一种新型希夫碱Cu(Ⅱ)配合物的合成、表征及与DNA的相互作用*

郑玉萍,范玉华,张 霞,王 强,刘善斌,毕彩丰

(中国海洋大学化学化工学院海洋化学理论工程技术教育部重点实验室,山东青岛266100)

一种新型希夫碱Cu(Ⅱ)配合物的合成、表征及与DNA的相互作用*

郑玉萍,范玉华**,张 霞,王 强,刘善斌,毕彩丰

(中国海洋大学化学化工学院海洋化学理论工程技术教育部重点实验室,山东青岛266100)

制备了2-氨基嘧啶缩邻香草醛希夫碱配体C12H11N3O2(HL),将其与Cu(Ⅱ)作用合成了1种新型的铜配合物{[CuL(NO3)(C2H5OH)]·2H2O}。通过元素分析、红外光谱、紫外-可见光谱、TG-DTG及摩尔电导分析等手段对合成的配合物进行了表征,推测了配合物可能的结构,铜为六配位,八面体结构:配体中-C=N-上的N原子、嘧啶环上的N原子、酚羟基上的O原子均参与了配位,配合物中硝酸根以双齿形式参与配位,溶剂分子以配位形式存在,水以结晶形式存在。利用紫外-可见吸收光谱、荧光光谱、黏度测试、电化学方法研究了配合物与DNA的相互作用,实验结果表明,配合物与DNA之间通过插入作用结合,并得出配合物与DNA的结合常数为Kb=8.12×104L·mol-1。

希夫碱;Cu(Ⅱ)配合物;合成;表征;DNA;插入作用

希夫碱中-C=N-键的存在提供了孤电子,使得希夫碱配体具有极大的灵活性和良好的配位能力,是配位化学、生命科学研究的重要领域[1-3]。嘧啶环是生物分子和医药中有较好活性的基团,所以嘧啶类化合物一直引起人们的重视。嘧啶类化合物与金属离子形成的配合物作为动物饲料添加剂,不仅能增强原药物的活性,延长特效期和半衰期,而且还能降低毒性[4-6]。DNA是染色体的主要化学成分,遗传信息的载体,研究物质与DNA的作用,对遗传病、肿瘤、心脑血管疾病、病毒细菌寄生虫病和职业病等的诊断具有重要意义。随着人们对金属配合物与DNA相互作用的研究,普遍认为金属配合物与DNA共有3种作用方式:静电作用、沟槽结合和插入结合[7-9],而许多重要应用要求配合物以插入方式与DNA结合,近年来研究嘧啶类配合物的报道相对较少,因此研究此类配合物对研究药物对DNA的作用有着重要意义。本文利用2-氨基嘧啶和邻香草醛合成了嘧啶类的希夫碱Cu(Ⅱ)配合物,并用元素分析、IR、UV、TG-TDG及摩尔电导分析等手段对其进行了表征,用紫外吸收光谱、荧光光谱法、黏度测试、电化学方法研究了配合物与DNA的相互作用,实验结果表明,配合物与DNA之间通过插入作用结合。

1 实验材料仪器与方法

1.1 试剂与仪器

2-氨基嘧啶,邻香草醛,无水乙醇,Cu(NO3)2·3H2O均为分析纯试剂,使用前未经过进一步纯化。鲑鱼精DNA,配合物溶液用5 mmol·L-1Tris-HCl、50 mmol·L-1NaCl(p H=7.2)缓冲溶液配制。Vario-EL-cube型元素分析仪,DDS-312A型电导率仪,AVA TAR 360 FT-IR型红外光谱仪,TU-1901双光束紫外可见光分光光度计,NETZSCH热重分析仪,L K2006电化学工作站。

1.2 实验方法

1.2.1 配体的合成 称取0.95 g(10 mmol)2-氨基嘧啶于100 m L圆底烧瓶中,并用适量无水乙醇溶解,在搅拌回流下逐滴加入1.52 g(10 mmoL)邻香草醛的乙醇溶液,在60℃下继续搅拌回流4 h,得褐色液体。将上述褐色液体减压蒸馏后,向浓缩液中加入石油醚,即产生淡黄色沉淀。抽滤,沉淀用石油醚洗涤数次后,真空干燥保存。产率:58.6%,熔点:195.2～196.1℃,化学式为:C12H11N3O2。反应方程式为:

1.2.2 配合物的合成 称取1.15 g(5 mmol)上述配体并溶于适量无水乙醇中,加入0.604 g(2.5 mmol)Cu(NO3)2·3H2O,在60℃下继续搅拌回流2 h,产生草绿色沉淀,过滤并用无水乙醇洗涤多次,得到固体配合物。

1.2.3 紫外-可见吸收光谱研究 在缓冲溶液(p H=7.2)中,固定配合物溶液的浓度,逐渐增加DNA的浓度,使两者浓度比在0.6～1.8范围内,直至饱和,进行紫外-可见光谱扫描。

1.2.4 荧光光谱研究 (1)在p H=7.2的缓冲溶液中,固定配合物溶液的浓度,逐渐增加DNA的浓度,使两者浓度比在0.6～1.8范围内,记录其荧光发射光谱图。

(2)研究钠离子浓度对配合物-DNA体系荧光强度的影响,在p H=7.2的无钠离子缓冲溶液中固定DNA和配合物的浓度逐渐增加氯化钠的浓度测定。

(3)研究[Fe(CN)6]4-浓度对配合物-DNA体系的荧光强度影响,在p H=7.2的缓冲溶液中固定DNA和配合物的浓度逐渐增加[Fe(CN)6]4-的浓度测定。

1.2.5 黏度研究 样品均溶解在p H=7.2的Tris-HCl缓冲溶液中,在测定黏度时,温度恒定在(25±0.1)℃,在乌贝洛德黏度计上进行。测定液按固定DNA的浓度,逐渐增加配合物浓度配置,测定液的相对粘度按下式计算[7]:η=(t-t0)/t0,式中t0表示缓冲液流经乌氏粘度计的时间,t为DNA溶液(含浓度不等的配合物溶液)流经乌氏黏度计的时间。以(η/η0)1/3对r(r=[配合物]/[DNA])作图,其中η0为未加配合物时DNA溶液的相对粘度。

1.2.6 电化学研究 在p H=7.2的缓冲溶液中,加入50 mmol·L-1配合物,在L K2006电化学工作站上记录其循环伏安曲线(CV),然后加入一定量的鱼精DNA,充分作用后记录其CV曲线。仪器条件:起始电位-1.0 V,最高电位1.0 V,扫速0.062 V/s。

2 结果与讨论

2.1 配合物的表征

2.1.1 元素分析及配合物的摩尔电导率 配体及配合物的C、N、H含量由Vario EL cube型元素分析仪测定,Cu(Ⅱ)离子含量用重量法测定。配体的元素分析结果与按化学式C12H11N3O2的计算值相符。Wmea/%:C,62.84;H,4.95;N,18.91;Wcal/%:C,62.87;H,4.84;N,18.33。配合物的元素分析结果按化学式C14H18N4O6Cu的计算值相符。Wmea/%:C,40.35;H,4.88;N,13.43;Cu,15.48;Wcal/%:C,40.05;H,4.80;N,13.34;Cu,15.13。以二甲基亚砜为溶剂,浓度为1.02×10-4mol·L-1时,测得Cu(Ⅱ)配合物的摩尔电导率为15.4 S·cm2·mol-1,其数值小于35S·cm2·mol-1,可以认为这些配合物为非电解质[10],即NO-3参与了配位。

2.1.2 红外光谱分析 配体和配合物在3 300～3 350 cm-1区域内不存在双齿吸收峰,说明伯胺上的氢与羰基氧缩合失水形成希夫碱结构,所以不存在υN-H结构,Cu(Ⅱ)配合物在此区间出现宽吸收峰,说明配合物中存在结晶水或存在乙醇分子中羟基的伸缩振动[10-11]。配合物在1 613.6 cm-1处有较强的吸收振动峰,与配体的振动频率1 646.3 cm-1相比,发生了红移,表明配体亚氨基C=N上的N原子在配合物中发生了配位,510.3 cm-1处新振动峰出现,可归属为M-N配位键的形成。配体的酚羟基伸缩振动在1 241.8 cm-1处,而Cu(Ⅱ)配合物的酚羟基伸缩振动在1 217.1 cm-1处,且在460.2 cm-1处出现新的伸缩振动峰,也证明了氧原子与金属离子形成了M-O配位键[10]。配体中嘧啶环的骨架伸缩振动在出现在1 601.36 cm-1,平面中环变形位于673.78 cm-1处,与配体相比,Cu(Ⅱ)配合物嘧啶环的骨架伸缩振动出现在1 564.6 cm-1处,发生了红移,表明嘧啶环的N原子发生了配位[12]。配合物在1 540.1,1 245.8和1 070.1 cm-1出现吸收峰,这表明配合物中存在配位的NO-3,合成的配合物中|υ1-υ3|>180 cm-1,Cu(Ⅱ)配合物存在双齿配位的NO-3[11]。

2.1.3 紫外-可见光谱分析 在二甲亚砜溶液中测定了配体和配合物(浓度为100μg·mL-1)的紫外-可见吸收光谱,紫外-可见光谱数据如表1所示。配体的紫外吸收峰位置在267与307 nm处,分别属于苯环和C=N的π-π*吸收带。与配体比较,配合物的2个紫外吸收峰位置发生了红移[13],且摩尔吸光系数变小,进一步说明了C=N中的氮原子与金属离子发生配位,形成了希夫碱配合物。

表1 配体及配合物的紫外-可见光谱数据Table 1 UV-Vis data for ligands and comp lex

2.1.4 配合物的热分解分析 配合物的热分解是在室温至800℃温度区间内测定的,如图1所示。配合物在25～120℃温度范围,失重率为8.01%(理论计算值为8.50%),相当于失去两分子的水,第二步和第三步热分解区间为200～550℃,此时配合物随温度升高逐渐分解,样品残重率为20.09%(理论计算值19.01%),热分解残余物为CuO。

图1 Cu(Ⅱ)配合物的TG-DTG曲线Fig.1 TG-DTG curves of the Cu(Ⅱ)

2.1.5 配合物可能的结构 通过以上分析推测配合物可能的结构如图2所示。

图2 Cu(Ⅱ)配合物可能的结构图Fig.2 The suggested structure of the Cu(Ⅱ)complex

2.2 配合物与DNA相互作用的研究

2.2.1 紫外可见光谱研究 紫外可见光谱是研究小分子物质与核酸相互作用的最常用的技术,吸收曲线能否发生红移以及红移的程度是判断小分子化合物能否与DNA发生插入作用的重要判据[14],配合物与DNA作用的紫外吸收光谱如图3所示。

图3 配合物在不同DNA浓度下的紫外-可见吸收光谱Fig.3 UV spectra of the comp lex upon various concentration of DNA

由图3可以看出,随着DNA浓度的增加配合物π-π*跃迁,在220～320 nm波长范围内都发生了一定程度的红移和减色效应,这可能是由于配体插入到DNA碱基之间,从而发生π电子的堆积,使配体π空轨道和碱基的π空轨道发生偶合,偶合后使能级下降,从而导致π-π*跃迁能减小,产生红移现象;同时,偶合后的π*轨道因部分填充电子,使π-π*跃迁几率减小,产生减色效应[15]。为了准确表达配合物与DNA相互作用的强度,可以根据公式求得两者间的结合常数(Kb)。小分子化合物与DNA相互作用的结合常数与其紫外摩尔吸收系数之间符合以下公式:

公式中εa为任意DNA浓度下溶液的摩尔吸收系数,εf为自由配合物的摩尔吸收系数,εb是配合物被DNA完全键合时的摩尔吸收系数。由[DNA]/(εa-εf)对[DNA]作图,得出斜率和截距,斜率和截距之比即结合常数(Kb)。结合常数的大小反映配合物与DNA间相互作用的强弱,计算结果为Kb=8.12×104L·mol-1,表明配合物与DNA的结合作用较强。

2.2.2 荧光光谱分析 荧光法是比较灵敏的测试方法,已广泛应用于研究配合物与DNA的相互作用。

(1)配合物与DNA之间的作用为插入作用时,因为DNA具有疏水性且分子较大,DNA大分子的保护作用可以使配合物的荧光增强[16]。如图4所示,DNA与配合物的浓度比值由1到7依次为0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8,荧光强度依次增强,初步确定配合物与DNA之间的作用为插入作用。

图4 配合物在不同DNA浓度下的荧光光谱Fig.4 Fluorescence spectra of the comp lex upon various concentration of DNA

图5 Na+离子对配合物-DNA体系的相对荧光强度影响图Fig.5 The relative fluo rescencent intensity of DNA-comp lex in various Na+concentration

(2)盐类阳离子可与DNA骨架磷酸基团结合使DNA收缩而产生减色效应[17]。为确定配合物与DNA结合是否存在静电结合模式,在随Na+浓度增加的情况下,测定配合物-DNA复合体系,记录荧光光谱图,如图5。结果表明,随着Na+浓度的增加,体系的荧光没有明显变化,配合物与DNA之间不存在静电引力作用,从而更加证明了配合物与DNA通过插入作用结合。(3)金属配合物与DNA作用有多种机制,其中较多的有静电结合模式和插入结合模式。由于DNA磷酸骨架带有负电荷,对[Fe(CN)6]4-有强烈的排斥作用,若金属阳离子以插入机理完全与DNA结合,配离子受保护强度大,被[Fe(CN)6]4-发光猝灭的可能性小,而以静电机理结合的配阳离子裹附在DNA的表面,比较容易受到[Fe(CN)6]4-的进攻[17]。如图6所示,加入DNA时曲线2与未加入DNA时曲线1后相比较,加入DNA后曲线2斜率约为0(线性回归方程为y=-0.051 4 x+1.045 7),DNA对配离子产生保护作用,避免[Fe(CN)6]4-对配合物的荧光猝灭作用,进一步说明金属阳离子以插入机理完全与DNA结合。

图6 [Fe(CN)6]4-离子对配合物-DNA体系的相对荧光强度影响图Fig.6 The relative fluo rescent intensity of DNA-comp lex in various concentration of[Fe(CN)6]4-

2.2.3 黏度分析研究 黏度测定被认为是在缺乏晶体数据的情况下确定键力模式最有力的证据之一[18]。黏度值对分子长度变化非常明显,当配合物与DNA发生插入作用时,DNA链长会增加,相对黏度会增大;当配合物与DNA以静电、沟槽结合等非插入方式结合时,DNA的黏度没有明显变化。如图7所示,随着配合物浓度的增加,黏度值相应增大,说明配合物以经典插入方式与DNA发生作用,这与紫外光谱研究及荧光光谱研究相吻合。

图7 配合物浓度对DNA黏度的影响Fig.7 Effection of increasing amountsof comp lex on the viscosity of DNA

图8 配合物与DNA作用的循环伏安图Fig.8 The cyclic voltammograms of DNA-comp lex

2.2.4 电化学研究 在p H=7.2的缓冲溶液中测定了配合物及配合物-DNA体系的循环伏安曲线,通过对比2条曲线后峰电位移动情况,可以判断配合物与DNA的作用方式,通常认为当小分子与DNA作用后峰电位负移,则结合方式为静电结合,相反,如果小分子与DNA作用后峰电位正移,则结合方式为嵌插[19]。图8中曲线1为合成的铜配合物在p H=7.2的缓冲溶液中的循环伏安图,曲线2为加入DNA后的循环伏安图。对比曲线1、2可知,加入DNA后,后峰电位由-0.102 V变为-0.083 V,发生了明显的正移;峰电流由-14.33μA变为-13.41μA,峰电流明显变小,这说明了配合物分子与DNA分子之间发生了键合作用,使得溶液中自由配合物分子的浓度减少,单位时间内迁移到电极表面的配合物分子数下降,导致峰电流减少,也说明了配合物与DNA之间形成的复合物为非电活性化合物[19],即该化合物不能在电极上发生氧化还原反应。通过以上分析可以断定配合物与DNA发生了插入作用。

3 结语

本文合成了一种新的希夫碱铜配合物,通过元素分析、红外光谱、紫外-可见光谱、TG-DTG及摩尔电导分析等手段对合成的配合物进行了表征,通过表征其组成为{[CuL(NO3)(C2H5OH)]·2H2O}。利用紫外光谱法、荧光光谱法、黏度法、电化学法研究了配合物与DNA的相互作用,结果表明Cu(Ⅱ)配合物与DNA以插入模式结合。

[1] M S Nair,R S Joseyphus.Synthesis and characterization of Co(Ⅱ),Ni(Ⅱ),Cu(Ⅱ)and Zn(Ⅱ)Complexes of tridentate Schiff base derived from vanillin and DL-αminobutyric acid[J].Spectrochimica Acta Part,2008,70(A):749-753.

[2] P A Vigato,S Tamburini,L Bertolo,et al.The development of compartmentalmacrocyclic Schiff bases and related polyamine derivatives[J].Coodination Chemistry Review,2007,25(Ⅰ):1311-1492.

[3] E Keskioglu,Ayla Balaban Gunduzalp,Servet Cete,et al.Cr(Ⅲ),Fe(Ⅲ)and Co(Ⅲ)comp lexes of tetradentate(ONNO)Schiff base ligands:Synthesis,characterization,p roperties and biological activity[J].Spectrochimica Acta Part A,2008,A70:600-634.

[4] 李斌,林柄栋,刘长令.2-取代氨基-4,6二氯嘧啶类化合物的合成及其杀菌活性[J].合成化学,1996,4(2):176-179.

[5] 罗宣干,卓仁禧,李满庆.5-氟脲嘧啶的D-氨基葡萄糖衍生物的合成及其抗肿瘤活性的研究[J].高等学校化学学报,1996,17(9):1416-1420.

[6] 张培志,吴军,龚钰秋.嘧啶类铜(Ⅱ)、锌(Ⅱ)配合物的合成和生物活性[J].应用化学,2000,17(5):588-560.

[7] 朱艳华,肖小明,欧阳泽英,等.H2bzimpy-钐-酪氨酸三元配合物的合成、表征及其与DNA的相互作用[J].光谱实验室,2008,25(3):480-483.

[8] 古琴,任祥祥,乐学义.TA TP-铜(Ⅱ)-L-丝氨酸(L-精氨酸)配合物与DNA的相互作用[J].物理化学学报,2008,24(6):1608-1072.

[9] 卢奎,成红丽,马丽,等.L-半胱氨酸二肽与DNA的相互作用研究[J].光谱学与光谱分析,2010,26(1):146-149.

[10] 中本一雄著,黄德如,汪庆仁译.无机和配位化合物的红外和拉曼光谱[M].北京:化学工业出版社,1986:237.

[11] 范玉华,张栋梅,毕彩丰,等.异双希夫碱与La(Ⅲ)配合物的合成、热分解反应动力学和抑菌活性[J].中国海洋大学学报:自然科学版,2005,35(3):463-466.

[12] 张华,彭勤纪,李亚明,等.现代有机波谱分析[M].北京:化学工业出版社,2006:292-293.

[13] 刘德军,范玉华,毕彩丰,等.Ln(NO3)3·6H2O与水杨醛缩酪氨酸席夫碱配合物的合成与表征[J].核化学与放射化学,2003,25(4):210-214.

[14] 侯琳熙,魏丹毅,干宁,等.新型Schif碱双核铜配合物与DNA相互作用的光谱研究[J].光谱实验室,2007,24(2):86-88.

[15] 刘丹,周荫庄.新型铜配合物[Cu(PyPt)(NO3)2]合成、结构、表征及其与DNA相互作用无机化学学报[J].2009,25(10):1797-1804.

[16] 袁益娴,陈禹,王贻灿,等.手性双核钌(Ⅱ)配合物与DNA的相互作用研究[J].无机化学学报,2008,24(8):1265-1271.

[17] 朱莉,彭斌,凌友,等.[Co2(EGTB)Cl2]·(BF4)2·5H2O与DNA相互作用的研究[J].Acta Chimica Sinica(化学学报),2008,66(24):2705-2711.

[18] 徐慧,牟保畏.烟酰胺与DNA相互作用的电化学研究[J].化学通报,2009,6,534-539.

[19] 林丽清,康杰,林启凰,等.苯甲酸二聚铜配合物与DNA相互作用的电化学研究及应用[J].光谱实验室,2010,29(5):1-4.

Studies on the Synthesis,Characterization of the Schiff Base Comp lex Cu(Ⅱ)and the Interaction with DNA

ZHENG Yu-Ping,FAN Yu-Hua,ZHANG Xia,WANG Qiang,L IU Shan-Bin,B ICai-Feng
(The Key Labo rato ry of Marine Chemistry Theo ry and Technology,M inistry of Education,College of Chemistry and Chemi
cal Engineering,Ocean University of China,Qingdao 266100,China)

This paper reports the synthesis of Cu(Ⅱ)comp lex{[CuL(NO3)(C2H5OH)]·2H2O}with ligand derived from the condensation of o-vanillin with 2-amino pyrimidine in the absolute alcohol.It is characterized by elemental analysis,IR spectrometry,UV-Vis spectrometry,TG-D TG and molar conductance.The suggested structure of the comp lex is concluded.The copper ion is six-coordinated with a octagonal geometry.The two nitrogen atom(one from the-C=N-,the other from the pyrimidine),oxygen atom of hydroxybenzene in ligand is coo rdinated to the copper ion.The nitric acid is coo rdinated to the copper ion in bidentate fashion,and the oxygen atom of C2H5OH is coo rdinated to the copper ions,too.Water molecules are existing as crystal water.The interaction of the Cu(Ⅱ)comp lex with DNA has been investigated by UV-Vis spectrometry,fluorescence spectrometry,viscosity and electrochemical behavior.The rusults show that the interaction of the Cu(Ⅱ)comp lex with DNA belong to intercalation mode,and the binding constant for the comp lex is Kb=8.12×104L·mol-1.

schiff base;Cu(Ⅱ)comp lex;synthesis;characterization;DNA;intercalation mode

O641.4

A

1672-5174(2011)09-077-06

国家自然科学基金项目(20971115;21071134)资助

2010-11-19;

2011-06-14

郑玉萍(1984-),女,硕士生。E-mail:yuping8288@163.com

**通讯作者:E-mail:fanyh@ouc.edu.cn

责任编辑 徐 环