新型N-杂环卡宾汞(银)配合物的合成与抑菌活性

罗杰伟, 张仕禄, 赵 波*

(1. 川北医学院 基础医学与法医学研究所,四川 南充 637000; 2. 川北医学院 药学院,四川 南充 637000)

N-杂环卡宾由于其特殊的结构在有机化学中具有广泛应用。一方面,N-杂环卡宾(NHC)作为一种多齿配体,中心碳原子拥有一对孤对电子,具有较强的亲核性特点。另一方面,N-杂环卡宾(NHC)作为一类具有强σ-供电子能力的富电子配体,对空气及氧化剂具有较好的稳定性,还与金属形成的络合物具有较好的催化性能,常因取代磷配体而广泛用于金属催化的各类反应中[1-5]。近年来,N-杂环卡宾因其优异的给体能力、低的解离率和独特的几何构型,成为继有机膦配体之后另一类重要的配体,其所形成的N-杂环卡宾金属配合物在化学、药物化学和材料等领域具有十分重要的应用价值,可作为催化剂、可用于制备分子开关的合成子、药物,还可以作为发光材料使用。

目前,N-杂环卡宾及其金属化合物已广泛应用于烯烃复分解反应、Heck偶联反应、不对称催化、Suzuki偶联反应和Kumada偶联反应等多种有机反应[6-8]。尽管人们已经用各种方法制备了大量的NHCs[9-11],但要制备出具有可调电子和空间位阻特性的NHCs仍然是一个挑战[12-17]。针对这一难题,研究人员通过在N-杂环卡宾边臂引入多种官能团,以提高N-杂环卡宾金属配合物的稳定性[18-19]。众所周知,8-氢喹啉具有阻断亚胺生成和稳定的芳环体系,目标中间体通常用于金属离子的分离富集。据文献报道[20-24],8-羟基喹啉金属配合物广泛应用于光电材料、抗肿瘤和抗菌。

本文以8-羟基喹啉衍生物为原料,合成了2个Hg(II)配合物(L-Hg、M-Hg)和1个Ag(I)配合物(M-Ag)(图1)。在Hg(II)配合物中汞原子与2个卡宾碳原子配位形成直线结构,同时研究了Ag(I)配合物(M-Ag)的抑菌活性,发现其具有一定的抗菌性。

图1 L-Hg、 M-Hg和M-Ag的合成路线

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

ZFQprobe L5A型旋转蒸发仪(四川康宇科技公司);Bruker smart 1000 ccd型单晶衍射仪(德国Bruker公司);XT-4型双目显微熔点测定仪(温度计未经校正,北京泰克公司);Advance Ⅲ 400 Hz型核磁共振仪(Bruker公司);pHS-3C型酸度计(上海精科实业有限公司)。

8-羟基喹啉、正丁溴、氧化银、二甲亚砜、三溴化磷等均为分析纯,购自科龙化学试剂公司;硼氢化钠为进口袋装;实验用水为二次蒸馏水。

数据处理和数据分析用SAINT 5.0和SHELXTXL-97程序完成。

1.2 N-杂环卡宾金属配合物的合成

(1)L-Hg的合成

N-杂环卡宾1-丁基-3-(2-甲基-8-丁氧基喹啉)咪唑六氟磷酸盐(L)和1-苄基-3-(2-甲基-8-丁氧基喹啉)咪唑六氟磷酸盐(M)参考文献方法合成[25]。在100.00 mL圆底烧瓶中加入配体L(0.30 g, 0.62 mmol)和乙酸汞(0.11 g, 0.34 mmol),在氮气气氛中混合搅拌冷却至室温后,过滤混合溶液并用水洗涤。粗产品过滤并干燥,用乙腈和乙醚重结晶,得到了无色晶体约0.38 g,收率53%;1H NMR(400 MHz, DMSO-d6, 25 ℃)δ: 0.45(t,J=8.0 Hz, 3H), 0.58(t,J=7.4 Hz, 3H), 0.83～0.85(m, 2H), 0.87～0.93(m, 2H), 1.10～1.14(m, 2H), 1.67(m, 2H), 3.58(t,J=8.0 Hz, 2H), 4.17(t,J=7.6 Hz, 2H), 5.94(s, 2H), 7.13(d,J=8.0 Hz, 1H), 7.5(d,J=8.8 Hz, 2H), 7.70(d,J=8.0 Hz, 1H), 7.92(s, 1H), 8.08(s, 1H), 8.46(d,J=8.0 Hz, 1H);13C NMR(100 MHz, DMSO-d6, 25 ℃)δ: 13.39, 13.56, 18.40, 19.44, 29.71, 32.36, 39.22, 39.43, 39.64, 39.85, 40.05, 40.26, 51.00, 55.52, 68.10, 110.64, 119.93, 121.71, 123.86, 125.33, 128.07, 129.24, 138.86, 138.97, 153.58, 174.99。

(2)M-Hg的合成

配体M(0.30 g, 0.61 mmol)代替配体L,用乙腈和乙醚重结晶,得到了无色晶体约0.38 g,收率57%;1H NMR(400 MHz, DMSO-d6, 25 ℃)δ: 0.55(t,J=7.4 Hz, 3H), 0.98(m, 2H), 1.22(m, 2H), 3.68(t,J=7.2 Hz, 2H), 5.51(s, 2H), 5.81(s, 2H), 7.11(d,J=8.0 Hz), 7.28(m, 3H), 7.30～7.56(m, 3H), 7.80(s,1H), 8.05(s, 1H), 8.38(d,J=8.0 Hz, 1H);13C NMR(100 MHz, DMSO-d6, 25 ℃)δ: 13.55, 19.22, 30.95, 51.79, 57.76, 68.78, 109.74, 119.34, 120.04, 120.95, 121.80, 127.22, 128.71,137.58, 139.78, 153.83, 154.63, 174.99。

(3)M-Ag的合成

将配体M(0.30 g, 0.58 mmol)、氧化银(0.15 g, 0.64 mmol)和二甲基亚砜(8 mL)的混合物在氮气气氛中避光搅拌48 h。冷却至室温后,过滤混合溶液并用水洗涤,然后将有机层压缩至干燥。用乙腈和乙醚重结晶粗产物,提纯得到无色晶体约0.38 g,收率53%,M-Ag对光很敏感,在空气中很容易分解;1H NMR(400 MHz, DMSO-d6, 25 ℃)δ: 0.81(t,J=7.4 Hz, 3H), 1.19(t,J=7.6 Hz, 2H), 1.69(t,J=7.4 Hz, 2H), 4.08(t,J=7.2 Hz, 2H), 5.25(s, 2H), 5.79(s, 2H), 7.28～7.31(m, 2H), 7.43～7.49(m, 4H), 7.51～7.54(m, 2H), 7.59(d,J=8.4 Hz, 1H), 7.83～7.86(m, 2H), 8.41(d,J=8.8 Hz, 1H);13C NMR(100 MHz, DMSO-d6, 25 ℃)δ: 13.57, 19.10, 31.65, 48.99, 53.85, 70.26, 111,63, 120.25, 120.46, 122.48, 124.13, 127.56, 127.63, 128.09, 128.79, 137.52, 137.53, 137.76, 139.35, 153.22, 181.06。

1.3 单晶结构衍射测定

将L-Hg、M-Hg和M-Ag置于乙腈中,利用乙醚挥发性获得了X-射线衍射单晶。在室温下用衍射仪通过石墨单色化Mo-Ka辐射(λ=0.071073 nm)采集了L-Hg、M-Hg和M-Ag配合物的结晶数据,采用全矩阵最小二乘法对结构进行优化。氢原子坐标经差值Fourier合成得到,非氢原子坐标由直接法得到。晶体参数解析由SAINT 5.0和 SHELXTXL-97程序完成(表1)。

表1 L-Hg、 M-Hg和M-Ag的晶体学数据

2 结果与讨论

2.1 L-Hg的晶体结构

L-Hg晶体属于单斜晶系、C2/c空间群,1个晶体包括1个Hg(II)阳离子、2个卡宾配体和2个六氟磷酸阴离子。图2(a)中,L-Hg中心每个汞离子由2个卡宾碳原子配位形成线性结构。由晶体数据可知,C(7a)—Hg(1)—C(7)键角为180.0(2)°,表明2个咪唑环几乎在1个平面上。由表2氢键数据显示,L-Hg晶体结构存在C—H…F氢键相互作用,此外,在图2(b)晶体堆积图中,可以明显看出L-Hg超分子结构由相邻分子间氢键相互作用自组装形成。

表2 L-Hg的氢键参数

(a)

2.2 M-Hg的晶体结构

单晶X-射线衍射表明,M-Hg晶体属于三斜晶系、P-空间群。图3(a)中M-Hg晶体不对称单元包含1个Hg(II)阳离子和2个卡宾配体M。与配合物L-Hg相比,中心汞原子仍与碳原子呈直线配位,但C(10)—Hg(1)—C(34)键角为168.95(14)°,非180°。

(a)

Hg(1)—C(10)键长为0.2057(4) nm, Hg(1)—C(34)键长为0.2065(4) nm。图3(b)中M-Hg晶体结构包含C—H…F、 C—H…O、 C—H…N以及π…π堆积相互作用,氢键数据如表3所示。此外,2个相邻M-Hg通过C(9)—H(9)…O(3)、 C(9)—H(9)…N(8)、 C(33)—H(33)…N(7)和C—H…F氢键连接。

表3 M-Hg的氢键参数

2.3 M-Ag晶体结构

M-Ag晶体为单斜晶系、P2(1)/c空间群。图4(a)中M-Ag作为1种稀有双核银卡宾化合物,其不对称单元由2个Ag(I)离子、2个M配体(包括2个氮原子和2个氧原子)组成。每个Ag(I)离子由1个氧原子、1个碳原子、奎宁中的1个氮原子以及另1个银原子四配位,为微扭曲四面体几何结构[26-27]。[N(1)—C(1)—C(9)]和[C(15)—C(20)]之间二面角分别为77.82°和68.66°, 2个奎宁环之间夹角为27.11°。M-Ag键长和键角如表4所示,其中Ag(1)—Ag(2)键长为3.0402(4) nm, C(11)—Ag(2)—N(4)键角为169.73(11)°, O(2)—Ag(2)—Ag(1)键角为91.82(5)°。图4(b)中M-Ag晶体结构包含C—H…F氢键,2个相邻M-Ag由C(2)—H(2)…F, C(10)—H(10A)…F(7), C(12)—H(12)…F(8), C(37)—H(37)…F(8), C(38)—H(38A)…F(11)和C(38)—H(38B)…F(7)氢键连接。

表4 M-Ag的氢键参数

(a)

2.4 抑菌实验

选择大肠杆菌、伤寒沙门氏菌、志贺氏菌、金黄色葡萄球菌、β-链球菌、嗜麦芽窄食单胞菌和克雷伯氏肺炎菌等细菌在无菌营养肉汤中培养18 h后,稀释至105～106 CFU/mL。通过纯化和结构鉴定,采用最小抑菌浓度法研究了M-Ag抗菌活性,青霉素作为抗菌活性的标准对照药物,结果如表5所示。由表5可知,配合物M-Ag对大肠杆菌、伤寒沙门氏菌、志贺氏菌、金黄色葡萄球菌、β-链球菌和克雷伯氏肺炎菌等均有一定抗菌活性。

表5 M-Ag的抗菌活性

本文利用N-杂环卡宾1-丁基-3-(2-甲基-8-丁氧基喹啉)咪唑六氟磷酸盐(L)和1-苄基-3-(2-甲基-8-丁氧基喹啉)咪唑六氟磷酸盐(M)与金属阳离子配位反应,合成了L-Hg、M-Hg和M-Ag3个新型N-杂环卡宾配合物。单晶衍射结构表明:配合物L-Hg和M-Hg为双分子单核直线卡宾化合物,属于同种金属与不同配体配位,但配合物M-Hg中Hg原子与相邻卡宾C原子键角发生了改变,晶体结构中除了存在氢键外,还存在π…π堆积相互作用。配合物M-Hg和M-Ag属于同种配体与不同金属配位,键长、键角、配位形式和晶体结构差异性明显,其中配合物M-Ag晶体结构为双核双分子四面体几何构型,是一种稀有四配位银卡宾配合物,且暴露空气容易被氧化。此外,M-Ag具有一定的抗菌生物活性。