铜L-色氨酸配合物的合成与表征

刘　慧，李少萍，党亚茹，邹　涛，潘婷婷，张建兵，赵红卫*

(1.华东理工大学　化工学院，上海　200237；2.中国科学院　上海应用物理研究所　 中国科学院微观界面物理与探测重点实验室，上海　201800)



铜L-色氨酸配合物的合成与表征

刘慧1,2，李少萍1*，党亚茹1,2，邹涛1,2，潘婷婷1,2，张建兵2，赵红卫2*

(1.华东理工大学化工学院，上海200237；2.中国科学院上海应用物理研究所 中国科学院微观界面物理与探测重点实验室，上海201800)

利用液相反应合成法制得了铜(Ⅱ)和L-色氨酸的配合物，结合元素分析、差示扫描量热与热重分析联用、粉末X射线衍射法以及红外光谱实验手段对该配合物进行表征。结果表明，1个铜离子能够与2个L-色氨酸分子通过侧链氨基上的氮原子和羧基上的氧原子配合，形成稳定的配合物。利用太赫兹时域光谱法获得了室温条件下铜-L-色氨酸配合物在低频波段的光谱特征，并结合密度泛函理论计算对太赫兹光谱进行分析。该配合物在太赫兹波段的吸收对应于分子整体的振动，涉及吲哚环和侧链的扭曲振动。研究结果有助于深入了解铜离子与氨基酸的相互作用，以及铜离子在复杂生物体中所起的作用。

铜离子；L-色氨酸；金属配合物；分析方法；太赫兹时域光谱

铜是人和动物生长必需的微量元素，对造血和中枢神经系统的发育、骨骼及结缔组织的形成具有重要作用。铜的氨基酸配合物在体内和体外的活性较高，可作为抗癌抑制剂使用[1-2]。色氨酸是人和动物必需的氨基酸，在调节蛋白质的合成、提高人体免疫力及促进消化方面具有重要作用[3]。色氨酸分子含有吲哚环以及氨基和羧基，能够给金属铜提供多个配位点[4-5]。一些光谱手段已被用于铜离子和色氨酸的相互作用和性质的研究。最近，Yorita等[6]利用紫外和圆二色光谱首次给出了铜离子和色氨酸在溶液中存在离子π作用的光谱学证据。Tabak等[7]利用时间分辨荧光光谱研究了铜离子和色氨酸形成配合物时氨基酸的荧光猝灭。铜离子和氨基酸类物质所形成的配合物还具有良好的抗炎、抗溃疡和抗惊厥性[8]，深入研究这些氨基酸与Cu2+配合物的结构与性质，对于理解铜元素在生物体中的传输和作用具有重要意义。

本文利用液相反应合成法制得了铜(Ⅱ)和L-色氨酸(Trp)的配合物，结合元素分析、差示扫描量热与热重分析联用、粉末X射线衍射法、太赫兹时域光谱和红外光谱表征手段对铜氨基酸配合物(Cu-Trp配合物)进行表征，对其元素组成、热力学性质以及结构等进行了探究，并结合密度泛函理论(DFT)对太赫兹低频波段该配合物的振动光谱进行了理论分析和讨论。

1　实验部分

1.1仪器与试剂

Elementar Corporation Vario EL Ⅲ元素分析仪；NETZSCH STA 449 F3 Jupiter®同步TG-DSC热分析仪(德国耐驰公司)；X'Pert Pro多晶衍射仪(荷兰帕纳科公司)；太赫兹时域光谱系统(天津大学)；TENSOR 27 红外光谱仪(德国Bruker Optics公司)。

L-色氨酸(Trp，纯度99%，百灵威科技有限公司)；CuCl2·2H2O(纯度99%，国药集团化学试剂有限公司)。所有药品使用前未进一步纯化。

1.2Cu-Trp 配合物的合成

称取1.113 8 g的Trp溶于100 mL超纯水中，逐滴加入20 mL的0.5 mol/L CuCl2溶液，搅拌，不断产生沉淀。静置2 d后，将沉淀过滤，用超纯水淋洗多次，经冷冻干燥，得到一种难溶于水和乙醇等有机溶剂的蓝色沉淀。

1.3差示扫描量热与热重分析联用

利用NETZSCH STA 449 F3 Jupiter®同步TG-DSC热分析仪(德国耐驰公司)，获得原料Trp(2.6 mg)和Cu-Trp配合物(2.3 mg)的DSC-TG谱。采用带盖未密封铂坩埚，测量温度范围20～300 ℃，升温速率10 ℃/min，分别以60，20 mL/min氩气为吹扫气体和保护气。数据用Proteus thermal analysis软件处理。

1.4太赫兹时域光谱技术

实验用THz-TDS系统采用光电导天线发射和接收THz波，Maitai飞秒激光器(Spectra-Physics，中心波长800 nm，脉宽< 100 fs，平均功率> 700 mW，重复频率80 MHz)为抽运源，THz频谱范围为0.1～2.0 THz，系统信噪比大于10 000∶1。将所测样品以质量比1∶3与高密度聚乙烯粉末混合，用压片机压制成直径为13 mm，厚度约为1.2 mm的薄片。聚乙烯在所测量的THz波段吸收很低，在THz光谱测量中常作为衬底。将样品置于THz光路中，以干燥空气为参考，测得样品的透射谱。依照文献[9]方法得到整个样品的折射率和吸收系数。在室温下进行测量，测量过程中湿度保持在2%左右。

2　结果与讨论

2.1元素分析

所制备的样品为蓝色细小颗粒，不溶于水和大部分有机溶剂(甲醇、乙醇、丙酮和氯仿)，微溶于二甲亚砜[10]。将蓝色沉淀样品进行元素分析，得到C，N，H的质量分数分别为55.33%，11.80%，4.59%。铜离子可与2个氨基酸分子发生络合反应[11-12]。通过分子式计算，得到C，N，H的质量分数分别为56.17%，11.91%，4.68%。证明金属配合物的分子式为Cu(C11H11N2O2)2。

2.2DSC-TG测量

图1为Trp和Cu-Trp配合物的DSC-TG曲线。Trp原料和Cu-Trp配合物在100 ℃左右均未观察到吸热峰和质量损失，说明两种物质均不含结晶水。Trp的TG曲线在30～268.1 ℃范围内呈现一定的稳定性。从268.1 ℃升至329.4 ℃，质量损失20.59%，可认为是Trp失去1个COOH(理论值为22.06%)，形成了中间胺产物[13]。 DSC曲线同时伴有1个明显的吸热峰，292.8 ℃处的吸热峰由化合物的热分解引起，峰的吸热量为312.5 J/g。从TG曲线可以看出，Cu-Trp配合物在266.8 ℃之前较稳定，266.8 ℃至329.3 ℃，质量损失22.85%，可认为Cu-Trp配合物受热分解，推测可能是由于两个配体Trp发生部分脱羧引起(理论值为18.72%)。DSC曲线同时伴有1个吸热峰，在268.6 ℃处有一明显的熔解峰，峰的吸热量为181.5 J/g。从两种物质的DSC-TG曲线可以看出，Cu2+和Trp形成了较稳定的配合物，其热稳定性与Trp相近。

2.3PXRD测量

2.4THz光谱

近年来，THz-TDS作为一种新的光谱手段，在生物分子结构表征和分子弱相互作用研究方面取得了诸多进展[17-19]。利用THz-TDS测得Trp和Cu-Trp配合物在0.2～2.0 THz(6.7～66.7 cm-1)的吸收系数和折射率变化见图3。Trp在1.44,1.81 THz处的两个吸收峰与文献报道[20]一致，其中1.44 THz处为侧链的扭曲振动，1.81 THz处为吲哚环的扭曲振动。从图3可以看出，Cu-Trp配合物有3个峰，其中在1.44和1.79 THz处的两个吸收峰与Trp两个吸收峰的位置基本一致。吸收峰位置的相似在一定程度上反映了Cu-Trp配合物中存在支链和吲哚环的扭曲振动。Cu-Trp配合物在0.64 THz处有1个明显的吸收峰。由于THz吸收谱主要反映分子的振动、转动以及晶格振动等[21]，而Cu2+的出现，使得Trp分子周围的环境发生了变化，并使分子间原有的相互作用受到影响，空间排布发生了改变。

为了更好地从分子层面上理解Cu2+与Trp配合物的结构，利用Gaussain 09软件包对其振动光谱进行模拟计算。采用DFT中的B3LYP方法，选择6-31++G(d,p)基组[4,22]进行Cu-Trp配合物结构优化和THz光谱的计算。对计算出的频率乘以经验系数0.961 4进行校正[23]，与实际所得的THz光谱进行比较。Cu2+通过Trp侧链氨基上的氮和羧基上的氧成键[11-12]，结合位点和钯(Pd)、铂(Pt)等其他二价金属类似[4,22]，Cu-Trp配合物的结构示意图如图4A所示，计算结果如图4B所示。计算光谱和实验光谱经归一化以消除吸收峰强度的影响。与实验得到的THz光谱进行比较，计算所得光谱在峰的个数、强度和部分峰位上有较好的吻合。如1.0 THz之前的低频波段中，计算所得的0.67 THz(21 cm-1)和实验值0.64 THz(21 cm-1)相吻合。而理论计算所得的2.03 THz(68 cm-1)和2.38 THz(79 cm-1)处的吸收峰，与实验所观察到的1.44 THz(48 cm-1)和1.79 THz(60 cm-1)存在一定偏差，但峰的强度与形状，以及两峰之间的差值Δf(实验值和计算值的差值均为0.35 THz)相吻合。其中，造成偏差的主要原因可能是由于实验在室温下进行，测量结果受样品颗粒度、参杂PE及环境的温湿度等因素影响；而理论模拟是在0 K、无外界环境干扰的理想条件下进行。此外，由于确切的晶胞结构和参数未获得，所采用的单分子计算未考虑分子之间的相互作用力。但即便如此，理论计算所获得的信息仍为从分子层面理解THz光谱和分子结构提供了帮助。研究结果表明，实验所获得的3个吸收峰均反映了分子整体的运动，包括吲哚环及侧链的扭曲振动，说明Cu2+的参与显著影响了Trp分子的排布。FTIR测量则进一步反映了中红外区的变化。

2.5FTIR光谱

3　结　论

本文利用液相反应合成方法制备了Cu2+和Trp的金属配合物，经元素分析测定了金属配合物中C，N，H元素的质量分数，验证其化学式为Cu(C11H11N2O2)2；DSC-TG结果显示Cu-Trp配合物具有较好的热稳定性，在292.8 ℃处有一明显的熔解分解峰，提示化合物中存在结构单元的分解；PXRD结果表明，Cu-Trp配合物与Trp原料的晶体结构有明显差异；利用THz-TDS和FTIR光谱获得了化合物在远红外THz波段(6.7～66.7 cm-1)和中红外波段(400～4 000 cm-1)的光谱信息，其中THz波段体现了分子的整体运动，中红外波段反映了官能团的振动。研究表明Cu2+与文献报道的Pd2+，Pt2+一样能够与Trp通过氨基上的氮原子和羧基上的氧原子配合成键。

[1]Chauhan M,Banerjee K,Arjmand F.Inorg.Chem.,2007,46(8):3072-3082.

[2]Onoa B,Moreno V.TransitionMet.Chem.,1998,23(4):485-490.

[3]Chuang C H,Chen Y T.J.RamanSpectrosc.,2009,40(2):150-156.

[4]Carvalho M A,Souza B C,Paiva R E F,Bergamini F R G,Gomes A F,Gozzo F C,Lustri W R,Formiga A L B,Rigatto G,Corbi P P.J.Coord.Chem.,2012,65(10):1700-1711.

[5]Shimazaki Y,Takani M,Yamauchi O.DaltonTrans.,2009,(38):7854-7869.

[6]Yorita H,Otomo K,Hiramatsu H,Toyama A,Miura T,Takeuchi H.J.Am.Chem.Soc.,2008,130(46):15266-15267.

[7]Tabak M,Sartor G,Neyroz P,Spisni A,Cavatorta P.J.Lumin.,1990,46(5):291-299.

[8]Sorenson J R J.J.Med.Chem.,1976,19(1):135-148.

[9]Han J G,Zhang W L,Chen W,Thamizhmani L,Azad A K,Zhu Z Y.J.Phys.Chem.B,2006,110(5):1989-1993.[10]Claudia C W,Enrique J B.ActaFarm.Bon.,2004,23(3):339-342.

[11]Allen H C,Becker J W,Mandriol M.J.Chem.Phys.,1972,56(2):997-999.

[12]Siu C K,Ke Y,Guo Y,Hopkinson A C,Siu K W M.Phys.Chem.Chem.Phys.,2008,10(38):5908-5918.

[13]Zhao Q J,Xu G D,Yan C N,Zhang Z H,Qu S S.AminoAcids&BioticResources(赵群金，徐桂端，颜承农，张忠海，屈松生.氨基酸和生物资源)，1997,19(4):8-11.

[14]Engberg A.ActaChem.Scand.,1970,24(10):3510-3526.

[15]Görbitz C H,Törnroos K W,Day G M.ActaCrystallogr.B,2012,68:549-557.

[16]Cao X L,Fischer G.J.Phys.Chem.A,1999,103(48):9995-10003.

[17]Ho L,Pepper M,Taday P.Nat.Photon,2008,2(9):541-543.

[18]Beard M C,Turner G M,Schmuttenmaer C A.J.Phys.Chem.B,2002,106(129):7146-7159.

[19]Ferguson B,Zhang X C.Nat.Mater.,2002,1(1):26-33.

[20]Yu B,Zeng F,Yang Y,Xing Q,Chechin A,Xin X,Zeylikovich I,Alfano R R.Biophys.J.,2004,86(3):1649-1654.[21]Nguyen K L,Friscic T,Day G M,Gladden L F,Jones W.Nat.Mater.,2007,6(3):206-209.

[22]Carvalho M A,Shishido S M,Souza B C,de Paiva R E F,Gomes A F,Gozzo F C,Formiga A L B,Corbi P P.Spectrochim.ActaA,2014,122:209-215.

[23]Scott A P,Radom L.J.Phys.Chem.,1996,100(41):16502-16513.

[24]Qu N,Zhu M C,Dou S.J.Instrum.Anal.(曲楠，朱明超，窦森.分析测试学报)，2015,34(1):120-126.

[25]Duncan M A.Int.Rev.Phys.Chem.,2003,22(2):407-435.

[26]Carvalho M A,de Paiva R E F,Bergamini F R G,Gomes A F,Gozzo F C,Lustri W R,Formiga A L B,Shishido S M,Ferreira C V,Corbi P P.J.Mol.Struct.,2013,1031:125-131.

Synthesis and Characterization of Copper L-Tryptophan Complex

LIU Hui1,2,LI Shao-ping1*,DANG Ya-ru1,2,ZOU Tao1,2,PAN Ting-ting1,2,ZHANG Jian-bing2,ZHAO Hong-wei2*

(1.School of Chemical Engineering,East China University of Science and Technology,Shanghai200237,China;2.Key Laboratory of Interfacial Physics and Technology,Chinese Academy of Sciences,Shanghai Institute of Applied Physics,Chinese Academy of Sciences,Shanghai201800,China)

A copper(Ⅱ)L-tryptophan complex was synthesized in aqueous solution and characterized by element analysis,differential scanning calorimetry and thermogravimetry,powder X-ray diffraction and Fourier transform infrared spectroscopy.The results showed that the compound had a good stability.A copper ion could combine with twoL-tryptophan molecules through the nitrogen of the amine group and one oxyen of the carboxyl group.The low-frequency vibrational spectrum was measured by terahertz time-domain spectroscopy(THz-TDS) at room temperature.Density functional theory was employed to calculate the low-frequency vibrational properties.The result indicated that THz absorption spectrum mainly reflected the collective vibrational modes of the whole molecules including the distortional vibration of indole ring and the side chain.The studies are helpful to understand the interaction of copper ion with amino acid and the role of the copper ion in complex organisms.Key words：copper;L-tryptophan;metal complex;analysis method;terahertz time-domain spectroscopy(THz-TDS)

2015-11-04；

2015-12-20

国家重点基础研究发展计划(2014CB339806)；中国科学院微观界面物理与探测重点实验室开放课题

李少萍，博士，副教授，研究方向：石油化工，Tel:021-64251934,E-mail:spli@ecust.edu.cn

赵红卫，博士，副研究员，研究方向：太赫兹技术，Tel:021-39194818，E-mail:zhaohongwei@sinap.ac.cn

doi:10.3969/j.issn.1004-4957.2016.06.018

O657.3;O629.7

A

1004-4957(2016)06-0734-05