韓俊靜，黃 萌，張 欣

（天津師范大學(xué) 化學(xué)學(xué)院，天津 300387）

PMNBP縮L－纈氨酸甲酯席夫堿合Ni（Ⅱ）配合物的晶體結(jié)構(gòu)、抑菌活性和量化計(jì)算

韓俊靜，黃 萌，張 欣

（天津師范大學(xué) 化學(xué)學(xué)院，天津 300387）

合成了1－苯基－3－甲基－4－對(duì)硝基苯甲?；?－吡唑啉酮（簡稱PMNBP）縮L－纈氨酸甲酯合Ni（Ⅱ）金屬配合物，并對(duì)合成的配合物進(jìn)行了紅外光譜表征.利用X射線單晶衍射方法測(cè)定了配合物的晶體結(jié)構(gòu)，并且利用瓊脂擴(kuò)散法測(cè)定了化合物對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑制作用.結(jié)果表明，配合物對(duì)兩種細(xì)菌的生長均具有一定的抑制作用.最后運(yùn)用Gaussian03程序，對(duì)該配合物進(jìn)行了量子化學(xué)計(jì)算.

席夫堿；配合物；合成；晶體結(jié)構(gòu)；抑菌活性；量化計(jì)算

席夫堿是通過伯胺與活潑的羰基化合物縮合而制得的含有亞胺活甲亞胺特性基團(tuán)（－C＝N）的一類化合物，其特點(diǎn)是能夠靈活地選擇反應(yīng)物，在反應(yīng)體系中引入各種具有特殊價(jià)值或功效的官能團(tuán)，便于開拓出許多從鏈狀到環(huán)合，從單齒到多齒的性能各異、結(jié)構(gòu)多變的席夫堿配體［1－2］.席夫堿的用途相當(dāng)廣泛，通常用作金屬離子分析試劑、金屬離子萃取劑、環(huán)保去污、抗病抑菌劑、催化劑、膠粘劑的改進(jìn)劑、藥丸的緩釋劑、高聚物的交鏈劑等［3］，還具有生物模擬催化活性.鑒于氨基酸與硝基吡唑啉酮的重要應(yīng)用，此類席夫堿具有較強(qiáng)的配位能力和多樣的配位模式，其金屬離子配位所形成的配合物可以作為天然氧載體血紅蛋白、肌紅蛋白及血藍(lán)蛋白等所需的極好的模型配合物，并為研究抗腫瘤、抗癌藥物提供信息.

1 PMNBP縮L－纈氨酸甲酯合Ni（Ⅱ）金屬配合物的合成

1.1 儀器與試劑

美國FT－IR型紅外光譜儀（KBr壓片法）；德國Bruker公司APEXⅡCCD單晶衍射儀.

1－苯基－3－甲基－5－吡唑啉酮，分析純，北京市旭東化工廠；對(duì)硝基苯甲酰氯，進(jìn)口試劑；二氧六環(huán)，分析純，天津市福晨化學(xué)試劑廠；L－纈氨酸，生化試劑，上?？颠_(dá)氨基酸廠；其他試劑均為分析純.

1.2 PMNBP縮L－纈氨酸甲酯合Ni（Ⅱ）金屬配合物的合成

PMNBP的合成見文獻(xiàn)［4］，PMNBP縮L－纈氨酸甲酯席夫堿的合成見文獻(xiàn)［5］.稱取1mmol醋酸鎳溶于10mL無水乙醇中，將此溶液逐滴滴加到溶有2mmol PMNBP縮L－纈氨酸甲酯的三氯甲烷與乙醇的混合溶液中，常溫?cái)嚢?～2h，水浴回流5～6h，冷卻，靜置一周后析出晶體.

2 PMNBP縮L－纈氨酸甲酯合Ni（Ⅱ）金屬配合物的表征

表1 配體及配合物的紅外光譜數(shù)據(jù)Table 1 IR of Schiff bases of amino acid ester and metal complex

表1中，3 431cm－1處的弱吸收為N－H的伸縮振動(dòng)峰，又存在1 529cm－1處νN－H吸收峰；由于化合物通過分子內(nèi)氫鍵形成了大的共軛體系，所以νN－H的伸縮振動(dòng)向低波數(shù)移動(dòng).1 743cm－1為酯羰基的伸縮振動(dòng)峰，表明存在氨基酸酯.1 635cm－1處為吡唑啉環(huán)的C＝O伸縮振動(dòng)峰；在3 300cm－1～3 600cm－1之間沒有明顯的－OH吸收峰，在1 154cm－1處又出現(xiàn)C—N的伸縮振動(dòng)峰，表明化合物主要以O(shè)＝C—CH＝CH—NH烯胺酮式結(jié)構(gòu)存在.

形成配合物后，配體的νC＝O（ring）和νCOO吸收峰發(fā)生 明 顯 藍(lán) 移，νN－H，δN－H，νC－N吸 收 峰 消 失，在1 521～1 530cm－1附近出現(xiàn)了新的νC＝N（chain）吸收，說明環(huán)外烯胺酮式結(jié)構(gòu)發(fā)生了互變異構(gòu)生成亞胺，吡唑啉酮五元環(huán)上羰基氧原子、氨基酸酯羰基氧原子及亞胺N原子均可能與金屬離子配位成鍵，以致影響了相應(yīng)基團(tuán)鍵的力常數(shù)，致使振動(dòng)頻率發(fā)生變化［6］.

3 晶體結(jié)構(gòu)

3.1 晶體結(jié)構(gòu)測(cè)定

選用0.28mm×0.22mm×0.20mm 大小的單晶用于X－射線衍射實(shí)驗(yàn).在Brucker APEX II CCD面探衍射儀上收集數(shù)據(jù)，利用石墨單色器單色化了的MoKα射線λ＝0.071 073nm，采用ω－2θ掃描方式，收集2.20o≤θ≤24.24°（－15≤h≤14，－14≤k≤19，－24≤l≤25）范圍內(nèi)的衍射數(shù)據(jù)，共收集8 152個(gè)衍射點(diǎn)，其中獨(dú)立衍射點(diǎn)7 119個(gè)（Rint＝0.023 2），利用Saint程序進(jìn)行衍射數(shù)據(jù)的指標(biāo)化和還原，采用直接法和傅立葉合成法解析結(jié)構(gòu)，氫原子由理論加氫得到.利用SHELXL程序中SHELXTL對(duì)非氫原子進(jìn)行最小二乘修正，氫原子不加修正，只參加計(jì)算，非氫原子采用SHELXL精修.

3.2 晶體結(jié)構(gòu)分析與討論

配合物的結(jié)構(gòu)透視圖見圖1，晶體學(xué)數(shù)據(jù)見表2，配合物的主要鍵長、鍵角及C—H…π鍵見表2，表3和表4.

圖1 配合物的結(jié)構(gòu)透視圖Figure 1 Perspective view of metal complex

表2 PMNBP縮L－纈氨酸甲酯合鎳配合物的主要鍵長Table 2 Main bond lengths of metal complex

表3 PMNBP縮L－纈氨酸甲酯合鎳配合物的主要鍵角Table 3 Main bond angles of metal complex

續(xù)表3

表4 配合物的C—H…π鍵鍵長和鍵角Table 4 C—H…πbond lengths and bond angles of metal complex

由X－射線單晶衍射數(shù)據(jù)（表5）可看出：PMNBP縮L－纈氨酸甲酯合鎳配合物為正交晶系，P2（1）2（1）2（1）空間群.由圖1可看出，此配合物為鎳離子的6配位分子，中心離子鎳與兩個(gè)配體分子中吡唑啉酮上的羰基氧原子O（1）、O（4），L－纈氨酸甲酯的羰基氧原子O（6）、O（9）以及席夫堿亞胺上的氮原子N（4）、N（8）6個(gè)原子配位，形成了2個(gè)五元螯合環(huán)和2個(gè)六元螯合環(huán).

表5 PMNBP縮L－纈氨酸甲酯合鎳配合物的晶體學(xué)數(shù)據(jù)Table 5 Crystallographic data of metal complex

由表3可知，席夫堿亞胺上的氮原子N（4）、N（8）以及吡唑啉酮上的氧原子O（1）、O（4）與鎳離子的距離 Ni（1）－O（1）、Ni（1）－O（4）、Ni（1）－N（4）和 Ni（1）－N（8）分別為0.202 34（18）nm、0.217 9（2）nm、0.204 9（2）nm、0.203 8（3）nm，比纈氨酸甲酯的羰基氧原子O（6）、O（9）與鎳離子的距離要短得多，Ni（1）－O（6）、Ni（1）－O（9）分別為0.201 0（2）nm和0.213 1（2）nm，表明席夫堿亞胺上的氮原子和吡唑啉酮上的氧原子配位能力強(qiáng)于纈氨酸甲酯的羰基氧原子；由表3還可看出，Ni（1）－O平均鍵長為0.209 2nm，Ni（1）－N平均鍵長為0.204 35nm，比Ni（1）－O平均鍵長略短，說明Ni（1）與配體形成變形八面體配位構(gòu)型.

由表4可知，中心離子Ni（Ⅱ）與各配位原子之間的鍵角 O（4）－Ni（1）－N（8），O（1）－Ni（1）－N（8），O（4）－Ni（1）－N（4），O（1）－Ni（1）－N（4），N（8）－Ni（1）－O（6），N（4）－Ni（1）－O（6），N（4）－Ni（1）－O（9），N（8）－Ni（1）－O（9）分 別 為：104.44（10）°，88.10（9）°，77.64（9）°，89.83（8）°，89.32（10）°，75.34（7）°，101.73（9）°，78.65（9）°，與90°有很大偏離；3對(duì)處于對(duì)角位置的氧原子和氮原子之間的夾角 O（4）－Ni（1）－O（1），O（6）－Ni（1）－O（9）和 N（4）－Ni（1）－N（8）依次分別為167.00（9）°，165.43（8）°和 177.92（9）°，與180°有很大偏離，該配合物分子中由于硝基上N原子的存在，使PMNBP中與此N原子鄰位、間位的C原子上帶有負(fù)電性，進(jìn)而與相鄰分子結(jié)構(gòu)中吡唑啉環(huán)及其相鄰的苯環(huán)之間形成3種弱分子間作用力C—H…π鍵，相關(guān)鍵長、鍵角及相關(guān)參數(shù)見表5.不同構(gòu)象的配合物分子之間通過這3種C—H…π鍵連接成無限延伸的一維鏈狀超分子結(jié)構(gòu)，如圖2所示.

圖2 PMNBP縮L－纈氨酸甲酯合鎳配合物的一維結(jié)構(gòu)Figure 2 One－dimensional structure of metal complex

4 抑菌活性

4.1 抑菌活性測(cè)定

利用瓊脂擴(kuò)散法測(cè)定配合物對(duì)革蘭氏陰性菌大腸桿菌（Escherichia.coli）、革蘭氏陽性菌金黃色葡萄球菌（Staphylococcus.aureus）的抑制作用.將牛肉膏蛋白瓊脂培養(yǎng)基、實(shí)驗(yàn)器皿和牛津杯放在高壓鍋中滅菌，壓力達(dá)110 k Pa后，持續(xù)加熱30 min.將融化并冷卻至50℃的培養(yǎng)基在滅菌室內(nèi)倒入培養(yǎng)皿中均勻鋪平，待瓊脂培養(yǎng)基凝固后，將配成的濃度為108個(gè)／m L的菌液0.15 m L加入到培養(yǎng)皿中，用彎玻璃棒鋪平.將滅菌后的牛津杯在酒精燈上燒熱后粘在制備的培養(yǎng)皿中，注射DMF配制的不同的藥液0.15 m L到牛津杯內(nèi)，置于（37±1）oC的溫箱中24 h后，測(cè)量抑菌環(huán)直徑.

4.2 抑菌活性測(cè)定結(jié)果

測(cè)定了配體PMNBP縮L－纈氨酸席夫堿和配合物PMNBP縮L－纈氨酸甲酯合Ni（Ⅱ）在5 g／L，2.5 g／L和1.25 g／L三種濃度下的抑菌能力，測(cè)定結(jié)果的平均值見表6.

表6 化合物抑菌環(huán)平均直徑Table 6 Average diameter of antibacterial ring of compounds mm

由表6可知，所測(cè)化合物對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均具有一定的抑制能力，但對(duì)大腸桿菌的抑制作用明顯強(qiáng)于金黃色葡萄球菌；配合物對(duì)大腸桿菌的抑制作用明顯強(qiáng)于配體；不論是配體還是配合物，對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌兩種細(xì)菌的抑制作用隨濃度的變化不是成線性關(guān)系，而是在某個(gè)濃度達(dá)到最好的抑菌效果.

5 配合物的量子化學(xué)計(jì)算

由晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)構(gòu)建分子，運(yùn)用Gaussian03［7］程序優(yōu)化后，計(jì)算采用密度泛函（DFT）［8］B3LYP方法，金屬原子Ni（Ⅱ）用LANL2DZ基組、其他原子用6－311G基組進(jìn)行計(jì)算，涉及111個(gè)原子，1 009個(gè)基函數(shù)，1 965個(gè)原始高斯函數(shù)，243個(gè)α電子，243個(gè)β電子，分子中有未成對(duì)電子，當(dāng)多重度為1時(shí)體系能量最低.經(jīng)過14輪計(jì)算，得到化合物的總能量為每摩爾E＝ －11 693 544.518 kJ／mol.圖3為配合物進(jìn)行量化計(jì)算的分子示意圖，為便于觀看，這里將氫原子略去.

圖3 配合物進(jìn)行量化計(jì)算的分子示意圖Figure 3 Molecular diagram of metal complex

5.1 配合物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

由圖4可以看出：分子的前沿最高占有分子軌道及最低空分子軌道能量均為負(fù)值，并且前沿分子軌道能量差 ΔE＝E（HOMO）－E（LUMO）＝－747.55－70.87＝ －818.37 kJ／mol，為負(fù)值，說明分子在該狀態(tài)下是穩(wěn)定的［9］.

圖4 配合物的一些前沿分子軌道能量（kJ／mol）Figure 4 Some energies of frontier molecular orbitals of metal complex

5.2 配合物分子的凈電荷分布

配合物分子的凈電荷分布如表7所示.

表7 配合物分子的凈電荷分布Table 7 Charge distribution of molecular of metal complex

續(xù)表7

從表7可以看出：Ni2＋金屬離子的凈電荷由＋2變?yōu)椋?.362 884，表現(xiàn)出較明顯的成鍵特征，配位原子O，N與金屬離子Ni2＋形成的螯合環(huán)7O－77C－78C－84C－19N，2O－32C－31C－38C－15N和10O－107C－95C－19 N和5O－61C－49C－15 N中原子的凈電荷遵循正負(fù)極性交替規(guī)律，配合物中7O，2O，5O，10O，15N和119N的凈電荷分布在Ni2＋周圍近似平均化，可以說明參與配位的原子具有很強(qiáng)地接受和轉(zhuǎn)移電子的能力，是該配合物的活性中心.

5.3 配合物分子中各原子軌道對(duì)分子軌道貢獻(xiàn)的

百分?jǐn)?shù)

為了進(jìn)一步考察化合物的成鍵規(guī)律、活性部位及對(duì)光譜分析的影響，用參與組合的各類原子軌道系數(shù)的平方和經(jīng)歸一化得到的結(jié)果來表示該類原子軌道在其分子軌道中的貢獻(xiàn).配合物分子各原子軌道對(duì)分子軌道貢獻(xiàn)的百分?jǐn)?shù)見表8；最高占有軌道和最低空軌道的分布見圖5.

表8 配合物中部分原子軌道對(duì)分子軌道貢獻(xiàn)的百分比Table 8 Percentages of metal complex in molecular orbital contribution

圖5 配合物分子中最高占有軌道及最低空軌道的分布Figure 5 Distribution of highest－occupied and lowest－unoccupied orbit in complex

由表8和圖5可以看出，占有軌道的貢獻(xiàn)主要來源于O，N，C原子和Ni2＋的d軌道，最高占有軌道的貢獻(xiàn)主要來源于PMNBP吡唑啉酮環(huán)上N原子及羰基O原子；在空軌道的貢獻(xiàn)中，最低空軌道的貢獻(xiàn)主要來自于Ni2＋的空軌道，幾乎占了一半，說明Ni2＋的空軌道具有較強(qiáng)的接受電子的能力，可能成為此配合物的活性中心，從而使該配合物的抑菌活性強(qiáng)于配體，這與抑菌實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果一致.

5.4 配合物分子的靜電勢(shì)

配合物分子中各原子的靜電勢(shì)如表9所示.

表9 配合物分子中各原子的靜電勢(shì)Table 9 Electrostatic potential of atoms

由表9可知，靜電勢(shì)較強(qiáng)的是硝基上的N原子，說明N原子較活潑，但因其在端位，空間距離和位阻使其難以與金屬離子配位.形成配合物后，配位原子為7O，2O，5O，10O，19N和15N等6個(gè)原子.經(jīng)過結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、各原子軌道對(duì)分子軌道的貢獻(xiàn)、分子的凈電荷布居、分子的靜電勢(shì)分布4個(gè)方面的量化計(jì)算，可以得出量化計(jì)算結(jié)果與晶體結(jié)構(gòu)測(cè)定結(jié)果一致［10－11］.

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Crystal structure，antibacterial activity and quantum chemistry calculation of Ni（Ⅱ）complex from amino acid Schiff base

HAN Junjing，HUANGMeng，Z?HANGXin
（College of Chemistry，Tianjin Normal University，Tianjin 300387，China）

Complex 1－phenyl－3－methyl－4－（p－nitro）－5－pyrazolone （PMNBP）with L－valine methyl ester and Ni（Ⅱ）was synthesized，and IR was performed.The crystal structure was measured through X－ray diffraction.The antibacterial activity tests of complex against Escherichia coli and Staphylococcus aureus were performed using diffusion test in vitro.The results revealed that the complex had the activity of inhibiting growth of the two bacteriums.Quantum chemistry calculation method was performed on the complex.

Schiff base；complex；synthesis；crystal structure；antibacterial activity；quantum chemistrycalculation

O64

A

1671－1114（2011）01－0057－06

2010－09－11

天津市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（70671072）

韓俊靜（1987—），女，碩士研究生.

張 欣（1963—），女，教授，主要從事功能配合物方面的研究.E－mail：zxin tj＠126.com

（責(zé)任編校 紀(jì)翠榮）