基于酰腙類Schiff堿的鋅和鎘配合物的合成、晶體結構和性質

陳延民 馮英健 蔡明瑜 方雅倩 解慶范

(泉州師范學院化工與材料學院，泉州 362000)

基于酰腙類Schiff堿的鋅和鎘配合物的合成、晶體結構和性質

陳延民 馮英健 蔡明瑜 方雅倩 解慶范＊

(泉州師范學院化工與材料學院，泉州 362000)

采用溶劑揮發法合成了配合物[M(HBrsth)2](M=Zn(1)，Cd(2)，H2Brsth=5-溴水楊醛縮噻吩-2-甲酰腙)和配合物[Cd(L)2](3，HL=2-乙酰基吡啶縮異煙酰腙)，并經元素分析、紅外光譜、紫外光譜和熱重分析等對它們進行了表征。用X射線單晶衍射分析確定了配合物1和3的晶體結構，1屬單斜晶系，C2/c空間群，呈現一維鏈狀配位聚合結構；3屬正交晶系，C2cb空間群。用MTT法測試了配合物對人肝腫瘤細胞HEPG2和人結腸癌細胞SW620的增殖抑制作用。還研究了配合物的發光性質。

酰腙；配合物；晶體結構；發光性質；抗癌活性

0 引 言

Schiff堿金屬配合物在催化劑、醫藥和發光材料等方面具有廣闊的應用前景，因而備受研究者關注[1-3]。Znギ和Cdギ等具有d10特征的金屬離子不僅有穩定的電子構型，而且當它們與共軛程度較大的有機配體形成配合物時,有可能引發金屬到配體或配體到金屬的電荷轉移躍遷，從而改變配體的發光性能。尤其是鎘配合物的激發態能級較低，更有利于能量的傳遞[4]。在生物活性方面，鋅是多種酶的活性中心，在生理活動中起著重要的作用。隨著對Schiff堿金屬配合物的研究，已經發現許多鋅配合物具有抗癌活性[5-7]。酰腙類Schiff堿穩定性好，其配位環境與生物體相似，與金屬的配位能力強，形成的配合物往往呈現比配體更強的生物活性[8]；配位方式具有多樣性，既能以烯醇式配位，也可以酮式配位，通過對取代基團的修飾，可以獲得結構和性質各異的配合物。例如，R2-C(O)NH-N=C-R1，當其中R1為水楊基時，其羥基能以單齒參與螯合配位(Scheme 1，a 或 b)，或 μ2-螯合/橋聯配位(c)，或 μ3-螯合/橋聯配位 (d)，從而形成單核、雙核和多核配合物[9-11]。而本文合成的鋅配合物[Zn(HBrsth)2]中，酚羥基以少見的單齒橋聯方式配位，羥基和酰腙基分別與不同的金屬鋅離子結合，形成一種一維配位聚合物。當R2為4-吡啶基時，吡啶基是否參與配位，酰腙是以酮式構型配位，還是以烯醇式構型配位，這些不僅與金屬離子的電子構型及性質、介質的酸堿度、第二配體等因素有關，還與R1的結構有關[11-13]。因此，為了進一步理清酰腙配體可能的配位方式，為分子設計提供重要的信息，作為前期研究工作的延續，本文主要報導5-溴水楊醛縮噻吩-2-甲酰腙的鋅配合物[Zn(HBrsth)2]和2-乙酰基吡啶縮異煙酰腙的鎘配合物[Cd(L)2]的晶體結構，分析它們的光譜特征，初步研究了它們的發光性能；同時，用MTT法測試了它們的抗癌活性，結果顯示[Zn(HBrsth)2]對人肝癌細胞HEPG2呈現良好的抑制作用。

Scheme 1 Coordination modes of acylhydrazone

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Elmentar Vario EL元素分析儀 (德國)；Nicolet公司is10型FT-IR紅外光譜儀(美國)；美普達UV-1800PC型紫外-可見分光光度計(上海)；塞馳STA 409 PC型綜合熱分析儀 (德國)；Bruker Smart Apex CCD 單晶衍射儀(德國)；Varian CARY/Eclipse型熒光分光光度計(美國)。所用試劑均為分析純。

1.2 配合物的合成

1.2.1 配合物[Zn(HBrsth)2]n(1)和[Cd(HBrsth)2](2)的合成

5-溴水楊醛縮噻吩-2-甲酰腙(H2Brsth)合成方法參考文獻[11]進行。取0.1 mmol H2Brsth溶于20 mL甲醇和5 mL DMF的混合溶劑中，再加入0.1 mmol乙酸鋅和0.2 mmol乙酸鈉，在70℃左右水浴加熱攪拌回流90 min，析出黃色粉末。冷卻、過濾，取少量固體產物用 2 mL甲醇、3 mL DMF和 1 mL DMSO混合溶劑重結晶，15 d后析出適合X射線單晶衍射分析的淡黃色針狀晶體。元素分析按C24H16Br2N4O4S2Zn 的計算值 (%)：C 40.39，H 2.26，N 7.85；實測值(%)：C 40.33，H 2.19，N 7.89。 IR(cm-1)：1 653w，1 605w，1 559vs，1 525vs，1 423s，1 383vs，1 161s，1 059s，835m，743s，704s，631m。

以乙酸鎘代替乙酸鋅，20 d后析出黃色塊狀晶體2，但不適合X射線單晶衍射分析。元素分析按C24H16Br2N4O4S2Cd 的計算值 (%)：C37.89，H 2.12， N 7.37；實測值(%)：C 37.76，H 2.16，N 7.33。 IR(cm-1)：1 614s，1 592vs，1 559s，1 523m，1 456vs，1 418s，1 376s，1 168s，846m，816m，719s，692m，638w。

1.2.2 配合物[Cd(L)2](3)的合成

2-乙酰基吡啶縮異煙酰腙(HL)的合成方法參考文獻[13]進行。取0.2 mmol HL和0.2 mmol硝酸鎘，溶解于20 mL甲醇，用氫氧化鈉調pH≈6.5，用水浴在70℃左右加熱攪拌回流2 h，冷卻至室溫，過濾，濾液靜置1個月后析出3的淺黃色塊狀單晶。元素分析按 C26H22CdN8O2的計算值 (%)：C 52.85，H 3.75，N 18.96；實測值(%)：C 52.79，H 7.81，N 18.88。IR(cm-1)：1 592s，1 570s，1 501vs，1 459s，1 360s，1 160s,1 063s,843w，783s，711s。

1.3 晶體結構測試

選取 0.46 mm×0.10 mm×0.09 mm(1)和 0.36 mm×0.24 mm×0.18 mm(3)的單晶置于單晶衍射儀上，用經石墨單色器單色化的Mo Kα射線(λ=0.071 073 nm)，以φ～ω掃描方式收集單晶衍射數據。全部強度數據均經Lp因子校正，并進行了經驗吸收校正，晶體結構由直接法解出，對全部非氫原子坐標及其各向異性熱參數進行全矩陣最小二乘法修正，氫原子由理論加氫法得到。結構解析采用SHELXS程序包[14]，結構精修采用SHELXL程序包[15]完成。晶體學數據詳見表1。

CCDC：1432467，1；1450427，3。

表1 配合物的晶體學數據Table1 Crystallographic data for the complexes

圖1 配合物1中Znギ的配位環境Fig.1 Coordination environment of the Cdギin 1

2 結果與討論

2.1 晶體結構

2.1.1 配合物1的晶體結構描述

配合物[Zn(HBrsth)2]n(1)的晶體結構見圖1，1屬單斜晶系C2/c空間群，它的基本結構基元由1個中心離子Znギ和2個帶一個負電荷的5-溴水楊醛縮噻吩-2-甲酰腙配體HL-組成。其中酰腙配體以酮式構型參加配位，羰基C5-O1鍵長0.124 9 nm，亞胺基C6-N2鍵長0.128 8 nm；由于N1與亞胺基和羰基p-π共軛的結果，N1-N2和N1-C5的鍵長較單鍵短得多，分別為0.137 5和0.133 5 nm。酚羥基脫除質子參加配位而使配體帶一個負電荷。中心離子Znギ的配位數為6，處于ZnN2O4的八面體配位環境。其中，位于赤道上的4個配位原子分別來自2個配體的羰基氧原子和亞胺基的氮原子，酰腙基團與鋅配位形成五元環，鍵角 79.1(9)°～100.9(9)°，Zn-O 和Zn-N鍵長分別為0.205 0(2)和0.206 2(2)nm。來自第三和第四個配體的酚鹽氧原子O2則位于軸向，O(2)i-Zn(1)-O(2)iii的鍵角為 180°，O(2)i-Zn(1)鍵長為0.229 3(2)nm。 C7-O2-Zn1iv鍵角為 124.36°，說明酚羥基氧原子以sp3雜化軌道與鋅離子配位。正是由于酰腙配體的酚羥基氧原子的橋聯作用，使得整個配合物沿b軸方向形成一維鏈狀配位聚合物(圖2)。水楊醛類Schiff堿的酚羥基通常采用螯合方式配位，而采用這種單純的橋聯配位方式實屬罕見。苯環與噻吩環的二面角為22.2°，N2-C6-C7-C12扭轉角為26.4°，可見酚羥基的這種配位作用減小了苯環與亞胺基的共軛作用。C3-C4-C5-O1扭轉角為179.2°，說明羰基與噻吩環保持較好的共平面。

表2 配合物1的主要鍵長和鍵角Table2 Selected bond lengths(nm)and angles(°)of 1

表3 配合物3的主要鍵長和鍵角Table3 Selected bond lengths(nm)and angles(°)of 3

圖2 配合物1的一維配位聚合結構Fig.2 One-dimensional coordination polymer structure of 1

圖3 配合物3的分子結構Fig.3 Molecular structure of complex 3

2.1.2 配合物3晶體結構描述

配合物[Cd(L)2](3)的分子結構見圖3，晶體屬正交晶系，C2cb空間群，由1個Cdギ離子和2個2-乙酰基吡啶縮異煙酰腙配體組成。其中，酰腙HL以烯醇式構型并去質子化與金屬配位，Cdギ與羰基的氧原子，亞胺基的氮原子和吡啶環上的氮原子配位，形成畸變的CdN4O2配位八面體。Cd1-N1和Cd1-N2鍵長分別為 0.233 7(3)和0.223 7(2)nm；Cd1-O1鍵長為 0.227 3(4)nm。鍵角為 69.12(10)°～173.5(2)°。配體的非氫原子幾乎都處于同一平面，2個吡啶環的二面角為6.1°。由于酰腙片段的共軛程度增大，相應的化學鍵的鍵長與配合物1相比變短，C8-O1鍵長 0.124 0 nm，C6-N2鍵長 0.127 3 nm，N2-N3鍵長0.136 2 nm，N3-C8鍵長0.131 4 nm。

2.2 紫外光譜分析

如圖4所示，配體H2Brsth在265 nm處的吸收帶歸屬π→π*電子躍遷，即所謂的B帶；在配合物1和2中分別紅移至270和272 nm。H2Brsth在294和306 nm處的吸收帶來自亞胺基和羰基的n→π電子躍遷，形成配合物1后紅移至314 nm，形成2后則紅移至310及324 nm。H2Brsth在339和405 nm處的吸收帶可能來自分子內不同能級間的荷移躍遷(ILCT)，而在配合物1和 2中，382、402和 424 nm與406和425 nm處的強吸收帶，則歸屬配體到金屬的荷移躍遷(LMCT)。2與1相似的光譜特征可以歸結為它們的配體具有相似的配位方式。

圖4 H2Brsth、配合物1和2的紫外可見光譜圖Fig.4 UV-Vis spectra of compounds H2Brsth,1 and 2

配合物3中配體采用烯醇式構型配位，而游離的酰腙配體通常以酮構型存在。因此，3與HL光譜特征存在顯著的差異。由圖5可見，HL在295 nm處出現寬而強的吸收帶，它可能是亞胺基與吡啶、羰基與吡啶兩個片段共軛體系的π→π*電子躍遷(即K帶)與亞胺基和羰基的n→π電子躍遷 (即R帶)共同疊加的結果；369 nm處的吸收帶來自配體內部的荷移躍遷。配合物3的π→π*電子躍遷位于270 nm，而379 nm處的強吸收屬于配體至金屬的荷移躍遷(LMCT)。

圖5 配體HL和配合物3的紫外光譜Fig.5 UV-Vis spectra of ligand HL and complex 3

2.3 熒光光譜

以DMF為溶劑考查了化合物的光致發光性質，結果見圖6和7。由圖6可見，H2Brsth的鋅配合物在429 nm波長的入射光激發下可發射藍色熒光，熒光最大發射波長位于477 nm。發光行為與配體H2Brsth[13]相似，但 1 的斯托克斯位移(λem-λex=48 nm)比H2Brsth(70 nm)小，這是因為形成配合物后，配體分子的剛性增強，減少了分子的振動，一定程度上避免了激發能因熱運動而以熱能形式損失。鎘配合物2在446 nm波長光激發下，則發射綠色熒光，最大發射波長為502 nm，斯托克斯位移為56 nm。

圖6 配合物1和2的熒光光譜Fig.6 FL spectra of complexes 1 and 2

配體HL沒有發光性質，可能是因為甲基的空間位阻導致分子的共平面程度小，電子流動性差。形成配合物后配體的非氫原子幾乎完全共平面，分子的共軛程度增大且分子的剛性增強，量子化效率增大，從而表現出較強的發光性能，在426 nm光激發下，可發射藍色熒光(λem=471 nm)(圖 7)。

圖7 配合物3的熒光光譜Fig.7 FL spectrum of complex 3

2.4 抗腫瘤活性

以DMSO為溶劑，采用MTT法初步考查了配合物對癌細胞的體外增殖抑制作用。根據Shier[16]的建議，當 IC50值小于 5 μg·mL-1時，屬強抑制活性；在 5～10 μg·mL-1之間，屬中等抑制活性；在 10～25 μg·mL-1之間時，抑制活性較弱； 大于 25 μg·mL-1時，則沒有活性。結果(圖8)表明，配合物1和2對人肝癌細胞HEPG2均有很強的抑制活性，IC50分別為2.53 和 5.07 μg·mL-1。 同時，1 對人結腸癌細胞SW620 呈現中等抑制活性，IC50為 6.10 μg·mL-1。

圖8 配合物對癌細胞的抑制作用Fig.8 Inhibition effects of complexes 1 and 2 on cancer cells

2.5 配合物的熱穩定性

在N2氣氛中，初步研究了配合物的熱分解行為(圖9)。1的分解分兩階段，355.8～399.1℃快速失重28.5%，399.1～511.0℃失重50.2%。600℃后基本恒重，殘重16.1%。2從344.1到400.2℃快速失重35.3%，500℃后持續失重，至800℃殘重31.9%。可見配合物的分解溫度明顯高于配體H2Brsth的分解溫度 (252℃)[11]。3的分解分3個階段，255.5～310.4℃快速失重28.0%，相當于失去異煙肼片段的吡啶環；359.2～422.5℃失重17.7%；之后緩慢失重，至800℃殘重22.6%，主要殘余物可能是CdO(理論殘重21.7%)。

圖9 配合物的熱重分析圖Fig.9 TGA curves of complexes 1～3

[1]Pattanayak P,Pratihar J L,Patra D,et al.Inorg.Chim.Acta,2014,418(1):171-179

[2]Saadeh H A,Shaireh E A A,Mubarak M S,et al.Med.Chem.Res.,2012,21:2969-2974

[3]Zheng C Z,Wang L,Liu J.J.Mol.Struct.,2012,1018:78-83

[4]Sun F,Yin Z,Sun C G,et al.Inorg.Chem.Commun.,2014,43:78-80

[5]HUO Hong-Yue(霍紅月),LI Zhong-Qing(李仲慶),QIN Qi-Pin(覃其品),et al.Journal of Guangxi Normal University:Natural Science Edition(廣西師范大學學報：自然科學版),2014,32(3):65-73

[6]Chellaian J D,Johnson J.Spectrochim.Acta A,2014,127:396-404

[7]Wang R M,He N P,Song P F,et al.Pure Appl.Chem.,2009,81(12):2397-2405

[8]Jungwirth U,Kowol C R,Keppler B K,et al.Antioxid.Redox Signaling,2011,15(4):1085-1127

[9]Das K,Mondal T K,Garribba E,et al.Inorg.Chim.Acta,2014,413(1):194-202

[10]Monfared H H,Sanchiz J,Kalantari Z,et al.Inorg.Chim.Acta,2009,362(10):3791-3795

[11]CHEN Yan-Min(陳延民),WANG Jing-Mei(王景梅),CHEN Fei-Peng(陳飛鵬),et al.Chinese J.Inorg.Chem.(無機化學學報),2016,32(3):434-440

[12]CHEN Yan-Min(陳延民),CHU Zhao-Hua(儲召華),HAO Gui-Xia(郝桂霞),et al.Chinese J.Inorg.Chem.(無機化學學報),2015,31(2):317-322

[13]CHEN Yan-Min(陳延民),XIE Qing-Fan(解慶范),LIU Jin-Hua(劉金花),et al.Chinese J.Inorg.Chem.(無機化學學報),2015,31(1):74-80

[14]Sheldrick G M.SHELXS-97,Program for the Solution of Crystal Structure,University of G?ttingen,Germany,1990.

[15]Sheldrick G M.SHELXL-97,Program for the Refinement of Crystal Structure,University of G?ttingen,Germany,1990.

[16]Shier W T.Mammalian Cell Culture on$5 a Day:A Laboratory Manual of Low Cost Methods.Los Ba?os:University of Philippines,1991.

Syntheses,Crystal Structures and Properties of Znギ and CdギComplexes with Acylhydrazone Schiff Base

CHEN Yan-Min FENG Ying-Jian CAI Min-Yu FANG Ya-Qian XIE Qing-Fan＊
(College of Chemical Engineering and Material,Quanzhou Normal University,Quanzhou,Fujian 362000,China)

The complexes of hydrazone Schiff base,[M(HBrsth)2](M=Zn(1),Cd(2))and[Cd(L)2](3),where H2Brsth is 2-thiophenecarboxylic acid (2-hydroxly-5-bromo-benzylidene)-hydrazide,HL is pyridine-4-carboxylic acid(pyridine-2-yl ethylidyne)-hydrazide,were respectively synthesized by slow evaporation methods in mixed-solvent,and characterized by elemental analysis,IR,UV-Vis,FL spectra and TGA.The structure of 1 and 3 has been accomplished by single crystal X-ray diffraction,which results confirm that the crystal of 1 belongs to the monoclinic system,space group C2/c with cell parameters a=2.315 4(4)nm,b=0.603 0(1)nm,c=1.911 2(4)nm,β=108.5(3)°and the crystal of 3 belongs to the orthorhombic system,space group C2cb with cell parameters a=0.988 6(2)nm,b=1.950 2(4)nm,c=1.244 0(2)nm.The antitumor activities in vitro against HEPG2 and SW620 cancer cells lines of complexes were tested by MTT method.In addition,fluorescent properties of three complexes were investigated.CCDC:1432467,1;1450427,3.

acylhydrazone;complexes;crystal structure;fluorescence properties;antitumor activity

O614.24+1；O614.24+2

A

1001-4861(2018)01-0123-06

10.11862/CJIC.2018.008

2017-06-08。收修改稿日期：2017-10-19。

泉州師范學院學科建設資金和福建省大學生創新創業訓練計劃項目(No.201610399011)資助。

＊通信聯系人。 E-mail：xqf360@163.com；會員登記號：S06N2113M1304(陳延民)，S06N5449M1311(解慶范)。