一種鈷配合物的合成及其結構與DNA性質的研究

王松玲，高恩軍

(沈陽化工大學 遼寧省無機分子基化學重點實驗室， 遼寧 沈陽 110142)

癌癥作為人類生命健康的重大威脅，尋找有效地治愈藥物一直是科學家努力研究的方向[1].自從順鉑作為有效的化療藥物投入使用以來，新型金屬配合物的研發已成為研究熱點[2].順鉑因其毒副作用如腎毒性和臟毒性給患者治療期間帶來更多的痛苦[3]，因此研發具有優良的抗腫瘤活性且毒副作用小的新型配合物來彌補順鉑的不足具有現實意義和緊迫性.

配體的選擇多以含有N、O元素的有機化合物為主，并且N、O有機物因配位點良好，在配合物的研究中應用較為廣泛，過渡區金屬因存在適當的氧化還原電位使其成為配合物合成的常用金屬，且過渡金屬配合物具有良好的生化活性[2].筆者通過溶劑熱法，選取4，5-咪唑二羧酸及氯化鈷合成新穎的鈷配合物，利用X-射線單晶衍射儀確定其結構，通過紫外和熒光技術探索配合物與DNA的作用方式和結合能力強弱，借此判斷鈷配合物是否能進一步應用于腫瘤細胞的抑制實驗.

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

BRUKER SMART 1000 CCD X射線衍射儀，美國Bruker公司；Perkin-Elmer LS55熒光分光光度計，美國Perkin-Elmer公司；SHIMADZU UV2700紫外可見分光光度計,日本島津公司；JY-SPAT水平電泳槽，上海培清科技有限公司.

4，5-咪唑二羧酸(H2L)、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、鯡魚精DNA(HS-DNA)、亞甲基藍(MB)、蒸餾水、Tris-HCl、NaCl和二水合氯化鈷，均購于國藥集團.

1.2 配合物的合成

將4，5-咪唑二羧酸(0.005 g)與氯化鈷(0.015 g)常溫下溶解于3 mL DMF/H2O(體積比1∶1)溶液中，充分攪拌后置于60 ℃烘箱中加熱72 h，緩慢冷卻至室溫得淺粉色片狀晶體.經X-單晶衍射確定其分子式為C16H22CoN6O12，結構式為[Co(HL)2(H2O)2]·2C3H7NO.使用SHELXTL-2013軟件程序對合成的配合物進行晶體數據解析，結果如表1所示.

表1 配合物晶體數據

1.3 熒光猝滅實驗

在MB-DNA體系[c(MB)=5×10-6mol/L，c(DNA)=1×10-6mol/L]中分別加入0～12 μmol/L的金屬配合物，采用熒光光譜法測定金屬配合物與DNA的結合能力.反應在Tris-HCl(pH=7.4)緩沖溶液中進行，確定激發波長為680 nm[4]，選擇掃描范圍為600～800 nm.

1.4 紫外光譜滴定

鈷配合物的配制濃度為10 μmol/L，配制DNA濃度為10 μmol/L，準確移取3 mL空白溶劑參比液及配合物溶液在220～400 nm范圍內掃描，結束后在參比溶液和樣品溶液的比色皿中加入10 μL DNA溶液，充分混勻，每隔5 min掃描檢測樣品吸光度變化[5]，多次重復此過程得吸收曲線.

2 結果與討論

2.1 配合物的結構

圖1為鈷配合物的結構，展示了其配位環境.鈷原子分別與2個N(分別來自兩個H4L配體)、4個O(其中2個來自配體H4L，2個來自水分子)以配位鍵連接[3]，形成6配位化合物.Co(1)—N(1)鍵長為2.105 8 nm，Co(1)—O(1)鍵長為2.147 1 nm，Co(1)—O(5)鍵長為2.081 6 nm.

圖1 配合物配位環境

配合物一維鏈狀結構如圖2所示，配合物單體之間由氫鍵連接，構成鏈狀結構.配合物的二維平面結構如圖3所示，不同鏈狀結構之間由氫鍵連接形成平面構型.為使配合物結構更清晰，圖1、圖2、圖3中的氫原子已省去[3].

圖2 配合物一維鏈狀結構

圖3 配合物二維平面結構

2.2 配合物與HS-DNA作用的熒光光譜法研究

亞甲基藍(MB)是用于測定DNA結構常見的熒光探針[6]，并且在探索金屬配合物與DNA結合的模式和過程等方面具有靈敏性和安全性.亞甲基藍(MB)長期以來一直作為生物染色劑用于包括癌癥在內等疾病的診斷.MB是一種吩噻嗪類染料[5]，可作為DNA的敏感熒光探針使用.近年來，亞甲基藍已逐步取代溴化乙錠成為常用的核酸安全試劑[5].本身熒光性較強的MB與DNA發生靜電結合作用后，會出現MB-DNA體系的熒光強度大大降低的現象.當金屬配合物與MB-HS-DNA體系混合反應后，會使MB-HS-DNA體系熒光強度上升，說明該金屬配合物也能與HS-DNA發生作用，與MB產生競爭吸收，釋放MB分子，使熒光強度上升.不同濃度鈷配合物與MB-HS-DNA體系作用的熒光光譜如圖4所示.1為溶液中只存在MB-DNA體系的熒光強度曲線，2～8為MB-DNA體系中配合物濃度逐漸升高的熒光曲線.由圖4可以看出：隨著配合物濃度的升高，MB-HS-DNA體系的熒光強度上升，說明鈷配合物與HS-DNA具有一定的作用能力.

根據經典Stern-Volmer方程[6]I0/I=1+Ksq·r(I表示體系中存在配合物時的熒光強度；I0代表MB-DNA體系的熒光強度；r值通過配合物與DNA濃度的比值計算得到；Ksq為Stern-Volmer猝滅常數)中Ksq判斷配合物與DNA作用能力的強弱.Ksq越小，說明配合物與DNA的作用能力越小，結合能力越弱.根據圖5計算得Stern-Volmer猝滅常數Ksq值為0.109 4.

c(MB)=5×10-6 mol/L c(HS-DNA)=1×10-6 mol/L

圖5 配合物的Stern-Volmer猝滅常數

2.3 配合物與HS-DNA作用的紫外光譜法研究

紫外吸收光譜法是研究金屬配合物與DNA作用的常用方法之一[7].配合物與DNA混勻后，若配合物與DNA能夠發生相互作用，會產生電子的能級躍遷，此時的吸光度會產生相應地變化，配合物的特征吸收譜帶會產生紅移或藍移效果，產生增色效應或減色效應[8].配合物與DNA產生減色效應時，一般認為配合物與DNA發生嵌插作用[9]；配合物與DNA發生增色效應時，一般認為是氫鍵[10]作用或是靜電結合作用.不同濃度鈷配合物與HS-DNA體系作用的紫外光譜如圖6所示.

1 c(HS-DNA)=0 mol/L

1為未加入HS-DNA時配合物的吸光度；2～15為逐滴加入HS-DNA后配合物與HS-DNA體系紫外吸收光譜的變化情況.隨著HS-DNA的加入，反應體系呈現出明顯的增色效應，基于對配體結構的考量，在配合物結構中的NH與HS-DNA中的腺嘌呤的N或胸腺嘧啶的O之間可以形成有利的氫鍵[10]，判斷此鈷配合物與HS-DNA的作用方式應為氫鍵作用[11].

3 結 論

(1) 用配體4，5-咪唑二羧酸與金屬鹽氯化鈷采取溶劑熱法合成新型鈷配合物[11]，通過X-單晶衍射儀確定該配合物為六面體構型，分別與2個N原子、2個配體上的O原子和2個水分子上的O原子形成配位鍵.

(2) 通過紫外吸收光譜實驗確定了該配合物與DNA的作用方式為氫鍵作用.利用配合物與MB-DNA的競爭實驗確定了配合物與DNA有較強的結合能力，計算熒光猝滅常數Ksq值為0.109 4.該配合物與DNA有較好的親和能力，可作為潛在的抗癌試劑進行進一步研究.