三亞甲基苯并咪唑取代三氮環(huán)壬烷鎳配合物的合成、表征、電化學(xué)性質(zhì)及其與DNA 的作用

李慶祥 向愛華 孟祥高

(1 武漢工程大學(xué)綠色化工過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北省新型反應(yīng)器與綠色化學(xué)工藝重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430073)

(2 華中師范大學(xué)化學(xué)系，武漢 430073)

大環(huán)配體的配位化學(xué)是無機(jī)化學(xué)工作者研究的熱門領(lǐng)域，氮雜冠醚是大環(huán)配體的一個重要組成部分[1-3]。帶懸臂基團(tuán)的1，4，7-三氮環(huán)壬烷環(huán)體大小適中，對客體顯示出極好的包容能力，能夠剛?cè)嵯酀?jì)地參與配位；能和金屬離子強(qiáng)烈地鍵合，形成高熱力學(xué)穩(wěn)定性和動力學(xué)惰性的配合物，具有廣泛的應(yīng)用前景。例如：對金屬酶活性中心的模擬[4-8]、核磁共振成像的對比劑[9]、放射性治療試劑[10]、抗癌藥物[11-12]、分子催化[13-14]、各種功能材料的構(gòu)筑[15-16]等。因此，該領(lǐng)域發(fā)展迅速、極富生命力。本文合成了一個新的1，4，7-三亞甲基苯并咪唑-1，4，7-三氮環(huán)壬烷合鎳(Ⅱ)配合物并測定了它的晶體結(jié)構(gòu)，同時還研究了該配合物的電化學(xué)性質(zhì)及其與DNA 的作用。

Scheme 1 Structural formula of [Ni(tribentacn)](ClO4)2

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑和儀器

pBR322 DNA (Fermentas 公司)，瓊脂糖(Gene Tech(shanghai)公司)，其余均為市售分析純。所用水為二次蒸餾水； 配體1，4，7-三氮環(huán)壬烷鹽酸鹽(TACN·3HCl)和2-氯亞甲基苯并咪唑根據(jù)文獻(xiàn)報道的方法合成[17-18]。高氯酸與碳酸鎳反應(yīng)制得高氯酸鎳。元素分析在240C 型元素分析儀上完成；紅外光譜用KBr 壓片后在Nicolet 5DX FT-IR 型紅外光譜儀上記錄；X-射線衍射數(shù)據(jù)搜集在德國Bruker SMART-APEX CCD 單晶衍射儀上進(jìn)行； 循環(huán)伏安在273-型電化學(xué)儀上測定；DNA 凝膠電泳在EPS100 型電泳儀上完成，并通過SC760 型凝膠成像系統(tǒng)成像。

1.2 配合物的合成

配體1，4，7-三亞甲基苯并咪唑-1，4，7-三氮環(huán)壬烷的合成已有文獻(xiàn)報道[19]，本文對文獻(xiàn)方法作了改進(jìn)，以1，4，7-三氮環(huán)壬烷(TACN·3HCl) 為起始原料，直接合成出1，4，7-三亞甲基苯并咪唑-1，4，7-三氮環(huán)壬烷合鎳(Ⅱ)配合物：1，4，7-三氮環(huán)壬烷(TACN·3HCl) 200 mg(0.839 mmol)溶于15 mL 濃氨水，室溫攪拌2 h，氯仿萃取(3×10 mL)，合并氯仿溶液，旋干氯仿，得黃色油狀物，加入5 mL 蒸餾水溶解，滴加420 mg (2.52 mmol) 氯亞甲基苯并咪唑的乙醇(15 mL)溶液(1 h 內(nèi)滴完)，用0.1 mol·L-1的NaOH 的水溶液調(diào)pH 至8，70 ℃下攪拌60 h，期間補(bǔ)充NaOH的水溶液維持pH=8。溶液冷卻后，加入310 mg(0.839 mmol) Ni(ClO4)2·6H2O 的乙醇溶液(10 mL)，室溫攪拌3 h 后過濾，濾液室溫?fù)]發(fā)，析出適合X 射線結(jié)構(gòu)分析的紫紅色晶體。收率：175 mg(29%)。IR(KBr) ν：3 393，2 937，2 882，1 651,1 455，1 091，1 090，750 cm-1。Anal. Calcd. for C30H33N9Cl2O8Ni(%)：C，46.36；H，4.28；N，16.22； Found(%)：C，46.42;H，4.23;N，16.19.

1.3 配合物晶體結(jié)構(gòu)的測定

表1 [Ni(tribentacn)](ClO4)2 的晶體學(xué)數(shù)據(jù)Table 1 Crystallographic data for [Ni(tribentacn)](ClO4)2

選取尺寸為0.23 mm×0.20 mm×0.10 mm 的化合物的紫紅色單晶，在Siemens 公司SMART-APEX CCD 單晶衍射儀上，于298(2) K 下用Mo Kα 射線(λ=0.071 073 nm)，以φ-ω 掃描方式在1.84°≤θ≤25.00°范圍內(nèi)共收集11 005 個衍射點(diǎn)，其中5 829個(Rint=0.078)獨(dú)立衍射點(diǎn)。2 854 個I＞2σ(I)的可觀察衍射點(diǎn)用于結(jié)構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)修正。全部數(shù)據(jù)根據(jù)其勞埃對稱性用multi-scan 方法進(jìn)行吸收校正。晶體結(jié)構(gòu)采用SHELXS-97 程序由直接法解出[15]。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(shù)，用全矩陣最小二乘法進(jìn)行結(jié)構(gòu)修正。精修采用SHELXL-97 程序完成。有關(guān)晶體學(xué)數(shù)據(jù)見表1。

CCDC：841482.

2 結(jié)果與討論

2.1 晶體結(jié)構(gòu)

圖1 [Ni(tribentacn)](ClO4)2 的晶體結(jié)構(gòu)Fig.1 Crystal structure of [Ni(tribentacn)](ClO4)2 with thermal ellipsoids drawn at the 30% probability level

配合物的晶體學(xué)數(shù)據(jù)見表1；晶體結(jié)構(gòu)見圖1，部分鍵長、鍵角見表2，從圖1 和表2 可知，Ni(Ⅱ)離子分別與來自三氮環(huán)的3 個氮原子(N(m))和來自3個苯并咪唑懸臂的3 個氮原子(N(p))配位，形成1 個畸變八面體配位結(jié)構(gòu)，Ni(Ⅱ)離子位于配位環(huán)境的中心。3 個N(m)原子(N(1)，N(2)，N(3))構(gòu)成八面體的一個面，3 個N(p)原子(N(4)，N(6)，N(8))構(gòu)成與之相對的另一個面。N(3)和N(4)位于八面體的軸向位置，N(3)-Ni-N(4)角為165.6(2)°，接近180°。N(1)，N(2)，N(6)和N(8)構(gòu)成八面體的赤道平面，Ni(Ⅱ)離 子 偏離該平面0.013 63 nm，3 個Ni-N (p) 鍵的平均鍵長為0.206 4(5) nm，比3 個Ni-N(m)鍵的平均鍵長(0.213 2(5) nm) 短，表明苯并咪唑懸臂氮原子對Ni(Ⅱ)離子的配位能力強(qiáng)于三氮環(huán)氮原子，說明3 個懸臂基團(tuán)的引入對增加配合物的穩(wěn)定性具有重要意義。2 個高氯酸根構(gòu)成配合物的外界，起到平衡電荷的作用。

由圖2 和表3 可見，配合物中存在3 種氫鍵。3個亞甲基苯并咪唑懸臂基團(tuán)未配位的氮原子(N(5)，N(7)，N(9))、1 個亞甲基苯并咪唑懸臂基團(tuán)的苯環(huán)碳原子(C(12))和1 個懸臂基團(tuán)的亞甲基碳原子(C(15))分別作為質(zhì)子給予體與兩個高氯酸根的氧原子形成氫鍵，氫鍵的鍵長和鍵角如表3 所示，這些氫鍵的形成增加了配合物晶體的穩(wěn)定性。

圖2 [Ni(tribentacn)](ClO4)2 的晶胞堆積圖Fig.2 Crystal packing along the a axis of[Ni(tribentacn)](ClO4)2

2.2 配合物的電化學(xué)性質(zhì)

表2 [Ni(tribentacn)](ClO4)2 的部分鍵長、鍵角Table 2 Selected bond lengths (nm) and bond angles (°) for [Ni(tribentacn)](ClO4)2

圖3 為配合物[Ni(tribentacn)](ClO4)2的循環(huán)伏安圖。采用三電極體系。玻碳電極為工作電極，Ag/AgCl 電極作參比電極，鉑絲作對電極。支持電解質(zhì)是0.1 mol·dm-3的NaClO4的水溶液，測定溶液濃度為1.0×10-3mol·dm-3，溫度為(25±0.1) ℃。測定前溶液中通入高純氮?dú)?5 min 以除去其中氧。掃描速度為100 mV·s-1，半波電位E1/2用(Epa+Epc)/2 近似計(jì)算。從圖中可看出，配合物有一對氧化還原峰，其氧化還原波的陽極電位和陰極電位分別為Epa=546 mV 和Epc=-482 mV (Ag/AgCl)，半波電位E11/2=32 mV，兩峰差值1 028 mV，對應(yīng)NiⅡ+e?NiⅠ電極過程。

表3 [Ni(tribentacn)](ClO4)2 的氫鍵Table 3 Hydrogen bonds for the [Ni(tribentacn)](ClO4)2

圖3 [Ni(tribentacn)](ClO4)2 的循環(huán)伏安圖Fig.3 Cyclic voltammogram of [Ni(tribentacn)](ClO4)2

2.3 配合物與pBR322 DNA 的作用

用5 mmol·L-1Tris-HCl (pH=7.5，5 mmol·L-1NaCl)緩沖溶液配制一定濃度的配合物溶液，分別加入1 μL 的pBR322 DNA (0.5 μg·μL-1)，總體積10 μL，混勻后，分別在37 ℃恒溫水浴中反應(yīng)1 h。通過加入EDTA 和溴酚藍(lán)終止反應(yīng)，利用EB 染色的0.8%瓊脂糖凝膠電泳分析配合物與DNA 的作用結(jié)果，電泳液為TAE 緩沖液(40 mmol·L-1Tris-HAc/1 mmol·L-1EDTA)。

完整的pBR322 DNA 呈超螺旋型(Form Ⅰ)，當(dāng)其中一條鏈上出現(xiàn)一個切口(單鏈斷裂)時就變成切口環(huán)型(Form Ⅱ)，而當(dāng)兩條鏈在同一位置都發(fā)生斷裂時就變?yōu)榫€型(Form Ⅲ)。這3 種構(gòu)型的DNA 由于立體構(gòu)型不同，在電泳過程中具有不同的遷移速率，超螺旋型最快，線型次之，切口環(huán)型最慢。圖4為37 ℃下，在5 mmol·L-1Tris-HCl (pH 7.5，5 mmol·L-1NaCl) 緩沖溶液中配合物與pBR322 DNA 作用的電泳圖。由圖5 可見，當(dāng)配合物濃度為60 μmol·L-1時(泳道4)，質(zhì)粒DNA 中出現(xiàn)了切口環(huán)型(FormⅡ)，配合物濃度增加，切口環(huán)型的量增多。說明配合物對DNA 具有一定的切割活性。

圖4 37 ℃下[Ni(tribentacn)](ClO4)2 與pBR322 DNA作用的電泳圖Fig.4 Results of electrophoresis of pBR322 DNA in the presences of varying concentration of[Ni(tribentacn)](ClO4)2 at 37 ℃

3 結(jié) 論

結(jié)果表明，配合物中鎳原子位于6 個氮原子形成的畸變八面體的中心。配合物有一對氧化還原峰，對應(yīng)NiⅡ+e?NiⅠ電極過程；對DNA 具有一定的切割活性。

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