水合三环己基锡4-吡啶甲酸酯配合物的合成、结构及抗癌活性

何丽芳, 张复兴, 李宗泽, 王芳宇, 刘 最, 陈佩云

(1. 衡阳师范学院 生命科学学院 南岳山区生物资源保护与利用湖南省重点实验室,湖南 衡阳 421008; 2. 衡阳师范学院 化学与材料科学学院 功能金属有机化合物湖南省重点实验室, 湖南 衡阳 421008)

有机锡配合物具有多变的结构和丰富的性能,在工业、农业、医药等领域中有广泛应用。已有研究表明,许多有机锡配合物具有极其高效广谱的抗癌活性,比目前临床上广泛使用的抗癌药顺铂的抗癌活性还要高出许多。因此，有机锡配合物是一类未来可期的高效抗癌药物,具有潜在研究价值[1-7]。但由于有机锡化合物的高毒性,又使它们的应用受到了一定的限制。

有机锡配合物的结构和性能决定于与锡原子相连的烃基的结构和配体的类型[8-11],功能化的配体能改变锡原子的配位方式,影响有机锡化合物的生物活性,能调节其毒性与生物活性之间的平衡。杂环羧酸是一类具有丰富结构和较强生物活性的良好配体,能与有机锡形成极具特色结构和特殊性能的有机锡配合物,因而受到研究人员广泛关注[12-19]。

为系统地研究该类化合物,本文合成了水合三环己基锡4-吡啶甲酸酯配合物(Scheme 1),采用元素分析、红外光谱、核磁共振氢谱进行了表征,用X-射线单晶衍射测定了晶体结构,对其结构进行量子化学从头计算,探讨了化合物分子的稳定性、分子轨道能量以及一些前沿分子轨道的组成特征,并研究了其热稳定性和体外抗癌活性。

Scheme 1

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

X-4型数字显微熔点仪;Shimadzu FT IR8700型红外光谱仪(KBr压片);PE-2400型元素分析仪;Bruker Avance III HD 500 MHz型超导核磁共振仪(TMS为内标);Bruker Smart Apex Ⅱ CCD型单晶衍射仪;TGA Q50型热重分析仪。

所用试剂均为分析纯。

1.2 合成

在50 mL的耐压反应瓶中,加入0.3850 g(1 mmol)三环己基氢氧化锡、0.1230 g(1 mmol)4-吡啶甲酸和35 mL无水甲醇,密封反应瓶,于120 ℃下恒温搅拌反应4 h。冷却至室温,旋转蒸发除去部分溶剂,静置析出白色固体,用无水乙醇重结晶得无色晶体水合三环己基锡4-吡啶甲酸酯配合物0.3880 g,产率76.38%, m.p.122～124 ℃; Anal. Calcd for C24H39NO3Sn: C 56.67, N 2.75, H 7.67, found C 56.48, N 2.78, H 7.71; IR(KBr)ν: 3398.57(m, b), 3055.25(s), 3026.31(s), 2958.80(s), 2922.16(s), 2864.29(s), 1654.93(vs), 1598.99(s), 1571.99(s), 1442.76(s), 1382.96(m), 1323.17(s), 500.71(w), 451.07(w) cm-1;1H NMR(CDCl3, 500 MHz)δ: 8.73(d,J=4.0 Hz, 2H), 7.87(d,J=4.0 Hz, 2H), 2.05～1.93(m, 9H), 1.77～1.66(m, 15H), 1.41～1.34(m, 9H);13C NMR(CDCl3, 125 MHz)δ: 169.4, 150.2, 139.8, 123.6, 34.2, 31.1, 28.8, 26.8;119Sn NMR(CDCl3, 187 MHz)δ: 31.15。

1.3 晶体结构测试方法

选取体积为0.22 mm×0.21 mm×0.20 mm的晶体,在Bruker SMART APEX Ⅱ CCD单晶衍射仪上,采用经石墨单色化的Mo-Kα射线(λ=0.071073 nm),于296(2)K,以φ～ω扫描方式收集数据。在1.883°≤θ≤25.687°范围内共收集9292个衍射点,其中独立衍射点3069个[R(int)=0.0227],可观察衍射点2802个[I>2σ(I)]。衍射强度数据经多重扫描吸收校正,晶体结构中大部分非氢原子由直接法解出,其余部分非氢原子在随后的差值傅立叶合成中陆续确定,对所有非氢原子坐标及其温度因子采用全矩阵最小二乘法精修。由理论加氢法给出氢原子在晶胞中的位置坐标,对氢原子和非氢原子分别采用各向同性和各向异性热参数精修,全部结构分析工作在WINGX上调用SHELX-97程序完成。

1.4 体外抗癌活性测试方法

将待测药物溶于少量DMSO,用水稀释至所需浓度,保持最终DMSO浓度<0.1%。人肝癌细胞(HuH-7)、人肺腺癌细胞(A549)、人表皮癌细胞(A431)、人结肠癌细胞(HCT-116)、人乳腺癌细胞(231)和人肝正常细胞(HL-7702)均获自ATCC。将细胞用含10%牛胎血清的RPMI1640(GIBICO, Invitrogen)培养液,在含5%(V/V)CO2的培养箱内于37 ℃下培养,用MTT法检测细胞增殖与生长抑制情况,调整实验细胞数量使在570 nm获得1.3～2.2的吸光度,将化合物测试药液(0.1 nmol/L～10 μmol/L)设置6个浓度,处理细胞72 h,每个浓度至少3个平行和3次重复实验,采用GraphPad Prism 5.0软件统计分析确定IC50值。

2 结果与讨论

2.1 表征

分析IR谱图(图略)可知,配合物在1654 cm-1和1323 cm-1出现了尖锐吸收峰为羧基的反对称伸缩振动[νas(COO)]和对称伸缩振动吸收峰[νs(COO)],其Δν[νas(COO)与νs(COO)之差]为331 cm-1,表明配合物中羧基氧是以单齿形式与锡配位;配合物451 cm-1处出现了吸收峰,该峰为Sn—O键的伸缩振动吸收峰,说明化合物中有Sn—O键存在。

在1H NMR谱中,化合物分别在δ8.73和δ7.87出现双重峰,该特征峰为配体吡啶环上质子的吸收峰,在δ2.05～1.34出现的多重峰归属于环己基烷基氢的吸收峰,各部分的积分面积之比与配合物分子结构质子数之比吻合;在13C NMR谱中,δ169.39为配合物羧基碳的吸收峰,吡啶环碳的吸收峰出现在δ150.18、 139.83和123.64,在δ34.16、 31.05、 28.84和26.80出现的特征峰为环己基碳的吸收峰;在119Sn NMR谱中,在δ31.15处出现了吸收峰。

2.2 晶体结构分析

配合物属四方晶系,空间群为P43,晶体学参数a=1.08165(5) nm,b=1.08165(5) nm,c=218235(14) nm,α=β=γ=90°,V=2.5533(3) nm3,Z=4,Dc=1.322 g/cm3,μ(MoKa)=10.23 cm-1,F(000)=1056,R1=0.0367,wR2=0.0894;Δρmax=528 e/nm3,Δρmin=-310 e/nm3。配合物的主要键长和键角列于表1,分子结构见图1,晶胞中分子堆积见图2。

表1 配合物的主要键长和键角

图1 配合物的分子结构

图2 配合物的晶胞

由分子构型图和结构参数可知,配合物为单锡核结构,中心锡原子与3个环己基碳原子、配体4-吡啶甲酸的1个羧基氧原子和水分子的氧原子配位形成畸变的三角双锥构型。其中3个环己基碳C(7)、 C(13)和C(9)处于赤道平面的3个位置,分别来自4-吡啶甲酸的羧基氧原子和水分子的氧原子O(1)和O(3),占据了赤道平面两侧的轴向位置。处于赤道位置的3个原子之间的夹角分别为:C(7)—Sn(1)—C(13) 116.6°、 C(7)—Sn(1)—C(19) 125.3°和C(13)—Sn(1)—C(19) 115.9°,夹角之和为357.8°,与360°有一定的偏差,说明处于赤道位置的3个原子无法完美地共平面。而处于轴向位置的两个原子O(1)和O(3)与处于赤道位置的3个原子的键角在82.5～100.3°,均偏离90°。此外,处于轴向位置的键角为O(1)—Sn(1)—O(3) 175.3°与180.0°线性角相差较大。因此,分子中锡原子为畸变程度较大的三角双锥构型。

2.3 量子化学分析

根据晶体结构的原子坐标,运用Gaussian 03W程序和B3lyp/lanl2dz基组水平,计算得到分子的总能量和前沿分子轨道能量。ET=-2158.5556708 a.u.,EHOMO=-0.24446 a.u.,ELUMO=0.11084 a.u.,ΔELUMO-HOMO=0.3553 a.u.。由此可见,总能量和占有轨道能量级均较低,表明配合物分子结构较稳定。最高占据轨道与最低未占轨道的能量间隙ΔE为较大值,从氧化还原转移的角度分析,配合物均较难失去电子而被氧化,其基态较稳定。

为探索配合物的电子结构与成键特征,对配合物分子轨道进行分析,用参与组合的各类原子轨道系数的平方和来表示该部分在分子轨道中的贡献,并经归一化。把配合物原子分为7部分,(a)锡原子Sn; (b)配体羧基氧原子O1; (c)配体羧基碳原子C1; (d)环己基碳原子C2; (e)配体吡啶环碳原子和氮原子M; (f)水分子氧原子O2; (g)氢原子H。前沿占有轨道和未占有轨道各取5个,计算结果如表2和图3所示。

表2 配合物的分子轨道组成/%

HOMO LUMO

表2和图3显示了配合物的成键特征。前沿占有分子轨道中,对分子轨道贡献最大的羧基氧原子、锡原子和环己基碳原子分别为84.03%、 5.31%和4.63%,说明分子中Sn—C键和Sn—O键均较牢固,因而配合物的稳定性较好。由HOMO与LUMO的各类原子轨道成分可知,电子从HOMO激发到LUMO轨道是其它所有原子上的电子集中向配体吡啶环转移的过程。

2.4 热稳定性分析

在空气气氛中,加热速度设置为20 ℃/min,气体流速为20 mL/min,在40～800 ℃内对化合物进行热重测试,结果如图4所示。由图4可知,在140 ℃之前,配合物几乎没有失重,而从140 ℃开始快速失重,310 ℃时失重趋缓,至470 ℃时失重基本停止,残留质量最后稳定在28.48%,总计失重71.52%。经分析,残余物可被假定为SnO2,与29.65%的计算值基本吻合。

Temerature/℃

2.5 抗肿瘤活性

以顺铂对照,测试了配合物对肿瘤细胞人肝癌细胞(HUH7)、人肺腺癌细胞(A549)、人表皮癌细胞(A431)、人结肠癌细胞(HCT-116)、人乳腺癌细胞(231)和人肝正常细胞(HL-7702)的体外生长抑制活性,结果见表3。由表3可知,配合物对所有癌细胞的抑制活性均强于临床广泛使用的顺铂。因此,配合物可作为抗HuH-7、 A549、 A431和HCT-116等癌细胞药物的候选化合物。

表3 配合物和顺铂对人体外肿瘤细胞的半抑制率(μmol/L)

以甲醇为溶剂,在溶剂热条件下合成了水合三环己基锡4-吡啶甲酸酯配合物。体外抗癌活性测试结果表明,配合物对HuH-7、 A549、 A431和HCT-116的抑制活性较好,优于对照组顺铂,有望作为抗HuH-7、 A549、 A431和HCT-116等癌细胞药物的候选化合物。