一種多吡啶銅(Ⅰ)配合物的合成、結構及DNA光裂解研究

張 琴，黃 羽，李知敏，胡 邁，廖向文，王金濤

(江西科技師范大學藥學院，江西省藥物分子設計與評價重點實驗室，南昌 330013)

0 引 言

多吡啶衍生物作為有機配體與過渡金屬螯合具有良好的光學活性，并且在DNA光裂解、DNA結合和DNA識別中起著重要作用[1]。多吡啶有多種修飾方法，其中，基于甲基化的多吡啶配合物具有特殊的生物活性，這可能是由于化合物的氧化還原行為在甲基化后會發生顯著的變化。例如，帶有甲基化多吡啶的釕(Ⅱ)配合物具有抗增殖活性[2]。與其他過渡金屬相比，銅是大多數需氧生物的基本元素，常被用作結構因子，因此它參與了許多重要的生物途徑[3-4]。據報道，銅配合物可依賴于陽離子和帶負電荷的脫氧核苷酸骨架之間形成靜電相互作用[5]。有報道指出帶有N-甲基化吡啶基的化合物顯示出較好的光譜和電化學性質[6]。將甲基化的多吡啶與銅配位以期發現更好的生物活性。培養目標配合物的單晶是探索配合物結構最直觀的方法[7]，通過X射線單晶衍射技術對其進行表征可以直觀地觀察到配合物的鍵長及鍵角。溫度、濃度和pH值等條件都會影響單晶的形狀及大小[8]，因此研究目標配合物的單晶結構依舊是探究配合物結構的一個重要方法。

本文設計并合成了一種具有強吸電子特性的含N-甲基化多吡啶的配合物1(見圖1)，通過溶劑緩慢揮發法培養了目標配合物的晶體，通過X射線單晶衍射和XPS對配合物的結構以及Cu的價態進行了分析并使用熱重分析法對其穩定性進行了初步分析[9]，最后研究了配合物光裂解DNA的性質。

圖1 配合物1的合成Fig.1 Synthesis of complex 1

1 實 驗

1.1 試劑與儀器

試劑：本實驗所用試劑除配體1-甲基-4′-對苯甲基-2,2′,6′,2″-三聯吡啶六氟磷酸鹽(L)由本課題組之前報道的實驗步驟合成外[10]，其他藥品均為市售分析純。

儀器：Bruker公司生產的D8 VENTURE型X射線單晶衍射儀；島津公司AXIS NOVA型X射線光電子能譜儀和TGA-50H熱重分析儀；電泳實驗采用Bio-Rad Sub-Cell GT電泳系統，凝膠成像采用JUNYI掃描儀。

1.2 配合物1的合成

將L(0.2 mmol，96.7 mg)和CuCl2·2H2O(0.11 mmol, 18.7 mg)的混合物加入到10 mL乙二醇中，在150 ℃下反應3 h，然后將反應混合物冷卻到室溫，加入0.2 mol/L KPF6水溶液(5 mL)，立即產生紅棕色沉淀，通過離心得到沉淀，真空干燥，產率為80%(96 mg)。元素分析按C46H42CuF18N6OP3計算值(%): C 42.96, H 3.29, N 6.53; 測試值(%): C 43.14, H 3.06, N 6.61。

1.3 配合物1單晶的結構測定與解析

采用溶劑揮發法培養晶體。將10 mg配合物溶解在乙腈/水(1∶1，體積比)的混合溶液中，常溫靜置揮發約10 d，得到黃色針狀晶體。使用經過石墨單色化的MoKα射線，λ=0.071 073 nm為入射輻射，在150.0 K條件下以ω-2θ掃描方式在3.902°≤2θ≤52.834°范圍內收集衍射數據31 514個，使用10 165個獨立衍射點(Rint=0.065 4)進行結構解析和修正。配合物1的結構是使用內在相位法通過ShelXT解析的[11]，該結構解析方案程序是使用Intrinsic Phasing并通過ShelXL進行了完善[12]。利用島津TGA-50H熱分析儀進行熱重測試，測試溫度為20～600 ℃，升溫速率為10 ℃/min，流動N2保護。使用X射線光電子能譜儀(AXIS NOVA，Al Kα為發射源，光斑大小為500 μm，分析模式為CAE: Pass Energy 20.0 eV)進行XPS分析。

1.4 DNA裂解實驗

采用凝膠電泳評價了配合物1的光誘導裂解DNA活性。用PBS緩沖液配制超螺旋pBR322 DNA (19 μmol/L堿基對濃度)和不同濃度的配合物1樣品，在環境溫度下用低功率紫外燈(365 nm，6 W，60 min)照射。樣品和燈之間的距離為5 cm。之后加入4 μL終止液，裂解產物在80 V下于0.8%瓊脂糖凝膠上于TBE緩沖液(89 mmol/L Tris-硼酸鹽，2 mmol/L Na2H2EDTA，pH=8.3)中電泳90 min。凝膠用GelRed染色，并在254 nm的紫外透射光源上拍攝。

2 結果與討論

2.1 配合物1的晶體結構分析

配合物1通過單晶X射線單晶衍射進行表征。晶體學數據和結構細化參數如表1所示，鍵長及鍵角如表2所示。

表1 配合物1的晶體結構數據Table 1 Crystal structure date of complex 1

表2 配合物1主要的鍵長(nm)和鍵角數據(°)Table 2 Data of main bond lengths (nm) and bond angles(°) of complex 1

X射線單晶衍射結果表明，配合物1屬于單斜晶系，P21/c空間群。目標配合物由一個亞銅離子、兩個1-甲基-4′-對苯甲基-2,2′,6′,2″-三聯吡啶配體、三個六氟磷酸根和一個水分子組成。三個六氟磷酸根均勻地分布在配體的苯甲基之間。該結構的ORTEP圖如圖2所示，中心Cu(1)原子具有扭曲的四面體配位幾何結構，Cu(1)與兩個配體提供的四個N(N1，N2，N3，N4)配位，其鍵長為Cu(1)—N(1)=0.197 5(3) nm，Cu(1)—N(2)=0.211 0(3) nm，Cu(1)—N(3)=0.198 8(3) nm，Cu(1)—N(4)=0.207 5(3) nm。甲基化吡啶環(N5，C18—C22)和相鄰吡啶環(N2，C10—C010)所形成的二面角為59.96°。環1(N6，C34—C38)和環2(N1，C11—C15)之間的二面角僅6.29°，表明它們接近平行。相應環中心之間的距離為0.382 6 nm，表明分子內π-π堆積相互作用參與穩定晶體結構。分子之間近似環中心之間的距離為0.429 0 nm(見圖3)，暗示分子之間存在有π-π弱堆積作用。

圖2 配合物1的晶體示意圖Fig.2 ORTEP diagram of complex 1. Solvent molecules and hydrogen atoms have been omitted for clarity

圖3 配合物1結構中分子的π-π堆積Fig.3 Intramolecular π-π stacking interactions in complex 1 structure

2.2 熱重分析

圖4為配合物1的熱重分析圖譜。從圖中可以看出，配合物1具有較高的熱穩定性。當溫度升高至249 ℃時逐漸出現失重現象，此時配合物的基本構架已開始經坍塌，可能是配位鍵的斷裂引起的[13]。在溫度趨于600 ℃時仍處于繼續失重狀態，失重占率為42.93%。這說明配合物1至少在200 ℃以下具有相對較高的穩定性，在常溫活性測試時應該能夠保持結構穩定。

2.3 配合物1的XPS分析

合成配合物1時使用的是Cu2+，但從晶體結構中看出Cu2+發生了價態的變化。為了探討其在配合物中的價態，進行了XPS分析。Cu2p XPS光譜被廣泛應用于銅配合物的分析，其對配合物的空間和電子結構的微小變化很敏感。一般而言，Cu2+的Cu2p3/2主峰要比單質銅及Cu2O的峰高，而Cu2+和Cu+的主要區別在于衛星峰。電荷轉移是描述過渡金屬核心XPS光譜的公認模型。Cu2p光譜中的主線被指定為2p53 d10L-1>狀態，這是由配體到銅離子的電流變引起的，空穴在2p核心能級。同時，Cu2p光譜中的衛星峰對應于光發射過程中銅離子轉變為2p53d9>狀態[14-15]。

圖4 配合物1的熱重分析圖Fig.4 Thermogravimetric analysis diagram of complex 1

圖5 配合物1的擬合Cu2p XPS譜圖Fig.5 Cu2p XPS spectra of complex 1

從圖5可以看到，Cu2p3/2峰并未出現衛星峰，由此可知銅是以Cu+的形式存在[16]。因為，與順磁性Cu2+化合物相比，反磁性Cu+化合物在Cu2p光譜中不顯示衛星峰。通過對XPS圖譜曲線的擬合，932.42 eV的峰對應Cu+的Cu2p3/2，952.12 eV的峰對應于Cu+的Cu2p1/2，峰值差為19.7 eV這正好與Cu+標準峰的位置相對應。從文獻中得知，乙二醇在高溫條件下可作為還原劑。因此銅以Cu+的形式存在的原因可能是乙二醇作為溶劑和還原劑，隨著反應溫度的升高，還原反應速度加快，通過溶劑熱還原法使Cu2+還原為Cu+[17-18]。

2.4 DNA光裂解分析

銅配合物帶有大量電荷，而DNA由于堿基對的存在帶有大量負電荷。為了探討配合物1對DNA的作用，進行了DNA光裂解研究。DNA的解旋可以通過金屬配合物將DNA的閉合超螺旋環(Form Ⅰ)轉化為開環松弛形式(Form Ⅱ)或線性形式(Form Ⅲ)的能力來定義[19-20]。不同濃度的銅配合物在TBE緩沖液中進行。如圖6所示，配合物1作為一種化學核酸酶，將DNA從Form Ⅰ展開到Form Ⅱ。隨著配合物1濃度的增加，Form Ⅰ逐漸減少，Form Ⅱ逐漸增加。當配合物濃度達到100 μmol/L時，Form Ⅰ完全轉化為Form Ⅱ。由此可見，配合物1具有明顯的DNA光裂解能力，提示其具有良好的潛在生物活性。

圖6 配合物1光解pBR322 DNA的濃度依賴性Fig.6 Concentration-dependent of pBR322 DNA photocleavaged by complex 1

3 結 論

本文以1-甲基-4′-對苯甲基-2,2′,6′,2″-三聯吡啶六氟磷酸鹽為配體，合成配合物[CuL2](PF6)3·H2O(配合物1)。利用溶劑揮發法生長單晶。X射線晶體學研究發現該配合物屬于單斜晶系，P21/c空間群。熱重分析研究表明配合物1具有較好的熱穩定性。XPS分析表明配合物中銅以Cu+的形式存在，推測是由于乙二醇為溶劑和還原劑，通過溶劑熱還原法使Cu2+還原為Cu+。DNA裂解實驗表明配合物能明顯使DNA解旋，這表明該配合物具有良好的潛在生物活性。