四(鄰氟芐基)錫及一維鏈狀三芐基錫二茂鐵甲酸酯的合成、結(jié)構(gòu)及性質(zhì)

張復(fù)興　鄺代治　馮泳蘭　王劍秋　庾江喜　蔣伍玖　朱小明

(衡陽師范學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)系，功能金屬有機材料湖南省普通高等學(xué)校重點實驗室，衡陽　421008)

四(鄰氟芐基)錫及一維鏈狀三芐基錫二茂鐵甲酸酯的合成、結(jié)構(gòu)及性質(zhì)

張復(fù)興＊鄺代治馮泳蘭王劍秋庾江喜蔣伍玖朱小明

(衡陽師范學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)系，功能金屬有機材料湖南省普通高等學(xué)校重點實驗室，衡陽421008)

合成了四(鄰氟芐基)錫(1)和一維鏈狀三芐基錫二茂鐵甲酸酯(2)，經(jīng)X射線衍射方法測定了化合物的晶體結(jié)構(gòu)?；衔?屬四方晶系，空間群I41/a，晶體學(xué)參數(shù)a=1.967 94(16)nm，b=1.967 94(16)nm，c=0.593 16(5)nm，V=2.297 2(3)nm3，Z=4，Dc= 1.605 g·cm-3，μ(Mo Kα)=11.58 cm-1，F(xiàn)(000)=1 112，R1=0.020 8，wR2=0.057 6?；衔?屬單斜晶系，空間群為P21/n，晶體學(xué)參數(shù)：a=1.593 54(12)nm，b=1.007 23(8)nm，c=1.700 26(13)nm，β=91.001(10)°，V=2.728 6(4)nm3，Z=4，Dc=1.521 g·cm-3，μ(Mo Kα)=14.74 cm-1，F(xiàn)(000)=1 256，R1=0.038 4，wR2=0.095 2。晶體的中心錫原子分別呈四配位畸變四面體構(gòu)型和五配位畸變?nèi)请p錐構(gòu)型。對其結(jié)構(gòu)進行量子化學(xué)從頭計算，探討了配合物的穩(wěn)定性、分子軌道能量以及部分前沿分子軌道的組成特征。測定了配合物的熱穩(wěn)定性和體外抗癌活性。

四(鄰氟芐基)錫；三芐基錫二茂鐵甲酸酯；合成；結(jié)構(gòu)；抗癌活性

烴基錫化合物由于具有結(jié)構(gòu)的多樣性、豐富的反應(yīng)性、較強的生物活性和催化活性，多年來一直引起人們的興趣[1-6]。烴基錫化合物中有四烴基錫、烴基鹵化錫、烴基氧化錫、烴基錫羧酸酯配合物等多種類型。近年來人們合成了一系列具有結(jié)構(gòu)特點和特殊性能的有機錫化合物[7-14]，芐基錫化合物特別是取代芐基錫化合物的合成，更豐富了烴基錫化合物的內(nèi)容。為了更進一步探索取代芐基錫類化合物的結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，本文合成了四(鄰氟芐基)錫(1)和一維鏈狀三芐基錫二茂鐵甲酸酯(2)，并通過元素分析、紅外光譜對其結(jié)構(gòu)進行了表征。用X-射線單晶衍射測定了該化合物的晶體結(jié)構(gòu)，對其結(jié)構(gòu)進行量子化學(xué)從頭計算，探討了配合物分子的穩(wěn)定性、分子軌道能量以及一些前沿分子軌道的組成特征。測定了配合物的熱穩(wěn)定性和體外抗癌活性。

1　實驗部分

1.1試劑和儀器

日本島津IRPrestige-21紅外光譜儀(4 000～400 cm-1，KBr)，PE-2400元素分析儀，Bruker SMART APEXⅡ單晶衍射儀，spectramax M5連續(xù)光譜酶標(biāo)測試儀，TG209F3熱分析儀，X4數(shù)字顯微熔點，溫度計未經(jīng)校正。所有試劑均為化學(xué)純。

1.2化合物的合成

化合物1：在三頸瓶中加入14.5 g(0.1 mol)鄰氟芐基氯，少量碘，60 mL正戊醇和40 mL鄰二甲苯，回流攪拌下分批加入5.93 g(0.05 mol)經(jīng)活化處理的錫粉和1.0 g鎂條，快速攪拌回流反應(yīng)6 h。趁熱過濾出未反應(yīng)的錫粉，濾液倒入100 mL 5%HCl溶液中，充分攪拌。冷卻后分出水層，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)部分溶劑后，放置析出白色固體。抽濾分離出固體，用少量冷無水乙醇洗滌固體，再用苯重結(jié)晶，得到無色晶體10.84 g，收率78.15%。熔點：92～94℃。紅外光譜主要吸收峰：3 053(w)，2 961(w)，1 578(m)，1 491 (s)，14 541(m)，519(m)cm-1。元素分析(C28H24F4Sn)，計算值(%)：C，60.57；H，4.33。實測值(%)：C，60.22；H，4.24。

化合物2：在50 mL圓底燒瓶中，加入0.855 g(2 mmol)三芐基氯化錫、0.460 g(2 mmol)二茂鐵甲酸、40 mL苯和2.5 mmol三乙胺，在電磁攪拌下加熱回流反應(yīng)5 h。趁熱過濾除去不溶性固體,濾液旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去部分溶劑，放置析出棕色固體，用苯重結(jié)晶得棕紅色晶體0.816 3 g，產(chǎn)率65.73%。熔點：257～259℃。紅外光譜主要吸收峰：3 019(m)，29 229(w)，15 979(m)，1 557(s)，1 498(s)，1 462(m)，1 385(m)，5 695(w)，515(w)cm-1。元素分析(C32H30O2FeSn)，計算值(%)：C，61.89；H，4.87。實測值(%)：C，61.78；H，4.82。

1.3晶體結(jié)構(gòu)分析

分別選取大小為0.24mm×0.19 mm×0.17 mm(1)和0.29 mm×0.25 mm×0.23 mm(2)的晶體，在Bruker SMART APEXⅡCCD單晶衍射儀上，采用經(jīng)石墨單色化的Mo Kα射線(λ=0.071 073 nm)，于296(2) K，以φ～ω掃描方式收集數(shù)據(jù)?？捎^察衍射點分別為1 256個和5 185個(I＞2σ(I))用于結(jié)構(gòu)分析和精修。全部數(shù)據(jù)經(jīng)Lp因子和經(jīng)驗吸收校正。晶體結(jié)構(gòu)由直接法解出，非氫原子坐標(biāo)通過數(shù)輪差值Fourier合成陸續(xù)確定，理論加氫法給出氫原子在晶胞中的位置坐標(biāo)。對非氫原子坐標(biāo)及其各向異性熱參數(shù)進行全矩陣最小二乘法修正。全部結(jié)構(gòu)分析計算工作采用SHELX-97[15]程序系統(tǒng)完成。晶體學(xué)數(shù)據(jù)詳見表1。

CCDC：1056036，1；1056037，2。

表1　化合物的晶體學(xué)數(shù)據(jù)Table1　Crystallographic data of the title complexes

續(xù)表1

1.4熱穩(wěn)定性和抗癌活性測定

利用TG209F3熱分析儀，在空氣氛中，升溫速率為20℃·min-1的實驗條件下測定配合物的熱穩(wěn)定性。

采用MTT法[16]檢測化合物對人宮頸癌細胞(HeLa)的體外抗性腫瘤活性。將化合物用二甲基亞砜(DMSO)配成5.0 mg·mL-1的溶液，用RPMI-1640培養(yǎng)基分別稀釋成5，10，25，50，100 μg·mL-1。取處于指數(shù)生長期的HeLa細胞懸液加至96孔板中(細胞濃度為50 000個·mL-1，100 μL每孔)，于37℃、5%CO2恒溫箱中培養(yǎng)16 h使細胞貼壁。去除上清，加100 μL不同濃度的上述化合物，每個濃度設(shè) 4個復(fù)孔，孵育24 h，棄去上清，每孔加入2.0 mg·mL-1的MTT溶液60 μL，繼續(xù)培養(yǎng)3h，除上清液后，每孔加入150 μL二甲基亞砜，低速振蕩10 min，使深藍色結(jié)晶溶解，用酶標(biāo)儀在490 nm波長處測其吸光度值。按如下公式：抑制率r=(OD對照組－OD測試組)/ OD對照組×100%，計算各組對癌細胞的抑制率。每組實驗均重復(fù)3次，取其平均值。

2　結(jié)果與討論

2.1晶體結(jié)構(gòu)描述

化合物的主要鍵長和鍵角分別列于表2、3，化合物的分子結(jié)構(gòu)見圖1、圖2。

表2　化合物1的主要鍵長(nm)和鍵角(°)Table2　Selected distances(nm)and angles(°)of complex 1

表3　化合物2的主要鍵長(nm)和鍵角(°)Table3　Selected distances(nm)and angles(°)of complex 2

化合物1：由分子結(jié)構(gòu)圖和結(jié)構(gòu)參數(shù)可知，化合物中心錫原子與4個亞甲基碳原子相連形成四面體構(gòu)型。4個Sn-C鍵鍵長相等，均為0.216 52(19) nm。錫原子和與之相連的碳原子之間所構(gòu)成的鍵角中∠C(1i)-Sn(1)-C(1iii)與∠C(1ii)-Sn(1)-C(1)相等，為110.78(11)°，其余的4個鍵角相等，為108.82(6)°。分子中0.216 52 nm的Sn-C鍵鍵長，比四(對氟芐基)錫的Sn-C鍵平均鍵長(0.216 2 nm)[17]稍長，這是因為氟原子在鄰位，使得中心錫原子周圍的空間擁擠程度有所增加；而比三(鄰氟芐基)氯化錫的Sn-C鍵平均鍵長(0.214 3 nm)[17]要長得多，是因為氯原子被體積大很多的鄰氟芐基取代后，使得中心錫原子周圍的空間擁擠程度大大增加。

圖2　化合物2的分子結(jié)構(gòu)圖(橢球概率30%)Fig.2　Molecular structure of complex 2 with the ellipsoids drawn at the 30%probability level

化合物2：從分子結(jié)構(gòu)圖和結(jié)構(gòu)參數(shù)可知，三芐基錫通過羧基橋聯(lián)形成一維鏈狀結(jié)構(gòu)。中心錫原子分別與3個芐基的亞甲基碳、不同的二茂鐵甲酸分子的2個羧基氧，形成五配位的三角雙錐結(jié)構(gòu)。3個芐基碳原子C(1)、C(8)、C(15)占據(jù)了三角雙錐赤道平面的3個位置，2個氧原子O(1)、O(2i)則占據(jù)了赤道平面兩側(cè)的軸向位置。處于軸向位置的氧原子O(1)、O(2i)與處于赤道位置的碳原子的鍵角分別為：C(1)-Sn(1)-O(1)92.20(12)°、O(1)-Sn(1)-C(8)93.65(13)°、O(1) -Sn(1)-C(15)98.74(14)°、C(1)-Sn(1)-O(2i)79.74(12)°、C(8)-Sn(1)-O(2i)84.79(12)°、C(15)-Sn(1)-O(2i)90.42(13)°，都與90°有偏差，其偏差范圍在8.74°～10.26°。處于軸向位置的原子的鍵角O(1)-Sn(1)-O(2i)169.97(9)°，比180°線性角小了10.03°。中心錫原子與處于赤道平面的3個碳原子間的夾角分別為：C(1)-Sn(1)-C(15) 118.82(17)°、C(1)-Sn(1)-C(8)116.66(16)°、C(15)-Sn(1)-C(8)122.33(15)°，3個角之和為357.81°，與360°有較大的偏差。由此可知化合物為畸變程度較大的三角雙錐結(jié)構(gòu)。

化合物2的結(jié)構(gòu)中2個羧基氧原子以雙齒配位分別與2個不同的錫原子成鍵，其鍵長分別為：Sn(1)-O(1)0.214 6 nm和Sn(1i)-O(2)0.243 0 nm，由此而形成了一維鏈狀的分子結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3　化合物2的一維鏈狀結(jié)構(gòu)Fig.3　One-dimensional chain structure of complex 2

2.2量子化學(xué)研究

2.2.1分子的總能量和前沿分子軌道能量

根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)的原子坐標(biāo)，運用Gaussian 03W程序和B3ylp/lanl2dz基組水平，計算得到分子的總能量和前沿分子軌道能量。

化合物1：ET=-373.141 486 9 a.u.，EHOMO=-0.384 88 a.u.，ELUMO=-0.314 06a.u.，ΔELUMO-HOMO=0.070 82 a.u.。從體系能量和前沿軌道的能量分析，化合物總能量較高，前沿占有軌道能量雖然低，但前沿未占軌道能量也較低，最高占據(jù)軌道與最低未占軌道的能量間隙ΔE很小，僅為0.070 82 a.u.，表明化合物分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有限，從氧化還原或電荷轉(zhuǎn)移的角度分析，化合物較容易失去電子而被氧化。

化合物2：ET=-1 513.896 132 3 a.u.，EHOMO=-0.198 50 a.u，ELUMO=-0.054 05 a.u.，ΔELUMO-HOMO=0.144 5 a.u.。從體系能量和前沿軌道的能量分析，化合物總能量低，前沿占有軌道能量較低，表明化合物分子結(jié)構(gòu)有一定的穩(wěn)定性。但前沿未占軌道能量也較低，最高占據(jù)軌道與最低未占軌道的能量間隙ΔE較小，只有0.144 5 a.u，因此，從氧化還原或電荷轉(zhuǎn)移的角度分析，化合物也較容易失去電子而被氧化。

2.2.2軌道成分分析

為探索化合物的電子結(jié)構(gòu)與成鍵特征，對化合物分子軌道進行分析，用參與組合的各類原子軌道系數(shù)的平方和來表示該部分在分子軌道中的貢獻，并經(jīng)歸一化。

化合物1：把化合物原子分為五部分：(a)錫原子Sn；(b)亞甲基碳原子C；(c)苯環(huán)碳原子C；(d)氟原子F；(e)氫原子H，前沿占有軌道和未占有軌道各取5個，計算結(jié)果見表4和圖4。

圖4　化合物1的前沿分子軌道示意圖Fig.4　Schematic diagram of frontier MO for complex 1

表4　化合物1的分子軌道組成Table4　Some calculated frontier molecular orbitals composition of complex 1

表4和圖4顯示化合物1分子的成鍵特征：①前沿占有分子軌道中，芐基苯環(huán)碳原子，對分子軌道的貢獻最大，達到了79.33%，并且在深層次軌道中均有較大的貢獻，說明苯環(huán)具有良好的共軛離域性和穩(wěn)定性。②前沿占有分子軌道中，錫原子和芐基亞甲基碳原子對分子軌道貢獻都較小，分別為6.83%和6.26%，并且在深層次軌道中的貢獻也都較小，說明Sn-C鍵強度弱，分子的穩(wěn)定有一定的限度。從鍵長來看，化合物1的Sn-C鍵比三(鄰氟芐基)氯化錫和四(對氟芐基)錫[17]的Sn-C鍵平均鍵長長，這與分子的穩(wěn)定性相吻合。③比較HOMO與LUMO的各類原子軌道成份，可以看出，當(dāng)電子從HOMO激發(fā)到LUMO軌道時，主要是鄰氟芐基上的電子向錫原子轉(zhuǎn)移。

化合物2：把化合物原子分為五部分：(a)二茂鐵基碳原子和鐵原子A；(b)羧基碳原子和氧原子B；(c)芐基碳原子C；(d)錫原子Sn；(e)氫原子H，前沿占有軌道和未占有軌道各取5個，計算結(jié)果見表5和圖5。

圖5　化合物2的前沿分子軌道示意圖Fig.5　Schematic diagram of frontier MO for complex 2

表5和圖5顯示化合物2分子的成鍵特征：①前沿占有分子軌道中，對分子軌道的貢獻幾乎來自二茂鐵基，達到了99.24%，并且在深層次軌道中仍有較大的貢獻，表明二茂鐵基具有很好的穩(wěn)定性。②前沿占有分子軌道中,與錫原子直接相連的基團對分子軌道貢獻都很小，分別為羧基0.554 356%、芐基0.175 271%；而錫原子對分子軌道貢獻則更小，只有0.011 323%；表明它們之間鍵的強度較弱，分子穩(wěn)定性有限，這與從能量的角度分析的結(jié)果是一致的。③比較HOMO與LUMO的各類原子軌道成份，可以看出，當(dāng)電子從HOMO激發(fā)到LUMO軌道時，主要是二茂鐵基上的電子通過羧基向錫原子轉(zhuǎn)移，羧基既是電子轉(zhuǎn)移的橋梁，也是電子轉(zhuǎn)移的受體。

表5　化合物2的分子軌道組成Table 5　Some calculated frontier molecular orbitals composition of complex 2

2.3熱穩(wěn)定性分析

化合物的熱重曲線如圖6、圖7所示。

圖6　化合物1的TG曲線Fig.6　TG curve of the complex 1

圖6顯示，隨溫度的升高，在初始階段40～187℃，化合物1基本沒有失重；在187～700℃區(qū)間，化合物出現(xiàn)明顯失重，總計72.75%，對應(yīng)于配合物分子失去4個鄰氟芐基；最后穩(wěn)定在約27.25%，殘余物可被視為SnO2，與27.14%的計算值吻合；上述熱分析結(jié)果表明化合物1在187℃之前是可以穩(wěn)定存在的。

圖7　化合物2的TG曲線Fig.7　TG curve of the complex 2

圖7顯示，隨溫度的升高，在初始階段40～70℃，化合物2幾乎沒有任何失重；在70～530℃區(qū)間，化合物出現(xiàn)明顯失重，總計63.65%，對應(yīng)于配合物分子發(fā)生熱分解失去有機基團；最后穩(wěn)定在約36.34%，殘余物可被假定為SnO2+Fe3O4，與36.69%的計算值吻合；上述熱分析結(jié)果表明化合物2在70℃之前可以穩(wěn)定存在，熱穩(wěn)定性比化合物1低。

2.4化合物的體外抗癌活性

不同濃度梯度下化合物對肝癌細胞的抑制率數(shù)值見表6。

由表可以看出2個化合物對HeLa細胞株增殖的抑制情況，化合物1在高濃度時對HeLa人宮頸癌細胞有一定的抑制能力，但隨濃度降低其抑制率迅速變小，當(dāng)濃度為5 μg·mL-1時，抑制率只有27.50%。而化合物2無論是在高濃度還是低濃度，都幾乎沒有抑制能力。

表6　不同濃度化合物對HeLa人宮頸癌細胞的抑制率Table 6　Growth inhibition rates for HeLa cell lines with title compounds at different concentrations

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Syntheses,Crystal Structures and Properties of the Tetra(o-fluorobenzyl)tin and the Tribenzyltin Ferrocenecarboxylate

ZHANG Fu-Xing＊KUANG Dai-ZhiFENG Yong-LanWANG Jian-Qiu YU Jiang-XiJIANG Wu-JiuZHU Xiao-Ming
(Department of Chemistry and Material Science,Hengyang Normal University,Key Laboratory of Functional Organometallic Materials of Hengyang Normal University,College of Hunan Province,Hengyang,Hunan 421008,China)

The tetra(o-fluorobenzyl)tin(1)and the tribenzyltin ferrocenecarboxylate(2)have been synthesized.The crystal structures of the complexes were determined by X-ray diffraction.The crystal 1 belongs to tetragonal space group I41/a with a=1.967 94(16)nm,b=1.967 94(16)nm,c=0.593 16(5)nm,V=2.297 2(3)nm3,Z=4,Dc= 1.605 g·cm-3,μ(Mo Kα)=11.58 cm-1，F(xiàn)(000)=1 112,R1=0.020 8,wR2=0.057 6.The crystal 2 belongs to monoclinic space group P21/n with a=1.593 54(12)nm,b=1.007 23(8)nm,c=1.700 26(13)nm,β=91.001(10)°,V=2.728 6(4) nm3,Z=4,Dc=1.521 g·cm-3,μ(Mo Kα)=14.74 cm-1,F(000)=1 256,R1=0.038 4,wR2=0.095 2.The stabilities,some frontier molecular orbital energies and composition characteristics of some frontier molecular orbital of the complexes have been investigated by quantum chemistry calculation.Further more,thermal stability and anticancer activity of the complexes were tested.CCDC:1056036,1;1056037,2.

tetra(o-fluorobenzyl)tin;tribenzyltin ferrocenecarboxylate;synthesis;crystal structure

O614.43+2

A

1001-4861(2015)06-1194-07

10.11862/CJIC.2015.157

2015-03-11。收修改稿日期：2015-03-27。

湖南省自然科學(xué)基金(No.13JJ3112)、湖南省科技計劃(No.2013TZ2025)、湖南省高校創(chuàng)新平臺開放基金(No.13K105)、湖南省重點學(xué)科基金、湖南省高?？萍紕?chuàng)新團隊支持計劃和湖南省高校重點實驗室開放基金資助。

＊通訊聯(lián)系人。E-mail：zfx8056@163.com；會員登記號：S060018907M。