cu（phen）（C2O4）H2O］·H2O的晶体结构参数Tab.1 Crystal data and structure refinement of the complex

表2 配合物［Cu（phen）（C2O4）H2O］·H2O的部分键长（Å）键角（°）Tab.2 Selected bond distances（Å）and angles（°）in the complex

2.2 配合物与DNA相互作用研究

2.2.1 紫外光谱配合物［Cu（phen）C2O4）H2O］·H2O相互作用的紫外光谱如图2所示.配合物在272nm处出现了很强的紫外吸收谱带，这是由于配合物中配体phen的π－π＊跃迁引起的.由图2可知，随着DNA的加入，配合物的紫外吸收呈现明显的减色效应［r＝8时（r＝［DNA］／［Complex］），减色率为22.82%］，表明配合物与DNA可能发生了部分插入作用［1，6］；但红移现象并不明显，说明该配合物与DNA的作用较弱.

图2 配合物［Cu（phen）（C2O4）H2O］·H2O（1.0×10－5 mol·L－1）与DNA相互作用前（—）、后（－－）的紫外光谱图Fig.2 Absorption spectra of［Cu（phen）（C2O4）H2O］·H2O（1.0×10－5 mol·L－1）in the absence（—）and presence（－－）of CT－DNA

配合物与DNA相互作用的键合常数根据以下公式计算［7］：

其中，［DNA］代表 DNA 的浓度，εA，εF和εB分别代表吸光度与铜配合物浓度之比、自由配合物的摩尔吸光系数和与DNA完全结合后的配合物的摩尔吸光系数.由［DNA］／（εA－εF）对［DNA］作图，得到斜率和截距，由斜率和截距之比求得配合物与DNA相互作用的键合常数Kb为4.42×104M－1.与经典的DNA插入剂相比，配合物［Cu（phen）（C2O4）H2O］·H2O 与 DNA 相互作用的结合常数要小得多（溴化乙锭EB与DNA相互作用的结合常数为1.4×106M－1［8］），进一步说明该配合物与DNA的结合作用较弱.

2.2.2 荧光光谱 为了进一步探讨配合物［Cu（phen）（C2O4）H2O］·H2O与 DNA 相互作用，笔者又采用溴化乙锭（EB）为荧光探针，采用荧光光谱法对其进行了研究.由于DNA分子本身的结构特点，它的荧光强度很弱.EB在溶液中的荧光也很弱，但当它平行地插入到双螺旋DNA的碱基对之间后，其荧光强度大大增强；当EB从DNA双螺旋碱基对间出来时，荧光强度显著降低.因此EB常用作荧光探针来研究DNA与小分子之间的相互作用［9-10］.

图3 配合物对EB－DNA复合物荧光的影响［EB－DNA复合物（—），加入一定量的配合物后（－－）］Fig.3 Fluorescence change that occurs when the CT－DNA－EB system is titrated with the complex

配合物［Cu（phen）（C2O4）H2O］·H2O对DNAEB复合物荧光的影响如图3所示，随着配合物的加入，EB－DNA复合物的荧光逐步降低.这是由于配合物与DNA作用后，使EB从DNA分子中游离出来［11］，说明配合物可能与DNA发生了类似EB的插入作用.即配合物［Cu（phen）（C2O4）H2O］·H2O中的配体phen插入DNA的碱基对中后，竞争了EB与DNA的结合，将EB从EB－DNA复合物中挤出，导致了EB－DNA复合体系荧光强度的逐步降低［12-13］，与上述紫外光谱的研究结果相吻合.

3 结论

合成了一个单核铜配合物［Cu（phen）（C2O4）H2O］·H2O，培养了配合物的单晶并通过X－ray衍射解析了其晶体结构，晶体结构研究表明，配合物中铜原子的配位环境为五配位的四方锥构型.采用紫外光谱法和荧光光谱法研究了配合物与CTDNA的相互作用，紫外光谱研究表明，配合物与DNA相互作用后其紫外吸收呈现出明显的减色效应，但红移不明显；荧光光谱研究发现该配合物能够竞争EB与DNA的结合，对EB－DNA复合物的荧光具有淬灭效应.综合以上实验结果，推断配合物［Cu（phen）（C2O4）H2O］·H2O与 CT－DNA之间可能存在较弱的部分插入作用.

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Synthesis，crystal structure and DNA－binding property of mononuclear copper（Ⅱ）complex［Cu（phen）（C2O4）H2O］·H2O

WANG Fang1，2，ZHANG Wanju1，XU Zhihua1，ZHANG Yan1，XIAO Wenping1，HU Sijiang1
（1.School of Chemical Engineering，Huanggang Normal University，Huanggang，Hubei 438000；2.School of Mathematics and Computer Science，Huanggang Normal University，Huanggang，Hubei 438000）

A mononuclear copper（Ⅱ）complex［Cu（phen）（C2O4）H2O］·H2O was synthesised and characterized by single crystal X－ray diffraction.The single crystal X－ray analysis reveals that the Cu（Ⅱ）atom is coordinated by three O atoms and two N atoms，in a distorted square base pyramidal coordination geometry.The interaction of the complex with calf thymus DNA（CT－DNA）has also been studied by spectroscopic method.When titrated with DNA，the electronic absorption of the complex shows obvious hypochromism.The fluorescence quenching experiment suggests that the complex can reduce the emission intensity of EB－DNA system.These results suggest that the complex bind intercalatively to DNA.

mononuclear copper（Ⅱ）complex；crystal strucyure；DNA－binding；intercalation mode

O627.12

A

1000－1190（2011）03－0435－04

2011－01－13.

湖北省自然科学基金（2009CDB010）；黄冈师范学院青年基金（2011CQ132）；黄冈师范学院博士基金（09CD157）.

＊通讯联系人.E－mail：wanjuzhang＠yahoo.com.cn.