铜-吡唑啉酮-2,6-吡啶二羧酸配合物的合成、表征及其性质研究

陈 静,程宁宁,郁 慧,许东芳,林静

(1.上海师范大学 生命与环境科学学院 上海 200234； 2.上海师范大学 跨学科研究中心,上海 200234)

配位化学打破了传统无机化学和有机化学的界线,配位化学从60年代起就成为了生物无机化学的基础,与生命科学密切结合;一些具有特殊功能(光、电、磁、信息存储等)的功能性配合物也是当前配位化学的研究热点[1-3].因此,配位化学成为了近代化学中最活跃的前沿学科之一[4-6].

铜(Cu)属于过渡金属,是人类发现最早的金属之一.铜与人类的生活密不可分,不仅是生命体必须的元素之一[7-8],更是人类生存的必须元素之一.铜的医学用途一直被人们所重视.铜也具有很强的抗菌、抗癌作用.铜自身具有很好的生物活性,选择一定结构、具有生物活性的配体[9-13],形成稳定的配合物后,由于配体与中心离子间的协同作用[14-15],会增强配体及铜的生物活性.

1-苯基-3-甲基-4-苯甲酰基-5-吡唑啉酮能提供具有较强配位能力的O、N原子,它形成的配合物具有具有较好的生物活性[16-18].此类配合物的脂溶性比较好,易穿透细胞膜的双脂质层结构,进入细胞体内后可破坏细胞的正常结构,导致正常细胞死亡,以此达到抗菌等药效[18-19].2,6-吡啶二羧酸作为配体亦可提供多个配位点,N、O均可参与配位,与金属离子以配位键结合后可形成稳定的螯合物[19-21],2,6-吡啶二羧酸也具有一定的生物活性[19,23-25].

本研究合成了一个新型的三元配合物,探讨了这个配合物的光谱学性质,研究了其与细菌以及与DNA的作用方式与机制.

1 实验部分

1.1 试剂

CuCl2·2H2O,2,6-吡啶二羧酸,1-苯基-3-甲基-4-苯甲酰基-5-吡唑啉酮,N,N-二甲基甲酰胺 (DMF),NaOH,无水乙醇(国药集团化学试剂有限公司),均为分析纯;营养肉汤培养基、营养琼脂培养基、沙堡肉汤培养基、沙堡琼脂培养基,生化试剂(上海疾病预防与控制中心);革兰氏阴性细菌大肠杆菌(8099) 、革兰氏阳性细菌金黄色葡萄球菌(ATCC6538P)均由中国科学院上海药物研究所提供.

1.2 测试仪器

德国Elementar Vario EL III型元素分析仪;美国Nicolet公司AVATAR 380型FT-IR红外光谱仪(KBr压片,摄谱范围4000～400 cm-1);美国Perkin-Elmer17型紫外可见光谱仪;美国Varian公司VISTA-MPXICP-OES型电感耦合等离子体发射仪; 日本Ulvac-Phi公司PHI-5000 VersaProbe型X射线光电子能谱;热重-差热分析采用美国PerkinElmer Pyris Diamond TG/DTA热分析仪;透射电镜采用 日本电子JEM-2010型透射电子显微镜;XRD采用Rigaku公司D/Max-2200型X-射线衍射仪,铜靶(Cu-Kα,1.54056Å),管压40 kV,管流80 Ma,扫描速度0.3°/s;美国Varian公司Gray 4000E荧光光度分析仪.

1.3 配合物的合成

将2 mmol 1-苯基-3-甲基-4-苯甲酰基-5-吡唑啉酮(PMBP)溶解在无水乙醇中,用碱调节pH≈6.5,然后滴加2 mmol的CuCl2乙醇溶液,60℃下搅拌1 h左右.慢慢滴加2 mmol 2,6-吡啶二羧酸(H2PDA)的二钠盐到上述体系中,搅拌3h左右,停止反应,冷却后过滤,产物在滤液中析出,抽滤后干燥后保存,产率61%.

2 结果与讨论

2.1 元素分析

配合物中C、N、H含量可以由元素分析仪测定得出实验值,铜的百分含量由ICP测出,各元素百分含量测定的实验值见表1,表1中数据显示出C、H、N、Cu 4种元素在结构式中所占的百分含量其理论值与实验值基本一致.初步推测铜吡唑啉酮杂环配合物的可能结构式为Na[Cu(PMBP)(PDA)](PMBP为失去一个H的HPMBP,参与配位后的1-苯基-3-甲基-4-苯甲酰基-5-吡唑啉酮;PDA表示H2PDA失去了2个-COOH上的2个H参与配位后的2,6-吡啶二羧酸).

表1 吡唑啉酮杂环配合物Na[Cu(PMBP)(PDA)]的元素分析

注:括号内是理论值

配合物的性状和溶解性与配体明显不同.铜吡唑啉酮杂环配合物呈现为深绿色粉末状.配合物与配体间的溶解性差异,室温下,HPMBP溶于乙醇,H2PDA溶于水,但铜的配合物却难溶于水、乙醇、乙腈、丙酮等溶剂,微溶于DMSO、DMF、浓盐酸等溶剂.

2.2 红外光谱数据

本实验选用KBr压片法,测试波数为4000～400 cm-1,详见表2,配合物与配体的特征吸收频率明显不同.配合物中出现了新的M-O和M-N特征峰,表明Cu参与了配位[26].3058 cm-1为HPMBP烯醇结构中的-OH峰,HPMBP的νC=O从1599 cm-1左右移至约1620 cm-1左右,说明C=O参与了配位;HPMBP的νC=C从1495 cm-1左右移至约1575 cm-1左右,νC-O从1281 cm-1左右移至约1000 cm-1左右.以上变化都表明了HPMBP结构发生了变化,氧原子可能与铜参与了配位[27].

H2PDA的νc=o与νasCOOH在红外谱图中出现了重合,产生了宽而强的红外特征峰,在配合物中该特征吸收频率明显降低;配合物中νC=N波数较配体H2PDA的1573 cm-1有所降低,是由于配合物较H2PDA中N电子云密度有所降低,使H2PDA的C=N波数降低;配合物中Δν(νasCOO--νsCOO-)均大于200 cm-1,小于H2PDA的Δν值285 cm-1,而且配合物中仍存在H2PDA的C=O伸缩振动峰,说明H2PDA中COOH以单齿形式与铜配位[28-30],参与配位的O为COOH中-OH上的O.

表2 吡唑啉酮杂环配合物的红外特征峰 (cm-1)

2.3 紫外光谱谱图

室温下,将配合物及配体溶解在DMF中,所测结果见图1,可见配合物与配体特征峰差别明显.HPMBP在240 nm、278 nm处产生最大吸收峰,H2PDA在270 nm出现最大吸收峰.

配合物在276 nm处出现宽吸收峰,400～500 nm处仍有光谱吸收,与配体相比发生了明显变化,推断可能形成了新的产物.

2.4 XRD谱图

图2为配体与配合物的XRD比较图.图2显示了铜配合物Na[Cu(PMBP)(PDA)]与配体峰的明显差异,说明了HPMBP、H2PDA在与CuCl2·2H2O反应时可能生成了新物相,而且Na[Cu(PMBP)(PDA)]的衍射峰强度很高,衍射角也比较清晰,所以Na[Cu(PMBP)(PDA)]的结晶度相对较好.

图1 配体与Na[Cu(PMBP)(PDA)]的UV图

图2 配体与Na[Cu(PMBP)(PDA)]的XRD图

2.5 XPS数据

配体及配合物的电子结合能数据见表3.HPMBP羰基中的O结合能是531.37 eV,H2PDA中-COOH的O结合能为532.04 eV,配合物中O结合能总体较HPMBP、H2PDA中O有所降低,原因是HPMBP中羰基O、H2PDA羧基上-OH去质子后的O均与Cu2+参与配位,2个配体的O负电性增强,电子云密度增大,因此结合能降低;H2PDA中N结合能为399.09 eV,铜配合物中N结合能都增大,是由于N与中心离子配位后电子云密度降低; Na[Cu(PMBP)(PDA)]中Cu的结合能却比CuCl2·2H2O的Cu结合能有所增大,原因是电子云总体偏向配体,导致结合能降低.

表3 配体与吡唑啉酮杂环配合物的电子结合能数据 (eV)

2.6 TG-DTA分析

实验条件:空气气氛,流速是100 mL·min-1,升温范围25～1000 ℃,升温速率10 ℃·min-1.

表4 吡唑啉酮杂环配合物的TG-DTA数据

注:括号内是理论值

表4数据显示配合物总失重率理论值与实测值基本一致.

图3 Na[Cu(PMBP)(PDA)]的差热-热重图

Na[Cu(PMBP)(PDA)]在270 ℃之前未出现吸热峰和失重现象,说明配合物是不含结晶水和配位水的(图3);表4中数据显示Na[Cu(PMBP)(PDA)]的熔化吸热峰出现在285 ℃,从而可推断出Na[Cu(PMBP)(PDA)]的热稳定性较配体是有所提高的,470～625 ℃、645～670 ℃分别对应Na[Cu(PMBP)(PDA)]的分解放热峰;最终铜吡唑啉酮杂环配合物的氧化分解产物为CuO和Na2O,总失重率的理论值基本符合实验值.

2.7 TEM图

图4所示为Na[Cu(PMBP)(PDA)]的TEM图,可见铜吡唑啉酮杂环配合物为微米级片状结构.由于配合物结构式中包含芳香环刚性平面,且为片状结构,若其具有一定的生物活性,能与DNA发生作用,则可初步判断它与DNA的结合模式可能是插入形式[31].

图4 Na[Cu(PMBP)(PDA)]的TEM图

2.8 抑菌试验

选用抑菌圈法和营养肉汤稀释法比较了配合物与配体的抑菌活性,溶剂选用DMF,实验结果见表5.从表5数据可得出结论:(1)吡唑啉酮杂环配合物对E.c.和S.a.均表现为中等抑制效果;(2)配合物的抑菌效果均优于配体HPMBP、H2PDA,说明配合物形成后,Cu2+与配体间的协同作用使抗菌效果有所增强.

表5 配体及吡唑啉酮杂环配合物的抑菌圈直径及MIC数据

2.9 配合物与DNA的作用方式

2.9.1 紫外光谱法

分别配制浓度为1.0×10-5、2.5×10-5、5.0×10-5、10.0×10-5的吡唑啉酮杂环配合物,将其与固定浓度的CT-DNA混合后在室温下放置30 min,以保证配合物与DNA的充分作用.图5为Na[Cu(PMBP)(PDA]与CT-DNA作用后的UV谱图,初步推断出Na[Cu(PMBP)(PDA]也是以插入方式与DNA结合的,结合TEM图,进一步验证了片状结构的配合物可能会以插入形式与DNA结合.

2.9.2 荧光光谱法

参照文献[32-33],在激发波长为300 nm,狭缝宽度Ex=Em=10 nm,450 V电压,400～800 nm范围内扫描EB与CT-DNA作用以及配合物与CT-DNA结合后的荧光谱图.EB浓度为2×10-4mol·L-1、CT-DNA的浓度为1.5×10-4mol·L-1,二者浓度保持不变,配制6份溶液,分别为EB-DNA,1.0×10-5mol·L-1配合物+EB-DNA,2.5×10-5mol·L-1配合物+EB-DNA,5.0×10-5mol·L-1配合物+EB-DNA,10.0×10-5mol·L-1配合物+EB-DNA,15.0×10-5mol·L-1配合物+EB-DNA,在室温下放置30 min后,测试其荧光性质,为Na[Cu(PMBP)(PDA)]与DNA作用后的荧光谱图,图6中可观察到Na[Cu(PMBP)(PDA)]随着配合物的浓度增加出现了明显的荧光猝灭现象,进一步证明了吡唑啉酮杂环配合物与CT-DNA的结合方式可能为插入模式[34-35].

图5 Na[Cu(PMBP)(PDA]与DNA作用的UV图

图6 Na[Cu(PMBP)(PDA)]与DNA作用的荧光光谱图

3 结 论

(1) 本研究合成了铜的吡唑啉酮杂环配合物,并通过元素分析、IR、UV、XRD、XPS、TG-DTA、TEM等一系列的表征初步确定了配合物结构式可能为Na[Cu(PMBP)(PDA].

(2) 对配合物进行了抗菌活性测试,测试结果显示配合物表现为中等的抑菌活性,由于配体与Cu2+间的协同作用,配合物的抑菌活性要优于配体; Na[Cu(PMBP)(PDA]对S.a.的抑制效果相对E.c.比较好.

(3) 通过光谱法测试得到的结果证明了吡唑啉酮杂环配合物可能是以插入模式与DNA结合的.

参考文献:

[1] 何军,梁国刚.配位化学在中药研究中的应用 [J].中国实验方剂学杂志,2008,14(12):77-80.

[2] 唐敖庆.化学哲学基础[M].北京:科学出版社,1986.

[3] 倪家瓒.稀土生物无机化学[M].北京:科学出版社,1995.

[4] 孟庆金,戴安邦.配位化学的创始与现代化 [J].无机化学学,1995,11(3):219-227.

[5] 徐志固.现代配位化学[M].北京:科学工业出版社,1987.

[6] 李晖.配位化学[M].双语版.化学工业出版社,2006.

[7] 王夔.生命科学中的微量元素[M].中国计量出版社,1991.

[8] OLIVARES M,UAUY R.Copper as an essential nutrient[J].A J Clin Nutr,1996,63:791S-796S.

[9] SUKSRICHAVALIT T,PRACHAYASITTIKUL S ,NANTASENAMAT C,et al.Copper complexes of pyridine derivatives with superoxide scavenging and antimicrobial activities [J].Eur J Med Chem,2009,44:3259-3265.

[10] CHOHAN Z H,ARIF M,SARFRAZ M.Metal-based antibacterial and antifungal amino acid derived Schiff bases:their synthesis,characterization and in vitro biological activity[J].Appl Organomet Chem,2007,21(4):294-302.

[11] SASMAL P K,PATRA A K,NETHAJI M,et al.DNA cleavage by new oxovanadium(IV) complexes of N-salicylidene α-amino acids and phenanthroline bases in the photodynamic therapy window[J].J Inorg Biochem,2007,46:11112-11121.

[12] 张寿春,邵颖,涂超,等.新型双核铜配合物的结构及DNA切割活性[J].无机化学学报,2004,20(10):1159-1164.

[13] 杨瑞娜,王冬梅,金斗满.铜(I,Ⅱ)配合物的合成、结构与性质 [J].化学学报,1997, 55:1198-1206.

[14] XU D F,SHEN Z H,YANG S,et al.Synthesis,Characterization,Crystal,Structure,and Biological Activity of the Copper Complex[J].Russ J Coord Chem,2010,36(6):458-462.

[15] 胡文祥,王建营.协同组合化学[M].北京:科学出版社,2003.

[16] ZHOU D,LI Q,HUANG C,et al.Room-temperature fluorescence,phosphorescence and crystal structure of 4-acyl pyrazolone lanthanide complexes:Ln(L)3·2H2O [J].Polyhedron,1997,16(8):1381-1389.

[17] XU H Z,ZHANG X,YU G S.3-{[(1Z)-(3-Methyl-5-oxo-1-phenyl-1,5-dihydropyrazol-4-ylidene) (phenyl) methyl] amino} propionic acid [J].Acta Cryst,2005,E61:456-458.

[18] 何其庄,马树芝,许东芳.稀上酰基吡唑啉酮邻菲咯琳配合物的合成、表征及其生物活性 [J].无机化学学报,2007,23(10):1723-1728.

[19] 程宁宁.稀土β-二酮类杂环三元配合物的合成、表征及其生物活性的研究 [D].上海:上海师范大学,2012.

[20] LAINE P,GOURDON A,LAUNAY J P.Chemistry of iron with dipicolinic acid:1.M ononuclear complexes of iron(II)or iron (Ⅲ) [J].Inorg Chem,1995,34(21):5129-5137.

[21] YANG L,CRANS D C,MILLER S M,et a1.Cobalt(II) and cobalt(Ⅲ) dipicolinate complexes:Solid state,solution,and in vivo insulin-like properties [J].Inorg Chem,2002,41(19):4859-4871.

[22] TANG T,RAJAN K S,GRECZ N.Mixed chelates of Ca(II)-pyridine-2,6-dicarboxylate with some amino acids related to bacterial spores [J].Biophys J,1968,8(12):1458-1474.

[23] MARKEES D G,DEWEY V C,KIDDER G W.The synthesis and biological activity of substituted 2,6-diaminopyridines [J].J Med Chem,1968,11(1):126-129.

[24] GROVES J T,KADY I O.Sequence-specific cleavage of DNA by oligonucleotide-bound metal complexes [J].Inorg Chem,1993,32(18):3868-3872.

[25] 蔡梦军,陈建定.钇与吡啶-2,6-二甲酸和2,6-二氨基吡啶质子转移化合物的合成、表征及抗茵活性 [J].华东理工大学学报,2010,36(6):786-791.

[26] ALY H F,KERIM F M A,KANDIL A T.IR spectra of lanthanide 8-hydroxyquinoline complexes [J].J Inorg Nucl Chem,1971,33(12):4340-4344.

[27] 马树芝.稀土杂环类配合物的合成表征及其生物活性研究[D].上海:上海师范大学,2008.

[28] XU D F,XU Y M,CHENG N,et al.Synthesis,characterization,and biological studies of lanthanide complexes with 2,6-pyridine dicarboxylic acid and a-picolinic acid[J].J Coord Chem,2010,63:2360-2369.

[29] DEMESSENCEA,ROGEZ G,RABU P.Grafting of thiophenecarboxylates into magnetic transition metal hydroxide layer.[J].Chem Mater,2006,18:3005-3015.

[30] NAKAMOTO K.Infrared and Raman Spectra of Inorganic and Coordination Compounds[M].New York:Wiley,1986.

[31] COLAK A T,COLAK F.Synthesis,spectroscopic,thermal,voltammetric studies and biological activity of crystalline complexes of pyridine-2,6-dicarboxylic acid and 8-hydroxy quinoline [J].J Mol Struct,2009,936:67-74.

[32] 许东芳.含杂环配体的稀土有机配合物的合成、表征及相关生物活性的研究[D].上海:上海师范大学,2011.

[33] 施阳.新型稀土功能三元配合物的合成、表征及其生物活性的研究[D].上海:上海师范大学,2011.

[34] 周庆华.含苯并咪唑金属配合物的合成及其与DNA作用的研究[D].太原:山西大学,2006.

[35] BAGULEY B C,LEBRET M.Quenching of DNA-ethidium fluorescence by amsacrine and other antitumor agents:a possible electron-transfer effect[J].Biochem,1984,23(5):937-943.

[36] 孙斌,梁思敏,王宇传,等.钌配合物[Ru(bpy)2(PNT)]2+的合成、表征及DNA相互作用研究 [J].高等学校化学学报,2008,29(12):2496-2501.