陳延民 解慶范

(泉州師范學(xué)院化工與材料學(xué)院，泉州 362000)

酰腙類Schiff堿的熱穩(wěn)定性好，不易水解，與金屬離子具有很強(qiáng)的配位能力，在催化劑、功能材料和熒光分析等方面有廣泛應(yīng)用，而且許多金屬的酰腙配合物具有良好的抗癌、抑菌和抗病毒等生物活性，因此長期以來備受研究者的關(guān)注[1-8]。由酰肼與水楊醛衍生物縮合的產(chǎn)物是一類[ONO]三齒配體，與金屬可以形成穩(wěn)定的螯合物，利用咪唑、吡啶和4，4′-聯(lián)吡啶等第二配體的輔助作用，可以設(shè)計合成具有大共軛平面的配合物，而這種大平面往往有利于配合物與DNA的相互作用。鎳是生物體中必需的微量元素，能促進(jìn)體內(nèi)鐵的吸收、紅細(xì)胞的增長和氨基酶的合成，而且可能是DNA和RNA的一種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定劑[9-11]，有些鎳配合物還表現(xiàn)出良好的抗癌活性[12-15]。本文采用水熱法合成了兩種酰腙的鎳配合物[Ni(Lss)(Py)](1)和[Ni2(Lrr)2(4，4′-bipy)](2)，經(jīng)X射線單晶衍射方法確定了它們的晶體結(jié)構(gòu)，采用MTT法測試了配合物對白血病細(xì)胞HL-60體外抑制活性。同時采用密度泛涵理論(DFT)對配合物2分子的自然電荷布居和鍵級進(jìn)行了分析。

1 實驗部分

1.1 儀器與藥品

所用儀器有德國Elmentar公司 Vario EL型元素分析儀，美國Nicolet公司is10型FT-IR紅外光譜儀，上海美普達(dá)UV-1800PC型紫外-可見分光光度計，德國Bruker公司Smart Apex CCD單晶衍射儀。5-硝基水楊醛縮噻吩-2-甲酰腙(H2Lss，按文獻(xiàn)[16]方法自制)，5-溴水楊醛縮噻吩-2-甲酰腙(H2Lrr，按文獻(xiàn)[17]方法自制)，其他均為市售的分析純試劑。

1.2 配合物的合成

將 0.1 mmol H2Lss，0.1 mmol乙酸鎳和 20 μL 吡啶(約0.25 mmol)以及2 mL蒸餾水和5 mL甲醇，置于20 mL的內(nèi)襯聚四氟乙烯的不銹鋼自動升壓反應(yīng)釜中，在140℃下反應(yīng)2 d，得到適于X射線單晶衍射分析的1的黃色晶體。對C17H12N4NiO4S元素分析的實測值(計算 值，%)：C 47.74(47.81)；H 2.76(2.83)；N 13.15(13.11)。 IR(cm-1)：1 602(s)，1 553(m)，1 512(w)，1 485(w)，1 426(w)，1 332(s)，1 313(vs)，1 219(m)，927(w)，828(w)，768(w)，725(s)，695(m)。

將 0.2 mmol H2Lrr，0.2 mmol乙酸鎳和 0.1 mmol 4，4′-聯(lián)吡啶以及3 mL蒸餾水和7 mL甲醇，同樣在140℃下水熱反應(yīng)2 d，得到2的黃色晶體。對C34H22Br2N6Ni2O4S2元素分析的實測值 (計算值，%)：C 44.31(44.39)；H 2.52(2.41)；N 9.22(9.14)。 IR(cm-1)：1 622(m)，1 594(s)，1 560(m)，1 457(vs)，1 419(m)，1 372(s)，1 300(s)，1 174(s)，948(vw)，845(w)，811(m)，722(s)，694(w)。

1.3 晶體結(jié)構(gòu)測試

選取1和2的單晶置于Smart Apex CCD單晶衍射儀上，用經(jīng)石墨單色器單色化的Mo Kα射線(λ=0.071 073 nm) 分別在 3.14°＜θ＜27.54°和 3.38°＜θ＜25.10°范圍內(nèi)以φ～ω掃描方式分別收集到65 940和25 599個衍射點，其中I＞2σ(I)的可觀察點分別為2 242和1 521個。晶體結(jié)構(gòu)用SHELXTL和SHELXL-97程序包[18-19]由直接法解出，全部強(qiáng)度數(shù)據(jù)均經(jīng)Lp因子校正，并進(jìn)行了經(jīng)驗吸收校正，對全部非氫原子坐標(biāo)及其各向異性熱參數(shù)進(jìn)行全矩陣最小二乘法修正，氫原子由理論加氫法得到。晶體學(xué)數(shù)據(jù)詳見表1，主要鍵長和鍵角列于表2。

CCDC：1041669，1；1046102，2。

表1 配合物1和2的主要晶體數(shù)據(jù)Table 1 Crystal data of complexes 1 and 2

續(xù)表1

2 結(jié)果與討論

2.1 晶體結(jié)構(gòu)描述

配合物1是一種單核配合物，分子結(jié)構(gòu)見圖1。它由1個酰腙配體Lss2-、1個吡啶配體和1個Ni2+離子組成，其中，中心離子Ni（Ⅱ）為4配位，處于平面四邊形的配位環(huán)境，4個配原子分別來自烯醇化的酰腙配體的羰基氧原子O、去質(zhì)子化的羥基氧原子O、亞胺基的氮原子N和吡啶的氮原子N。Ni-O鍵長為0.184 5(2)和 0.182 3(2)nm，Ni-N鍵長為 0.183 2(3)和 0.194 5(3)nm。由于羰基烯醇式配位，所以O(shè)(1)-C(10)鍵長(0.130 0 nm)與酚羥基 O(2)-C(13)鍵長(0.131 1 nm)相近，明顯比類似的酰腙配體[20]的羰基C=O雙鍵鍵長(0.122 nm)長得多。配原子N1、N3、O1和O2與中心離子 Ni2+幾乎完全共平面，鍵角為 83.51(11)°～94.84(11)°和 174.92(12)°～177.71(10)°，O1-N1-O2-N3 扭轉(zhuǎn)角為-1.71°。配合物整個分子也呈現(xiàn)較高的共平面性，噻吩環(huán)與苯環(huán)二面角為9.2°，吡啶與酰腙配體共軛面的二面角為10.5°；扭轉(zhuǎn)角O1-C10-N2-N3和N3-C11-C12-C13分別為-1.52°和1.37°，說明配合物1整個分子的共軛程度較高。

圖1 配合物1的分子結(jié)構(gòu)圖(橢球率30%)Fig.1 Molecular structure of 1 with 30%probability ellipsoids

配合物2的分子結(jié)構(gòu)見圖2。它是由2個酰腙配體 Lrr2-、1 個 4，4′-聯(lián)吡啶和 2 個中心離子 Ni（Ⅱ）組成的具有對稱中心的雙核配合物。與配合物1相似，烯醇化的酰腙配體去質(zhì)子化，提供2個氧原子和1個氮原子與吡啶環(huán)的氮原子構(gòu)成平面四邊形的配位環(huán)境，Ni-O鍵長為0.181 9(4)和0.184 3(4)nm，Ni-N鍵長為0.183 2(3)和 0.193 8(4)nm；鍵角為 83.81(19)°～95.7(2)°和 173.7(2)°～177.64(17)°。 酰腙配體 Lrr2-的所有原子與NI（Ⅱ）共平面程度高，噻吩環(huán)與苯環(huán)二面角為5.4°，O1-Ni1-N2-N1和N2-N1-C5-O1扭轉(zhuǎn)角分別為 2.2(3)°和1.5(7)°，O1-N3-O2-N2 扭轉(zhuǎn)角為 3.8(3)°。4，4′-聯(lián)吡啶的所有原子完全共平面，它與酰腙配體共軛平面的二面角為 16.1°。

圖2 配合物2的分子結(jié)構(gòu)圖(橢球率30%)Fig.2 Molecular structure of 2 with 30%probability ellipsoids

在1的晶體中，每個配合物分子的噻吩環(huán)的C-H和吡啶環(huán)的C-H與相鄰配合物分子的硝基氧原子O之間形成氫鍵(表3)，從而將整個配合物擴(kuò)展為二維超分子體系(圖3)，而這些氫鍵對于穩(wěn)定晶體結(jié)構(gòu)起著重要作用。而2則通過芳環(huán)堆積作用形成層狀超分子體系。

圖3 配合物1中的分子間氫鍵Fig.3 Intermolecular C-H…O hydrogen bonds in the crystal of 1

表3 配合物1中的氫鍵鍵長(nm)和鍵角(°)Table 3 Hydrogen bonds in the crystal of 1

2.2 電子光譜特征

圖4 配體和配合物的紫外-可見光譜Fig.4 UV-Vis spectra of ligands and complexes

配體和配合物溶液(21.8 μmol·L-1)的電子光譜見圖4。由圖4(A)可見，在DMF溶劑中H2Lss有2個很寬的強(qiáng)吸收帶，其中297 nm可指認(rèn)為共軛體系的π-π*電子躍遷即K帶和n-π*電子躍遷即R帶疊加的結(jié)果，395 nm處則歸屬于配體內(nèi)部的電荷轉(zhuǎn)移躍遷(ILCT)；而形成配合物1后，K帶紅移到328 nm，這是因為酰腙以烯醇式配位，共軛體系增大的結(jié)果，ILCT則紅移至402 nm，在260 nm處出現(xiàn)的新吸收帶可能來自第二配體吡啶環(huán)的π-π*電子躍遷即B帶。溶劑對電子光譜的吸收特征有很大的影響，由于甲醇與配合物可形成氫鍵，有可能改變分子軌道的能級，從而使1的B帶、K帶和ILCT分別藍(lán)移至230、312和386 nm；同時在252 nm處可以觀察到R帶。H2Lrr在265 nm處的肩峰歸屬芳環(huán)的B帶，294、306和339 nm可能來自不同共軛片段的π-π*電子躍遷 (即K帶吸收峰)，405 nm 則來自 ILCT； 由于配合物 2 中 4，4′-聯(lián)吡啶參與配位，所以在圖4(B)中261 nm處明顯可觀察到2的B帶；而酰腙以烯醇式配位導(dǎo)致K帶紅移至328～342 nm，電荷轉(zhuǎn)移躍遷紅移了8 nm至413 nm。

2.3 量化計算

用Gaussian 09程序包[21]，應(yīng)用密度泛函理論(DFT)[22]，在 B3LYP 水平上對 C，H，O，N，S 原子選用 6-31G(d)基組，Ni原子選用lanl2dz基組，計算了配合物2的分子的碎片對前線分子軌道的貢獻(xiàn)、Wiberg鍵級和自然電荷布居(表4～6)。計算中收斂精度采用程序的默認(rèn)值。

配合物2的最高占據(jù)分子軌道的能量EHOMO為-5.368 eV，最低空軌道的能量ELUMO為-2.857 eV，能量較低，ELUMO與EHOMO的差值(2.511 eV)較大，說明配合物的穩(wěn)定性較好。最高占據(jù)軌道(HOMO)電子云主要集中在酰腙C8N2O2Br(76.5%)片段和噻吩C4S(15.4%)片段，最低空軌道(LUMO)電子云主要集中在吡啶配體C5N(95.7%)，表明電子由HOMO向LUMO躍遷時主要發(fā)生酰腙配體向4，4′-聯(lián)吡啶配體的配體間電荷轉(zhuǎn)移躍遷(LLCT)，最大吸收波長的計算值為493 nm，實驗值為413 nm。而LUMO+1電子云的分布是C8N2O2Br片段68.9%、C4S片段21.5%和C5N片段4.2%，可見電子由HOMO向LUMO+1躍遷時主要發(fā)生的是酰腙共軛體系的π-π*電子躍遷(即所謂的K帶)，最大吸收波長的計算值為351 nm，實驗值為328～342 nm。

表4 配合物2的前線分子軌道能量和分子碎片對該分子軌道貢獻(xiàn)/%Table 4 Frontier molecular orbital energy and molecular fragment contribution to molecular orbitals of 2

表5 配合物2的NBO電荷分布Table 5 NBO charges populations of 2

表6 配合物2的Wiberg鍵級Table 6 Wiberg bond order of 2

鎳在配合物2中的化合價為+2，由表5可見，Ni1、O1、O2、N2 和 N3 的凈電荷分別為 0.668、-0.674、-0.653、-0.283和-0.451，說明配原子的部分負(fù)電荷轉(zhuǎn)向了中心離子，這從理論上證明了配位鍵的存在。電荷轉(zhuǎn)移的結(jié)果使得與配原子相連的C5、C6、C12、C13和C17成為正電荷較為集中的原子。從表6可知，C5-N1和C6-N2的Wiberg鍵級分別為1.497和1.546 5，屬典型的雙鍵；C5-O1的鍵級為1.194 7，明顯小于1.500，證明羰基以烯醇式配位。 Ni1-O1、Ni1-O2、Ni1-N2和Ni1-N3的鍵級分別為0.495 1、0.533 0、0.529 0和0.365 6，說明配位能力大小順序為：酚羥基氧O2＞亞胺基N2＞羰基O1＞吡啶基N3；同時說明Ni1-N1在熱分解時可能優(yōu)先斷裂，成為熱解引發(fā)鍵。

2.4 體外抗癌活性

在無菌條件下，分別取對數(shù)生長期的人體急性早幼粒白血病細(xì)胞HL-60，用2.5 g·L-1胰酶消化，調(diào)整細(xì)胞密度為2.5×104mL-1，培養(yǎng)24 h，用全自動酶標(biāo)儀在570 nm處測定它的吸光度值并計算細(xì)胞的增殖抑制率，根據(jù)線性回歸方程求出化合物的半數(shù)抑制濃度IC50。結(jié)果表明，配體H2Lss和H2Lrr的抗癌活性較弱，而配合物1和2對白血病細(xì)胞HL-60有較強(qiáng)的增殖抑制作用，且與濃度呈現(xiàn)正相關(guān)性 (圖5)。1和2對HL-60半數(shù)抑制濃度 IC50分別為 0.476和 3.85 μg·mL-1(即 1.11 和 4.19 μmol·L-1)。根據(jù) Shier[23]的建議，當(dāng)IC50小于5 μg·mL-1時化合物的抑制活性為強(qiáng)效。從而進(jìn)一步證明，大平面結(jié)構(gòu)的過渡金屬配合物具有潛在的生物活性。H2Lss和H2Lrr的結(jié)構(gòu)相似，但1的抗癌活性明顯高于2，可能與酰腙的取代基有關(guān)，因為硝基是強(qiáng)吸電子共軛基團(tuán)，而溴是供電子共軛基團(tuán)，吸電子效應(yīng)有助于提高藥物的抗癌活性[24]。

圖5 化合物對癌細(xì)胞HL-60的抑制作用Fig.5 Inhibition effects of compounds on cell HL-60