[CuI2(BBTP)]n的合成、晶体结构及抑菌活性

高 霞， 潘会宾， 乔成芳， 刘永亮， 张国春

(1.商洛学院 化学工程与现代材料学院 陕西省尾矿资源综合利用重点实验室， 陕西 商洛 726000； 2.商洛职业技术学院 公共基础教学部， 陕西 商洛 726000； 3.陕西师范大学 化学化工学院， 陕西 西安 710119)

0 引言

功能配合物的设计和合成一直是晶体工程研究的重要内容.此类配合物具有新颖的空间结构和在光[1-3]、电[4]、磁[5,6]、催化[7,8]、气体存储[9,10]、分离[11]和离子交换[12]以及药物缓释[13]等功能领域的潜在应用，从而备受广大研究人员的青睐.由于许多微小的因素影响着晶体的晶化过程，因而功能配合物分子结构的构筑和功能领域还存在很大的发展空间[14].

通常，配合物的结构会受到诸多因素的影响，比如有机配体的种类和配位模式、金属离子的配位喜好、反应溶剂以及反应条件等[15,16]，但由于功能配合物的设计重点在于有机配体的设计和金属离子的选择，因此，在众多因素中，有机配体的设计和金属离子的选择尤为重要.在有机配体的选择方面，由于柔性配体在自组装过程中能够展示更多的配位构型及配位模式，与刚性配体相比更易形成独特的结构，因而有关柔性配体的研究越来越得到人们的关注[17-23].

目前具有d10(次外层)电子结构的过渡金属配合物的合成与性能研究己有大量文献报道[17-21].由此类过渡金属离子形成配合物的基态基本不受配体场的影响，近年来在生物化学、医药、催化和电化学等领域的研究备受人们的广泛关注.此外，由于铜离子配位的灵活性和卤素离子桥联模式的多样性，使得大量由不同的有机配体与卤化亚铜构筑的功能配合物在电学、发光、非线性光学、磁性、催化以及生物制药等领域具有潜在的应用前景.迄今为止，由α,ω-双(苯并三氮唑)烷烃与过渡金属构筑的功能配合物的研究还不是很多.

本课题组在前期的研究中[24,25]，设计合成了1,5-双(苯并三氮唑)戊烷，并利用菌落直径法深入研究了1,5-双(苯并三氮唑)戊烷对腐皮镰刀真菌的抑菌性.利用溶剂挥发法成功得到了4个对腐皮镰刀真菌的生长具有抑制作用的1,5-双(苯并三氮唑)戊烷过渡金属镉配合物.本文以自制的柔性1,5-双(苯并三氮唑)戊烷为桥联配体，与d10过渡金属Cu(I)在溶剂热条件下自组装得到了1个结构新颖的功能配合物.

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

1.1.1 主要试剂

苯并三氮唑，AR，北京化工厂；1,5-二溴戊烷，AR，梯希爱(上海)化成工业发展有限公司；碘化钾 (KI)、聚乙二醇-400 (PEG-400)、二甲基亚砜 (DMSO)，AR，天津市科密欧化学试剂有限公司；无水乙醇、碘化亚铜，AR，天津化学试剂厂.

1.1.2 主要仪器

光学显微镜，XTZ-D，上海光学仪器六厂；微波反应器，WD800，天津乐京电器有限公司；X射线衍射仪，D/Max-3C，日本Rigalcu；热重分析仪，NETSCHZ STA-449C，美国TA公司；荧光光谱仪，PELS55，美国PE公司；核磁共振谱仪，Bruker Avance 300 MHz，Bruker公司；红外光谱仪，Nicolet Avatar 360，尼高力公司；元素分析仪，Vario EL III，德国Elementar公司；立式自动电热电压蒸汽灭菌锅，LDZX 40CI，上海博迅实业有限公司医疗设备厂.

1.2 BBTP配体的合成

向100 mL圆底烧瓶中加入苯并三氮唑 (3.0 g，25 mmol)，PEG-400 (0.3 g，0.83 mmol)，饱和碳酸钾水溶液(15 mL)，摇匀待其溶解后，再向混合液中加入1,5-二溴戊烷 (2.3 g，10 mmol).振荡5 min，待其混合均匀后，经过微波500 W功率辐射10 min，乙醇-水混合溶剂重结晶，干燥得到纯品[26].测得熔点为104 ℃～105 ℃，产率为66%.1HNMR(CDCl3，300 Hz，TMS内标)：δ=2.02～2.06 (4H，m，H-C(2′) ) ，1.37～1.38(2H，m，H-C(3′)).元素分析结果如下：化学式为C17H18N6，C、H、N的质量分数计算值分别为66.58%、6.02%、27.40%，实验值分别为66.65%、5.92%、27.43%.红外光谱 (KBr压片，cm-1)：3 043(m)，2 937(s)，2 864(w)，1 614(w)，1 456(s)，1 319(s)，1 228(s)，1 167(s)，1 050(s)，847(m)，747(s).BBTP配体的合成路线如图1所示.

图1 配体的合成路线图

1.3 配合物的合成

将CuI(0.190 g，1.0 mmol)，BBTP (0.153 g，0.5 mmol)，KI (0.083 g，0.5 mmol) 和10 mL乙醇于聚四氟乙烯水热反应釜中，超声30 min，在180 ℃下反应5 d，经过滤，乙醇洗，空气中干燥后得黄色块状晶体.根据Cu计算产率约为18%.元素分析结果如下：化学式为C17H18Cu2I2N6，C、H、N的质量分数计算值分别为29.30%、2.95%、12.33%，实验值分别为29.71%、2.64%、12.23%.红外光谱 (KBr压片，cm-1)：3 063(m)，2 932(s)，2 860(w)，1 594(w)，1 450(s)，1 319(s)，1 222(m)，1 161(m)，847(w)，748(s).

1.4 配合物的晶体结构测定

在温度298(2) K的条件下，选取尺寸大小为0.30 mm × 0.24 mm × 0.22 mm的单晶，采用经石墨单色器单色化的Mo-Kα射线 (λ=0.710 73 nm)在Siemens Smart CCD面探衍射仪上，进行晶体单胞参数的测定.衍射数据经过还原和吸收校正后，利用SHELXTL-97程序包判断空间群，采用全矩阵最小二乘法进行修正，测得配合物1的晶体学数据如表1所示.剑桥晶体数据中心(CCDC)编号：1407939.

表1 配合物1的晶体学数据和结构精修参数

注：R1=∑(|Fo|-|Fc|)/∑|Fo|,wR2=[∑w(Fo2-Fc2)2/∑w(Fo2)2]0.5,①括弧中的数字均指的是最后一位的误差.

1.5 生物活性测试

本试验采用菌落直径法对配合物1及其相应BBTP配体进行抑菌试验，选用腐皮镰刀真菌为试验菌种，所用的葡萄糖琼脂培养液按照文献[24]的方法配制.具体步骤如下：取400 g土豆，去皮，切成小块后加1 000 mL蒸馏水，煮沸30 min.用纱布过滤，滤液加葡萄糖和琼脂各20 g，补足蒸馏水至1 000 mL，转入三角瓶.在压力为0.1 MPa的高温蒸汽下灭菌30 min.取出培养液，置于无菌操作台上，将其转入直径为9 cm的培养皿中，制成培养基平板.在无菌操作台上，取0.2 mL的腐皮镰刀菌菌液，接种到培养基平板上，涂抹均匀后倒置于28 ℃生化培养箱中培养3 d.

依次称量5.0、10.0、20.0、30.0、40.0、50.0 mg的样品，分别加入100 mL的锥形瓶中，在无菌操作条件下向每个锥形瓶中加入10 mL培养液(由于样品在水中的溶解性较差，所以溶解过程中需要加入3滴DMSO溶剂)，配成质量浓度为0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 g/L的系列样品溶液(所配制的样品溶液为浑浊液).取配好的样品溶液(上清液)10 mL倒入培养皿中，制成含样品平板.用预先灭菌的打孔器切取菌饼，接种于含样品平板的中央后倒置于培养箱中，在28 ℃下培养5 d，观察记录培养基上菌体生长情况.

2 结果与讨论

2.1 配合物的晶体结构

X-射线单晶衍射分析表明，配合物1属于三斜晶系，P-1空间群.配合物1的选择性键长和键角如表2所示.

表2 配合物1的选择性键长和键角

注：表中键长和键长数值括弧中的数字均指的是最后一位的误差.

如图2(a)所示(对称操作码为#1：-x+2，-y+2，-z)，配合物1中存在2种晶体学独立的四配位的+1价铜离子.Cu1与来自BBTP配体的2个氮原子和2个桥联碘离子进行配位，其中Cu1-N、Cu1-I的键长分别为0.204(3)-0.208(3) nm和0.261 1(5)-0.270 8(5) nm，相应的键角范围是101.5(8) °-116.7(8) °.Cu2与来自BBTP配体的1个氮原子和3个桥联碘原子进行配位，其中Cu2-N6、Cu2-I的键长分别为0.200(3) nm和0.253 5(5)-0.298 0(6) nm，相应的键角范围是87.0(8) °～127.1(7) °.配合物1中，2个独立的Cu+交替连接两个独立的I-形成1个变形的[Cu2I2]菱形单元，其中Cu-Cu之间的距离是0.285 2 nm，2个变形的[Cu2I2]菱形单元又通过Cu2和I2原子相互连接形成一个扭曲椅型结构的[Cu4I4]无机单元.

BBTP配体以μ3桥联的模式与[Cu4I4]无机单元交替连接形成如图2(b)所示的一维有机无机链状结构.需要指出的是，这2个变形的[Cu2I2]菱形单元通过Cu2和I2原子以反式构象的方式相互连接又形成1个新的[Cu2I2]平行四边形结构，其中Cu-Cu之间的距离是0.268 5 nm，2个独立的碘原子分别采取μ2、μ3的桥联模式.

此外，配合物1的一维有机无机链状结构先通过π-π堆积作用形成如图2(c)所示的二维层状结构，然后相邻的二维层状结构之间存在的π-π作用进一步使二维层堆积成如图2(d)所示的三维网状结构，其中相邻的一维链之间和二维层状结构之间平行芳环的环心垂直距离分别为0.371 0 nm和0.389 0 nm，这表明配合物1中存在强烈的π-π作用.

(a)配位环境图

(b)一维有机无机链

(c)二维堆积图

(d)三维堆积图图2 配合物1的配位环境图、一维有机无机链及其二维和三维堆积图

2.2 配合物的性质

2.2.1 X-射线粉末衍射(XRD)分析

配合物1的室温粉末衍射数据结果如图3所示.XRD结果表明,根据单晶结构模拟的粉末衍射数据与实验结果吻合的很好，说明配合物1的纯度较高，可以确保其它表征手段的可靠性.

图3 配合物1的粉末衍射图谱

2.2.2 红外光谱

配合物1及其相应配体的红外光谱图如图4所示.由图4可以看出,配合物1与配体相比，某些主要吸收峰发生了明显位移，吸收强度也有所变化，表明金属与BBTP配体发生了配位作用.在配体中，苯环=C-H的伸缩振动吸收峰在3 043 cm-1处，亚甲基伸缩振动吸收峰在2 937 cm-1和2 864 cm-1处，在配合物1中，苯环=C-H的伸缩振动吸收峰发生了位移，位移到3 063 cm-1，亚甲基伸缩振动吸收峰红移为2 932 cm-1和2 860 cm-1.配体中，三氮唑环的N=N伸缩振动吸收为1 614 cm-1处的吸收峰(配合物1这一吸收峰出现在1 594 cm-1处)，说明铜原子与配体的氮原子发生了配位.此外，1 200～1 600 cm-1归属为苯环和三氮唑的骨架振动吸收峰，表明三氮唑有机分子进入到了配合物1的骨架中.在1 000～1 170 cm-1范围内，配体与配合物1存在微小的差异，进一步表明铜原子与配体三氮唑环上的氮原子进行了配位.

图4 配合物1的红外光谱图

2.2.3 热稳定性分析

配合物1的热重曲线如图5所示.热分析结果表明，配合物1的骨架结构在氮气中可以稳定到320 ℃左右.320 ℃至450 ℃为第一阶段，质量损失率约32.4%(理论值为31.5%)，对应于BBTP配体的分解.450 ℃至800 ℃为第二阶段，质量损失率约46.3%，对应于碘离子的丢失，与理论计算值为47.2%基本一致.

图5 配合物1的热重曲线

2.2.4 水稳定性分析

取适量配合物1样品浸泡在适量的水中5 d，通过测定配合物1的粉末XRD考察配合物1对水的稳定性.由图6可以看出，配合物1样品浸泡在水中5 d后得到的粉末衍射数据与浸泡前的实验结果基本吻合，说明配合物1在水中的稳定性较好.

图6 配合物1放置水中后的粉末衍射图谱

2.2.5 室温固态荧光光谱

众所周知，过渡金属Cu(I)配合物可以呈现出良好的荧光性能[27-30].如图7所示，研究了配合物1的室温固态荧光性质.实验结果表明配合物1在激发波长为305 nm处可以产生波长为539 nm的最大发射峰和488 nm的肩峰.同时，还对配合物1相应的BBTP配体的荧光性质进行了研究，结果表明BBTP配体在激发波长为314 nm处可以产生发射波长为379 nm的荧光峰.荧光性质测试结果显示配合物1的最大发射峰对应的波长相对于配体发生了红移.结合已报道大量铜配合物的相关文献[17-19,28-30]，本文尝试性将配合物1的荧光发射归属为金属到配体的电荷跃迁(MLCT)或者卤离子到配体的电荷跃迁(XLCT)，红移的出现应该是金属配位作用导致的.

图7 配合物1的室温固态荧光光谱图

2.2.6 抑菌活性研究

为了深入探究配合物1及其相应BBTP配体抑制腐皮镰刀真菌生长的适合浓度，配制系列质量浓度为0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 g/L的样品溶液分别对腐皮镰刀真菌进行抑制试验，每个样品对腐皮镰刀真菌平行试验3组(I，II，III)，每组记录2个数据，取6次测量数据的平均值.根据文献[24]报道的抑菌率计算方法，计算样品对腐皮镰刀真菌生长的抑菌率，试验结果如表3、表4和图8所示.

由表3和表4可以看出，不同质量浓度的配合物1及其相应BBTP配体对腐皮镰刀真菌均有一定的抑菌活性.由图8可知，在所考察的样品质量浓度范围内，配合物1与BBTP配体对腐皮镰刀真菌的抑菌活性呈现不同的抑制试验结果，其中配合物1的最低抑菌浓度为3.0 g/L，相应的抑菌率为50.00%，而BBTP配体的最低抑菌浓度为1.0 g/L，相应的抑菌率为39.06%；当样品质量浓度低于2.0 g/L时，BBTP配体的抑制活性呈现略高于配合物1的趋势，而当样品质量浓度高于2.0 g/L时，配合物1的抑制活性呈现略高于配体的趋势；随着样品质量浓度的增加，配合物1及其BBTP配体对腐皮镰刀真菌均具有较好的抑菌效果，但当样品的质量浓度达到其最低抑菌浓度之后，其对腐皮镰刀真菌的抑菌效果均较差.

已报道文献[31]表明，铜离子具有一定的抑菌作用，生物体需要低浓度的铜作为金属蛋白和酶的辅助因子，浓度较高的铜离子则会抑制菌种的生长，对大多数微生物具有毒性作用.低浓度的铜配合物对有些菌的生长没有抑制作用，不同浓度的铜离子对酶的活性影响有所不同，存在着“低促高抑”效应.根据文献[32]报道，配合物1的抑菌能力强于相应BBTP配体可以用螯合理论来解释：① 具有抑菌作用的配体与金属离子进行配位，形成配合物的过程中产生的螯合作用会导致金属离子的极性减小，进一步会抑制细胞膜内金属离子对生物大分子所必需功能基团的作用发挥；② 配位过程产生的鳌合作用，会使得配体的脂溶性增加和分子的共轭面增大，从而导致细胞不能进行正常的新陈代谢，最终导致细胞凋亡.

表3 配体对腐皮镰刀真菌的生长抑制结果

表4 配合物1对腐皮镰刀真菌的生长抑制结果

图8 配合物1及其BBTP配体对腐皮镰刀菌的抑菌效果曲线

3 结论

在溶剂热条件下，以自制的1,5-双(苯并三氮唑)戊烷为配体，与过渡金属Cu(I)通过自组装反应得到了一个新颖的铜配合物[CuI2(BBTP)]n(1)，并对其结构和性质进行了系统研究.采用菌落直径法测试了系列质量浓度配合物1及其相应BBTP配体对腐皮镰刀真菌的抑菌性，并测定了其对腐皮镰刀菌生长的最低抑菌浓度，结果表明配合物1及其相应BBTP配体对腐皮镰刀真菌的生长具有一定的抑制作用，其中配合物1的最低抑菌浓度为3.0 g/L，相应的抑菌率为50.00%，而BBTP配体的最低抑菌浓度为1.0 g/L，相应的抑菌率为39.06%.