壳寡糖席夫碱Cu（Ⅱ）配合物的制备、表征、电化学行为及抗氧化活性

李小芳，冯小强，杨 声（.天水师范学院 化工学院，甘肃 天水 7400；.定西师范高等专科学校，甘肃 定西 743000）



壳寡糖席夫碱Cu（Ⅱ）配合物的制备、表征、电化学行为及抗氧化活性

李小芳1，冯小强1，杨 声2
（1.天水师范学院 化工学院，甘肃 天水 741001；2.定西师范高等专科学校，甘肃 定西 743000）

摘 要：在无水乙醇中，对羟基苯甲醛与壳寡糖直接反应得到希夫碱化合物，并以此为配体合成了它与Cu2+以不同摩尔配比的配合物，通过元素分析、红外光谱、紫外―可见吸收光谱和差热―热重对这些化合物进行了结构性能的表征。此外，研究了希夫碱及配合物的抗氧化活性。结果表明，希夫碱的-C=N中氮原子、酚羟基中氧原子、伯仲羟基中氧原子均参与配位。循环伏安结果表明了生成的配合物具有电化学活性，在扫描速率为0.025～1.0 V/s范围内，配合物在玻碳电极上的反应主要由扩散过程控制。对超氧负离子自由基和羟自由基的清除能力依次为Schiff-Cu13＞Schiff-Cu11＞PCS，Cu2+含量与希夫碱配合物的抗氧化活性有关。

关键词：席夫碱；Cu(Ⅱ)配合物；电化学行为；抗氧化

席夫碱具有亚胺或甲亚胺特性基团，具有一定的抗肿瘤活性，能够与大多数金属离子发生配位形成配合物后，具有更强的杀菌抑菌[1-2]、抗肿瘤[3-4]、抗病毒[5]等特殊生物活性，特别是含有N、O、S的席夫碱类配合物具有很高的生物功能活性。过渡金属铜离子具有消炎、抑菌以及抗癌等作用。希夫碱及其金属配合物由于其抗菌、抗癌等生物活性引起了人们广泛深入的理论应用研究，但考虑到某些席夫碱同时具有毒副作用，因此，在提高药物的药理活性的同时必须降低其毒副作用的研究成为研究者们努力的目标。壳聚糖，简称CS，是自然界中存在的唯一碱性多糖，它天然无毒，容易降解，具有抗菌抑菌、对肿瘤细胞具有较好的杀伤作用、抗氧化等多种功能活性，广泛应用于医药、农业等领域。壳寡糖，简称COS，是由CS解聚而成的低分子壳聚糖，水溶性好，并且赋予了比CS更多更独特的活性。刘正华等制备了壳聚糖席夫碱金属［Cu(Ⅱ)和Mn(Ⅱ)］配合物，发现它们对常见细菌大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、沙门氏菌和枯草杆菌的抑菌活性明显强于配体和金属盐[6]。

某些肿瘤、癌变是体内含有过多氧自由基所致，基于这点，实验制备了对羟基苯甲醛缩壳寡糖席夫碱，并以此为配体合成了不同Cu2+含量的铜配合物，并对这些配合物进行了元素分析、光谱学和差热―热重表征。同时，采用循环伏安法研究了金属配合物的电化学行为，并且通过考察对超氧负离子自由基和羟基自由基的清除能力，探讨了希夫碱及希夫碱铜配合物的抗氧化性，可望获得抗氧、抗癌、抗菌等药理活性好而毒性小的药物，同时为寻求高效低毒抗氧化剂提供依据。

1 实验

1.1 试剂与仪器

壳寡糖（相对分子质量＜5 000，济南海得贝海洋生物工程有限公让腹肌5司），对羟基苯甲醛（分析纯，天津化学试剂一厂），无水乙醇、氯化铜均为国产化学纯。

Spectum One 3.0型红外光谱仪（美国Perkin Elmere），UV-2450型紫外―可见分光光度计（日本岛津），TG-DTA 分析仪（美国Perkin Elmere），CHI660B型电化学工作站（上海辰华仪器有限公司）。

1.2 席夫碱Cu(Ⅱ)配合物的制备

将6.16 g壳寡糖在25 mL无水乙醇溶剂中浸泡溶胀后，加入0.24 g对羟基苯甲醛和0.5 g NaOH，60℃下加热回流反应20 h。反应结束后，抽滤干燥，并用无水乙醇索氏提取产物，以除去产品中多余的对羟基苯甲醛。干燥后得到对羟基苯甲醛缩壳寡糖席夫碱，记作PCS。

称取0.5 g PCS溶于蒸馏水中，室温下加入一定质量的CuCl2（席夫碱与Cu2+的物质的量比为1∶1或1∶3），搅拌6 h后，将沉淀抽滤、洗涤3次，干燥后得到蓝色粉末状的席夫碱Cu(Ⅱ)配合物，将产物分别记作Schiff-Cu11和Schiff-Cu13。Schiff-Cu11元素分析（%，括号里为计算值）: C 49.01(49.52)，H 5.46(5.39)，N 4.44 (4.44)，Cu(Ⅱ) 10.08(10.16)，计算出PCS与Cu(Ⅱ)摩尔配比1∶0.5。Schiff-Cu13元素分析（%，括号里为计算值）: C 48.47(48.90)，H 4.66(4.70)，N 4.33(4.39)，Cu(Ⅱ) 16.38(17.05)，计算出PCS与Cu(Ⅱ)摩尔配比1∶0.85。

1.3 抗氧化活性

根据已报道文献[7]的经典实验过程，测定了PCS、Schiff-Cu11和Schiff-Cu13对超氧负离子自由基和羟自由基的清除作用。

2 结果与讨论

2.1 表征

COS、对羟基苯甲醛、PCS、Schiff-Cu11和Schiff-Cu13用1.0 %的醋酸溶解，配制1.0 mg/mL的溶液测定紫外光谱图，如图1所示。COS只在199 nm有1个强吸收峰，对羟基苯甲醛在302 nm、254 nm存在吸收峰。PCS在282 nm、220 nm和200 nm处出现三个紫外吸收峰，分别归属为酚亚胺C=N基团n→π* 跃迁、芳香类化合物特有的B带吸收带和酚亚胺C=N产生π→π* 跃迁。PCS与金属铜离子发生配位后，PCS配体的特征峰在配合物中仍然存在，但均有不同程度的位移，Schiff-Cu11中酚亚胺的的R带吸收峰和芳香类化合物B带吸收带仅在267 nm有峰，K带吸收峰红移至209 nm，Schiff-Cu13中酚亚胺的R带吸收峰和芳香类化合物B带吸收带仅在250 nm有峰，K带吸收峰红移至207 nm。紫外光谱图表明PCS和Cu2+配位形成了新的化合物。

对羟基苯甲醛、COS、PCS、Schiff-Cu11和Schiff-Cu13的红外光谱如图2所示。COS在1606.7 cm-1归属为N-H的变形振动，在1028 cm-1和1069 cm-1处的吸收分别是伯醇羟基和仲醇羟基的伸缩振动吸收峰。形成PCS后，在1603.2 cm-1处出现的吸收峰归属为-C=N的吸收，而伯、仲醇羟基的吸收峰位未发生变化，并在1216.3 cm-1和775 cm-1处分别出现酚羟基和苯环的特征吸收峰。PCS与铜离子形成配合物后，1603.2 cm-1处-C=N的吸收峰位移至1607 cm-1，1216.3 cm-1处的酚羟基吸收峰位移至1265 cm-1，1028 cm-1和1069 cm-1处伯、仲醇羟基的吸收峰分别位移至1020 cm-1和1084 cm-1处，并在692 cm-1、673 cm-1、603 cm-1、526 cm-1、494 cm-1、421～354 cm-1出现O-Cu和N-Cu的吸收峰。说明PCS中酚羟基中氧原子、-C=N中氮原子、伯、仲醇羟基的氧原子参与了配位。

图1 COS (1)、对羟基苯甲醛(2)、PCS (3)、Schiff-Cu11(4)和Schiff-Cu13(5)的紫外光谱

图2 对羟基苯甲醛(1)、COS(2)、PCS (3)、 Schiff-Cu11(4)和Schiff-Cu13(5)的红外光谱

配合物的TG-DTA-DTG曲线如图3所示。Schiff-Cu11配合物在150℃以下没有如何热效应，说明配合物中不存在游离水和配位水；在150～600℃范围，配合物失重59.2%，在200℃时失重速率最大，对应出现一强的放热峰，该过程属于希夫碱配体的氧化分解。当温度继续升至700℃以后，失重曲线趋于平缓，至950℃时质量仍有36.8%的剩余，说明最终燃烧分解后的产物为氧化铜。Schiff-Cu13配合物在0～150℃质量失重2.5%，说明配合物中含有配位水；在150～600℃范围，配合物失重54%，在242.3℃时失重速率最大，对应出现一强的放热峰，该过程是希夫碱配体的氧化分解所致。当温度继续升至700℃以后，失重曲线显示较为平缓，升至950℃时质量剩余34.2%，说明最终燃烧分解后的产物为氧化铜。

图3 Schiff-Cu11(a)和Schiff-Cu13(b)的TG-DTG-DTA分析

2.2 电化学行为

玻碳电极为工作电极，Pt片电极为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，在氮气气氛下测定配合物的循环伏安曲线。以0.5 V/s的速率扫描，发现在－0.8 V～1.2V的电位范围内PCS没有任何氧化还原峰，而和Cu2+形成Schiff-Cu11和Schiff-Cu13配合物后，在玻碳电极表面均有电化学响应，其中Schiff-Cu11在0.137 V和0.488 V处有两个强氧化峰，Schiff-Cu13在0.166 V和0.518 V处有两个强氧化峰，但都没有观察到相应的还原峰，如图4所示。表明PCS与Cu2+参与了配位反应，生成的Schiff-Cu11和Schiff-Cu13具有电化学活性，并且配合物Schiff-Cu11和Schiff-Cu13在玻碳电极表面的氧化反应速率较大，具有灵敏的氧化峰电流[8]，说明配合物在玻碳电极上的反应属于不可逆的氧化反应。

扫速对配合物Schiff-Cu11和Schiff-Cu13循环伏安曲线的影响如图5所示。由图5可知，随着扫描速率的增大，氧化峰电流也随之增强，并且峰电位不断往正方向移动。当扫描速率在0.025～1.0 V/s变化时，Schiff-Cu11在0.137 V处氧化峰电流（Ipa）与扫描速率（v）的平方根之间存在良好的线性关系，其线性方程为：Ipa(10-4A) =0.35～10.03v1/2（R=0.998 1）；Schiff-Cu13在0.166 V处氧化峰电流（Ipa）与扫描速率（v）的平方根之间也存在良好的线性关系，其线性方程为：Ipa(10-4A) =0.63～10.55v1/2（R=0.995 2）。这些结果表明配合物Schiff-Cu11和Schiff-Cu13在玻碳电极上的反应主要由扩散过程控制。

图4 PCS (a)、Schiff-Cu11(b)和Schiff-Cu13(c)的循环伏安曲线

图5 扫速对Cu(Ⅱ)配合物循环伏安曲线的影响

2.3 抗氧化活性

PCS、Schiff-Cu11和Schiff-Cu13对·O2-和OH-的清除率如图6所示。由图6可知，PCS、Schiff-Cu11 和Schiff-Cu13对·O2-和OH-均具有不同程度的清除效果，其中配合物Schiff-Cu11和Schiff-Cu13对两种自由基的清除率均大于配体PCS，但是远远小于阳性对照Vc。并且发现，随着样品质量浓度的逐渐增大，对·O2-和OH-自由基的清除率也随之逐渐提高，说明清除率的大小与浓度之间呈正相关。Vc、PCS、Schiff-Cu11和Schiff-Cu13分别对·O2-和OH-的清除能力大小一致，从强到弱依次都是Vc＞Schiff-Cu13＞Schiff-Cu11＞PCS。这可能是由于：一方面，PCS分子中存在的C=N、N-H和O-H活性基团能够与自由基发生反应；另一方面，Cu2+的d轨道电子较活泼，并且存在空轨道，这样Cu2+也容易与自由基之间发生反应，从而表现出一定的抗氧化活性。抗氧化实验结果表明配合物Schiff-Cu11和Schiff-Cu13对·O2-和OH-均具有清除能力，且抗氧化活性强于PCS，可能是形成配合物后构型发生改变，Cu2+和PCS的协同作用所致。

图6 PCS、Schiff-Cu11和Schiff-Cu13清除· O2-(a)和OH-(b)的能力

3 结论

1）PCS的-C=N中氮原子、酚羟基中氧原子、伯仲羟基仲氧原子均参与了与Cu2+的配位。

2）生成的金属配合物具有电化学活性，在玻碳电极上的反应主要由扩散过程控制。

3）PCS、Schiff-Cu11和Schiff-Cu13对·O2-和OH-均具有清除能力，清除率的大小与浓度之间呈正相关，清除能力从强到弱依次为Vc＞Schiff-Cu13＞Schiff-Cu11＞PCS。

参考文献：

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Preparation，Characteristic，Electrochemical Behavior and Antioxidant Activity of Oligochitosan Schiff Base Copper Complex

LI Xiao-fang1, FENG Xiao-qiang1, YANG Sheng2

（1.College of Life Science and Chemistry, Tianshui Normal University, Tianshui 741001, China; 2.Ding Xi Teachers’College, Dingxi 743000, China）

Abstract:Schiff base was synthesized by the reaction of oligochitosan with p-hydroxybenza-dehyde, and acted it as ligand to prepare schiff base-copper complexes.The structures of these coordination complexes were characterized with infrared spectroscopy, UV-visible spectroscopy and thermal weight methods.Moreover, the antioxidant activities of Schiff base-copper complexes were evaluated.Results showed that coordination was happened between the N atom of -C=N group, O atom of phenolic hydroxyl group, O atoms of primary and secondary hydroxyl group and copper ion.Cyclic voltammetry curves indicated that Schiff base-copper complexes possessed electrochemical activity, and the reaction of central Cu2+at glassy carbon electrodes was controlled by diffusion process mechanism in the range of scan rate from 0.025 to 1.0 V/s.Complexes exhibited the antioxidant activity in different level.The order of Schiff base-copper complex’s scavenging effect on superoxide anion radical and hydroxyl radical was Schiff-Cu13＞Schiff-Cu11＞PCS.The content of Cu2+was related to antioxidant activity of schiff base-copper complex.

Key words:schiff base; Cu(Ⅱ) complex; electrochemical behavior; antioxidant activity

中图分类号：O611.4

文献标识码：A

文章编号：1004-8405(2016)01-0055-06

DOI:10.16561/j.cnki.xws.2016.01.09

收稿日期：2015-11-12

基金项目：天水师范学院“青蓝”人才工程和中青年教师科研资助项目（TSA1508）。

作者简介：李小芳（1983～），女，实验师；研究方向：天然高分子生物活性的研究。tslxffxq@163.com