Cuギ-N，N-二(2-羧基苯基)-2，6-吡啶二甲酰胺配合物的光譜性質及結構

王彩榮 王璟琳 劉 斌 楊斌盛＊,

(1山西大學分子科學研究所，化學生物學與分子工程教育部重點實驗室，太原 030006)

(2長治學院化學系，長治 046011)

CopC是由102個氨基酸殘基構成的可溶性膜間蛋白，是假單胞菌體內銅調控蛋白之一[1]。NMR和EXAFS研究表明[2-3]，CopC蛋白在溶液中呈現(xiàn)由9股β折疊圍成的桶狀結構，2個相距約為3 nm的銅ガ、銅ギ結合部位位于桶狀結構的兩端。生理pH條件下的Cuギ-CopC-Cuガ晶體結構[4]表明，位于C端的銅ガ與48位組氨酸殘基、40位甲硫氨酸殘基配位，位于N端的銅ギ與1、91位組氨酸殘基咪唑氮、N端氨基氮、89位天冬氨酸殘基的羧基氧及水分子中的氧原子配位，形成五配位的畸變四方錐結構。CopC在生物體內銅離子的轉運過程中起氧化還原開關作用[5-9]，然而其作用機理尚不清楚。

2006年Gudasi等[10]首次報道了一種含有羧基的吡啶酰胺類配體 N，N-二(2-羧基苯基)-2，6-吡啶二甲酰胺(BCPD)與Cuギ離子在醇水混合體系中的配位作用，推測BCPD與2個Cuギ同時作用，形成了雙核1∶2型配合物。本文試圖選取BCPD作為CopC蛋白的模型化合物，研究生物體系中Cuギ和Cuガ離子配位模式和氧化還原過程。有別于該文獻的是，通過元素分析、吸收光譜、熒光光譜和X-射線晶體衍射等方法發(fā)現(xiàn)，該配體只結合一個Cuギ離子，形成了1∶1型五配位的畸變四方錐結構。BCPD與金屬離子的配位模式呈現(xiàn)出了多樣性。

1 實驗部分

1.1 試劑和儀器

2，6-吡啶二甲酸(PDA)(北京百靈威化學技術有限公司)，鄰氨基苯甲酸(湖南湘中地質實驗研究所，使用前重結晶)，水合醋酸銅(Cu2(CH3COO)4·2H2O，簡寫為 CuAc2·H2O)，氯化銅(CuCl2·2H2O)以及其它試劑均為分析純。實驗用水為二次蒸餾水。

Perkin-Elmer 240C型元素分析儀；Bruker SMART 1000 CCD X-衍射儀 (德國Bruker公司；HP 8453型UV-Vis吸收光譜儀；Hitachi-850型熒光光譜儀。

1.2 配體BCPD的合成

參照文獻[10]：將 2,6-吡啶二甲酸(1.67 g,10 mmol)加入25 mL新蒸餾的二氯亞砜中，加熱回流5～6 h直至溶液變得澄清。冷卻到室溫，減壓蒸餾除去過量的二氯亞砜，得到產物吡啶-2，6-二甲酰氯，產物不經分離直接用于后續(xù)反應。將重結晶過的2-氨基苯甲酸(2.74 g，20 mmol)溶于干燥的四氫呋喃中，在冰水浴中不斷攪拌下，慢慢滴入上述制備的吡啶-2，6-二甲酰氯中。室溫下反應2 h，冷卻，過濾，沉淀用甲醇洗滌，DMF重結晶，得到淺黃色固體2.9 g產品，產率71%。

產品為淡黃色固體粉末。M.P.值為 278～280℃。元素分析實測值 (%，C21H15N3O6計算值)：N 10.08(10.37)，H 4.004(3.73)，C 61.98(62.22)。1H NMR(DMSO-d6)中 δ值：13.39(2H，s，COOH)，12.94(2H，s，NH)，8.70(2H，d，吡啶 β-H)，8.25(H，s，吡啶 γ-H)，8.0(2H，d，吡啶 α-H)，7.25～8.33(8H，m，苯環(huán) H)。

1.3 Cu2+離子對BCPD的光譜滴定

室溫條件下，配制BCPD的乙醇溶液時滴加少量三乙胺使其完全溶解(pH=7～8)，以 CuAc2·H2O(1.0 mmol·L-1)的乙醇溶液對 BCPD(40 μmol·L-1)的乙醇溶液進行滴定，分別利用HP 8453型UV-Vis吸收光譜儀和Hitachi-850型熒光光譜儀測定光譜。

1.4 銅配合物的合成

稱取 81 mg(0.2 mmol)BCPD，加入 15 mL 的甲醇中，滴加少量三乙胺助溶(pH=7～8)，再加入40 mg(0.2 mmol)CuAc2·H2O，溶液呈現(xiàn)深綠色。 攪拌下加熱回流2 h，采用自然蒸發(fā)溶劑法，得到深綠色單晶。元素分析實測值 (%，C34H47N5O7Cu，計算值)：N 10.08(9.99)，H 6.73(6.75)，C 58.37(58.23)。

1.5 配合物晶體結構測定

選取大小為 0.47 nm×0.44 nm×0.35 nm 的單晶于Bruker SMART 1000 CCD單晶X射線衍射儀上，在298(2)K下使用經石墨單色化的Mo Kα射線(λ=0.071 073 nm) 為輻射光源， 在 2.60°＜θ＜25.02°范圍內，以φ-ω掃描方式采用SMART軟件[11]收集衍射點17 497個。選取I＞2σ(I)的6404個可觀察點用于結構測定和修正[12]，衍射數(shù)據均經LP因子和經驗吸收校正。先用直接法求出結構，后用全矩陣最小二乘法F2進行修正，找出全部非氫原子的坐標，做各向異性溫度因子處理，直至收斂。所有氫原子都采用理論加氫法。π…π相互作用距離和位移角使用DIAMOND[13]程序計算，相關圖形使用SHELXTL-97程序[14]和DIAMOND程序進行繪制。晶體學數(shù)據列于表1。

CCDC：911182。

表1 配合物BCPD-Cu(II)的晶體學數(shù)據Table 1 Crystallographic data and structure refinement for complex(BCPD-Cu)

續(xù)表1

2 結果與討論

2.1 光譜性質

2.1.1 紫外差光譜

圖 1 為乙醇體系中 CuAc2·H2O(1.0 mmol·L-1)滴定 BCPD(40 μmol·L-1)溶液的紫外差光譜。由圖 1可見，隨著Cuギ的加入，差光譜在248、345 nm兩處出現(xiàn)最大正吸收峰，在287 nm處出現(xiàn)1個負吸收峰，在266和312 nm處有2個等吸收點。當Cuギ滴加到一定量時，光譜不再發(fā)生明顯變化。將λ=345 nm處對應的吸光度除以BCPD的分析濃度，得出BCPD與Cuギ結合的表觀摩爾吸光度(Δε)。將Δε對cCuギ/cBCPD作圖如圖1插圖。從圖1可見，Δε隨cCuギ/cBCPD的增加而線性增加，在cCuギ/cBCPD=1.0處出現(xiàn)明顯拐點。表明Cuギ與BCPD之間形成1∶1型配合物(簡寫為Cuギ-BCPD)，該滴定曲線的斜率即為λ=345 nm處Cuギ-BCPD配合物的摩爾吸光系數(shù)，經線 性 擬 合 可 得 到 ΔεBCPD-Cu=(14.59±0.35)×103cm-1·mol-1·L。

2.1.2 熒光光譜

圖 2 為 CuAc2·H2O(1.0 mmol·L-1)滴定 BCPD(40 μmol·L-1)溶液的熒光光譜。配體BCPD在405～420 nm之間出現(xiàn)一寬的熒光峰，隨著Cuギ的滴加，BCPD的熒光逐漸被猝滅。當Cuギ滴加到一定量時，熒光強度不再發(fā)生明顯變化。為了消除稀釋效應，將417 nm處對應的熒光強度除以BCPD的分析濃度，得出表觀摩爾熒光強度FM。將FM對cCuギ/cBCPD作圖，如圖2插圖。FM隨cCuギ/cBCPD的增加而線性減小， 在 cCuギ/cBCPD=1.0 處出現(xiàn)拐點， 在 cCuギ/cBCPD＞1.0后，F(xiàn)M不再隨cCuギ/cBCPD的增加而變化，表明 Cuギ與BCPD之間形成穩(wěn)定的配合物，其結合比為1∶1。這與紫外差光譜得出的結果一致。

2.1.3 結合常數(shù)

在乙醇溶液中配體BCPD與Cuギ的總濃度恒定為 20 μmol·L-1的條件下，改變溶液中 cBCPD與 cCuギ的比例并以相同濃度的BCPD溶液作參比，測定溶液在 345 nm 處的吸光度，將 A345nm對 XCuギ[XCuギ=cCuギ/(cCuギ+cBCPD)]作圖，結果見圖 3。從圖 3 可知，A345nm隨著XCuギ的增加先增大后又減小，整個曲線經擬合呈拋物線，將兩側切線反向延長交于一點，該點對應的XCuギ在 0.5 附近，表明該體系中 BCPD 與 Cuギ以 1∶1的形式配位， 配合物的穩(wěn)定常數(shù)為 K=(4.59±0.05)×106mol-1·L。

2.2 可見吸收光譜分析

Cuギ的配體場不同，d軌道的能級分裂程度就不同。圖4所示為不同Cuギ配合物在乙醇溶液及Cuギ-CopC 在 pH 7.4，20 mmol·L-1磷酸緩沖溶液中的d-d躍遷吸收光譜。從圖4可見：配合物Cuギ-CopC，Cu ギ-BCPD，Cu2(CH3COO)4·2H2O 和 CuCl2·2H2O 對應 d-d 躍遷分別位于 615 nm(ε=76 mol-1·L·cm-1)，645 nm(ε=246 mol-1·L·cm-1)，699 nm(ε=157 mol-1·L·cm-1)和 901 nm(ε=66 mol-1·L·cm-1)處。 可見這4類Cuギ配合物的配體場由強至弱的順序為Cuギ-CopC＞Cuギ-BCPD＞Cu2(CH3COO)4·2H2O＞CuCl2·2H2O；隨著配體場效應減弱，對應的d-d躍遷吸收峰逐漸紅移。

在 Cuギ-CopC中 (圖 5)，Cuギ分別與 2個組氨酸殘基咪唑氮、N端氨基氮、水分子中的氧及天冬氨酸殘基的羧基氧配位，形成五配位的畸變四方錐構型，天冬氨酸殘基的羧基O原子占據四方錐的頂點，屬于Cuギ-N3O2的配位結構。而Cu2(CH3COO)4·2H2O中(見示意圖5)，Cuギ與羧基氧和水分子配位，屬于Cuギ-O5配位結構。Cuギ)-BCPD中Cuギ的d-d躍遷吸收光譜與Cuギ-CopC的d-d躍遷譜比較接近，說明二者配位環(huán)境相似。故推測本文中Cuギ-BCPD中Cuギ也傾向于和BCPD中吡啶氮，酰胺氮和羧基氧配位。Cu-BCPD配合物的晶體結構分析驗證了這一推測。

2.3 銅配合物結構分析

通過三乙胺調節(jié)溶液的pH，在甲醇中利用CuAc2·2H2O和BCPD反應，得到了Cu-BCPD配合物晶體。目標配合物的分子結構如圖6所示。主要鍵長和鍵角數(shù)據見表2。晶體結構表明，標題配合物的分子式為：[Cu(C21H11O6N3)]2-·2Et3NH+·CH3OH，中心離子Cuギ與配體BCPD中的3個N原子(N(1),N(2)，N(3))和2個O原子(O(3)，O(5))形成五配位畸變的四方錐構型，頂點位置被O(3)原子所占據。我們發(fā)現(xiàn)，配體中酰胺基團的2個氮原子N(2)和N(3)采取了脫質子形式與Cuギ配位：首先，N(2)原子與相鄰C1、C10和Cu1間的夾角均接近120℃，分別為C(10)-N(2)-Cu(1)=123.2(3)，C(1)-N(2)-C(10)=119.0(4)，C(1)-N(2)-Cu(1)=116.7(3)，N(3)與 相 鄰 的 C(7)、C(17)和Cu(1)間夾角總和也是359.9℃，說明此時的酰胺N原子是sp2雜化模式形成平面三角形結構；同時，二面角 N(1)-Cu(1)-N(2)-C(1)=-3.2(3)，N(1)-Cu(1)-N(3)-C(7)=-1.2(3)°近于 0 ℃，說明 Cu(I)、N(2)、N(3)、C(1)和C(7)均與吡啶環(huán)幾乎共平面；N(1)-Cu(1)-N(2)-C(10)=-171.7(4)°，N(1)-Cu(1)-N(3)-C(17)=-177.5(4)°，說明兩個苯環(huán)上的C(10)和C(17)也與吡啶環(huán)幾乎共平面；另外，配合物中 N(2)-C(1)，N(3)-C(7)的鍵長小于對應 N(2)-C(10)和 N(3)-C(17)的 鍵 長，C(1)-O(1)，C(7)-O(2)的鍵長大于典型羰基 C=O(0.122 nm)的鍵長，這表明N(2)、N(3)脫去質子后與羰基形成局部離域體系[N(2)C(1)O(1)]-和[N(3)C(7)O(2)]-[17]。由此可以推論酰胺基團中的2個氮原子N(2)和N(3)采用脫質子形式與Cuギ配位。配離子帶2個單位負電荷，外界為2個質子化的三乙胺和1個溶劑分子CH3OH。由于這種特殊的配位方式，Cu-BCPD可以被作為Cu-CopC的一個分子模型來研究。

表2 配合物的主要鍵長和鍵角Table 2 Selected bond lengths(nm)and angles(°)

吡啶環(huán)(N(1)、C(2)～C(6))與苯環(huán)(C(9)～C(14))、(C(16)～C(21))之間的二面角分別為 44.6°和 33.6°，2 個苯環(huán)之間的二面角為57.1°。目標配合物分子間存在π-π相互作用見圖7，為清晰起見，略去氫原子、外界陽離子Et3NH+和溶劑分子。2個分子中的吡啶環(huán)平面接近平行。面心距離為0.377 56(2)nm，兩平面之間的垂直距離(即法線)為0.356 92 nm，面心距離與法線之間的夾角θ為19.0°。

與本文不同的是，文獻[10]合成的BCPD-M2金屬配合物 (M=Cu2+，Ni2+，CO2+，Mn2+，Zn2+，Cd2+)中 BCPD與2個Cuギ同時作用，形成了雙核1∶2型配合物。這是由于反應條件的不同所致。文獻所述的化合物是在VEtOH/VH2O=1∶1的混合體系中合成 (pH=9～10)的，而本文所述均是在醇體系中完成(pH=7～8)?？赡苁怯捎谠诖嫉热鯓O性體系下，配體BCPD的酰胺氮原子容易脫去質子參與配位，而羰基氧原子不易配位?？梢娙軇┑臉O性和酸堿度對BCPD配位模式會產生不同影響。

3 結 論

本文通過紫外-可見吸收光譜、熒光光譜、單晶X射線衍射等方法研究了Cuギ離子與BCPD在醇溶液中的結合作用。實驗表明，在醇溶液中(pH=7～8)二者形成了1∶1型配合物，表觀結合常數(shù)為(4.59±0.05)×106mol-1·L； 晶體結構表明，Cuギ與 BCPD 分子的吡啶氮原子、羧基氧和去質子化的酰胺氮原子配位，形成五配位畸變四方錐結構?？梢娙軇┑臉O性或酸堿度影響了BCPD酰胺氮原子和羰基氧原子的配位模式，與金屬離子的配位模式呈現(xiàn)出了多樣性。

[1]Silver S.Gene,1996,179:9-19

[2]Arnesano F,Banci L,Bertini I,et al.PNAS,2003,100(7):3814-3819

[3]Arnesano F,Banci L,Bertini I,et al.Structure,2002,10:1337-1347

[4]Zhang L,Koay M,Maher M J,et al.J.Am.Chem.Soc.,2006,128(17):5834-5850

[5]Puig S,Rees E,Thiele D J.Structure,2002,10:1292-1295

[6]Li H Q,Zhao Y Q,Zheng X Y,et al.Spectrochim.Acta Part A,2009,72(1):56-60

[7]Li H Q,Zhao Y Q,Yang B S.Chin.J.Chem.,2009,27:1762-1766

[8]Zheng X Y,Pang E G,Yang B S,et al.Supramol.Chem.,2008,20(6):553-557

[9]Zheng X Y,Pang E G,Li H Q,et al.Chin.Sci.Bull.,2007,52(6):743-747

[10]Gudasi K B,Patil S A,Vadavi R S,et al.Polish.Chem.J.,2006,80:247-257

[11]SMART(Version 5.0)and SAINT(Version 6.02);Bruker AXS Inc.:Madison,Wisconsin,USA,2000.

[12]SheldrickG M.SADABS,A Program forAbsorption Corrections,University of Gottingen,Germany,1996.

[13]Klaus B.DIAMOND,Version 1.2c,University of Bonn,Germany,1999.

[14]Sheldrick G M.SHELXS 97 and SHELXTL 97,University of Gottingen,Germany,1997.

[15]LUO Shi-Xia(羅世霞),CHEN Xiao-Liang(陳曉靚),ZHU Huai-Wu(朱 淮 武 ),et al.J.Instrum.Anal.(Fenxi Ceshi Xuebao),2012,31(2):211-215

[16]Jain S L,Bhattacharyya P,Milton H L,et al.J.Chem.Soc.,Dalton Trans.,2004:862-871

[17]YANG Zheng-Yin(楊正銀),YANG Ru-Dong(楊汝棟),YU Kai-Bei(郁 開 北 ).Acta Chim.Sinica(Huaxue Xuebao),1999,57(3):236-243