何麗芳, 張復(fù)興, 李宗澤, 王芳宇, 劉 最, 陳佩云

(1. 衡陽師范學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院 南岳山區(qū)生物資源保護與利用湖南省重點實驗室,湖南 衡陽 421008; 2. 衡陽師范學(xué)院 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院 功能金屬有機化合物湖南省重點實驗室, 湖南 衡陽 421008)

有機錫配合物具有多變的結(jié)構(gòu)和豐富的性能,在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥等領(lǐng)域中有廣泛應(yīng)用。已有研究表明,許多有機錫配合物具有極其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。因此，有機錫配合物是一類未來可期的高效抗癌藥物,具有潛在研究價值[1-7]。但由于有機錫化合物的高毒性,又使它們的應(yīng)用受到了一定的限制。

有機錫配合物的結(jié)構(gòu)和性能決定于與錫原子相連的烴基的結(jié)構(gòu)和配體的類型[8-11],功能化的配體能改變錫原子的配位方式,影響有機錫化合物的生物活性,能調(diào)節(jié)其毒性與生物活性之間的平衡。雜環(huán)羧酸是一類具有豐富結(jié)構(gòu)和較強生物活性的良好配體,能與有機錫形成極具特色結(jié)構(gòu)和特殊性能的有機錫配合物,因而受到研究人員廣泛關(guān)注[12-19]。

為系統(tǒng)地研究該類化合物,本文合成了水合三環(huán)己基錫4-吡啶甲酸酯配合物(Scheme 1),采用元素分析、紅外光譜、核磁共振氫譜進行了表征,用X-射線單晶衍射測定了晶體結(jié)構(gòu),對其結(jié)構(gòu)進行量子化學(xué)從頭計算,探討了化合物分子的穩(wěn)定性、分子軌道能量以及一些前沿分子軌道的組成特征,并研究了其熱穩(wěn)定性和體外抗癌活性。

Scheme 1

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

X-4型數(shù)字顯微熔點儀;Shimadzu FT IR8700型紅外光譜儀(KBr壓片);PE-2400型元素分析儀;Bruker Avance III HD 500 MHz型超導(dǎo)核磁共振儀(TMS為內(nèi)標);Bruker Smart Apex Ⅱ CCD型單晶衍射儀;TGA Q50型熱重分析儀。

所用試劑均為分析純。

1.2 合成

在50 mL的耐壓反應(yīng)瓶中,加入0.3850 g(1 mmol)三環(huán)己基氫氧化錫、0.1230 g(1 mmol)4-吡啶甲酸和35 mL無水甲醇,密封反應(yīng)瓶,于120 ℃下恒溫攪拌反應(yīng)4 h。冷卻至室溫,旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去部分溶劑,靜置析出白色固體,用無水乙醇重結(jié)晶得無色晶體水合三環(huán)己基錫4-吡啶甲酸酯配合物0.3880 g,產(chǎn)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 晶體結(jié)構(gòu)測試方法

選取體積為0.22 mm×0.21 mm×0.20 mm的晶體,在Bruker SMART APEX Ⅱ CCD單晶衍射儀上,采用經(jīng)石墨單色化的Mo-Kα射線(λ=0.071073 nm),于296(2)K,以φ～ω掃描方式收集數(shù)據(jù)。在1.883°≤θ≤25.687°范圍內(nèi)共收集9292個衍射點,其中獨立衍射點3069個[R(int)=0.0227],可觀察衍射點2802個[I>2σ(I)]。衍射強度數(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,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,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)分析工作在WINGX上調(diào)用SHELX-97程序完成。

1.4 體外抗癌活性測試方法

將待測藥物溶于少量DMSO,用水稀釋至所需濃度,保持最終DMSO濃度<0.1%。人肝癌細胞(HuH-7)、人肺腺癌細胞(A549)、人表皮癌細胞(A431)、人結(jié)腸癌細胞(HCT-116)、人乳腺癌細胞(231)和人肝正常細胞(HL-7702)均獲自ATCC。將細胞用含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法檢測細胞增殖與生長抑制情況,調(diào)整實驗細胞數(shù)量使在570 nm獲得1.3～2.2的吸光度,將化合物測試藥液(0.1 nmol/L～10 μmol/L)設(shè)置6個濃度,處理細胞72 h,每個濃度至少3個平行和3次重復(fù)實驗,采用GraphPad Prism 5.0軟件統(tǒng)計分析確定IC50值。

2 結(jié)果與討論

2.1 表征

分析IR譜圖(圖略)可知,配合物在1654 cm-1和1323 cm-1出現(xiàn)了尖銳吸收峰為羧基的反對稱伸縮振動[νas(COO)]和對稱伸縮振動吸收峰[νs(COO)],其Δν[νas(COO)與νs(COO)之差]為331 cm-1,表明配合物中羧基氧是以單齒形式與錫配位;配合物451 cm-1處出現(xiàn)了吸收峰,該峰為Sn—O鍵的伸縮振動吸收峰,說明化合物中有Sn—O鍵存在。

在1H NMR譜中,化合物分別在δ8.73和δ7.87出現(xiàn)雙重峰,該特征峰為配體吡啶環(huán)上質(zhì)子的吸收峰,在δ2.05～1.34出現(xiàn)的多重峰歸屬于環(huán)己基烷基氫的吸收峰,各部分的積分面積之比與配合物分子結(jié)構(gòu)質(zhì)子數(shù)之比吻合;在13C NMR譜中,δ169.39為配合物羧基碳的吸收峰,吡啶環(huán)碳的吸收峰出現(xiàn)在δ150.18、 139.83和123.64,在δ34.16、 31.05、 28.84和26.80出現(xiàn)的特征峰為環(huán)己基碳的吸收峰;在119Sn NMR譜中,在δ31.15處出現(xiàn)了吸收峰。

2.2 晶體結(jié)構(gòu)分析

配合物屬四方晶系,空間群為P43,晶體學(xué)參數(shù)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。配合物的主要鍵長和鍵角列于表1,分子結(jié)構(gòu)見圖1,晶胞中分子堆積見圖2。

表1 配合物的主要鍵長和鍵角

圖1 配合物的分子結(jié)構(gòu)

圖2 配合物的晶胞

由分子構(gòu)型圖和結(jié)構(gòu)參數(shù)可知,配合物為單錫核結(jié)構(gòu),中心錫原子與3個環(huán)己基碳原子、配體4-吡啶甲酸的1個羧基氧原子和水分子的氧原子配位形成畸變的三角雙錐構(gòu)型。其中3個環(huán)己基碳C(7)、 C(13)和C(9)處于赤道平面的3個位置,分別來自4-吡啶甲酸的羧基氧原子和水分子的氧原子O(1)和O(3),占據(jù)了赤道平面兩側(cè)的軸向位置。處于赤道位置的3個原子之間的夾角分別為: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°,夾角之和為357.8°,與360°有一定的偏差,說明處于赤道位置的3個原子無法完美地共平面。而處于軸向位置的兩個原子O(1)和O(3)與處于赤道位置的3個原子的鍵角在82.5～100.3°,均偏離90°。此外,處于軸向位置的鍵角為O(1)—Sn(1)—O(3) 175.3°與180.0°線性角相差較大。因此,分子中錫原子為畸變程度較大的三角雙錐構(gòu)型。

2.3 量子化學(xué)分析

根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)的原子坐標,運用Gaussian 03W程序和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。ET=-2158.5556708 a.u.,EHOMO=-0.24446 a.u.,ELUMO=0.11084 a.u.,ΔELUMO-HOMO=0.3553 a.u.。由此可見,總能量和占有軌道能量級均較低,表明配合物分子結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定。最高占據(jù)軌道與最低未占軌道的能量間隙ΔE為較大值,從氧化還原轉(zhuǎn)移的角度分析,配合物均較難失去電子而被氧化,其基態(tài)較穩(wěn)定。

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,并經(jīng)歸一化。把配合物原子分為7部分,(a)錫原子Sn; (b)配體羧基氧原子O1; (c)配體羧基碳原子C1; (d)環(huán)己基碳原子C2; (e)配體吡啶環(huán)碳原子和氮原子M; (f)水分子氧原子O2; (g)氫原子H。前沿占有軌道和未占有軌道各取5個,計算結(jié)果如表2和圖3所示。

表2 配合物的分子軌道組成/%

HOMO LUMO

表2和圖3顯示了配合物的成鍵特征。前沿占有分子軌道中,對分子軌道貢獻最大的羧基氧原子、錫原子和環(huán)己基碳原子分別為84.03%、 5.31%和4.63%,說明分子中Sn—C鍵和Sn—O鍵均較牢固,因而配合物的穩(wěn)定性較好。由HOMO與LUMO的各類原子軌道成分可知,電子從HOMO激發(fā)到LUMO軌道是其它所有原子上的電子集中向配體吡啶環(huán)轉(zhuǎn)移的過程。

2.4 熱穩(wěn)定性分析

在空氣氣氛中,加熱速度設(shè)置為20 ℃/min,氣體流速為20 mL/min,在40～800 ℃內(nèi)對化合物進行熱重測試,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知,在140 ℃之前,配合物幾乎沒有失重,而從140 ℃開始快速失重,310 ℃時失重趨緩,至470 ℃時失重基本停止,殘留質(zhì)量最后穩(wěn)定在28.48%,總計失重71.52%。經(jīng)分析,殘余物可被假定為SnO2,與29.65%的計算值基本吻合。

Temerature/℃

2.5 抗腫瘤活性

以順鉑對照,測試了配合物對腫瘤細胞人肝癌細胞(HUH7)、人肺腺癌細胞(A549)、人表皮癌細胞(A431)、人結(jié)腸癌細胞(HCT-116)、人乳腺癌細胞(231)和人肝正常細胞(HL-7702)的體外生長抑制活性,結(jié)果見表3。由表3可知,配合物對所有癌細胞的抑制活性均強于臨床廣泛使用的順鉑。因此,配合物可作為抗HuH-7、 A549、 A431和HCT-116等癌細胞藥物的候選化合物。

表3 配合物和順鉑對人體外腫瘤細胞的半抑制率(μmol/L)

以甲醇為溶劑,在溶劑熱條件下合成了水合三環(huán)己基錫4-吡啶甲酸酯配合物。體外抗癌活性測試結(jié)果表明,配合物對HuH-7、 A549、 A431和HCT-116的抑制活性較好,優(yōu)于對照組順鉑,有望作為抗HuH-7、 A549、 A431和HCT-116等癌細胞藥物的候選化合物。