PMNBP缩L－缬氨酸甲酯席夫碱合Ni（Ⅱ）配合物的晶体结构、抑菌活性和量化计算

韩俊静，黄 萌，张 欣

（天津师范大学 化学学院，天津 300387）

PMNBP缩L－缬氨酸甲酯席夫碱合Ni（Ⅱ）配合物的晶体结构、抑菌活性和量化计算

韩俊静，黄 萌，张 欣

（天津师范大学 化学学院，天津 300387）

合成了1－苯基－3－甲基－4－对硝基苯甲酰基－5－吡唑啉酮（简称PMNBP）缩L－缬氨酸甲酯合Ni（Ⅱ）金属配合物，并对合成的配合物进行了红外光谱表征.利用X射线单晶衍射方法测定了配合物的晶体结构，并且利用琼脂扩散法测定了化合物对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制作用.结果表明，配合物对两种细菌的生长均具有一定的抑制作用.最后运用Gaussian03程序，对该配合物进行了量子化学计算.

席夫碱；配合物；合成；晶体结构；抑菌活性；量化计算

席夫碱是通过伯胺与活泼的羰基化合物缩合而制得的含有亚胺活甲亚胺特性基团（－C＝N）的一类化合物，其特点是能够灵活地选择反应物，在反应体系中引入各种具有特殊价值或功效的官能团，便于开拓出许多从链状到环合，从单齿到多齿的性能各异、结构多变的席夫碱配体［1－2］.席夫碱的用途相当广泛，通常用作金属离子分析试剂、金属离子萃取剂、环保去污、抗病抑菌剂、催化剂、胶粘剂的改进剂、药丸的缓释剂、高聚物的交链剂等［3］，还具有生物模拟催化活性.鉴于氨基酸与硝基吡唑啉酮的重要应用，此类席夫碱具有较强的配位能力和多样的配位模式，其金属离子配位所形成的配合物可以作为天然氧载体血红蛋白、肌红蛋白及血蓝蛋白等所需的极好的模型配合物，并为研究抗肿瘤、抗癌药物提供信息.

1 PMNBP缩L－缬氨酸甲酯合Ni（Ⅱ）金属配合物的合成

1.1 仪器与试剂

美国FT－IR型红外光谱仪（KBr压片法）；德国Bruker公司APEXⅡCCD单晶衍射仪.

1－苯基－3－甲基－5－吡唑啉酮，分析纯，北京市旭东化工厂；对硝基苯甲酰氯，进口试剂；二氧六环，分析纯，天津市福晨化学试剂厂；L－缬氨酸，生化试剂，上海康达氨基酸厂；其他试剂均为分析纯.

1.2 PMNBP缩L－缬氨酸甲酯合Ni（Ⅱ）金属配合物的合成

PMNBP的合成见文献［4］，PMNBP缩L－缬氨酸甲酯席夫碱的合成见文献［5］.称取1mmol醋酸镍溶于10mL无水乙醇中，将此溶液逐滴滴加到溶有2mmol PMNBP缩L－缬氨酸甲酯的三氯甲烷与乙醇的混合溶液中，常温搅拌1～2h，水浴回流5～6h，冷却，静置一周后析出晶体.

2 PMNBP缩L－缬氨酸甲酯合Ni（Ⅱ）金属配合物的表征

表1 配体及配合物的红外光谱数据Table 1 IR of Schiff bases of amino acid ester and metal complex

表1中，3 431cm－1处的弱吸收为N－H的伸缩振动峰，又存在1 529cm－1处νN－H吸收峰；由于化合物通过分子内氢键形成了大的共轭体系，所以νN－H的伸缩振动向低波数移动.1 743cm－1为酯羰基的伸缩振动峰，表明存在氨基酸酯.1 635cm－1处为吡唑啉环的C＝O伸缩振动峰；在3 300cm－1～3 600cm－1之间没有明显的－OH吸收峰，在1 154cm－1处又出现C—N的伸缩振动峰，表明化合物主要以O＝C—CH＝CH—NH烯胺酮式结构存在.

形成配合物后，配体的νC＝O（ring）和νCOO吸收峰发生 明 显 蓝 移，νN－H，δN－H，νC－N吸 收 峰 消 失，在1 521～1 530cm－1附近出现了新的νC＝N（chain）吸收，说明环外烯胺酮式结构发生了互变异构生成亚胺，吡唑啉酮五元环上羰基氧原子、氨基酸酯羰基氧原子及亚胺N原子均可能与金属离子配位成键，以致影响了相应基团键的力常数，致使振动频率发生变化［6］.

3 晶体结构

3.1 晶体结构测定

选用0.28mm×0.22mm×0.20mm 大小的单晶用于X－射线衍射实验.在Brucker APEX II CCD面探衍射仪上收集数据，利用石墨单色器单色化了的MoKα射线λ＝0.071 073nm，采用ω－2θ扫描方式，收集2.20o≤θ≤24.24°（－15≤h≤14，－14≤k≤19，－24≤l≤25）范围内的衍射数据，共收集8 152个衍射点，其中独立衍射点7 119个（Rint＝0.023 2），利用Saint程序进行衍射数据的指标化和还原，采用直接法和傅立叶合成法解析结构，氢原子由理论加氢得到.利用SHELXL程序中SHELXTL对非氢原子进行最小二乘修正，氢原子不加修正，只参加计算，非氢原子采用SHELXL精修.

3.2 晶体结构分析与讨论

配合物的结构透视图见图1，晶体学数据见表2，配合物的主要键长、键角及C—H…π键见表2，表3和表4.

图1 配合物的结构透视图Figure 1 Perspective view of metal complex

表2 PMNBP缩L－缬氨酸甲酯合镍配合物的主要键长Table 2 Main bond lengths of metal complex

表3 PMNBP缩L－缬氨酸甲酯合镍配合物的主要键角Table 3 Main bond angles of metal complex

续表3

表4 配合物的C—H…π键键长和键角Table 4 C—H…πbond lengths and bond angles of metal complex

由X－射线单晶衍射数据（表5）可看出：PMNBP缩L－缬氨酸甲酯合镍配合物为正交晶系，P2（1）2（1）2（1）空间群.由图1可看出，此配合物为镍离子的6配位分子，中心离子镍与两个配体分子中吡唑啉酮上的羰基氧原子O（1）、O（4），L－缬氨酸甲酯的羰基氧原子O（6）、O（9）以及席夫碱亚胺上的氮原子N（4）、N（8）6个原子配位，形成了2个五元螯合环和2个六元螯合环.

表5 PMNBP缩L－缬氨酸甲酯合镍配合物的晶体学数据Table 5 Crystallographic data of metal complex

由表3可知，席夫碱亚胺上的氮原子N（4）、N（8）以及吡唑啉酮上的氧原子O（1）、O（4）与镍离子的距离 Ni（1）－O（1）、Ni（1）－O（4）、Ni（1）－N（4）和 Ni（1）－N（8）分别为0.202 34（18）nm、0.217 9（2）nm、0.204 9（2）nm、0.203 8（3）nm，比缬氨酸甲酯的羰基氧原子O（6）、O（9）与镍离子的距离要短得多，Ni（1）－O（6）、Ni（1）－O（9）分别为0.201 0（2）nm和0.213 1（2）nm，表明席夫碱亚胺上的氮原子和吡唑啉酮上的氧原子配位能力强于缬氨酸甲酯的羰基氧原子；由表3还可看出，Ni（1）－O平均键长为0.209 2nm，Ni（1）－N平均键长为0.204 35nm，比Ni（1）－O平均键长略短，说明Ni（1）与配体形成变形八面体配位构型.

由表4可知，中心离子Ni（Ⅱ）与各配位原子之间的键角 O（4）－Ni（1）－N（8），O（1）－Ni（1）－N（8），O（4）－Ni（1）－N（4），O（1）－Ni（1）－N（4），N（8）－Ni（1）－O（6），N（4）－Ni（1）－O（6），N（4）－Ni（1）－O（9），N（8）－Ni（1）－O（9）分 别 为：104.44（10）°，88.10（9）°，77.64（9）°，89.83（8）°，89.32（10）°，75.34（7）°，101.73（9）°，78.65（9）°，与90°有很大偏离；3对处于对角位置的氧原子和氮原子之间的夹角 O（4）－Ni（1）－O（1），O（6）－Ni（1）－O（9）和 N（4）－Ni（1）－N（8）依次分别为167.00（9）°，165.43（8）°和 177.92（9）°，与180°有很大偏离，该配合物分子中由于硝基上N原子的存在，使PMNBP中与此N原子邻位、间位的C原子上带有负电性，进而与相邻分子结构中吡唑啉环及其相邻的苯环之间形成3种弱分子间作用力C—H…π键，相关键长、键角及相关参数见表5.不同构象的配合物分子之间通过这3种C—H…π键连接成无限延伸的一维链状超分子结构，如图2所示.

图2 PMNBP缩L－缬氨酸甲酯合镍配合物的一维结构Figure 2 One－dimensional structure of metal complex

4 抑菌活性

4.1 抑菌活性测定

利用琼脂扩散法测定配合物对革兰氏阴性菌大肠杆菌（Escherichia.coli）、革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌（Staphylococcus.aureus）的抑制作用.将牛肉膏蛋白琼脂培养基、实验器皿和牛津杯放在高压锅中灭菌，压力达110 k Pa后，持续加热30 min.将融化并冷却至50℃的培养基在灭菌室内倒入培养皿中均匀铺平，待琼脂培养基凝固后，将配成的浓度为108个／m L的菌液0.15 m L加入到培养皿中，用弯玻璃棒铺平.将灭菌后的牛津杯在酒精灯上烧热后粘在制备的培养皿中，注射DMF配制的不同的药液0.15 m L到牛津杯内，置于（37±1）oC的温箱中24 h后，测量抑菌环直径.

4.2 抑菌活性测定结果

测定了配体PMNBP缩L－缬氨酸席夫碱和配合物PMNBP缩L－缬氨酸甲酯合Ni（Ⅱ）在5 g／L，2.5 g／L和1.25 g／L三种浓度下的抑菌能力，测定结果的平均值见表6.

表6 化合物抑菌环平均直径Table 6 Average diameter of antibacterial ring of compounds mm

由表6可知，所测化合物对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均具有一定的抑制能力，但对大肠杆菌的抑制作用明显强于金黄色葡萄球菌；配合物对大肠杆菌的抑制作用明显强于配体；不论是配体还是配合物，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌两种细菌的抑制作用随浓度的变化不是成线性关系，而是在某个浓度达到最好的抑菌效果.

5 配合物的量子化学计算

由晶体结构数据构建分子，运用Gaussian03［7］程序优化后，计算采用密度泛函（DFT）［8］B3LYP方法，金属原子Ni（Ⅱ）用LANL2DZ基组、其他原子用6－311G基组进行计算，涉及111个原子，1 009个基函数，1 965个原始高斯函数，243个α电子，243个β电子，分子中有未成对电子，当多重度为1时体系能量最低.经过14轮计算，得到化合物的总能量为每摩尔E＝ －11 693 544.518 kJ／mol.图3为配合物进行量化计算的分子示意图，为便于观看，这里将氢原子略去.

图3 配合物进行量化计算的分子示意图Figure 3 Molecular diagram of metal complex

5.1 配合物的结构稳定性

由图4可以看出：分子的前沿最高占有分子轨道及最低空分子轨道能量均为负值，并且前沿分子轨道能量差 ΔE＝E（HOMO）－E（LUMO）＝－747.55－70.87＝ －818.37 kJ／mol，为负值，说明分子在该状态下是稳定的［9］.

图4 配合物的一些前沿分子轨道能量（kJ／mol）Figure 4 Some energies of frontier molecular orbitals of metal complex

5.2 配合物分子的净电荷分布

配合物分子的净电荷分布如表7所示.

表7 配合物分子的净电荷分布Table 7 Charge distribution of molecular of metal complex

续表7

从表7可以看出：Ni2＋金属离子的净电荷由＋2变为＋1.362 884，表现出较明显的成键特征，配位原子O，N与金属离子Ni2＋形成的螯合环7O－77C－78C－84C－19N，2O－32C－31C－38C－15N和10O－107C－95C－19 N和5O－61C－49C－15 N中原子的净电荷遵循正负极性交替规律，配合物中7O，2O，5O，10O，15N和119N的净电荷分布在Ni2＋周围近似平均化，可以说明参与配位的原子具有很强地接受和转移电子的能力，是该配合物的活性中心.

5.3 配合物分子中各原子轨道对分子轨道贡献的

百分数

为了进一步考察化合物的成键规律、活性部位及对光谱分析的影响，用参与组合的各类原子轨道系数的平方和经归一化得到的结果来表示该类原子轨道在其分子轨道中的贡献.配合物分子各原子轨道对分子轨道贡献的百分数见表8；最高占有轨道和最低空轨道的分布见图5.

表8 配合物中部分原子轨道对分子轨道贡献的百分比Table 8 Percentages of metal complex in molecular orbital contribution

图5 配合物分子中最高占有轨道及最低空轨道的分布Figure 5 Distribution of highest－occupied and lowest－unoccupied orbit in complex

由表8和图5可以看出，占有轨道的贡献主要来源于O，N，C原子和Ni2＋的d轨道，最高占有轨道的贡献主要来源于PMNBP吡唑啉酮环上N原子及羰基O原子；在空轨道的贡献中，最低空轨道的贡献主要来自于Ni2＋的空轨道，几乎占了一半，说明Ni2＋的空轨道具有较强的接受电子的能力，可能成为此配合物的活性中心，从而使该配合物的抑菌活性强于配体，这与抑菌实验测定结果一致.

5.4 配合物分子的静电势

配合物分子中各原子的静电势如表9所示.

表9 配合物分子中各原子的静电势Table 9 Electrostatic potential of atoms

由表9可知，静电势较强的是硝基上的N原子，说明N原子较活泼，但因其在端位，空间距离和位阻使其难以与金属离子配位.形成配合物后，配位原子为7O，2O，5O，10O，19N和15N等6个原子.经过结构稳定性、各原子轨道对分子轨道的贡献、分子的净电荷布居、分子的静电势分布4个方面的量化计算，可以得出量化计算结果与晶体结构测定结果一致［10－11］.

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Crystal structure，antibacterial activity and quantum chemistry calculation of Ni（Ⅱ）complex from amino acid Schiff base

HAN Junjing，HUANGMeng，Z?HANGXin
（College of Chemistry，Tianjin Normal University，Tianjin 300387，China）

Complex 1－phenyl－3－methyl－4－（p－nitro）－5－pyrazolone （PMNBP）with L－valine methyl ester and Ni（Ⅱ）was synthesized，and IR was performed.The crystal structure was measured through X－ray diffraction.The antibacterial activity tests of complex against Escherichia coli and Staphylococcus aureus were performed using diffusion test in vitro.The results revealed that the complex had the activity of inhibiting growth of the two bacteriums.Quantum chemistry calculation method was performed on the complex.

Schiff base；complex；synthesis；crystal structure；antibacterial activity；quantum chemistrycalculation

O64

A

1671－1114（2011）01－0057－06

2010－09－11

天津市自然科学基金资助项目（70671072）

韩俊静（1987—），女，硕士研究生.

张 欣（1963—），女，教授，主要从事功能配合物方面的研究.E－mail：zxin tj＠126.com

（责任编校 纪翠荣）