氫鍵構筑網絡結構的三正丁基錫羧酸酯的合成、結構及抗癌活性

鄺代治 庾江喜 馮泳蘭 張復興 蔣伍玖 朱小明

(功能金屬有機材料湖南省普通高等學校重點實驗室，衡陽師范學院化學與材料科學系，衡陽 421008)

0 前 言

超分子化合物具有特殊的結構，由于在催化、磁性、氣體存儲、生物醫學成像和藥物傳遞等功能材料領域有著潛在的應用價值而引起人們的興趣[1-4]。研究表明，分子間的氫鍵、π-π堆積、C-H…π等弱相互作用是構筑超分子化合物的主要工具[5-6]。一些由弱作用組裝的結構新穎的鏈狀、螺旋狀、層狀、蜂窩狀的金屬超分子配合物被人們不斷挖掘[7-9]。

有機錫化合物具有較強的生物活性和豐富多變的結構特點，被廣泛應用于工農業，是合成化學、藥物化學、材料化學等學科關注的熱點之一[10-11]。有機錫化合物的結構和性質，除了與中心錫原子連接的烴基、配體以及反應條件有關外[12-15]，還與溶劑分子參與配位[16]和分子間的弱作用[12]有關。近年來，弱作用構筑的有機錫超分子已有報道[17-18]。為了進一步研究配體、分子間弱作用對有機錫化合物的空間結構及性質的影響，我們用微波輻射方法，以μ-氧-雙(三正丁基錫)分別與二苯乙醇酸、2-氯煙酸反應，合成了氫鍵構筑的二、三維網絡結構的三正丁基錫羧酸酯(1)和(2)，對其結構進行了表征，并研究了它們的抗癌活性及熱穩定性。

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑

配合物的合成于MicroSYNTH微波合成儀 (萊伯泰科公司)上進行。熔點用X4雙目體視顯微熔點測定儀(北京泰克儀器有限公司)測定，溫度計未經校正。C、H、N含量用PE-2400（Ⅱ）元素分析儀 (美國PE公司)測定。紅外光譜用IR Prestige-21紅外光譜儀(日本 Shimadzu 公司，4 000～400 cm-1)測定。核磁共振氫譜、碳譜分別用Bruker Avance 400和Bruker Avance 500核磁共振儀 (瑞士Bruker公司，TMS為內標)測定。熱重分析在TG 209 F3熱重分析儀(德國Netzsch公司)上進行。

二苯乙醇酸按文獻[19]方法合成。μ-氧-雙(三正丁基錫)(96%)、2-氯煙酸(98%)購自上海晶純生化科技股份有限公司?？ㄣK(99%)、氘代甲醇和氘代氯仿(XD≥99.8%)購自百靈威科技有限公司，其余試劑為分析純。乙醇、苯購自天津市大茂化學試劑廠，二甲基亞砜(DMSO)購自天津市科密歐化學試劑廠。人結腸癌細胞(Colo205)、人肝癌細胞(HepG2)、人乳腺癌細胞 (MCF-7)、人宮頸癌細胞 (Hela)、人肺癌細胞(NCI-H460)細胞株取自美國模式培養物集存庫(ATCC)，含10%胎牛血清的RPMI-1640培養基購自美國Gibico公司，胰蛋白酶(Trypsin)購自甘肅金盛生化制藥有限公司。

1.2 配合物的合成

50 mL 圓底燒瓶中，加入 0.5 mmol(0.298 g)(n-Bu3Sn)2O，1 mmol(0.228 g) 二苯乙醇酸或 1 mmol(0.158 g)2-氯煙酸，乙醇和苯各 10 mL，攪拌混合均勻，然后置于微波合成儀中反應，設定輻射功率800 W，溫度90℃，時間30 min。反應完成后，冷卻至室溫，過濾，濾液靜置數天后，得配合物1或2。

配合物 1：無色透明晶體 0.268 g，收率 50.1%。m.p.36～37 ℃。元素分析(C26H40O4Sn)，理論值(%)：C 58.34，H 7.53；實測值(%)：C 58.31，H 7.52。IR(KBr，cm-1)：3 059(w)，3 028(w)，2 955(s)，2 922(m)，2 855(m)，1 645(vs)，1 593(m)，1 491(m)，1 452(m)，1 414(w)，1 377(m)，1 337(m)，1 315(s)，1 167(m)，1 084(w)，1 053(m)，964(w)，939(w)，908(w)，876(w)，808(w)，756(s)，698(vs)，675(s)，623(w)，606(w)，525(w)，459(w)，430(w)。1H NMR(CDCl3，400 MHz)，δ 7.28～7.51(m，10H，Ph-H),4.62(s,1H,Ph2C(OH)-),1.19～1.63(m,18H,-CH2-)，0.85(t,J=7.2 Hz,9H,Me-H)。13C NMR(CDCl3，100 MHz)，δ 13.58(Me-C)，17.03(SnCH2-，1J(119Sn-13C)=344 Hz，1J(117Sn-13C)=329 Hz)，26.92(SnCH2CH2CH2-，3J(119Sn-13C)=63 Hz，3J(117Sn-13C)=61 Hz)，27.65(SnCH2CH2-，2J(119Sn-13C)=22 Hz)，81.22(Ph2C(OH)-)，127.37(3-Ph-C)，127.42(4-Ph-C)，127.75(2-Ph-C)，143.48(1-Ph-C)，178.33(-COO)。

配合物 2：無色透明晶體 0.299 g，收率 64.3%。m.p.69～71 ℃。元素分析 (C18H32ClNO3Sn)，理論值(%)：C 46.53，H 6.94，N 3.01；實測值(%)：C 46.53，H 6.98，N 3.03。IR(KBr，cm-1)：2 953(s)，2 924(s)，2 855(m)，1 607(vs)，1 580(m)，1 466(m)，1 450(m)，1 391(s)，1 267(w)，1 196(w)，1 169(m)，1 124(w)，1 078(m)，1 022(w)，997(w)，854(m)，822(w)，777(m)，737(w)，683(m)，658(w)，617(w)，592(w)，484(w)，463(w)，407(w)。1H NMR(CD3OD，500 MHz)，δ 8.37(dd，J=5，2 Hz，1H，6-Py-H)，8.01(dd，J=7.5，2 Hz，1H，4-Py-H)，7.41(dd，J=7.5，5 Hz，1H，5-Py-H)，1.27～1.73(m，18H，-CH2-)，0.92(t,J=7.2 Hz,9H,Me-H)。13C NMR(CDCl3,100 MHz)，δ 13.61(Me-C)，16.94(SnCH2-，1J(119Sn-13C)=348 Hz，1J(117Sn-13C)=332 Hz)，27.02(SnCH2CH2CH2-，3J(119Sn-13C)=63 Hz，3J(117Sn-13C)=61 Hz)，27.81(SnCH2CH2-，2J(119Sn-13C)=21 Hz)，110.04，121.96，132.89，140.25，150.80(Py-C)，162.83(-COO)。

1.3 晶體結構測定

選取尺寸為 0.21 mm×0.17 mm×0.13 mm (1)和0.23 mm×0.19 mm×0.17 mm(2)的晶體 ，在 Bruker SMART APEX II CCD單晶衍射儀上，采用經石墨單色化的 Mo Kα 射線(λ=0.071 073 nm)，于 296(2)K，以φ～ω掃描方式收集衍射數據。配合物1在2.32°～26.99°范圍內共收集 117 536 個衍射點，其中獨立衍射點11 019個(Rint=0.044 4)，用于結構精修的可觀察衍射點 7 056個(I＞2σ(I))；配合物 2在1.96°～27.48°范圍內共收集 20 639 個衍射點，其中獨立衍射點5 158個(Rint=0.028 4)，用于結構精修的可觀察衍射點4 759個(I＞2σ(I))。全部數據經Lp因子和多重掃描吸收校正。晶體結構由直接法解出，全部非氫原子、配位水分子的氫原子坐標在差值Fourier合成中陸續確定，其余氫原子由理論加氫法給出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進行全矩陣最小二乘法修正。全部結構分析計算工作采用SHELXTL程序[20-21]完成。配合物的晶體學數據列于表1。

CCDC:1030063，1；1030062，2。

1.4 抗癌活性測定

配合物的體外抗癌活性測試在中國科學院廣州生物醫藥與健康研究院完成。采用四氮唑鹽還原法 (MTT法)測定配合物對人癌細胞Colo205、HepG2、MCF-7、Hela、NCI-H460 增殖的抑制活性。實驗分為藥物試驗組 (分別加入不同濃度的測試藥)、對照組(只加培養液和細胞，不加測試藥)和空白組(只加培養液，不加細胞和測試藥)。取處于對數生長期的腫瘤細胞，加入適量的Trypsin消化，使貼壁細胞脫落，用含10%胎牛血清的RPMI-1640培養液在含5%(體積分數)CO2、飽和濕度培養箱內于37℃下培養。取 96孔板，將測試藥液 (0.1 nmol·L-1～10 μmol·L-1)按濃度梯度分別加入至各孔中，每個濃度設6個平行孔，于前述培養箱條件下培養72 h，然后每孔加 MTT 40 μL(用 D-Hanks緩沖液配成 4 mg·mL-1)，繼續培養 4 h，移去上清液，每孔加 DMSO 150 μL，振蕩5 min，使甲瓚結晶充分溶解，利用Ap22 Speedy全自動酶免分析系統在570 nm波長處檢測各孔的光密度。對照藥物(卡鉑)的活性按照配合物的活性測試方法測定。實驗數據應用Graph Pad Prism 5.0統計軟件分析，通過存活率百分比數據相對于藥物濃度的非線性回歸分析 (曲線擬合)，用S形劑量響應(變量)方程確定IC50值。

表1 配合物的晶體學數據Table 1 Crystal data and structure refinements of the complexes

2 結果與討論

2.1 譜學表征

配合物的紅外光譜中，1在 2 955、2 922、2 855 cm-1和 2 在 2 953、2 924、2 855 cm-1均出現飽和 CH的特征吸收，表明配合物中丁基的存在[10,12]。羧基去質子化與錫發生配位后，在配合物的紅外光譜中，二苯乙醇酸和2-氯煙酸的羧羥基締合吸收峰(2 400～3 500 cm-1，2 200～3 200 cm-1)消失；二苯乙醇酸在 1 719、1 246 cm-1和 2-氯煙酸在 1 582、1 261 cm-1處的羧基不對稱與對稱伸縮振動，在配合物的紅外光譜中分別遷移到1645、1315 cm-1(1)和1 607、1 391 cm-1(2)，其差值 Δν分別為 330和 216 cm-1，說明1和2中羧基均為單齒配位[14,16-18]，與X-射線單晶衍射實驗結果一致。此外，配合物在525、459 cm-1(1)和 592、463 cm-1(2)出現 Sn-C、Sn-O 伸縮振動吸收[22]。

配合物的1H NMR譜中，各組峰的積分面積之比與預期的各組質子數基本吻合。1 在 7.28～7.51 范圍內的多重峰，歸屬為苯環質子吸收峰[10,12-18]；2中吡啶環的3個氫受鄰近質子影響，呈3組雙二重峰[23]。配合物的13C NMR譜中，芳環碳原子出現在127.37～143.48(1)和 110.04～150.80(2)范圍內[10,13-18]。1 和 2 中羧基碳信號分別出現在 178.33、162.83，與文獻值[13-14,16-18]基本一致。

2.2 晶體結構

在晶體解析過程中，對1中無序的丁基，同一個丁基的4個碳原子被限制具有相同的位移參數進行精修；對丁基的部分C-C和4個苯環的全部CC鍵長作了限制性處理，使其在合理的范圍內。對2中C7-C8鍵長進行限制，使其具有化學合理性。

配合物1、2的分子結構分別見圖1、2，主要鍵長和鍵角列于表2。從分子結構圖和結構參數可知，配合物2的N原子未參與配位。1的不對稱結構單元中包含2個結構相似的獨立配合物分子，與2分子結構類似，中心錫原子的配位環境類同，錫原子與3個碳、1個羧基氧、1個水分子的氧原子配位。與錫原子相連的5個鍵長均不等，水分子氧與錫形成的配鍵最長，還由于1和2中配體的空間效應不同，使軸向角∠O-Sn-O偏離線性角，赤道位置的丁基均分別偏離位阻較大的二苯乙醇酸、2-氯煙酸，因此，錫與配位原子組成畸變三角雙錐構型。

圖1 配合物1的不對稱單元(橢球率15%)Fig.1 Asymmetric unit of complex 1 with 15%probability ellipsoids

圖2 配合物2的分子結構圖(橢球率15%)Fig.2 Molecular structure of complex 2 with 15%probability ellipsoids

表2 配合物的主要鍵長(nm)和鍵角(°)Table 2 Selected bond lengths(nm)and angles(°)for the complexes

續表2

表3 配合物的氫鍵數據Table 3 Parameters of hydrogen bonding interactions in the complexes

圖3 O-H…O和C-H…π作用構筑的配合物1二維網狀結構Fig.3 2D network structure of complex 1 by O-H…O and C-H…π interactions

2個配合物的晶體中存在氫鍵弱作用，氫鍵參數列于表3。配合物1中，1個配合物分子的配位水與鄰近的2個配合物分子的羰基氧或醇羥基分別形成O-H…O氫鍵，由這種分子之間的交叉氫鍵弱作用組成13元環拓展的一維無限鏈結構。兩條相鄰的鏈之間，通過1條鏈的苯環氫與另一條鏈上的苯環發生C-H…π作用，擴展成二維網狀，如圖3所示，Cg(Centroid：0.649 30，-0.489 10，-1.026 90)代表1中C27～C32原子組成的苯環質心。配合物2中，與錫配位水分子的2個O-H鍵分別與一鄰近配合物分子的羰基氧和另一配合物分子的吡啶N原子形成O-H…O和O-H…N氫鍵、向空間拓展成三維大環超分子網絡。其中在ab面上構成相互連接的28元環和16元環，在ac面上則形成互相銜接的32元環和12元環。

2.3 抗癌活性

配合物的體外抗癌活性測試結果列于表4。由表4可知，配合物1對5種人體癌細胞的抑制活性遠高于臨床使用的藥物卡鉑，特別對人結腸癌細胞、人肺癌細胞的抑制作用更明顯。

圖4 O-H…O和O-H…N作用構筑的配合物2三維超分子結構Fig.4 3D supermolecular structure of complex 2 by O-H…O and O-H…N interactions

表4 配合物1、2和卡鉑對腫瘤細胞的半抑制率Table 4 IC50of complex 1,2 and carboplatin on tumor cells μmol·L-1

配合物2除對人結腸癌細胞和人肝癌細胞的抑制作用弱于卡鉑外，對人乳腺癌細胞、人宮頸癌細胞、人肺癌細胞的抑制活性也遠優于臨床使用的藥物卡鉑，尤其對人肺癌細胞的抑制效果最好。配合物1和2均分別約為卡鉑對人乳腺癌細胞、人宮頸癌細胞、人肺癌細胞抑制率的40～290倍，兩者均具有一定的藥用價值，且1和2具有更高的抗腫瘤活性，這種差異可能與配體性質有關。

2.4 熱穩定性實驗

在空氣氛下、以20℃·min-1的升溫速率，于40～600℃范圍內，對配合物1、2進行熱穩定性測試，其熱失重曲線分別如圖5a、5b所示。從圖5a可見，隨著溫度的上升，配合物1出現了兩段較為明顯的失重過程：在165～300℃范圍內，總重量損失了29.03%，對應于 3個正丁基的損失 (計算值32.01%)；300～400 ℃范圍內，又發生分解，失重42.90%，對應于二苯乙醇酸根和水分子的離去(計算值45.82%)，此后繼續升溫，重量不再變化。配合物2在170～338℃范圍內，總重量損失了67.7%，當溫度高于338℃時，重量基本不再變化，如圖5b所示。假定殘渣對應的成分是SnO2，理論計算值分別為 28.15%(1)和 32.40%(2)，計算值與實測值基本吻合。熱重分析結果表明：配合物1和2具有較好的熱穩定性，分別在165、170℃以下可穩定存在，兩者熱穩定性的差異可能與配體分子及分子間的弱作用力有關。

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

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