童倩倩，徐晨薇，陳馳，王逸飛，王崢

（有機(jī)化工新材料湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，有機(jī)功能分子合成與應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖北 武漢 430062）

配位聚合物（CPs）是由金屬離子或金屬簇與含有多個(gè)位點(diǎn)的有機(jī)配體構(gòu)成的一類無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化材料，具有豐富的建筑單元和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，應(yīng)用于催化、氣體吸附、非線性光學(xué)、磁性材料、醫(yī)藥等領(lǐng)域[1-3]。選擇相應(yīng)的金屬離子和含有合適配位位點(diǎn)的有機(jī)配體是建構(gòu)具有預(yù)期結(jié)構(gòu)和功能性質(zhì)的配位聚合物的必要條件。

鉛（Ⅱ）離子半徑較大，具有特殊的電子構(gòu)型，配位數(shù)可從2到10，表現(xiàn)出豐富的立體化學(xué)活性，配位結(jié)構(gòu)多樣，其化合物在郵電、冶金、化工、石油等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用[4-5]。由于鉛元素是一種有毒的重金屬元素，鉛（Ⅱ）化合物的廣泛應(yīng)用，會(huì)造成環(huán)境污染和生物重金屬中毒，危害人類健康，人們通常通過化學(xué)或物理方法來解決鉛的污染問題[6-7]，例如，D-青霉胺（D-penicillamine）是一種含有巰基、氨基和羧基的配體，可作為重金屬中毒的賦形劑與重金屬配位，為鉛（Ⅱ）離子賦形劑的設(shè)計(jì)合成提供了思路[8]。除了提供多位點(diǎn)配位，結(jié)構(gòu)也是選擇配體的考慮因素之一。吡啶羧酸類化合物兼具吡啶基團(tuán)和羧基的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能優(yōu)勢(shì)：第一，氮、氧原子可提供多個(gè)位點(diǎn)與金屬離子配位；第二，羧基氧原子具有多樣的配位模式，可與金屬離子單齒、雙齒或多齒配位；第三，吡啶基團(tuán)具有剛性結(jié)構(gòu)，有利于形成具有規(guī)則拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、性能穩(wěn)定的配位聚合物。用吡啶羧酸類配體去捕獲鉛（Ⅱ）離子，可能為鉛造成的重金屬中毒問題提供一個(gè)有效的解決方案。

人血清白蛋白是一種球狀的水溶性血清蛋白，是血液中數(shù)量最多的一種蛋白。血清蛋白有維持多種生理功能的作用，如維持滲透壓等，與此同時(shí)還擔(dān)任藥物、脂肪酸等藥物小分子及離子的儲(chǔ)存和運(yùn)輸功能[9]。研究鉛（Ⅱ）配合物與血清白蛋白之間的作用，有利于認(rèn)識(shí)鉛（Ⅱ）配合物在人體內(nèi)的行為，對(duì)了解鉛（Ⅱ）配合物與血清白蛋白的作用機(jī)理有一定的指導(dǎo)意義。牛血清白蛋白（BSA）由一條包含583個(gè)氨基酸殘基的單鏈多肽組成，分子量為66.8 KDa，其結(jié)構(gòu)與人血清白蛋白（HSA）相似，且價(jià)格低廉，較容易大量制得，因而，常被用來替代HSA研究與藥物分子的相互作用[10-11]。

吡啶-2，6-二甲酸是一種生物活性物質(zhì)，吡啶環(huán)和兩個(gè)羧基之間存在120°的剛性角，可以提供多種配位模式，形成離散或連續(xù)的金屬配合物[12]。鉛（Ⅱ）離子與吡啶-2，6-二甲酸存在多種配位方式，相關(guān)研究主要集中在配合物結(jié)構(gòu)的解析及光學(xué)性質(zhì)的探討[13-14]，較少有鉛（Ⅱ）吡啶二甲酸與BSA相互作用的研究報(bào)道。本文以吡啶-2，6-二甲酸為配體，鉛（Ⅱ）為中心離子，構(gòu)建吡啶-2，6-二甲酸鉛（Ⅱ）配位聚合物，確定其結(jié)構(gòu)，利用熒光技術(shù)研究配位聚合物與BSA之間的作用，希望為解決鉛的環(huán)境污染和鉛中毒問題提供一定的參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

吡啶-2，6-二甲酸、BSA，分析純，阿拉丁化學(xué)試劑有限公司。

iS10型傅里葉變換紅外光譜儀，美國(guó)Nicolet公司；D8 Advance型X射線衍射儀，德國(guó)Bruker公司；X’-ta-LAB Synergy型X射線單晶衍射儀，荷蘭；JSM6510LV型掃描電子顯微鏡，日本Jeol公司；STA 2500型熱重分析儀，德國(guó)Netzsch公司；LS-55型熒光分光光度計(jì)，美國(guó)PerkinElmer公司；Lambda 35型紫外分光光度計(jì)，美國(guó)PerkinElmer公司；Optima 8000型電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀，美國(guó)PerkinElmer公司。

1.2 配合物[（C7H3NO4Pb）n]的合成

將10 mL Pb（NO3）2（0.1 mmol，0.033 1 g）水溶液逐滴加到5 mL吡啶-2，6-二甲酸（0.1 mmol，0.016 7 g）的乙醇溶液中，溶液出現(xiàn)渾濁，室溫下持續(xù)攪拌數(shù)小時(shí)后，抽濾并用少量乙醇洗滌，干燥得到白色粉末。ICP測(cè)定值：Pb，55.63%（計(jì)算值：55.66%）。

為了確定上述配合物的結(jié)構(gòu)，制備了單晶，制備方法如下：稱取0.016 7 g吡啶-2，6-二甲酸（0.1 mmol）和0.033 1 g Pb（NO3）2（0.1 mmol）溶于10 mL H2O，室溫下攪拌30 min，一并轉(zhuǎn)入25 mL反應(yīng)釜，140℃反應(yīng)72 h，緩慢降至室溫，過濾得到無(wú)色柱狀晶體。晶體用蒸餾水洗滌并在空氣中干燥，產(chǎn)率為79%（按Pb（NO3）2用量計(jì)算）。

1.3 紫外和熒光光譜測(cè)試方法

在pH=7.4的0.1 mol·L-1Na2H PO4-

Na H2P

O4緩沖溶液中配制BSA溶液，濃度為6.0×10-6mol·L-1。

往2 mL BSA溶液中，依次加入0 μL、5 μL、10 μL、20 μL、30 μL、50 μL、70 μL、90 μL、100 μL濃度為4.0×10-4mol·L-1的配合物水溶液，分別在298 K和308 K下保溫30 min后，測(cè)定熒光光譜。

298 K下，往2 mL BSA溶液中依次加入0 μL、5 μL、10 μL、20 μL、30 μL、50 μL、70 μL、90 μL、100 μL濃度為4.0×10-4mol·L-1的配合物水溶液，測(cè)定紫外光譜。

2 結(jié)果與討論

2.1 紅外圖譜分析

配合物的單晶和粉末的紅外光譜如圖1所示，吸收峰的峰位和相對(duì)強(qiáng)度基本一致。配合物的單晶和粉末在1 700 cm-1左右均未出現(xiàn)吡啶-2，6-二甲酸-COOH的特征峰，說明配體中的羧基脫質(zhì)子并參與了配位[15]，此結(jié)果與X射線單晶結(jié)構(gòu)解析一致。出現(xiàn)在1 610 cm-1、1 579 cm-1、1 379 cm-1、1 353 cm-1處的特征峰，分別對(duì)應(yīng)于脫質(zhì)子羧基（-COO-）的反對(duì)稱和對(duì)稱伸縮振動(dòng)。1 422 cm-1處的吸收峰歸屬于吡啶環(huán)的骨架振動(dòng)。

圖1 配合物的紅外光譜圖Fig.1 The IR spectrums of complexes

2.2 結(jié)構(gòu)分析

2.2.1 X射線粉末衍射分析

由圖2可知，配合物粉末的XRD圖譜強(qiáng)度較高，無(wú)雜峰，說明配合物粉末純度高且具有良好的晶相。單晶衍射數(shù)據(jù)模擬的XRD圖與配合物粉末XRD圖基本一致，配合物的三強(qiáng)峰分別出現(xiàn)在2θ=9.84°、19.05°、24.96°，表明配合物粉末和單晶結(jié)構(gòu)一致。

圖2 配合物的XRD衍射圖Fig.2 XRD pattern of the complexes

2.2.2 X射線單晶衍射分析

吡啶-2，6-二甲酸鉛的單晶結(jié)構(gòu)已在CCDC注冊(cè)，CCDC號(hào)為2095564，晶體學(xué)數(shù)據(jù)列于表1，主要鍵長(zhǎng)鍵角列于表2。配合物屬于單斜晶系，P21/n空間群，晶胞參數(shù)為a=9.739 5（4）?，b=5.538 6（2）?，c=14.175 5（6）?，α=90°，β=104.501（4）°，γ=90°，V=740.31（5）?3，

表1 配合物的晶體學(xué)數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Crystal data and structure refinement for the complex

Z=4，Dc=3.340 g/cm3。圖3是Pb（Ⅱ）離子的配位環(huán)境圖，配體吡啶-2，6-二甲酸被去質(zhì)子化，羧基O9和O13原子及吡啶環(huán)上的N2原子以三齒螯合模式與中心Pb（Ⅱ）離子配位，形成兩個(gè)五元環(huán)。兩個(gè)配位單元通過羧基氧O13橋連，形成雙核結(jié)構(gòu)，如圖4所示。雙核單元通過羧基O13的橋連作用，形成一維無(wú)限的Pb-O-Pb鏈狀結(jié)構(gòu)。一維鏈通過鏈間O10和O12橋連作用，形成二維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（圖5）。

圖3 Pb（II）的配位環(huán)境圖Fig.3 Coordination environment of Pb（II）ion

圖4 單晶的一維側(cè)視圖Fig.4 1D side view of the monocrystal

圖5 單晶的二維面圖Fig.5 A 2D layer of monocrystal

2.3 熱穩(wěn)定性

由圖6可知，配合物表現(xiàn)為一步失重，溫度超過400℃時(shí)開始分解，在400℃到575℃區(qū)間，失重率為44.37%（計(jì)算值：44.34%），歸因于配合物骨架坍塌，有機(jī)配體分解。溫度升至600℃時(shí)，不再失重，說明配位聚合物具有較好的熱穩(wěn)定性。

圖6 配合物的TG-DTG圖Fig.6 TG-DTG analyses of complex

2.4 配合物與BSA的作用

2.4.1 配合物對(duì)BSA的熒光猝滅光譜

圖7為配合物與BSA在298 K時(shí)的熒光猝滅光譜圖。隨著配位聚合物濃度的增加，BSA的熒光強(qiáng)度逐漸減弱，熒光猝滅，表明配位聚合物和BSA之間存在相互作用。308 K時(shí)，配合物對(duì)BSA熒光的猝滅與298 K時(shí)相似，最大熒光峰的位置沒有改變（圖8）。

圖7 298 K時(shí)，BSA與配合物相互作用的熒光光譜圖Fig.7 Fluorescence spectra of BSA with various concentrations of complex at 298 K

圖8 308 K時(shí)BSA與配合物相互作用的熒光光譜圖Fig.8 Fluorescence spectra of BSA with various concentrations of complex at 308 K

Pb（1）-O（13）1Pb（1）-O（13）Pb（1）-O（12）1Pb（1）-O（10）Pb（1）-O（9）Pb（1）-N（2）O（10）-C（8）O（13）-C（11）O（12）-C（11）

O（13）1-Pb（1）O-（13）O（13）-Pb（1）-O（12）1O（13）1-Pb（1）-O（12）1O（9）-Pb（1）-O（13）O（9）-Pb（1）-O（13）1O（9）-Pb（1）-O（12）1O（9）-Pb（1）-N（2）

N（2）-Pb（1）-O（13）1N（2）-Pb（1）-O（13）N（2）-Pb（1）-O（12）1Pb（1）2-O（13）-Pb（1）C（11）-O（13）-Pb（1）C（11）-O（13）-Pb（1）2C（11）-O（12）-Pb（1）2C（8）-O（9）-Pb（1）

C（6）-C（7）-C（11）

N（2）-C（7）-C（6）

2.498（4 ）2.636（5）2.684（4）2.806（5）2.396（4）2.478（5）1.244（6）1.277（7）1.240（8）77.33（7）115.47（14）50.65（14）129.12（13）79.88（13）81.19（13）66.54（15）72.76（14）63.44（15）118.87（14）142.90（16）119.5（4）96.1（4）88.3（3）122.8（4）122.3（6）121.4（6）C（7）-C（6）C（7）-N（2）C（7）-C（11）C（4）-C（5）C（4）-C（3）C（5）-C（6）C（8）-C（3）N（2）-C（3）O（9）-C（8）

N（2）-C（7）-C（11）C（5）-C（4）-C（3）C（6）-C（5）-C（4）O（10）-C（8）-C（9）O（10）-C（8）-C（3）O（9）-C（8）-C（3）C（5）-C（6）-C（7）C（7）-N（2）-Pb（1）C（3）-N（2）-Pb（1）C（3）-N（2）-C（7）O（13）-C（11）-C（7）O（12）-C（11）-O（13）O（12）-C（11）-C（7）C（4）-C（3）-C（8）N（2）-C（3）-C（4）N（2）-C（3）-C（8）1.393（8）1.348（8）1.507（8）1.381（10）1.390（8）1.370（9）1.509（9）1.335（7）1.271（7）116.3（5）119.3（6）119.7（6）125.4（7）118.0（6）116.6（5）118.6（6）122.8（4）117.4（4）119.8（5）117.3（6）124.0（6）118.6（5）122.6（5）121.0（6）116.4（5）

2.4.2 配合物對(duì)BSA的熒光猝滅機(jī)理

猝滅過程實(shí)際上是與發(fā)光過程競(jìng)爭(zhēng)以縮短發(fā)光分子的激發(fā)態(tài)壽命。熒光猝滅分為動(dòng)態(tài)猝滅和靜態(tài)猝滅。動(dòng)態(tài)猝滅是猝滅劑與熒光團(tuán)激發(fā)態(tài)分子之間的相互作用，而靜態(tài)猝滅是猝滅劑與熒光物質(zhì)的基態(tài)分子之間的相互作用[16]。在分析中用Stern-Volmer方程來確定配合物與BSA之間的相互作用：

式中，F(xiàn)0為加入猝滅劑前BSA的熒光強(qiáng)度，F(xiàn)為加入猝滅劑后BSA的熒光強(qiáng)度，Ksv為Stern-Volmer猝滅常數(shù)，[Q]為猝滅劑濃度，Kq為猝滅速率常數(shù)，0為無(wú)猝滅劑時(shí)熒光體的熒光平均壽命，約10-8s[17]。以F0/F為縱坐標(biāo)，[Q]為橫坐標(biāo)作圖，圖9為配合物對(duì)BSA的Stern-Volmer熒光猝滅曲線。

圖9 不同溫度下配合物對(duì)BSA的Stern-Volmer熒光猝滅曲線Fig.9 Stern-Volmer plots of BSA quenched by complex at different temperatures

由圖9可以看出，Stern-Volmer曲線在配位聚合物測(cè)量的濃度范圍內(nèi)具有線性關(guān)系，表3顯示了根據(jù)線性關(guān)系計(jì)算出的Ksv和Kq值。

表3 不同溫度下配合物對(duì)BSA的猝滅常數(shù)Tab.3 Quenching constants of complex with BSA at different temperatures

由表3可得，在不同溫度下，Ksv值隨溫度的升高而減小，猝滅速率常數(shù)Kq值遠(yuǎn)大于最大擴(kuò)散碰撞猝滅常數(shù)2.0×1010L·mol-1·s-1[18]，表明此時(shí)BSA熒光猝滅為靜態(tài)猝滅，在配合物與BSA作用過程中，配合物與BSA的氨基酸殘基相互作用形成復(fù)合物。

此外，從UV-Vis光譜（圖10）來看，加入配合物后，BSA在278 nm處的峰強(qiáng)度逐漸增大，說明配合物與BSA形成了復(fù)合物，這也進(jìn)一步證明了配合物對(duì)BSA的靜態(tài)猝滅機(jī)制。

圖10 配合物與BSA相互作用的紫外光譜圖（298K）Fig.10 UV spectra of BSA with various concentrations of complex at 298 K

2.4.3 配合物與BSA的結(jié)合常數(shù)和結(jié)合位點(diǎn)

為了進(jìn)一步研究配合物與BSA的結(jié)合常數(shù)、結(jié)合位點(diǎn)，用Scatchard公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：F0為加入猝滅劑前BSA的熒光強(qiáng)度，F(xiàn)為加入猝滅劑后BSA的熒光強(qiáng)度，n為結(jié)合位點(diǎn)，[Q]為猝滅劑的濃度，Ka為結(jié)合常數(shù)，以log[Q]為橫坐標(biāo)，log[（F0-F）/F]為縱坐標(biāo)作雙對(duì)數(shù)曲線（圖11），根據(jù)雙對(duì)數(shù)曲線的斜率、截距計(jì)算得到結(jié)合位點(diǎn)n和結(jié)合常數(shù)Ka，計(jì)算結(jié)果見表4。298 K時(shí)，配合物與BSA的結(jié)合位點(diǎn)數(shù)為0.838，308 K時(shí)，配合物與BSA的結(jié)合位點(diǎn)數(shù)和結(jié)合常數(shù)Ka顯著降低，表明隨著溫度的升高配合物與BSA結(jié)合的能力減弱，復(fù)合物的穩(wěn)定性降低[19]。

圖11 不同溫度下配合物對(duì)BSA熒光猝滅的雙對(duì)數(shù)曲線Fig.11 Double-log plots of BSA quenched by complex at different temperatures

小分子化合物與BSA等生物聚合物之間的鍵合力主要包括疏水作用、靜電作用、范德華力和分子間氫鍵。不同的猝滅劑與BSA的結(jié)合能力不同，猝滅劑與BSA及其他生物聚合物相互作用的能力可根據(jù)熱力學(xué)參數(shù)確定[20]。當(dāng)ΔH＜0，ΔS＜0時(shí)，猝滅劑與BSA主要通過分子間氫鍵和范德華力鍵合；當(dāng)ΔH＜0，ΔS＞0時(shí)，猝滅劑與BSA主要通過靜電作用鍵合；當(dāng)ΔH＞0，ΔS＞0時(shí)，猝滅劑與BSA主要通過疏水作用鍵合。為了闡明本文中配合物與BSA的結(jié)合力類型，相關(guān)熱力學(xué)參數(shù)由以下公式計(jì)算。如果溫差不是很大，焓變?chǔ)、熵變?chǔ)可看作常數(shù)[21]。計(jì)算結(jié)果見表4。

由表4可知，熱力學(xué)常數(shù)ΔH＜0，ΔS＜0，說明配合物與BSA間主要通過分子間氫鍵和范德華力鍵合。在298 K和308 K下，ΔG都小于0，說明是一個(gè)自發(fā)進(jìn)行的過程。

表4 不同溫度下配合物與BSA的結(jié)合常數(shù)、結(jié)合位點(diǎn)及熱力學(xué)參數(shù)Tab.4 Binding constants，binding sites and thermodynamic parameters of the complex with BSA at different temperatures

2.4.4 配合物與BSA間的能量轉(zhuǎn)移

按照Fo?rster非輻射能量轉(zhuǎn)移理論，如果供能體可以發(fā)出熒光，其熒光發(fā)射光譜與受能體的UV-Vis光譜有一定的重疊，供能體與受能體間最大間隔在7 nm以下，會(huì)產(chǎn)生非輻射能量轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，并發(fā)生熒光猝滅[22]。兩者間能量轉(zhuǎn)移效率E，結(jié)合距離r及能量轉(zhuǎn)移距離R0有如下關(guān)系：

在方程中，R0是50%能量轉(zhuǎn)移效率下的臨界距離；K2是偶極空間取向因子，取2/3；?為供能體的熒光量子產(chǎn)率，取色氨酸量子產(chǎn)率為0.118[23]；N為介質(zhì)的折射率，取1.336；J為供能體的熒光發(fā)射光譜與受能體的UV-Vis光譜重疊積分。圖12為配合物的UV-Vis光譜與BSA的熒光發(fā)射光譜部分重疊圖。分別求得J=1.312 5×10-17cm3/（mol·L），E=0.13，R0=2.57 nm，r=3.52 nm。r＜7 nm，表明配合物與BSA分子間發(fā)生了非輻射能量轉(zhuǎn)移[24]。

圖12 配合物的紫外吸收光譜和BSA的熒光發(fā)射光譜重疊圖Fig.12 Spectral overlap between absorption spectrum of complex and fluorescence emission spectrum of BSA

3 結(jié)論

本研究以吡啶-2，6-二甲酸為配體，室溫合成得到吡啶-2，6-二甲酸鉛（Ⅱ）配位聚合物，通過水熱法培養(yǎng)得到吡啶-2，6-二甲酸鉛（Ⅱ）配位聚合物的單晶。通過紅外、X射線粉末衍射和X射線單晶衍射等方法進(jìn)行了表征，結(jié)果表明，室溫合成和水熱法培養(yǎng)得到的吡啶-2，6-二甲酸鉛的配位聚合物結(jié)構(gòu)一致。吡啶-2，6-二甲酸鉛晶體屬于單斜晶系，P21/n空間群，Pb（Ⅱ）為中心，兩個(gè)中心Pb（Ⅱ）離子通過兩個(gè)脫質(zhì)子配體中的羧基氧橋聯(lián)，形成雙核結(jié)構(gòu)。雙核分子通過配體中另一個(gè)羧基氧相連，形成一維鏈狀結(jié)構(gòu)。一維鏈通過羧基氧O12和O10與Pb（Ⅱ）進(jìn)一步橋連，形成二維結(jié)構(gòu)。二維組裝模式使配位聚合物表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性。采用紫外光譜和熒光光譜研究了配位聚合物與BSA之間的相互作用，結(jié)果表明，配位聚合物與BSA的猝滅機(jī)制是靜態(tài)猝滅，配位聚合物與BSA可自發(fā)形成復(fù)合物，氫鍵和范德華力在自發(fā)結(jié)合過程中起重要作用。鉛（Ⅱ）與吡啶-2，6-二甲酸形成的配合物與BSA結(jié)合作用不強(qiáng)，且隨著溫度的升高（從298 K至308 K），配位聚合物與BSA的結(jié)合位點(diǎn)數(shù)和結(jié)合常數(shù)減小明顯，說明以吡啶-2，6-二甲酸為配體捕捉鉛（Ⅱ），構(gòu)建的吡啶-2，6-二甲酸鉛（Ⅱ）配位聚合物能減弱鉛（Ⅱ）與蛋白質(zhì)分子的作用，且可通過控溫進(jìn)一步調(diào)控配位聚合物與BSA的作用力，有望為有效解決鉛的環(huán)境污染和鉛中毒問題提供一定的參考。