基于酰腙类Schiff碱的锌和镉配合物的合成、晶体结构和性质

陈延民 冯英健 蔡明瑜 方雅倩 解庆范

(泉州师范学院化工与材料学院，泉州 362000)

基于酰腙类Schiff碱的锌和镉配合物的合成、晶体结构和性质

陈延民 冯英健 蔡明瑜 方雅倩 解庆范＊

(泉州师范学院化工与材料学院，泉州 362000)

采用溶剂挥发法合成了配合物[M(HBrsth)2](M=Zn(1)，Cd(2)，H2Brsth=5-溴水杨醛缩噻吩-2-甲酰腙)和配合物[Cd(L)2](3，HL=2-乙酰基吡啶缩异烟酰腙)，并经元素分析、红外光谱、紫外光谱和热重分析等对它们进行了表征。用X射线单晶衍射分析确定了配合物1和3的晶体结构，1属单斜晶系，C2/c空间群，呈现一维链状配位聚合结构；3属正交晶系，C2cb空间群。用MTT法测试了配合物对人肝肿瘤细胞HEPG2和人结肠癌细胞SW620的增殖抑制作用。还研究了配合物的发光性质。

酰腙；配合物；晶体结构；发光性质；抗癌活性

0 引 言

Schiff碱金属配合物在催化剂、医药和发光材料等方面具有广阔的应用前景，因而备受研究者关注[1-3]。Znギ和Cdギ等具有d10特征的金属离子不仅有稳定的电子构型，而且当它们与共轭程度较大的有机配体形成配合物时,有可能引发金属到配体或配体到金属的电荷转移跃迁，从而改变配体的发光性能。尤其是镉配合物的激发态能级较低，更有利于能量的传递[4]。在生物活性方面，锌是多种酶的活性中心，在生理活动中起着重要的作用。随着对Schiff碱金属配合物的研究，已经发现许多锌配合物具有抗癌活性[5-7]。酰腙类Schiff碱稳定性好，其配位环境与生物体相似，与金属的配位能力强，形成的配合物往往呈现比配体更强的生物活性[8]；配位方式具有多样性，既能以烯醇式配位，也可以酮式配位，通过对取代基团的修饰，可以获得结构和性质各异的配合物。例如，R2-C(O)NH-N=C-R1，当其中R1为水杨基时，其羟基能以单齿参与螯合配位(Scheme 1，a 或 b)，或 μ2-螯合/桥联配位(c)，或 μ3-螯合/桥联配位 (d)，从而形成单核、双核和多核配合物[9-11]。而本文合成的锌配合物[Zn(HBrsth)2]中，酚羟基以少见的单齿桥联方式配位，羟基和酰腙基分别与不同的金属锌离子结合，形成一种一维配位聚合物。当R2为4-吡啶基时，吡啶基是否参与配位，酰腙是以酮式构型配位，还是以烯醇式构型配位，这些不仅与金属离子的电子构型及性质、介质的酸碱度、第二配体等因素有关，还与R1的结构有关[11-13]。因此，为了进一步理清酰腙配体可能的配位方式，为分子设计提供重要的信息，作为前期研究工作的延续，本文主要报导5-溴水杨醛缩噻吩-2-甲酰腙的锌配合物[Zn(HBrsth)2]和2-乙酰基吡啶缩异烟酰腙的镉配合物[Cd(L)2]的晶体结构，分析它们的光谱特征，初步研究了它们的发光性能；同时，用MTT法测试了它们的抗癌活性，结果显示[Zn(HBrsth)2]对人肝癌细胞HEPG2呈现良好的抑制作用。

Scheme 1 Coordination modes of acylhydrazone

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

Elmentar Vario EL元素分析仪 (德国)；Nicolet公司is10型FT-IR红外光谱仪(美国)；美普达UV-1800PC型紫外-可见分光光度计(上海)；塞驰STA 409 PC型综合热分析仪 (德国)；Bruker Smart Apex CCD 单晶衍射仪(德国)；Varian CARY/Eclipse型荧光分光光度计(美国)。所用试剂均为分析纯。

1.2 配合物的合成

1.2.1 配合物[Zn(HBrsth)2]n(1)和[Cd(HBrsth)2](2)的合成

5-溴水杨醛缩噻吩-2-甲酰腙(H2Brsth)合成方法参考文献[11]进行。取0.1 mmol H2Brsth溶于20 mL甲醇和5 mL DMF的混合溶剂中，再加入0.1 mmol乙酸锌和0.2 mmol乙酸钠，在70℃左右水浴加热搅拌回流90 min，析出黄色粉末。冷却、过滤，取少量固体产物用 2 mL甲醇、3 mL DMF和 1 mL DMSO混合溶剂重结晶，15 d后析出适合X射线单晶衍射分析的淡黄色针状晶体。元素分析按C24H16Br2N4O4S2Zn 的计算值 (%)：C 40.39，H 2.26，N 7.85；实测值(%)：C 40.33，H 2.19，N 7.89。 IR(cm-1)：1 653w，1 605w，1 559vs，1 525vs，1 423s，1 383vs，1 161s，1 059s，835m，743s，704s，631m。

以乙酸镉代替乙酸锌，20 d后析出黄色块状晶体2，但不适合X射线单晶衍射分析。元素分析按C24H16Br2N4O4S2Cd 的计算值 (%)：C37.89，H 2.12， N 7.37；实测值(%)：C 37.76，H 2.16，N 7.33。 IR(cm-1)：1 614s，1 592vs，1 559s，1 523m，1 456vs，1 418s，1 376s，1 168s，846m，816m，719s，692m，638w。

1.2.2 配合物[Cd(L)2](3)的合成

2-乙酰基吡啶缩异烟酰腙(HL)的合成方法参考文献[13]进行。取0.2 mmol HL和0.2 mmol硝酸镉，溶解于20 mL甲醇，用氢氧化钠调pH≈6.5，用水浴在70℃左右加热搅拌回流2 h，冷却至室温，过滤，滤液静置1个月后析出3的浅黄色块状单晶。元素分析按 C26H22CdN8O2的计算值 (%)：C 52.85，H 3.75，N 18.96；实测值(%)：C 52.79，H 7.81，N 18.88。IR(cm-1)：1 592s，1 570s，1 501vs，1 459s，1 360s，1 160s,1 063s,843w，783s，711s。

1.3 晶体结构测试

选取 0.46 mm×0.10 mm×0.09 mm(1)和 0.36 mm×0.24 mm×0.18 mm(3)的单晶置于单晶衍射仪上，用经石墨单色器单色化的Mo Kα射线(λ=0.071 073 nm)，以φ～ω扫描方式收集单晶衍射数据。全部强度数据均经Lp因子校正，并进行了经验吸收校正，晶体结构由直接法解出，对全部非氢原子坐标及其各向异性热参数进行全矩阵最小二乘法修正，氢原子由理论加氢法得到。结构解析采用SHELXS程序包[14]，结构精修采用SHELXL程序包[15]完成。晶体学数据详见表1。

CCDC：1432467，1；1450427，3。

表1 配合物的晶体学数据Table1 Crystallographic data for the complexes

图1 配合物1中Znギ的配位环境Fig.1 Coordination environment of the Cdギin 1

2 结果与讨论

2.1 晶体结构

2.1.1 配合物1的晶体结构描述

配合物[Zn(HBrsth)2]n(1)的晶体结构见图1，1属单斜晶系C2/c空间群，它的基本结构基元由1个中心离子Znギ和2个带一个负电荷的5-溴水杨醛缩噻吩-2-甲酰腙配体HL-组成。其中酰腙配体以酮式构型参加配位，羰基C5-O1键长0.124 9 nm，亚胺基C6-N2键长0.128 8 nm；由于N1与亚胺基和羰基p-π共轭的结果，N1-N2和N1-C5的键长较单键短得多，分别为0.137 5和0.133 5 nm。酚羟基脱除质子参加配位而使配体带一个负电荷。中心离子Znギ的配位数为6，处于ZnN2O4的八面体配位环境。其中，位于赤道上的4个配位原子分别来自2个配体的羰基氧原子和亚胺基的氮原子，酰腙基团与锌配位形成五元环，键角 79.1(9)°～100.9(9)°，Zn-O 和Zn-N键长分别为0.205 0(2)和0.206 2(2)nm。来自第三和第四个配体的酚盐氧原子O2则位于轴向，O(2)i-Zn(1)-O(2)iii的键角为 180°，O(2)i-Zn(1)键长为0.229 3(2)nm。 C7-O2-Zn1iv键角为 124.36°，说明酚羟基氧原子以sp3杂化轨道与锌离子配位。正是由于酰腙配体的酚羟基氧原子的桥联作用，使得整个配合物沿b轴方向形成一维链状配位聚合物(图2)。水杨醛类Schiff碱的酚羟基通常采用螯合方式配位，而采用这种单纯的桥联配位方式实属罕见。苯环与噻吩环的二面角为22.2°，N2-C6-C7-C12扭转角为26.4°，可见酚羟基的这种配位作用减小了苯环与亚胺基的共轭作用。C3-C4-C5-O1扭转角为179.2°，说明羰基与噻吩环保持较好的共平面。

表2 配合物1的主要键长和键角Table2 Selected bond lengths(nm)and angles(°)of 1

表3 配合物3的主要键长和键角Table3 Selected bond lengths(nm)and angles(°)of 3

图2 配合物1的一维配位聚合结构Fig.2 One-dimensional coordination polymer structure of 1

图3 配合物3的分子结构Fig.3 Molecular structure of complex 3

2.1.2 配合物3晶体结构描述

配合物[Cd(L)2](3)的分子结构见图3，晶体属正交晶系，C2cb空间群，由1个Cdギ离子和2个2-乙酰基吡啶缩异烟酰腙配体组成。其中，酰腙HL以烯醇式构型并去质子化与金属配位，Cdギ与羰基的氧原子，亚胺基的氮原子和吡啶环上的氮原子配位，形成畸变的CdN4O2配位八面体。Cd1-N1和Cd1-N2键长分别为 0.233 7(3)和0.223 7(2)nm；Cd1-O1键长为 0.227 3(4)nm。键角为 69.12(10)°～173.5(2)°。配体的非氢原子几乎都处于同一平面，2个吡啶环的二面角为6.1°。由于酰腙片段的共轭程度增大，相应的化学键的键长与配合物1相比变短，C8-O1键长 0.124 0 nm，C6-N2键长 0.127 3 nm，N2-N3键长0.136 2 nm，N3-C8键长0.131 4 nm。

2.2 紫外光谱分析

如图4所示，配体H2Brsth在265 nm处的吸收带归属π→π*电子跃迁，即所谓的B带；在配合物1和2中分别红移至270和272 nm。H2Brsth在294和306 nm处的吸收带来自亚胺基和羰基的n→π电子跃迁，形成配合物1后红移至314 nm，形成2后则红移至310及324 nm。H2Brsth在339和405 nm处的吸收带可能来自分子内不同能级间的荷移跃迁(ILCT)，而在配合物1和 2中，382、402和 424 nm与406和425 nm处的强吸收带，则归属配体到金属的荷移跃迁(LMCT)。2与1相似的光谱特征可以归结为它们的配体具有相似的配位方式。

图4 H2Brsth、配合物1和2的紫外可见光谱图Fig.4 UV-Vis spectra of compounds H2Brsth,1 and 2

配合物3中配体采用烯醇式构型配位，而游离的酰腙配体通常以酮构型存在。因此，3与HL光谱特征存在显著的差异。由图5可见，HL在295 nm处出现宽而强的吸收带，它可能是亚胺基与吡啶、羰基与吡啶两个片段共轭体系的π→π*电子跃迁(即K带)与亚胺基和羰基的n→π电子跃迁 (即R带)共同叠加的结果；369 nm处的吸收带来自配体内部的荷移跃迁。配合物3的π→π*电子跃迁位于270 nm，而379 nm处的强吸收属于配体至金属的荷移跃迁(LMCT)。

图5 配体HL和配合物3的紫外光谱Fig.5 UV-Vis spectra of ligand HL and complex 3

2.3 荧光光谱

以DMF为溶剂考查了化合物的光致发光性质，结果见图6和7。由图6可见，H2Brsth的锌配合物在429 nm波长的入射光激发下可发射蓝色荧光，荧光最大发射波长位于477 nm。发光行为与配体H2Brsth[13]相似，但 1 的斯托克斯位移(λem-λex=48 nm)比H2Brsth(70 nm)小，这是因为形成配合物后，配体分子的刚性增强，减少了分子的振动，一定程度上避免了激发能因热运动而以热能形式损失。镉配合物2在446 nm波长光激发下，则发射绿色荧光，最大发射波长为502 nm，斯托克斯位移为56 nm。

图6 配合物1和2的荧光光谱Fig.6 FL spectra of complexes 1 and 2

配体HL没有发光性质，可能是因为甲基的空间位阻导致分子的共平面程度小，电子流动性差。形成配合物后配体的非氢原子几乎完全共平面，分子的共轭程度增大且分子的刚性增强，量子化效率增大，从而表现出较强的发光性能，在426 nm光激发下，可发射蓝色荧光(λem=471 nm)(图 7)。

图7 配合物3的荧光光谱Fig.7 FL spectrum of complex 3

2.4 抗肿瘤活性

以DMSO为溶剂，采用MTT法初步考查了配合物对癌细胞的体外增殖抑制作用。根据Shier[16]的建议，当 IC50值小于 5 μg·mL-1时，属强抑制活性；在 5～10 μg·mL-1之间，属中等抑制活性；在 10～25 μg·mL-1之间时，抑制活性较弱； 大于 25 μg·mL-1时，则没有活性。结果(图8)表明，配合物1和2对人肝癌细胞HEPG2均有很强的抑制活性，IC50分别为2.53 和 5.07 μg·mL-1。 同时，1 对人结肠癌细胞SW620 呈现中等抑制活性，IC50为 6.10 μg·mL-1。

图8 配合物对癌细胞的抑制作用Fig.8 Inhibition effects of complexes 1 and 2 on cancer cells

2.5 配合物的热稳定性

在N2气氛中，初步研究了配合物的热分解行为(图9)。1的分解分两阶段，355.8～399.1℃快速失重28.5%，399.1～511.0℃失重50.2%。600℃后基本恒重，残重16.1%。2从344.1到400.2℃快速失重35.3%，500℃后持续失重，至800℃残重31.9%。可见配合物的分解温度明显高于配体H2Brsth的分解温度 (252℃)[11]。3的分解分3个阶段，255.5～310.4℃快速失重28.0%，相当于失去异烟肼片段的吡啶环；359.2～422.5℃失重17.7%；之后缓慢失重，至800℃残重22.6%，主要残余物可能是CdO(理论残重21.7%)。

图9 配合物的热重分析图Fig.9 TGA curves of complexes 1～3

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Syntheses,Crystal Structures and Properties of Znギ and CdギComplexes with Acylhydrazone Schiff Base

CHEN Yan-Min FENG Ying-Jian CAI Min-Yu FANG Ya-Qian XIE Qing-Fan＊
(College of Chemical Engineering and Material,Quanzhou Normal University,Quanzhou,Fujian 362000,China)

The complexes of hydrazone Schiff base,[M(HBrsth)2](M=Zn(1),Cd(2))and[Cd(L)2](3),where H2Brsth is 2-thiophenecarboxylic acid (2-hydroxly-5-bromo-benzylidene)-hydrazide,HL is pyridine-4-carboxylic acid(pyridine-2-yl ethylidyne)-hydrazide,were respectively synthesized by slow evaporation methods in mixed-solvent,and characterized by elemental analysis,IR,UV-Vis,FL spectra and TGA.The structure of 1 and 3 has been accomplished by single crystal X-ray diffraction,which results confirm that the crystal of 1 belongs to the monoclinic system,space group C2/c with cell parameters a=2.315 4(4)nm,b=0.603 0(1)nm,c=1.911 2(4)nm,β=108.5(3)°and the crystal of 3 belongs to the orthorhombic system,space group C2cb with cell parameters a=0.988 6(2)nm,b=1.950 2(4)nm,c=1.244 0(2)nm.The antitumor activities in vitro against HEPG2 and SW620 cancer cells lines of complexes were tested by MTT method.In addition,fluorescent properties of three complexes were investigated.CCDC:1432467,1;1450427,3.

acylhydrazone;complexes;crystal structure;fluorescence properties;antitumor activity

O614.24+1；O614.24+2

A

1001-4861(2018)01-0123-06

10.11862/CJIC.2018.008

2017-06-08。收修改稿日期：2017-10-19。

泉州师范学院学科建设资金和福建省大学生创新创业训练计划项目(No.201610399011)资助。

＊通信联系人。 E-mail：xqf360@163.com；会员登记号：S06N2113M1304(陈延民)，S06N5449M1311(解庆范)。