兩種基于酰腙配體的鎳配合物：水熱合成、結構、抗癌活性與量化計算

陳延民 解慶范

(泉州師范學院化工與材料學院，泉州 362000)

酰腙類Schiff堿的熱穩定性好，不易水解，與金屬離子具有很強的配位能力，在催化劑、功能材料和熒光分析等方面有廣泛應用，而且許多金屬的酰腙配合物具有良好的抗癌、抑菌和抗病毒等生物活性，因此長期以來備受研究者的關注[1-8]。由酰肼與水楊醛衍生物縮合的產物是一類[ONO]三齒配體，與金屬可以形成穩定的螯合物，利用咪唑、吡啶和4，4′-聯吡啶等第二配體的輔助作用，可以設計合成具有大共軛平面的配合物，而這種大平面往往有利于配合物與DNA的相互作用。鎳是生物體中必需的微量元素，能促進體內鐵的吸收、紅細胞的增長和氨基酶的合成，而且可能是DNA和RNA的一種結構穩定劑[9-11]，有些鎳配合物還表現出良好的抗癌活性[12-15]。本文采用水熱法合成了兩種酰腙的鎳配合物[Ni(Lss)(Py)](1)和[Ni2(Lrr)2(4，4′-bipy)](2)，經X射線單晶衍射方法確定了它們的晶體結構，采用MTT法測試了配合物對白血病細胞HL-60體外抑制活性。同時采用密度泛涵理論(DFT)對配合物2分子的自然電荷布居和鍵級進行了分析。

1 實驗部分

1.1 儀器與藥品

所用儀器有德國Elmentar公司 Vario EL型元素分析儀，美國Nicolet公司is10型FT-IR紅外光譜儀，上海美普達UV-1800PC型紫外-可見分光光度計，德國Bruker公司Smart Apex CCD單晶衍射儀。5-硝基水楊醛縮噻吩-2-甲酰腙(H2Lss，按文獻[16]方法自制)，5-溴水楊醛縮噻吩-2-甲酰腙(H2Lrr，按文獻[17]方法自制)，其他均為市售的分析純試劑。

1.2 配合物的合成

將 0.1 mmol H2Lss，0.1 mmol乙酸鎳和 20 μL 吡啶(約0.25 mmol)以及2 mL蒸餾水和5 mL甲醇，置于20 mL的內襯聚四氟乙烯的不銹鋼自動升壓反應釜中，在140℃下反應2 d，得到適于X射線單晶衍射分析的1的黃色晶體。對C17H12N4NiO4S元素分析的實測值(計算 值，%)：C 47.74(47.81)；H 2.76(2.83)；N 13.15(13.11)。 IR(cm-1)：1 602(s)，1 553(m)，1 512(w)，1 485(w)，1 426(w)，1 332(s)，1 313(vs)，1 219(m)，927(w)，828(w)，768(w)，725(s)，695(m)。

將 0.2 mmol H2Lrr，0.2 mmol乙酸鎳和 0.1 mmol 4，4′-聯吡啶以及3 mL蒸餾水和7 mL甲醇，同樣在140℃下水熱反應2 d，得到2的黃色晶體。對C34H22Br2N6Ni2O4S2元素分析的實測值 (計算值，%)：C 44.31(44.39)；H 2.52(2.41)；N 9.22(9.14)。 IR(cm-1)：1 622(m)，1 594(s)，1 560(m)，1 457(vs)，1 419(m)，1 372(s)，1 300(s)，1 174(s)，948(vw)，845(w)，811(m)，722(s)，694(w)。

1.3 晶體結構測試

選取1和2的單晶置于Smart Apex CCD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) 分別在 3.14°＜θ＜27.54°和 3.38°＜θ＜25.10°范圍內以φ～ω掃描方式分別收集到65 940和25 599個衍射點，其中I＞2σ(I)的可觀察點分別為2 242和1 521個。晶體結構用SHELXTL和SHELXL-97程序包[18-19]由直接法解出，全部強度數據均經Lp因子校正，并進行了經驗吸收校正，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。晶體學數據詳見表1，主要鍵長和鍵角列于表2。

CCDC：1041669，1；1046102，2。

表1 配合物1和2的主要晶體數據Table 1 Crystal data of complexes 1 and 2

續表1

2 結果與討論

2.1 晶體結構描述

配合物1是一種單核配合物，分子結構見圖1。它由1個酰腙配體Lss2-、1個吡啶配體和1個Ni2+離子組成，其中，中心離子Ni（Ⅱ）為4配位，處于平面四邊形的配位環境，4個配原子分別來自烯醇化的酰腙配體的羰基氧原子O、去質子化的羥基氧原子O、亞胺基的氮原子N和吡啶的氮原子N。Ni-O鍵長為0.184 5(2)和 0.182 3(2)nm，Ni-N鍵長為 0.183 2(3)和 0.194 5(3)nm。由于羰基烯醇式配位，所以O(1)-C(10)鍵長(0.130 0 nm)與酚羥基 O(2)-C(13)鍵長(0.131 1 nm)相近，明顯比類似的酰腙配體[20]的羰基C=O雙鍵鍵長(0.122 nm)長得多。配原子N1、N3、O1和O2與中心離子 Ni2+幾乎完全共平面，鍵角為 83.51(11)°～94.84(11)°和 174.92(12)°～177.71(10)°，O1-N1-O2-N3 扭轉角為-1.71°。配合物整個分子也呈現較高的共平面性，噻吩環與苯環二面角為9.2°，吡啶與酰腙配體共軛面的二面角為10.5°；扭轉角O1-C10-N2-N3和N3-C11-C12-C13分別為-1.52°和1.37°，說明配合物1整個分子的共軛程度較高。

圖1 配合物1的分子結構圖(橢球率30%)Fig.1 Molecular structure of 1 with 30%probability ellipsoids

配合物2的分子結構見圖2。它是由2個酰腙配體 Lrr2-、1 個 4，4′-聯吡啶和 2 個中心離子 Ni（Ⅱ）組成的具有對稱中心的雙核配合物。與配合物1相似，烯醇化的酰腙配體去質子化，提供2個氧原子和1個氮原子與吡啶環的氮原子構成平面四邊形的配位環境，Ni-O鍵長為0.181 9(4)和0.184 3(4)nm，Ni-N鍵長為0.183 2(3)和 0.193 8(4)nm；鍵角為 83.81(19)°～95.7(2)°和 173.7(2)°～177.64(17)°。 酰腙配體 Lrr2-的所有原子與NI（Ⅱ）共平面程度高，噻吩環與苯環二面角為5.4°，O1-Ni1-N2-N1和N2-N1-C5-O1扭轉角分別為 2.2(3)°和1.5(7)°，O1-N3-O2-N2 扭轉角為 3.8(3)°。4，4′-聯吡啶的所有原子完全共平面，它與酰腙配體共軛平面的二面角為 16.1°。

圖2 配合物2的分子結構圖(橢球率30%)Fig.2 Molecular structure of 2 with 30%probability ellipsoids

在1的晶體中，每個配合物分子的噻吩環的C-H和吡啶環的C-H與相鄰配合物分子的硝基氧原子O之間形成氫鍵(表3)，從而將整個配合物擴展為二維超分子體系(圖3)，而這些氫鍵對于穩定晶體結構起著重要作用。而2則通過芳環堆積作用形成層狀超分子體系。

圖3 配合物1中的分子間氫鍵Fig.3 Intermolecular C-H…O hydrogen bonds in the crystal of 1

表3 配合物1中的氫鍵鍵長(nm)和鍵角(°)Table 3 Hydrogen bonds in the crystal of 1

2.2 電子光譜特征

圖4 配體和配合物的紫外-可見光譜Fig.4 UV-Vis spectra of ligands and complexes

配體和配合物溶液(21.8 μmol·L-1)的電子光譜見圖4。由圖4(A)可見，在DMF溶劑中H2Lss有2個很寬的強吸收帶，其中297 nm可指認為共軛體系的π-π*電子躍遷即K帶和n-π*電子躍遷即R帶疊加的結果，395 nm處則歸屬于配體內部的電荷轉移躍遷(ILCT)；而形成配合物1后，K帶紅移到328 nm，這是因為酰腙以烯醇式配位，共軛體系增大的結果，ILCT則紅移至402 nm，在260 nm處出現的新吸收帶可能來自第二配體吡啶環的π-π*電子躍遷即B帶。溶劑對電子光譜的吸收特征有很大的影響，由于甲醇與配合物可形成氫鍵，有可能改變分子軌道的能級，從而使1的B帶、K帶和ILCT分別藍移至230、312和386 nm；同時在252 nm處可以觀察到R帶。H2Lrr在265 nm處的肩峰歸屬芳環的B帶，294、306和339 nm可能來自不同共軛片段的π-π*電子躍遷 (即K帶吸收峰)，405 nm 則來自 ILCT； 由于配合物 2 中 4，4′-聯吡啶參與配位，所以在圖4(B)中261 nm處明顯可觀察到2的B帶；而酰腙以烯醇式配位導致K帶紅移至328～342 nm，電荷轉移躍遷紅移了8 nm至413 nm。

2.3 量化計算

用Gaussian 09程序包[21]，應用密度泛函理論(DFT)[22]，在 B3LYP 水平上對 C，H，O，N，S 原子選用 6-31G(d)基組，Ni原子選用lanl2dz基組，計算了配合物2的分子的碎片對前線分子軌道的貢獻、Wiberg鍵級和自然電荷布居(表4～6)。計算中收斂精度采用程序的默認值。

配合物2的最高占據分子軌道的能量EHOMO為-5.368 eV，最低空軌道的能量ELUMO為-2.857 eV，能量較低，ELUMO與EHOMO的差值(2.511 eV)較大，說明配合物的穩定性較好。最高占據軌道(HOMO)電子云主要集中在酰腙C8N2O2Br(76.5%)片段和噻吩C4S(15.4%)片段，最低空軌道(LUMO)電子云主要集中在吡啶配體C5N(95.7%)，表明電子由HOMO向LUMO躍遷時主要發生酰腙配體向4，4′-聯吡啶配體的配體間電荷轉移躍遷(LLCT)，最大吸收波長的計算值為493 nm，實驗值為413 nm。而LUMO+1電子云的分布是C8N2O2Br片段68.9%、C4S片段21.5%和C5N片段4.2%，可見電子由HOMO向LUMO+1躍遷時主要發生的是酰腙共軛體系的π-π*電子躍遷(即所謂的K帶)，最大吸收波長的計算值為351 nm，實驗值為328～342 nm。

表4 配合物2的前線分子軌道能量和分子碎片對該分子軌道貢獻/%Table 4 Frontier molecular orbital energy and molecular fragment contribution to molecular orbitals of 2

表5 配合物2的NBO電荷分布Table 5 NBO charges populations of 2

表6 配合物2的Wiberg鍵級Table 6 Wiberg bond order of 2

鎳在配合物2中的化合價為+2，由表5可見，Ni1、O1、O2、N2 和 N3 的凈電荷分別為 0.668、-0.674、-0.653、-0.283和-0.451，說明配原子的部分負電荷轉向了中心離子，這從理論上證明了配位鍵的存在。電荷轉移的結果使得與配原子相連的C5、C6、C12、C13和C17成為正電荷較為集中的原子。從表6可知，C5-N1和C6-N2的Wiberg鍵級分別為1.497和1.546 5，屬典型的雙鍵；C5-O1的鍵級為1.194 7，明顯小于1.500，證明羰基以烯醇式配位。 Ni1-O1、Ni1-O2、Ni1-N2和Ni1-N3的鍵級分別為0.495 1、0.533 0、0.529 0和0.365 6，說明配位能力大小順序為：酚羥基氧O2＞亞胺基N2＞羰基O1＞吡啶基N3；同時說明Ni1-N1在熱分解時可能優先斷裂，成為熱解引發鍵。

2.4 體外抗癌活性

在無菌條件下，分別取對數生長期的人體急性早幼粒白血病細胞HL-60，用2.5 g·L-1胰酶消化，調整細胞密度為2.5×104mL-1，培養24 h，用全自動酶標儀在570 nm處測定它的吸光度值并計算細胞的增殖抑制率，根據線性回歸方程求出化合物的半數抑制濃度IC50。結果表明，配體H2Lss和H2Lrr的抗癌活性較弱，而配合物1和2對白血病細胞HL-60有較強的增殖抑制作用，且與濃度呈現正相關性 (圖5)。1和2對HL-60半數抑制濃度 IC50分別為 0.476和 3.85 μg·mL-1(即 1.11 和 4.19 μmol·L-1)。根據 Shier[23]的建議，當IC50小于5 μg·mL-1時化合物的抑制活性為強效。從而進一步證明，大平面結構的過渡金屬配合物具有潛在的生物活性。H2Lss和H2Lrr的結構相似，但1的抗癌活性明顯高于2，可能與酰腙的取代基有關，因為硝基是強吸電子共軛基團，而溴是供電子共軛基團，吸電子效應有助于提高藥物的抗癌活性[24]。

圖5 化合物對癌細胞HL-60的抑制作用Fig.5 Inhibition effects of compounds on cell HL-60