銅L-色氨酸配合物的合成與表征

劉　慧，李少萍，黨亞茹，鄒　濤，潘婷婷，張建兵，趙紅衛*

(1.華東理工大學　化工學院，上海　200237；2.中國科學院　上海應用物理研究所　 中國科學院微觀界面物理與探測重點實驗室，上海　201800)

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銅L-色氨酸配合物的合成與表征

劉慧1,2，李少萍1*，黨亞茹1,2，鄒濤1,2，潘婷婷1,2，張建兵2，趙紅衛2*

(1.華東理工大學化工學院，上海200237；2.中國科學院上海應用物理研究所 中國科學院微觀界面物理與探測重點實驗室，上海201800)

利用液相反應合成法制得了銅(Ⅱ)和L-色氨酸的配合物，結合元素分析、差示掃描量熱與熱重分析聯用、粉末X射線衍射法以及紅外光譜實驗手段對該配合物進行表征。結果表明，1個銅離子能夠與2個L-色氨酸分子通過側鏈氨基上的氮原子和羧基上的氧原子配合，形成穩定的配合物。利用太赫茲時域光譜法獲得了室溫條件下銅-L-色氨酸配合物在低頻波段的光譜特征，并結合密度泛函理論計算對太赫茲光譜進行分析。該配合物在太赫茲波段的吸收對應于分子整體的振動，涉及吲哚環和側鏈的扭曲振動。研究結果有助于深入了解銅離子與氨基酸的相互作用，以及銅離子在復雜生物體中所起的作用。

銅離子；L-色氨酸；金屬配合物；分析方法；太赫茲時域光譜

銅是人和動物生長必需的微量元素，對造血和中樞神經系統的發育、骨骼及結締組織的形成具有重要作用。銅的氨基酸配合物在體內和體外的活性較高，可作為抗癌抑制劑使用[1-2]。色氨酸是人和動物必需的氨基酸，在調節蛋白質的合成、提高人體免疫力及促進消化方面具有重要作用[3]。色氨酸分子含有吲哚環以及氨基和羧基，能夠給金屬銅提供多個配位點[4-5]。一些光譜手段已被用于銅離子和色氨酸的相互作用和性質的研究。最近，Yorita等[6]利用紫外和圓二色光譜首次給出了銅離子和色氨酸在溶液中存在離子π作用的光譜學證據。Tabak等[7]利用時間分辨熒光光譜研究了銅離子和色氨酸形成配合物時氨基酸的熒光猝滅。銅離子和氨基酸類物質所形成的配合物還具有良好的抗炎、抗潰瘍和抗驚厥性[8]，深入研究這些氨基酸與Cu2+配合物的結構與性質，對于理解銅元素在生物體中的傳輸和作用具有重要意義。

本文利用液相反應合成法制得了銅(Ⅱ)和L-色氨酸(Trp)的配合物，結合元素分析、差示掃描量熱與熱重分析聯用、粉末X射線衍射法、太赫茲時域光譜和紅外光譜表征手段對銅氨基酸配合物(Cu-Trp配合物)進行表征，對其元素組成、熱力學性質以及結構等進行了探究，并結合密度泛函理論(DFT)對太赫茲低頻波段該配合物的振動光譜進行了理論分析和討論。

1　實驗部分

1.1儀器與試劑

Elementar Corporation Vario EL Ⅲ元素分析儀；NETZSCH STA 449 F3 Jupiter?同步TG-DSC熱分析儀(德國耐馳公司)；X'Pert Pro多晶衍射儀(荷蘭帕納科公司)；太赫茲時域光譜系統(天津大學)；TENSOR 27 紅外光譜儀(德國Bruker Optics公司)。

L-色氨酸(Trp，純度99%，百靈威科技有限公司)；CuCl2·2H2O(純度99%，國藥集團化學試劑有限公司)。所有藥品使用前未進一步純化。

1.2Cu-Trp 配合物的合成

稱取1.113 8 g的Trp溶于100 mL超純水中，逐滴加入20 mL的0.5 mol/L CuCl2溶液，攪拌，不斷產生沉淀。靜置2 d后，將沉淀過濾，用超純水淋洗多次，經冷凍干燥，得到一種難溶于水和乙醇等有機溶劑的藍色沉淀。

1.3差示掃描量熱與熱重分析聯用

利用NETZSCH STA 449 F3 Jupiter?同步TG-DSC熱分析儀(德國耐馳公司)，獲得原料Trp(2.6 mg)和Cu-Trp配合物(2.3 mg)的DSC-TG譜。采用帶蓋未密封鉑坩堝，測量溫度范圍20～300 ℃，升溫速率10 ℃/min，分別以60，20 mL/min氬氣為吹掃氣體和保護氣。數據用Proteus thermal analysis軟件處理。

1.4太赫茲時域光譜技術

實驗用THz-TDS系統采用光電導天線發射和接收THz波，Maitai飛秒激光器(Spectra-Physics，中心波長800 nm，脈寬< 100 fs，平均功率> 700 mW，重復頻率80 MHz)為抽運源，THz頻譜范圍為0.1～2.0 THz，系統信噪比大于10 000∶1。將所測樣品以質量比1∶3與高密度聚乙烯粉末混合，用壓片機壓制成直徑為13 mm，厚度約為1.2 mm的薄片。聚乙烯在所測量的THz波段吸收很低，在THz光譜測量中常作為襯底。將樣品置于THz光路中，以干燥空氣為參考，測得樣品的透射譜。依照文獻[9]方法得到整個樣品的折射率和吸收系數。在室溫下進行測量，測量過程中濕度保持在2%左右。

2　結果與討論

2.1元素分析

所制備的樣品為藍色細小顆粒，不溶于水和大部分有機溶劑(甲醇、乙醇、丙酮和氯仿)，微溶于二甲亞砜[10]。將藍色沉淀樣品進行元素分析，得到C，N，H的質量分數分別為55.33%，11.80%，4.59%。銅離子可與2個氨基酸分子發生絡合反應[11-12]。通過分子式計算，得到C，N，H的質量分數分別為56.17%，11.91%，4.68%。證明金屬配合物的分子式為Cu(C11H11N2O2)2。

2.2DSC-TG測量

圖1為Trp和Cu-Trp配合物的DSC-TG曲線。Trp原料和Cu-Trp配合物在100 ℃左右均未觀察到吸熱峰和質量損失，說明兩種物質均不含結晶水。Trp的TG曲線在30～268.1 ℃范圍內呈現一定的穩定性。從268.1 ℃升至329.4 ℃，質量損失20.59%，可認為是Trp失去1個COOH(理論值為22.06%)，形成了中間胺產物[13]。 DSC曲線同時伴有1個明顯的吸熱峰，292.8 ℃處的吸熱峰由化合物的熱分解引起，峰的吸熱量為312.5 J/g。從TG曲線可以看出，Cu-Trp配合物在266.8 ℃之前較穩定，266.8 ℃至329.3 ℃，質量損失22.85%，可認為Cu-Trp配合物受熱分解，推測可能是由于兩個配體Trp發生部分脫羧引起(理論值為18.72%)。DSC曲線同時伴有1個吸熱峰，在268.6 ℃處有一明顯的熔解峰，峰的吸熱量為181.5 J/g。從兩種物質的DSC-TG曲線可以看出，Cu2+和Trp形成了較穩定的配合物，其熱穩定性與Trp相近。

2.3PXRD測量

2.4THz光譜

近年來，THz-TDS作為一種新的光譜手段，在生物分子結構表征和分子弱相互作用研究方面取得了諸多進展[17-19]。利用THz-TDS測得Trp和Cu-Trp配合物在0.2～2.0 THz(6.7～66.7 cm-1)的吸收系數和折射率變化見圖3。Trp在1.44,1.81 THz處的兩個吸收峰與文獻報道[20]一致，其中1.44 THz處為側鏈的扭曲振動，1.81 THz處為吲哚環的扭曲振動。從圖3可以看出，Cu-Trp配合物有3個峰，其中在1.44和1.79 THz處的兩個吸收峰與Trp兩個吸收峰的位置基本一致。吸收峰位置的相似在一定程度上反映了Cu-Trp配合物中存在支鏈和吲哚環的扭曲振動。Cu-Trp配合物在0.64 THz處有1個明顯的吸收峰。由于THz吸收譜主要反映分子的振動、轉動以及晶格振動等[21]，而Cu2+的出現，使得Trp分子周圍的環境發生了變化，并使分子間原有的相互作用受到影響，空間排布發生了改變。

為了更好地從分子層面上理解Cu2+與Trp配合物的結構，利用Gaussain 09軟件包對其振動光譜進行模擬計算。采用DFT中的B3LYP方法，選擇6-31++G(d,p)基組[4,22]進行Cu-Trp配合物結構優化和THz光譜的計算。對計算出的頻率乘以經驗系數0.961 4進行校正[23]，與實際所得的THz光譜進行比較。Cu2+通過Trp側鏈氨基上的氮和羧基上的氧成鍵[11-12]，結合位點和鈀(Pd)、鉑(Pt)等其他二價金屬類似[4,22]，Cu-Trp配合物的結構示意圖如圖4A所示，計算結果如圖4B所示。計算光譜和實驗光譜經歸一化以消除吸收峰強度的影響。與實驗得到的THz光譜進行比較，計算所得光譜在峰的個數、強度和部分峰位上有較好的吻合。如1.0 THz之前的低頻波段中，計算所得的0.67 THz(21 cm-1)和實驗值0.64 THz(21 cm-1)相吻合。而理論計算所得的2.03 THz(68 cm-1)和2.38 THz(79 cm-1)處的吸收峰，與實驗所觀察到的1.44 THz(48 cm-1)和1.79 THz(60 cm-1)存在一定偏差，但峰的強度與形狀，以及兩峰之間的差值Δf(實驗值和計算值的差值均為0.35 THz)相吻合。其中，造成偏差的主要原因可能是由于實驗在室溫下進行，測量結果受樣品顆粒度、參雜PE及環境的溫濕度等因素影響；而理論模擬是在0 K、無外界環境干擾的理想條件下進行。此外，由于確切的晶胞結構和參數未獲得，所采用的單分子計算未考慮分子之間的相互作用力。但即便如此，理論計算所獲得的信息仍為從分子層面理解THz光譜和分子結構提供了幫助。研究結果表明，實驗所獲得的3個吸收峰均反映了分子整體的運動，包括吲哚環及側鏈的扭曲振動，說明Cu2+的參與顯著影響了Trp分子的排布。FTIR測量則進一步反映了中紅外區的變化。

2.5FTIR光譜

3　結　論

本文利用液相反應合成方法制備了Cu2+和Trp的金屬配合物，經元素分析測定了金屬配合物中C，N，H元素的質量分數，驗證其化學式為Cu(C11H11N2O2)2；DSC-TG結果顯示Cu-Trp配合物具有較好的熱穩定性，在292.8 ℃處有一明顯的熔解分解峰，提示化合物中存在結構單元的分解；PXRD結果表明，Cu-Trp配合物與Trp原料的晶體結構有明顯差異；利用THz-TDS和FTIR光譜獲得了化合物在遠紅外THz波段(6.7～66.7 cm-1)和中紅外波段(400～4 000 cm-1)的光譜信息，其中THz波段體現了分子的整體運動，中紅外波段反映了官能團的振動。研究表明Cu2+與文獻報道的Pd2+，Pt2+一樣能夠與Trp通過氨基上的氮原子和羧基上的氧原子配合成鍵。

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Synthesis and Characterization of Copper L-Tryptophan Complex

LIU Hui1,2,LI Shao-ping1*,DANG Ya-ru1,2,ZOU Tao1,2,PAN Ting-ting1,2,ZHANG Jian-bing2,ZHAO Hong-wei2*

(1.School of Chemical Engineering,East China University of Science and Technology,Shanghai200237,China;2.Key Laboratory of Interfacial Physics and Technology,Chinese Academy of Sciences,Shanghai Institute of Applied Physics,Chinese Academy of Sciences,Shanghai201800,China)

A copper(Ⅱ)L-tryptophan complex was synthesized in aqueous solution and characterized by element analysis,differential scanning calorimetry and thermogravimetry,powder X-ray diffraction and Fourier transform infrared spectroscopy.The results showed that the compound had a good stability.A copper ion could combine with twoL-tryptophan molecules through the nitrogen of the amine group and one oxyen of the carboxyl group.The low-frequency vibrational spectrum was measured by terahertz time-domain spectroscopy(THz-TDS) at room temperature.Density functional theory was employed to calculate the low-frequency vibrational properties.The result indicated that THz absorption spectrum mainly reflected the collective vibrational modes of the whole molecules including the distortional vibration of indole ring and the side chain.The studies are helpful to understand the interaction of copper ion with amino acid and the role of the copper ion in complex organisms.Key words：copper;L-tryptophan;metal complex;analysis method;terahertz time-domain spectroscopy(THz-TDS)

2015-11-04；

2015-12-20

國家重點基礎研究發展計劃(2014CB339806)；中國科學院微觀界面物理與探測重點實驗室開放課題

李少萍，博士，副教授，研究方向：石油化工，Tel:021-64251934,E-mail:spli@ecust.edu.cn

趙紅衛，博士，副研究員，研究方向：太赫茲技術，Tel:021-39194818，E-mail:zhaohongwei@sinap.ac.cn

doi:10.3969/j.issn.1004-4957.2016.06.018

O657.3;O629.7

A

1004-4957(2016)06-0734-05