兩個含對羧甲氧基肉桂酸鋅ギ/鎘ギ配合物的合成、晶體結構與抑菌活性

黃翠欣 顧 家 熊萬明,3 陳金珠,3 聶旭亮＊,,,3 上官新晨

(1江西農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，南昌 330045)

(2江西農(nóng)業(yè)大學理學院化學系，南昌 330045)

(3南昌市植物資源化學利用重點實驗室，南昌 330045)

(4江西省食品藥品監(jiān)督管理局，南昌 330045)

植物病害是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中影響突出的自然災害之一，對全球農(nóng)作物產(chǎn)量造成的損失占總產(chǎn)量的13%～20%，每年給全球造成的直接經(jīng)濟損失高達數(shù)千億美元[1]。在植物病害中，由病原真菌的侵染導致的占植物病害的70%～80%?；瘜W防治是防治植物病害最簡便有效的方法[2]。我國作為農(nóng)業(yè)大國，通過使用化學農(nóng)藥對各種植物病害進行防控，每年可以減少經(jīng)濟損失約300 億元[3]。然而近年來關于植物病原菌對農(nóng)藥殺菌劑產(chǎn)生抗藥性的相關報道越來越多[4]。主要由于很多農(nóng)藥殺菌劑都是內(nèi)吸性殺菌劑，存在作用靶點和作用機制單一的問題，長期使用就會產(chǎn)生抗藥性，失去了高效性，過度使用甚至還會產(chǎn)生食品安全問題和生態(tài)問題。

隨著人類環(huán)境意識的日益增強，研究開發(fā)對環(huán)境友好的植物源農(nóng)藥殺菌劑是今后農(nóng)藥殺菌劑研究發(fā)展的目標。王宗德課題組在植物殺菌劑方面做了大量的工作，主要以松節(jié)油等萜類林特資源為原料，較系統(tǒng)地開展了萜類農(nóng)藥的合成與生物活性研究，篩選到多個新型綠色驅避劑和拒食劑，為綠色農(nóng)藥開發(fā)和松節(jié)油利用創(chuàng)新提供了理論依據(jù)[5-7]。以具有一定抑菌活性的天然產(chǎn)物作為先導物，進行結構修飾后可以獲得數(shù)量龐大的衍生物，從中篩選高活性、副作用小或無副作用的抑菌功能因子是很有可能的，是一條非常有前景的農(nóng)藥殺菌劑開發(fā)途徑。肉桂酸(cinnamic acid)又名3-苯基-2-丙烯酸，俗稱桂皮酸，是一種從肉桂皮提取出來的有機酸。肉桂酸及其衍生物不僅具有潛在的抗菌、抗腫瘤和抗氧化的作用，在醫(yī)藥領域有著廣泛的應用；而且還具有防病害活性、生長調(diào)節(jié)和除草活性，在農(nóng)業(yè)上有著潛在的利用價值[8-11]。由于肉桂酸及其衍生物具有優(yōu)越的結構和生物活性，關于肉桂酸及其衍生物的金屬配合物的研究也引起了人們的關注。李小芳等以桂皮酸、8-羥基喹啉為配體合成了2 個稀土三元配合物，研究了配合物對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌活性和與DNA 的相互作用[12]。周賢菊等以對位取代肉桂酸與Eu3+反應得到一系列的銪配合物，研究了配合物的熒光光譜及取代基和配位小分子對配合物發(fā)光性能的影響[13]。朱海亮課題組設計合成了一系列取代肉桂酸衍生物，并以此為配體合成了一系列肉桂酸衍生物配合物，研究了配合物的刀豆脲酶的抑制活性。研究發(fā)現(xiàn)，5 種配合物具有與乙酰氧肟酸相當?shù)碾迕敢种苹钚?，其?個銅配合物的抑制活性最好，IC50值分別為1.23 和1.17 μmol·L-1[14]。因此，對天然活性物質(zhì)肉桂酸進行修飾，設計、合成具有好的生物活性的肉桂酸衍生物，并研究其抑菌活性，以其開發(fā)高效、廣譜、毒性低、對環(huán)境友好的殺菌劑具有重要的意義。

我們以天然產(chǎn)物對羥基肉桂酸甲酯為起始原料，在羥基上引入氧乙酸合成了對羧甲氧基肉桂酸(H2CMOPAA)，再以其為配體，與金屬離子配位合成了2個金屬配合物。通過X射線單晶衍射、熱重(TG)分析、元素分析和紅外光譜等分析手段表征了配合物的結構。采用牛津杯抑菌圈法研究了配合物的抑菌活性。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

對羥基肉桂酸甲酯、溴乙酸乙酯、菲咯啉(Phen)、ZnCl2、CdCl2·2.5H2O、DMF(N，N-二甲基甲酰胺)和鹽酸均為分析純，購于天津希恩思生化科技有限公司。大腸桿菌(Escherichia coli)、金黃色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)、意大利青霉(Penicilliumitalicum)、桔青霉(Penicillium citrinum)、黑曲霉(Aspergillus niger)、松球殼孢菌(Sphaeropsis sapinea)、萵苣霜霉病(Bremia lactucea Regel.)、西瓜灰霉病菌(Botryiscinerea Pers)等菌種均為江西農(nóng)業(yè)大學生工院實驗室自行保存。

所用儀器有精密增力電動攪拌器JJ-1 型(常州國華電器有限公司)、循環(huán)水泵SHZ-Dバ型(鞏義市英峪予華儀器廠)、電熱恒溫水浴鍋H.H.S-2 型指針式(上海電子光學技術研究所滬粵科學儀器廠)、ZK-82A型真空干燥箱(上海市實驗儀器總廠)、傅里葉紅外光譜儀FTS-40 型(美國BIO-RAD 公司)、Perkin Elmer 240B 型自動元素分析儀、CCD-X 射線單晶衍射儀SMART-1000型(德國Bruker公司)。

1.2 配體和配合物的合成

1.2.1 配體H2CMOPAA的合成

配體H2CMOPAA 是參照文獻[15]的方法合成。以對羥基肉桂酸甲酯為起始原料，在羥基上引入氧乙酸合成了對羧甲氧基肉桂酸衍生物，堿性條件下水解，酸化后得到H2CMOPAA 配體。產(chǎn)物和中間體的結構經(jīng)X 射線單晶衍射和元素分析等分析手段表征。中間體晶體屬于三斜晶系，P1 空間群，晶胞參數(shù)a=0.852 93(8) nm，b=1.156 26(11) nm，c=1.421 96(13)nm，α=88.888 0(10)°，β=74.988 0(10)°，γ=87.556 0(10)°，Z=4[16]。

1.2.2 配合物1和2的合成

配合物1 的合成：稱取H2CMOPAA(0.022 8 g，0.1 mmol)、Phen(0.019 8 g，0.1 mmol)和ZnCl2(0.1 mmol，0.013 6 g)，加入到25 mL 水熱反應釜中，然后加入蒸餾水10 mL 和NaOH 0.30 mL(0.65 mol·L-1)，玻璃棒攪拌均勻。將反應釜放入140 ℃烘箱中反應3 d，得到淺黃色塊狀晶體，用少量蒸餾水沖洗，干燥后稱量，得到0.033 9 g，產(chǎn)率為70%。元素分析按C23H18ZnN2O6的計算值(%)：C，57.10；H，3.75；N，5.79。實測值(%)：C，56.06；H，3.89；N，5.68。IR(KBr，cm-1)：3 056，3 031，2 969，2 918，1 635，1 603，1 542，1 511，1 423，1 343，1 289，1 265，1 247，1 224,1 207，1 175，1 106，1 062，985，868，855，838，812，782,728，693，641，599。

配合物2 的合成：稱取H2CMOPAA(0.022 8 g，0.1 mmol)、Phen(0.019 8 g，0.1 mmol)和CdCl2·2.5H2O(0.022 8 g，0.1 mmol)，加入到25 mL 反應釜中，然后加入蒸餾水10 mL 和NaOH 0.30 mL(0.065 mol·L-1)，玻璃棒攪拌均勻。將反應釜放入150 ℃烘箱中反應3 d，得到淺黃色塊狀晶體，用少量蒸餾水沖洗、干燥后稱取，得到0.049 4 g，產(chǎn)率為68%。元素分析按C23H16CdN2O5的計算值(%)：C，53.87;H，3.15；N，5.46。實測值(%)：C，52.94；H，3.28；N，5.37。IR(KBr，cm-1)：3 416，3 062，2 944，1 602，1 513，1 449，1 384，1 346，1 325，1 300，1 269，1 231，1 203，1 176，1 142,1 101，1 061，983，929，864，950，833，783，727，641，601，520。

1.3 晶體結構測定

在Bruker Smart Apex CCD[17]單晶衍射儀上收集樣品的單晶衍射數(shù)據(jù)。用SHELXS-2014[18-19]程序中的直接法解析晶體結構。全部非氫原子坐標由差值傅里葉合成得到，并對其坐標和各向異性熱參數(shù)進行全矩陣最小二乘法精修。氫原子為理論加氫，并進行Riding 模式精修。表1 為配合物1 和2 的晶體數(shù)據(jù)和結構精修參數(shù)，表2為配合物1和2的部分鍵長和鍵角，表3為配合物1的氫鍵參數(shù)。

CCDC：2054460，1；2068057，2。

表1 配合物1和2的晶體學數(shù)據(jù)Table 1 Crystal and structure refinement data of complexes 1 and 2

續(xù)表1

表2 配合物1和2的部分鍵長(nm)和鍵角(°)Table 2 Selected bond lengths(nm)and bond angles(°)of complexes 1 and 2

表3 配合物1的氫鍵參數(shù)Table 3 Hydrogen bond parameters of complexes 1

1.4 配合物1～2的抑菌活性

將H2CMOPAA及其配合物1和2用DMF分別配成溶液，采用牛津杯法測定它們對8 種病原真菌(大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、意大利青霉、桔青霉、黑曲霉、松球殼孢菌、萵苣霜霉病、西瓜灰霉病菌)的抑菌活性。

2 結果與討論

2.1 配合物1和2的晶體結構

配合物1 屬于單斜晶系P21/n空間群(表1)。配合物1 的不對稱單元中有1 個Zn2+、1 個CMOPAA2-、1個Phen和1個配位水分子。如圖1所示，Znギ離子是一個六配位的扭曲八面體構型，赤道方向的4 個配位點被來自2 個CMOPAA2-的羧基的氧原子(O3，O5i)和2 個來自Phen 配體的氮原子(N1，N2)占據(jù)，軸向方向的2 個配位點被來自1 個CMOPAA2-的羧基的氧原子(O4)和配位水的氧原子(O6)占據(jù)。Zn—O的鍵長為0.199 83(12)、0.204 87(15)和0.206 96(13)nm，Zn—N 的鍵長為0.211 94(14)和0.218 10(15) nm(表2)，N—Zn—N 鍵角為77.08(5)°，N—Zn—O 鍵角在88.86(5)°～165.88(5)°之間，O—Zn—O 鍵角在89.32(6)°～102.79(6)°之間。所有鍵長和鍵角都在正常范圍內(nèi)，和已經(jīng)報道的3-羥基肉桂酸鋅配合物是一致的[20]。

圖1 配合物1的橢球率50%的晶體結構圖Fig.1 Crystal structure of complex 1 with 50%thermal ellipsoids

CMOPAA2-的羧基采用三齒橋聯(lián)的配位模式(Scheme 1)，連接相鄰的鋅離子Znギ沿著b軸形成了一條螺旋形的一維鏈(圖2)。相鄰的2 個鋅離子(Zn1…Zn1i)之間的距離為1.215 44(10)nm，相鄰的3個鋅離子之間的角度為92.172(3)°。如圖3 所示，配位水中的氫原子與CMOPAA2-的羧基的氧原子之間形成分子間O—H…O 氫鍵(表3)，這一氫鍵連接上下的一維鏈形成了一個二維氫鍵網(wǎng)絡結構。

Scheme 1 Coordination codes of CMOPAA2-ligand

圖2 配合物1的一維鏈Fig.2 One-dimensional chain of complex 1

圖3 配合物1的二維氫鍵網(wǎng)絡結構Fig.3 Two-dimensional hydrogen bond net of complex 1

配合物2 屬于三斜晶系P1 空間群(表1)。配合物2 的不對稱單元中有1 個Cd2+、1 個CMOPAA2-和1個Phen。如圖4 所示，Cd ギ離子是一個七配位([N2O5])的扭曲單帽三角棱柱體構型，赤道方向的4個配位點被來自2 個CMOPAA2-的羧基的氧原子(O1、O3i、O4i)和1 個來自Phen 配體的氮原子(N2)占據(jù)，軸向方向的3 個配位點被來自2 個CMOPAA2-的羧基的氧原子(O2、O2ii)和1 個來自Phen 配體的氮原子(N1)占據(jù)。Cd—O 的鍵長在0.227 6(10)～0.255 1(2) nm 之間，Cd—N 的鍵長在0.256(2)～0.257 3(11) nm 之間( 表2)，N—Cd—N 鍵角為70.54(8)°，N—Cd—O 鍵角在78.06(8)°～154.87(8)°之間，O—Cd—O 鍵角在53.10(7)°～135.82(9)°之間。所有鍵長和鍵角都在正常范圍內(nèi)，與已報道的3-羥基肉桂酸鎘配合物一致[20]。

圖4 配合物2的橢球率50%的晶體結構圖Fig.4 Crystal structure of complex 2 with 50%thermal ellipsoids

兩個CMOPAA2-連接4 個Cd2+形成了一個平行四邊形的26 元大環(huán)結構(圖5)，其中2 個鎘離子Cd1…Cd1i之間的距離分別為0.392 16(6)和1.263 73(15) nm，3 個鎘離子之間的角度為84.428(5)°和95.572(5)°。CMOPAA2-的羧基采用橋聯(lián)的配位模式(Scheme 1)，連接相鄰的平行四邊形結構形成了一條一維帶狀結構(圖6)。

圖5 配合物2的大環(huán)結構Fig.5 Macrocycle structure of complex 2

圖6 配合物2的一維帶狀結構Fig.6 One-dimensional band-like structure of complex 2

2.2 配合物1和2的TG分析

配合物1 的TG 曲線見圖7。從配合物1 的TG曲線可以看出2次明顯的失重過程。第一次失重是在126～162 ℃，失重5.6%(計算值：4.39%)，主要是由于失去了游離水分子。之后1 的骨架在402～476 ℃逐漸坍塌，主要是配體分解導致，失重73.2%(計算值：75.75%)。最終殘留物為ZnO(計算值：19.86%，實測值：21.2%)。

圖7 配合物1的TG曲線Fig.7 TG curve of complex 1

配合物2 的TG 曲線見圖8。從2 的TG 曲線可以看出，2 在308.4 ℃之前都很穩(wěn)定。之后2 的骨架在350～780 ℃逐漸坍塌，主要是配體分解導致，失重69%(計算值：74.96%)。最終殘余物為CdO(計算值：25.04%，實測值：26.5%)。

圖8 配合物2的TG曲線Fig.8 TG curve of complex 2

2.3 配合物的抑菌活性

配體H2CMOPAA 及其配合物的抑菌活性結果如表4 所示。結果表明，H2CMOPAA 及其配合物1和2 對8 種微生物具有一定的抑制作用，配合物的抑菌活性略強。具體來說，配合物1對松球殼孢菌、黑曲霉和萵苣霜霉病菌有一定的抑制作用，而配合物2對松球殼孢菌和金黃色葡萄球菌具有一定的抑制作用，對金黃葡萄球菌的抑制活性最好。但與其他配合物的抑菌活性相比，抑菌活性還是相對較弱。

表4 配合物1和2對八種微生物抑菌活性Table 4 Antimicrobial activities of eight microorganisms of complexes 1 and 2

3 結 論

以天然產(chǎn)物羥基肉桂酸甲酯為起始原料，合成了對羧甲氧基肉桂酸配體，再以其為配體，與金屬離子配位合成了2 個金屬配合物。通過X 射線單晶衍射、熱重分析、元素分析和紅外光譜等分析手段表征了H2CMOPAA 及其配合物的結構。研究了配合物1 和2 的熱穩(wěn)定性和抑菌活性。研究表明，H2CMOPAA 及其配合物的抑菌活性相對較弱，還需要進一步修飾對羥基肉桂酸的結構。