配合物[Zn(Bpp)Cl2]n的结构及其与DNA作用研究

刘亭丽, 姚 泉, 徐晓莹, 高恩军

(1.沈阳化工大学 应用化学学院， 辽宁 沈阳 110142；2.沈阳市无机分子基材料化学(国际)重点实验室， 辽宁 沈阳 110142)

自从1892年韦尔纳建立了配位化学理论以来，配位化学一直是在当今化学领域最具活力和生命力学科之一[1].由于配位化合物完美的骨架结构以及良好的性能，如催化作用、抗肿瘤活性等，受到越来越多的关注[2-3].金属锌是在生物体系统中最重要的金属之一，它参与很多生命活动并与人类疾病密切相关[4].在此，我们选取1,3-双(4-吡啶)丙烷为配体，与过渡金属锌合成配合物[Zn(Bpp)Cl2]n(其中Bpp为1,3-双(4-吡啶)丙烷).通过紫外光谱法与荧光光谱法研究其与DNA的作用模式，并进一步用凝胶电泳法研究其对DNA的切割作用.

1 实验部分

1.1 试剂和仪器

氯化锌、1,3-双(4-吡啶)丙烷、乙醇均为分析纯试剂；小牛胸腺DNA(CT-DNA)与pBR322 DNA均为生化试剂.

Bruker smart 1000 CCD-X射线单晶衍射仪；PHS-3C精密数显酸度计；D-MS-I 磁力搅拌器；结构分析经SHELX-97软件包完成；岛津UV2240 紫外可见光谱仪；Perkin Elmer LS55 荧光分光光度计；上海培青JS-250电泳仪和JS-380A自动凝胶图像分析仪.

1.2 配合物的合成

在常温条件下，将10 mL 10 mmol/L 氯化锌水溶液缓慢地加入10 mL 10 mmol/L 1,3-双(4-吡啶)丙烷乙醇溶液中，并不断搅拌，用0.8 mol/L的KOH溶液调节溶液pH值至6.893，继续搅拌5 h，测定pH值为7.145.过滤混合溶液后在室温条件下将其静置，经过数周后溶剂挥发并有无色透明晶体生成.经过Bruker smart 1000 CCD-X射线单晶衍射仪测定，以上所得晶体结构为[Zn(Bpp)Cl2]n.

1.3 配合物的结构

配合物[Zn(Bpp)Cl2]n的配位结构如图1所示.配合物中心离子锌分别与N1、N2、Cl1和Cl2以四配位的形式形成了扭曲的四面体结构(见图1)，主要键长(nm)如下：Zn(1)—N(2)，0.202 3(9)；Zn(1)—N(1)，0.206 9(9)； Zn(1)—Cl(1)，0.223 90(11)；Zn(1)—Cl(2)，0.224 01(10).主要键角(°)如下：N(2)—Zn(1)—N(1)，111.71(12)；N(2)—Zn(1)—Cl(1)，104.5(3)；N(1)—Zn(1)—Cl(1)，104.0(3)；N(2)—Zn(1)—Cl(2)，105.1(3)；N(1)—Zn(1)—Cl(2)，105.2(3)；Cl(1)—Zn(1)—Cl(2)，126.20(4).

配合物[Zn(Bpp)Cl2]n的一维链状结构如图2所示.从图2可以看出：由1,3-双(4-吡啶)丙烷为桥连接配体而形成的“W”型一维链状结构中，中心离子锌分别与N和Cl原子形成配位键，相邻2个锌原子之间的距离为1.290 25(37) nm.

图1 配合物[Zn(Bpp)Cl2]n的配位结构Fig.1 Complexe[Zn(Bpp)Cl2]n with structural H atoms are all omitted for clarity

配合物[Zn(Bpp)Cl2]n的二维结构如图3所示.从图3中可以看出：二维结构是通过一条链上参与配位的氯原子与相邻链上1,3-双(4-吡啶)丙烷配体中芳环上的氢原子形成氢键弱作用构筑的，H…Cl之间的距离为0.287 8 nm.

图2 配合物[Zn(Bpp)Cl2]n的一维链状结构Fig.2 1D chain of the complex[Zn(Bpp)Cl2]n

图3 配合物[Zn(Bpp)Cl2]n的二维结构Fig.3 2D structure of the complex[Zn(Bpp)Cl2]n

1.4 配合物[Zn(Bpp)Cl2]n与小牛胸腺DNA(CT-DNA)的光谱学研究

1.4.1 配合物[Zn(Bpp)Cl2]n与小牛胸腺DNA(CT-DNA)的荧光光谱测定

荧光猝灭实验可以监测配合物与CT-DNA(小牛胸腺DNA)的结合方式.溴化乙锭(EB，全名为溴化3，8-二氨基-5-乙基-6-苯基菲锭)是一种高度灵敏的荧光染色剂，它本身荧光很弱，当它与脱氧核糖核酸(DNA)发生专一插入反应时，即EB+DNA=EB·DNA，使该体系的荧光强度大大增强[5-6].配合物(M)也可与DNA发生类似结合：M+DNA=M·DNA，当它与EB共同存在时，便同EB竞争与DNA结合，使EB/DNA复合体系荧光强度变弱，且变化程度与M/DNA结合作用强弱有关[7].图4是配合物加入到EB/DNA复合体系中荧光猝灭效果图.

c(DNA)=5×10-6 mol/L c(EB)=1.0×10-6 mol/L 1 c(M)=0 4 c(M)=3.75×10-6 mol/L 2 c(M)=1.25×10-6 mol/L 5 c(M)=5.0×10-6 mol/L 3 c(M)=2.5×10-6 mol/L

根据斯特恩-沃尔默方程：I0/I=1+Ksqr，其中：I、I0为复合物中存在和不存在配位化合物时的荧光强度；Ksq为斯特恩-沃尔默猝灭常数(描述配合物与DNA的作用强弱)；r为复合物中配位化合物与DNA的浓度比[8].配合物[Zn(Bpp)Cl2]n与小牛胸腺DNA(CT-DNA)的荧光猝灭曲线如图5所示.

图5 配合物[Zn(Bpp)Cl2]n与EB/DNA 的猝灭常数(0.097)Fig.5 Interaction with the EB/DNA system,the role of the quenching constant (0.097)

由图4可以看出：随着配合物的加入，发生了荧光猝灭现象，而且配合物浓度愈大效果愈明显；图5表示配合物对EB/DNA体系的荧光猝灭常数为0.097.实验结果表明：配合物是以插入的方式与DNA作用.

1.4.2 配合物[Zn(Bpp)Cl2]n与小牛胸腺DNA(CT-DNA)的紫外光谱测定

紫外光谱法是检测配合物与DNA作用方式的方法[9].DNA分子在波长260 nm附近有特征吸收峰.这是由于核酸中嘌呤和嘧啶碱基共轭双键的存在而产生的[10].图6是锌配合物中不存在和存在CT-DNA时的紫外吸收光谱.向配位化合物中加入DNA后，配位化合物的吸光度降低，产生减色效应，并发生红移现象.随着DNA浓度的增加，这种现象愈加明显[11].由于配位组群中发生了π-π*的电子跃迁，所以，配合物在255 nm处附近产生了强烈的吸收带.实验结果表明：配合物中的芳香环是插入到CT-DNA的碱基对中产生了强的堆积作用.

c(M)=2.3×10-5 mol/L 1 c(DNA)=0 5 c(DNA)=10×10-6 mol/L 2 c(DNA)=2.5×10-6 mol/L 6 c(DNA)=15×10-6 mol/L 3 c(DNA)=5.0×10-6 mol/L 7 c(DNA)=20×10-6 mol/L 4 c(DNA)=7.5×10-6 mol/L 8 c(DNA)=25×10-6 mol/L.

1.5 配合物[Zn(Bpp)Cl2]n对pBR322质粒DNA的切割作用

凝胶电泳实验可以监测配合物对pBR322质粒DNA的切割作用和检测其切割效果[12-14].核酸DNA在一定的pH值下带有负电荷，在电场中向正电极移动.电泳时，样品在电槽中外电场的作用下发生移动.超螺旋带(Form Ⅰ)分子结构最为紧密，在电场的作用下迁移速率最大；开环带(FormⅡ)分子结构最为松弛，在电场的作用下迁移速率最小.实验中，随着配位化合物浓度增加，Form Ⅰ构型发生转换，反映在电泳图谱中的现象是亮度的减小[15].图7是锌配合物对pBR322质粒DNA切割效果图.其中，Lane 0是纯的pBR322 DNA，Lane 1～3为3个不同浓度配合物与DNA在有氧条件下反应1 h的电泳图像.配合物的3个不同浓度1、2、3分别是5.0 mmol/L、2.5 mmol/L、1.25 mmol/L.如图7所示，随着化合物浓度的增加，Form Ⅰ逐渐减少，并且配合物的各个浓度Form Ⅰ都比Lane 0要小.此现象表明了这些配合物对pBR322 DNA具有一定的切割能力.

2 结 论

采用常温溶液法合成了金属锌配合物，分子式为[Zn(Bpp)Cl2]n(其中Bpp为1,3-双(4-吡啶)丙烷).运用X-射线单晶衍射技术测定了配合物的晶体结构单元.配合物与CT-DNA作用的荧光光谱研究表明：DNA/EB复合物中加入配合物后，发生荧光猝灭现象，这说明配合物能与溴化乙锭竞争插入DNA碱基对中.配合物与CT-DNA作用的紫外光谱研究表明：配合物在200～400 nm波长范围内有明显的特征吸收峰，表现为分子内π-π*电子跃迁.加入CT-DNA后，配合物的紫外光谱发生减色效应和红移现象，说明配合物能与CT-DNA发生嵌插作用.配合物凝胶电泳结果表明：配合物对pBR322质粒DNA具有一定的切割能力.

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