張復(fù)興 何唐鋒 姚淑芬 朱小明 盛良兵 鄺代治 馮泳蘭 庾江喜 蔣伍玖

(衡陽師范學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，功能金屬有機(jī)化合物湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，功能金屬有機(jī)材料湖南省普通高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，衡陽 421008)

有機(jī)錫羧酸酯化合物具有良好的催化、防腐、殺蟲、殺菌和抗腫瘤性能，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥等領(lǐng)域中有廣泛應(yīng)用。近年來的研究表明許多有機(jī)錫羧酸酯具有極高效廣譜的抗癌活性，比目前臨床上廣泛使用的抗癌藥順鉑的抗癌活性還要高出許多[1-2]，因此有機(jī)錫羧酸酯是一類未來可期的高效抗癌藥，具有潛在的研究價值，因而備受人們關(guān)注[3-4]。有機(jī)錫羧酸酯不僅具有良好的性能，也具有豐富多變結(jié)構(gòu)，但其結(jié)構(gòu)與性能決定于直接與錫原子相連的烴基和羧酸配體的結(jié)構(gòu)[5-9]，尤其是當(dāng)以含有活性基團(tuán)作取代基的取代羧酸為配體時，更易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的多樣性[10-17]。本文合成了梯形結(jié)構(gòu)的二(對氯芐基)錫鄰羥基苯甲酸酯[(μ3-O)(μ2-OH)(p-Cl-C6H4CH2Sn)2(O2CC6H4-OH-o)]2(1)和三苯基錫二(對羥基苯甲酸)酯 (2)，通過元素分析、紅外光譜進(jìn)行了表征，用X射線單晶衍射測定了晶體結(jié)構(gòu)，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行量子化學(xué)從頭計算，探討了配合物分子的穩(wěn)定性、分子軌道能量以及一些前沿分子軌道的組成特征。測定了配合物的熱穩(wěn)定性和體外抗癌活性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

合成反應(yīng)在微波有機(jī)合成系統(tǒng)(Micro SYNT Labstation for Microwave assisted，意大利)中完成。 配合物的紅外光譜用Shimadzu FTIR8700(KBr壓片，400～4 000 cm-1)光譜儀測定，元素組成用PE-2400型元素分析儀測定，晶體分子結(jié)構(gòu)測定用Bruker Smart ApexⅡCCD單晶衍射儀，配合物的熔點(diǎn)用北京泰克XT-4雙目體視顯微熔點(diǎn)儀測定(溫度計未經(jīng)校正)。所有試劑為分析純。

1.2 配合物的合成

配合物1：在聚四氟乙烯微波反應(yīng)罐中，加入30 mL 甲醇，0.386 g(1 mmol)二(對氯芐基)氧化錫，0.138 g(1 mmol)鄰羥基苯甲酸，將罐蓋密封好，置于微波反應(yīng)器中。設(shè)置微波有機(jī)合成系統(tǒng)溫度120℃，微波輻射反應(yīng)2 h。冷卻過濾，除去不溶性固體,濾液旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去部分溶劑，放置析出白色固體，用二氯甲烷-甲醇重結(jié)晶得無色晶體0.312 g，產(chǎn)率67.39%。熔點(diǎn)：＞300℃。 紅外光譜主要吸收峰(KB，cm-1)：3 318 ν(O-H)，3 026，2 956，2 912 ν(C-H)，1 589 νas(COO-)，1 389 νs(COO-)，626 ν(Sn-O-Sn)，554 ν(Sn-C)，480 ν(Sn-O)。 元素分析按 C71H64Cl8O11Sn4計算值(%)：C，46.01；H，3.45。 實(shí)測值(%)：C，46.23；H，3.41。

配合物2：按照上述方法，用0.356 g(1 mmol)三苯基氯化錫代替二 (對氯芐基)氧化錫，0.276 g(2 mmol)對羥基苯甲酸代替鄰羥基苯甲酸，得無色透明晶體三苯基錫二(對羥基苯甲酸)酯配合物0.476 g，產(chǎn)率76.16%。熔點(diǎn)：162～164℃。紅外光譜主要吸收峰(KBr，cm-1)：3 410 ν(O-H)，3 071，3 049，2 905 ν(CH)，1 607 νas(COO-)，1 369 νs(COO-)，550 ν(Sn-C)，55 ν(Sn-O)。元素分析按 C33H30O7Sn 計算值(%)：C，60.30；H，4.60。 實(shí)測值(%)：C，60.64；H，4.53。

1.3 晶體結(jié)構(gòu)測定

分別選取大小為0.24 mm×0.23 mm×0.21 mm(1)和 0.20 mm×0.19 mm×0.17 mm(2)的晶體，在 Bruker SMART APEXⅡCCD單晶衍射儀上，采用經(jīng)石墨單色化的Mo Kα射線(λ=0.071 073 nm)，于296(2)K，以φ～ω掃描方式收集數(shù)據(jù)?？捎^察衍射點(diǎn)分別為9 974 個(1)和 3 318 個(2)(I＞2σ(I))用于結(jié)構(gòu)分析和精修。衍射強(qiáng)度數(shù)據(jù)經(jīng)多重掃描吸收校正，晶體結(jié)構(gòu)中大部分非氫原子由直接法解出[18a]，其余部分非氫原子在隨后的差值傅立葉合成中陸續(xù)確定，對所有非氫原子坐標(biāo)及其溫度因子采用全矩陣最小二乘法精修。由理論加氫法給出氫原子在晶胞中的位置坐標(biāo)，對氫原子和非氫原子分別采用各向同性和各向異性熱參數(shù)精修，全部結(jié)構(gòu)精修工作用SHELXL-2016程序完成[18b]。配合物的主要晶體學(xué)數(shù)據(jù)列于表1。

CCDC：1900158，1；1900157，2。

表1 配合物的晶體學(xué)數(shù)據(jù)Table 1 Crystallographic data of the titled complexes

續(xù)表1

1.4 配合物的體外抗癌活性測定

HT-29，HEPG2，MCF-7，Hela 和 A549 細(xì)胞取自美國組織培養(yǎng)庫，用含10%牛胎血清的RPMI1640(GIBICO，Invitrogen)培養(yǎng)液，在含 5%(V/V)CO2的培養(yǎng)箱內(nèi)于37℃下培養(yǎng)，用MTT法檢測細(xì)胞增殖與生長抑制情況，調(diào)整實(shí)驗(yàn)細(xì)胞數(shù)量使在570 nm獲得1.3～2.2的吸光度，將配合物測試藥液(0.1 nmol·L-1～10 μmol·L-1)設(shè)置 6 個濃度，處理細(xì)胞 72 h，每個濃度至少3個平行和3次重復(fù)實(shí)驗(yàn),應(yīng)用GraphPad Prism5.0軟件統(tǒng)計分析確定IC50值。

2 結(jié)果與討論

2.1 晶體結(jié)構(gòu)

配合物的主要鍵長和鍵角分別列于表2、表3，配合物的分子結(jié)構(gòu)見圖1、圖2。由分子結(jié)構(gòu)圖和結(jié)構(gòu)參數(shù)可知：配合物1的晶體中每一個不對稱單元包含了2個結(jié)構(gòu)相同，但鍵參數(shù)完全不同的四錫核梯形結(jié)構(gòu)和1個甲醇分子。梯形結(jié)構(gòu)由2個鄰羥基苯甲酸、4個二(對氯芐基)錫通過μ2-OH橋聯(lián)Sn(1)和 Sn(2)，μ3-O 橋聯(lián) Sn(1)、Sn(2)和 Sn(2ii)，由 Sn2O2構(gòu)成含1個四元內(nèi)環(huán)和2個四元外環(huán)的結(jié)構(gòu)。內(nèi)環(huán)O(5ii)-Sn(2)-O(5)-Sn(2ii)的扭轉(zhuǎn)角為0.0°，說明其是一個平面四元環(huán)，整個結(jié)構(gòu)是以內(nèi)環(huán)中心為對稱中心的中心對稱結(jié)構(gòu)。錫原子Sn(1)、Sn(2)的配位環(huán)境不同，但構(gòu)型相同，均為五配位的三角雙錐構(gòu)型，其中O(1)和 O(4)、O(4)和 O(5ii)分別占據(jù)著 Sn(1)和 Sn(2)為中心的軸向位置，∠O(1)-Sn(1)-O(4)為 153.47(17)°，∠O(4)-Sn(2)-O(5ii) 為 147.13(17)°；O(5)、C(8)、C(17)和O(5)、C(25)、C(33)分別占據(jù)赤道位置，赤道位置的原子與中心錫原子Sn(1)和Sn(2)的鍵角之和分別為358.7°和 360°，表明 O(5)、C(8)、C(17)和 Sn(1)共平面性較差，而 O(5)、C(25)、C(33)和 Sn(1)則完全共平面。因此，中心錫原子均形成了五配位的畸變?nèi)请p錐六面體，其中Sn(1)的畸變程度更高。

表2 配合物的部分鍵長(nm)Table 2 Selected bond lengths(nm)of the titled complexes

表3 配合物的部分鍵角(°)Table 3 Selected bond angles(°)of the titled complexes

圖1 配合物1的分子結(jié)構(gòu)圖(橢球概率10%)Fig.1 Molecular structure of complex 1 with the ellipsoids drawn at 10%probability level

圖2 配合物2的分子結(jié)構(gòu)圖(橢球概率10%)Fig.2 Molecular structure of complex 2 with the ellipsoids drawn at 10%probability level

配合物 2是以通過Sn(1)、C(14)和 C(17)三個原子的直線為二重軸的軸對稱分子。中心錫原子與3個苯環(huán)碳原子、2個不同對羥基苯甲酸配體中的羧基氧原子相連構(gòu)成了三角雙錐構(gòu)型，3個碳原子占據(jù)了三角雙錐赤道平面上的3個位置，2個氧原子則占據(jù)了該平面兩側(cè)的軸向位置。以錫原子為中心，處于赤道位置的3個原子之間的夾角之和為360°，說明處于赤道位置的3個原子和錫原子完全共平面；處于軸向位置的2個O原子與處于赤道位置的3個原子的鍵角在 86.6°～92.22°之間， 雖均與 90°有一定的偏差，但偏差不大；處于軸向位置原子的鍵角∠O(1i)-Sn(1)-O(1)為 177.19°，與 180°相差 2.7°。 由此說明，配合物2中心錫原子為有一定畸變程度的三角雙錐構(gòu)型。

2.2 量子化學(xué)研究

根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)的原子坐標(biāo)，運(yùn)用Gaussian 03W程序在B3lyp/lanl2dz基組水平計算得到分子的總能量和前沿分子軌道能量。

配合物 1：ET=-1291.2237943a.u.，EHOMO=-0.12390 a.u.，ELUMO=-0.082 06 a.u.，ΔELUMO-HOMO=0.041 84 a.u.。配合物 2：ET=-1 527.878 618 8 a.u.，EHOMO=-0.083 92 a.u，ELUMO=0.143 90 a.u.，ΔELUMO-HOMO=0.227 82 a.u.。 從體系能量來看，2個配合物總能量均較低，表明2個配合物分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。但從最高占據(jù)軌道與最低未占軌道的能量間隙ΔE來看，配合物2的ΔE較大，從氧化還原轉(zhuǎn)移的角度分析，配合物2較難失去電子而被氧化；而配合物1的ΔE小，僅有0.041 84 a.u.，表明配合物1容易失去電子而被氧化。因此，相對而言配合物2比配合物1有更好的穩(wěn)定性和更難被氧化。

為探索配合物的電子結(jié)構(gòu)與成鍵特征，對配合物分子軌道進(jìn)行分析，用參與組合的各類原子軌道系數(shù)的平方和來表示該部分在分子軌道中的貢獻(xiàn)，并經(jīng)歸一化。分別把配合物原子分為5部分，配合物1：(a)錫原子Sn；(b)對氯芐基碳原子和氯原子M；(c)配體碳原子和氧原子L；(d)橋氧原子O；(e)氫原子H。配合物2：(a)錫原子Sn；(b)苯環(huán)碳原子 C；(c)配體羥基苯基碳原子和氧原子M；(d)配體羧基碳原子和氧原子L；(e)氫原子H。取最高占據(jù)軌道與最低未占軌道，計算結(jié)果如表4、表5和圖4、圖5所示。

表4和圖3顯示配合物1的成鍵特征：前沿占有分子軌道中，配體對分子軌道的貢獻(xiàn)最大，達(dá)到了75.32%；其次是橋氧原子，為10.87%；對氯芐基和錫原子對分子軌道均有一定的貢獻(xiàn)，分別為7.59%和5.47%；說明分子中Sn-C鍵Sn-O均較穩(wěn)定，尤其是配體與錫原子有較好的結(jié)合。比較HOMO與LUMO的各類原子軌道成分，可以看出，當(dāng)電子從HOMO激發(fā)到LUMO軌道時，主要是配體原子上的電子通過錫原子向?qū)β绕S基轉(zhuǎn)移，錫原子既是電子轉(zhuǎn)移的橋梁，也是電子轉(zhuǎn)移的部分受體。

表4 配合物1的分子軌道組成Table 4 Calculated some frontier molecular orbitals composition of complex 1

表5 配合物2的分子軌道組成Table 5 Calculated some frontier molecular orbitals composition of complex 2

圖3 配合物1的前沿分子軌道示意圖Fig.3 Schematic diagram of frontier MO for complex 1

圖4 配合物2的前沿分子軌道示意圖Fig.4 Schematic diagram of frontier MO for complex 2

表5和圖4顯示配合物2的成鍵特征：前沿占有分子軌道中，對分子軌道的貢獻(xiàn)最大是苯環(huán)碳原子，占62.44%；其次是錫原子，為22.53%；配體羧基原子也有較大的貢獻(xiàn)，為11.14%；說明Sn-C和Sn-O鍵有一定強(qiáng)度，基態(tài)時配合物穩(wěn)定。比較HOMO與LUMO的各類原子軌道成分，可以看出，當(dāng)電子從HOMO激發(fā)到LUMO軌道時，主要是苯環(huán)和錫原子上的電子整體向配體轉(zhuǎn)移。

2.3 熱穩(wěn)定性分析

利用TG209F3熱分析儀，在空氣氛中，加熱速度為 20 ℃·min-1，氣體流速為 20 mL·min-1，在 40～700℃范圍內(nèi)對配合物進(jìn)行熱重測試，其結(jié)果如圖5所示。配合物1在90℃之前幾乎沒有失重；在90～240℃之間，配合物緩慢失重；在240～420℃之間，配合物的失重加快，這是有機(jī)配體大量分解階段；從420℃開始失重速度又變緩，至605℃時失重基本停止，殘留質(zhì)量最后穩(wěn)定在30.85%?？傆嬍е?9.15%，殘余物可被假定為SnO2，與32.56%的計算值基本吻合。

配合物2在120℃之前幾乎沒有失重；從120℃開始，先以較快的速度然后慢慢變緩持續(xù)失重，這是有機(jī)配體大量分解的階段；在618℃時幾乎停止失重，最后殘余物穩(wěn)定在約25.45%?？傆嬍е?4.55%，對應(yīng)于失去3個苯基和配體，殘余物可被假定為SnO2，與22.93%的計算值基本吻合。

圖5 配合物的熱分析曲線Fig.5 Thermogravimetric analysis curves of the titled complexes

2.4 抗腫瘤活性

以順鉑為對照，測試了配合物對腫瘤細(xì)胞：人結(jié)腸癌(HT-29)、肝癌細(xì)胞(HepG2)、乳腺癌(MCF-7)、宮頸癌細(xì)胞(Hela)和肺癌細(xì)胞(A549)的體外生長抑制活性，結(jié)果見表6。發(fā)現(xiàn)配合物對所研究癌細(xì)胞均顯示了比臨床的順鉑還強(qiáng)的抑制活性[19]，但相對而言配合物2的抑制作用更明顯。因此，配合物均可作為廣譜抗癌的候選化合物。

表6 配合物和順鉑對體外腫瘤細(xì)胞的半抑制率Table 6 IC50 of the titled complexes and cisplatin to tumor cells in vitro μmol·L-1

3 結(jié) 論

在微波甲醇溶劑熱條件下，合成了2個有機(jī)錫羥基苯甲酸酯配合物：梯形結(jié)構(gòu)的二(對氯芐基)錫鄰羥基苯甲羧酸酯[(μ3-O)(μ2-OH)(p-Cl-C6H4CH2Sn)2(O2CC6H4-OH-o)]2和三苯基錫二(對羥基苯甲酸)酯。體外抗癌活性測試表明配合物對人結(jié)腸癌(HT-29)、肝癌細(xì)胞 (HepG2)、乳腺癌 (MCF-7)、宮頸癌細(xì)胞(Hela)和肺癌細(xì)胞(A549)均顯示出比臨床使用的順鉑還強(qiáng)的體外抗癌活性，可望作為廣譜抗癌的候選化合物。