兩個三(鄰溴芐基)錫羧酸酯的合成、結構及抗腫瘤活性

2022-01-14 11:30:00張復興何麗芳李達偉曾維鴻江叔沄盛良兵朱小明

無機化學學報 2022年1期

劉熙張復興何麗芳李達偉曾維鴻江叔沄賀霞盛良兵朱小明

(衡陽師范學院化學與材料科學學院，功能金屬有機化合物湖南省重點實驗室，金屬有機新材料湖南省普通高等學校重點實驗室，衡陽 421008)

國家癌癥中心最新發布的全國癌癥統計數據顯示，近10年來，我國惡性腫瘤發病率每年增幅達3.9%，死亡率每年增幅達2.5%，惡性腫瘤占國民全部死因的23.9%[1]。藥物治療已成為當今臨床治療癌癥的重要手段之一。近年來，抗腫瘤藥物的研發雖然取得了許多重要進展[2?3]，但仍然缺乏高效、特異性強的抗腫瘤藥物。因此，新型抗腫瘤藥物的研發對癌癥的治療具有重大意義。有機錫化合物具有良好的抑制癌細胞增殖活性的作用，為開發高選擇性、高效、低毒的抗腫瘤藥物開辟了新的方向，引起了人們極大的興趣[4?6]。研究表明，許多有機錫化物具有極其高效廣譜的抗癌活性[7?12]，有機錫羧酸酯是有機錫化合物中最重要的一類，不僅具有良好的性能，也具有豐富多變的結構，因而備受人們廣泛關注[13?19]。為了更系統地研究該類化合物，我們合成了三(鄰溴芐基)錫噻吩2?甲酸酯(1)和三(鄰溴芐基)錫肉桂酸酯(2)，通過元素分析、紅外光譜、核磁共振譜(1H、13C和119Sn)進行了表征，用X射線單晶衍射測定了晶體結構，對其結構進行量子化學從頭計算，探討了化合物分子的穩定性、分子軌道能量以及一些前沿分子軌道的組成特征。并研究了其熱穩定性和體外抗癌活性。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

合成反應在微波有機合成系統(MicroSYNTLab?station for Microwave assisted，意大利)中完成。紅外光譜用Shimadzu FTIR8700(KBr壓片，400～4 000 cm-1)光譜儀測定。元素組成用PE?2400型元素分析儀測定，核磁共振用Avance Ⅲ HD 500 MHz全數字化超導核磁共振譜儀(瑞士Bruker公司，TMS為內標)測定。高分辨質譜(HRMS)用Waters Acquity UPLC H?CLASS XEVO G2?XS Qtof飛行時間串聯液質聯用儀測定。1和2的晶體結構用BrukerSmart Apex Ⅱ CCD單晶衍射儀測定。1和2的熔點用北京泰克X?4數字顯微熔點儀測定。熱穩定性分析利用TG209F3熱分析儀進行，在空氣氣氛中，加熱速度為20 ℃·min-1，氣體流速為20 mL·min-1，在40～800 ℃范圍內對1和2進行熱重測試。所有試劑為分析純。

1.2 化合物的合成

化合物 1：取 0.708 g(1 mmol)三(鄰溴芐基)溴化錫、0.128 g(1 mmol)噻吩 2?甲酸和 1 mmol三乙胺溶于40 mL甲醇中，將溶液轉入聚四氟乙烯微波反應罐中，將罐蓋密封好，置于微波反應器中。設置微波有機合成系統溫度120℃，微波輻射反應2 h。冷卻過濾，除去不溶性固體,濾液旋轉蒸發除去部分溶劑，放置析出白色固體，用二氯甲烷-甲醇重結晶得無色透明晶體0.516 g，產率68.26%。熔點：89～91℃。元素分析按C26H21Br3O2SSn的計算值(%)：C，41.27；H，2.78。實測值(%)：C，41.13；H，2.72。IR(KBr，cm-1)：3 082，3 053，2 979，2 932ν(C—H)，1 614νas(COO-)，1 361νs(COO-)；538ν(Sn—C)，426ν(Sn—O)。1H NMR(CDCl3，500 MHz)：δ7.69(dd，J=3.5 Hz，J=1.0 Hz，1H)，7.53～7.46(m，4H)，7.16～7.13(m，3H)，7.10～7.07(m，4H)，6.96～6.93(m，3H)，2.93(s，6H)。13C NMR(CDCl3，125 MHz)：δ191.85，139.21，135.29，133.83,132.08,130.13,129.81,128.77，127.56，126.44，123.58，28.92。119Sn NMR(CDCl3，186 MHz)：δ5.61。HRMS(ESI)m/zC26H21Br3O2SSn[M+Na]+計算值：778.770 6，實測值：778.770 8。

化合物2：按照上述方法，用0.148 g(1 mmol)肉桂酸代替噻吩2?甲酸，得無色透明晶體三(鄰溴芐基)錫肉桂酸酯0.594 g，產率76.54%。熔點：107～108℃。元素分析按C30H25Br3O2Sn的計算值(%)：C，46.39；H，3.22。實測值(%)：C，46.67；H，3.28。IR(KBr，cm-1)：3 057，3 042，2 982，2 929ν(C—H)，1 643νas(COO-)，1 337νs(COO-)，554ν(Sn—C)，434ν(Sn—O)。1H NMR(CDCl3，500 MHz)：δ7.60(d，J=16 Hz，1H)，7.56～7.54(m，2H)，7.50～7.48(m，3H)，7.43～7.39(m,3H),7.19～7.1(m，3H)，7.12～7.08(s，3H)，6.99～6.93(s，3H)，6.52(d，J=16 Hz，1H)，2.91(s，6H)。13C NMR(CDCl3，125 MHz)：δ191.74，144.68，139.43，134.78，132.07,130.11,129.88,128.75,127.94，127.51，126.33,123.56，119.17，28.78。119Sn NMR(CDCl3，186 MHz)：δ-3.30。HRMS(ESI)m/zC30H25Br3O2Sn[M+Na]+計算值：798.829 8，實測值：798.827 5。

1.3 晶體結構測定

分別選取大小為0.21 mm×0.20 mm×0.17 mm(1)和0.23 mm×0.21 mm×0.20 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MoKα射線(λ=0.071 073 nm)，在296(2)K下以φ?ω掃描方式收集數據。可觀察衍射點數分別為4 672和6 621[I>2σ(I)]，用于結構分析和精修。衍射強度數據經多重掃描吸收校正，晶體結構中大部分非氫原子由直接法解出，其余部分非氫原子在隨后的差值傅里葉合成中陸續確定，對所有非氫原子坐標及其溫度因子采用全矩陣最小二乘法精修。由理論加氫法給出氫原子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精修，全部結構分析工作在WINGX上調用SHELX?97程序完成。化合物1和2的主要晶體學數據列于表1。

表1 化合物1和2的晶體學數據Table 1 Crystallographic data of compounds 1 and 2

CCDC：2109938，1；2109939，2。

1.4 化合物的體外抗癌活性測定

人乳腺癌細胞(MCF?7)、人非小細胞肺癌細胞(A549)和人大細胞肺癌細胞(H460)取自美國組織培養庫，用含10%牛胎血清的RPMI1640(GIBICO，Invitrogen)培養液，在含體積分數5%的CO2的培養箱內于37℃下培養，用MTT法檢測細胞增殖與生長抑制情況，調整實驗細胞數量使在570 nm獲得1.3～2.2的吸光度，將化合物1和2的測試藥液(0.1 nmol·L-1～10 μmol·L-1)設置6個濃度，處理細胞72 h，每個濃度至少進行3個平行和3次重復實驗，應用Graph?Pad Prism5.0軟件統計分析確定IC50值。

2 結果與討論

2.1 化合物的譜學性質

在IR中，化合物1在1 614和1 362 cm-1處出現的尖銳吸收峰為羧基的反對稱伸縮振動(νas,COO)和對稱伸縮振動吸收峰(νs,COO)，而化合物2的νas,COO和νs,COO分別在1 643和1 337 cm-1，其 Δν(Δν=νas,COO-νs,COO)分別為252和306 cm-1，均大于200 cm-1，表明化合物中羧基氧都是以單齒形式與錫配位。化合物1和化合物2分別在427和434 cm-1處出現了吸收峰，該峰為Sn—O鍵的伸縮振動吸收峰，說明化合物中有Sn—O鍵存在。

在1H NMR譜中，化合物1和2分別在化學位移7.69～6.93和7.56～6.93之間出現多重峰，對應為芳環上的質子，與錫相連的亞甲基氫的δ分別在2.93和2.91；化合物2的烯烴碳上的2個質子的δ分別在7.60和6.52處出現了雙重峰，其偶合常數均為16 Hz。在13C NMR譜中，化合物1和2羰基碳的δ分別在191.85和191.74處，亞甲基碳的δ分別在28.92和28.78處；化合物1芳環上碳的δ出現在139.21～123.85，化合物2芳環上碳和烯烴上碳的δ在144.68～119.17之間。在119Sn NMR譜中，化合物1和2分別在δ為5.61和-3.30處出現峰。以上紅外和核磁數據結果與X射線單晶衍射測定的晶體結構相吻合。

2.2 晶體結構分析

化合物的主要鍵長和鍵角列于表2，化合物1和2的分子結構見圖1、2，晶胞堆積圖見圖3、4。由分子結構圖和結構參數可知：2個化合物均為單錫核結構，中心Sn原子與3個亞甲基C原子和1個羧基O原子相連形成四面體構型。配體和溴代芐基的空

間互斥作用使化合物中3個Sn—C鍵的鍵長、鍵角不等。化合物1和2中Sn原子與2個羧基O原子之間的距離分別為0.207 2、0.277 0 nm和0.206 0、0.277 8 nm，都只有其中的一個小于Sn原子與O原子的共價半徑之和(0.216 nm)，而另一個遠大于這2個原子的共價半徑之和，說明2個化合物中都只有一個羧基O原子與Sn很好地成鍵，而另一個羧基O原子未能與Sn原子成鍵。因此，2個化合物中的羧基均是以單齒形式與錫原子配位，生成四配位的畸形四面體，與紅外光譜測得的結果一致。化合物2與已報道的三(鄰氯芐基)錫肉桂酸酯[20]具有相似的晶體結構，兩者都屬三斜晶系，空間群均為P1，但由于溴原子和氯原子的電子效應和空間效應的差別，使得中心錫原子與配位原子的鍵長與鍵角存在差異。

表2 化合物1和2的主要鍵長和鍵角Table 2 Selected bond lengths(nm)and bond angles(°)of compounds 1 and 2

圖1 化合物1的橢球概率15%的分子結構圖Fig.1 Molecular structure of compound 1 with ellipsoids drawn at 15% probability level

圖2 化合物2的橢球概率15%的分子結構圖Fig.2 Molecular structure of compound 2 with ellipsoids drawn at 15% probability level

圖3 化合物1的晶胞堆積圖Fig.3 Packing of compound 1 in a cell

圖4 化合物2的晶胞堆積圖Fig.4 Packing of compound 2 in a cell

2.3 量子化學研究

根據晶體結構的原子坐標，運用Gaussian 03W程序在B3LYP/lanl2dz基組水平上計算得到1和2的分子總能量和分子軌道能量。化合物1：ET=-1 197.684 165 4 a.u.，EHOMO=-0.311 07 a.u.，ELUMO=0.066 30 a.u.，ΔE=ELUMO-EHOMO=0.377 37 a.u.。化合物2：ET=-1 341.572 632 4 a.u.，EHOMO=-0.314 44 a.u，ELUMO=0.066 94 a.u.，ΔE=0.381 38 a.u.。從體系能量和前沿軌道的能量來看，體系能量和前沿占有軌道的能量均較低，表明1和2分子結構較穩定。最高占據軌道與最低未占軌道的能量間隙ΔE均較大，說明1和2均較難失去電子而被氧化。

為探索化合物1和2的電子結構與成鍵特征，將化合物的分子軌道進行分析，用參與組合的各類原子軌道系數的平方和來表示該部分在分子軌道中的貢獻，并經歸一化。分別把化合物的原子分為7部分，化合物1：(a)錫原子Sn；(b)配體羧基碳原子和氧原子L；(c)芐基亞甲基碳C1；(d)配體噻吩環碳和硫M；(e)芐基苯環碳原子C2；(f)溴原子Br；(g)氫原子H。化合物2：(a)錫原子Sn；(b)配體羧基碳原子和氧原子L；(c)芐基亞甲基碳C1；(d)配體苯乙烯基碳原子C2；(e)芐基苯環碳原子C3；(f)溴原子Br；(g)氫原子H。前沿占有軌道和未占有軌道各取5個，計算結果如表3、4和圖5、6所示。

表3 化合物1的前沿分子軌道組成Table 3 Calculated frontier molecular orbital composition of compound 1

表4 化合物2的分子軌道組成Table 4 Calculated frontier molecular orbital composition of compound 2

圖5 化合物1的前沿分子軌道示意圖Fig.5 Schematic diagram of frontier molecular orbital for compound 1

圖6 化合物2的前沿分子軌道示意圖Fig.6 Schematic diagram of frontier molecular orbital for compound 2

表3和圖5顯示化合物1的成鍵特征：前沿占有分子軌道中，對分子軌道貢獻最大的是鄰溴芐基苯環碳原子和亞甲基碳原子，分別為65.55%和16.38%；其次是溴原子和錫原子，分別為8.06%和4.31%。說明：一是溴代苯環具有良好的共軛性和較強的穩定性；二是亞甲基碳原子與錫原子結合良好，分子中Sn—C鍵較穩定。比較HOMO與LUMO的各類原子軌道成份，可以看出，當電子從HOMO激發到LUMO軌道時，其它原子上的電子都集中向配體轉移，配體的羧基既是電子轉移的橋梁也是電子轉移的部分受體，而配體的噻吩環則是電子轉移的主要受體。

表4和圖6顯示化合物2的成鍵特征：前沿占有分子軌道中，對分子軌道貢獻最大的是鄰溴芐基苯環碳原子和亞甲基碳原子，分別為59.72%和19.51%；其次是配體苯乙烯基碳原子、溴原子和錫原子，分別為8.17%、5.32%和4.21%。說明：一是溴代苯環具有良好的共軛性和較強的穩定性；二是亞甲基碳原子與錫原子結合良好，分子中Sn—C鍵較穩定；三是配體的苯乙烯基的共軛離域性和穩定性良好。比較HOMO與LUMO的各類原子軌道成份，可以看出，當電子從HOMO激發到LUMO軌道時，其它原子上的電子都集中向配體轉移，配體的羧基既是電子轉移的橋梁也是電子轉移的部分受體，而苯乙烯基則是電子轉移的主要受體。

2.4 熱穩定性分析

熱穩定性分析結果如圖7所示。在160℃之前，化合物1幾乎沒有失重；從160℃起化合物開始緩慢失重，到200℃時化合物開始快速失重，到390℃時失重變緩，至650℃時失重基本停止，殘留質量最后穩定在18.28%。總計失重81.72%，殘余物可被假定為SnO2，與19.94%的計算值基本吻合。對于化合物2，在170℃之前，其幾乎沒有失重；從170℃開始化合物快速失重，到380℃時失重變緩，至620℃時失重基本停止，殘留質量最后穩定在18.06%。總計失重81.94%，殘余物可被假定為SnO2，與19.42%的計算值基本吻合。