乙二胺N,N-二(4-乙酰胺苯甲酸)二乙酸配合物的合成、表征与性能研究

李 佳， 郝志峰， 陈林渺， 刘文锋， 马肖依

(1.华南师范大学教育科学学院，广东广州 510631； 2.广东工业大学轻工化工学院，广东广州 510006； 3.广东省教育考试院，广东广州 510631)

乙二胺N,N-二(4-乙酰胺苯甲酸)二乙酸配合物的合成、表征与性能研究

李 佳1,3， 郝志峰2*， 陈林渺2， 刘文锋2， 马肖依2

(1.华南师范大学教育科学学院，广东广州 510631； 2.广东工业大学轻工化工学院，广东广州 510006； 3.广东省教育考试院，广东广州 510631)

通过乙二胺四乙酸二酐与对氨基苯甲酸的酰化反应合成了乙二胺N,N-二(4-乙酰胺苯甲酸)二乙酸(H4L)，并以此为配体分别与稀土离子Sm3+、Gd3+、Eu3+和过渡金属离子Mn2+、Fe3+组装得到系列配合物.用红外光谱、紫外-可见光谱、元素分析及热重-差热分析对配合物进行了组成与结构表征的分析，配合物的组成为M(HL)·3H2O(M=Sm3+, Eu3+,Gd3+,Fe3+)或者M(H2L)·3H2O(M=Mn2+).配合物Gd(HL)·3H2O的荧光发射光谱中没有离子特征谱图，而配合物Eu(HL)·3H2O在618 nm处5D0→7F3跃迁的发射峰最强.配合物Gd(HL)·3H2O的弛豫率为7.43 mmol/(L·s)，体外弛豫性能明显提高.

乙二胺四乙酸衍生物； 配合物； 荧光光谱； 弛豫性能

多胺多羧酸是一类配位能力很强的金属离子螯合剂，其中乙二胺四乙酸(EDTA)或者二乙基三胺五乙酸(DTPA)含有多个N、O原子，能与金属及其它配体一起组装成具有独特催化活性、特殊光电磁学性质或者具有仿生和治疗作用的簇合物和多维配合物[1-3].其中对EDTA修饰后的衍生物，可作为放射性金属的排泄剂应用于癌症放射治疗[4]，也可作为有毒金属离子的解毒剂而应用于临床中[5].Gd(Ⅲ)的氨基多羧酸配合物(如 Gd-EDTA、Gd-DTPA)常被作为磁共振成像(MRI)造影剂，用于肿瘤的磁共振成像临床诊断反差增进剂[6].

目前，对EDTA或者DTPA修饰以链状非氨基衍生物较多[7]，而对含芳香基团衍生物的研究较少.芳香羧酸作为配体能很好地将吸收的能量传递给稀土离子，使稀土离子发光增强；同时芳香氨基衍生物中羧基氧和氨基氮与稀土离子的配位方式多样，明显降低稀土离子的毒性作用.本文利用对氨基苯甲酸与EDTA的二酐进行酰化反应，合成多胺多羧酸有机芳香族羧酸作为配体，分别与稀土离子Sm3+、Gd3+、Eu3+和过渡金属离子Mn2+、Fe3+组装得到系列配合物(图1)，并研究配合物的荧光光谱和弛豫性能，为该类配合物应用于生物医学提供依据.

1 实验部分

1.1仪器与试剂

PE2400型元素分析仪(美国PE公司)；Nicolet380型傅立叶变换红外光谱仪(KBr压片，美国Thermo公司)； T-245紫外可见分光光度计(日本岛津公司)；STA409PC型综合热分析仪(德国 NETZSCH公司)；Fluoromax-4荧光光谱仪(法国HORIBA Jobin Yvon公司)；Varian Mercury plus 400 型核磁共振仪(弛豫率的测试以蒸馏水为溶剂，D2O为参比，美国Varian公司)，DDS-11A型数显电导率仪(上海雷磁厂).

图1 配合物合成路线图Figure 1 Synthetic route of the complexes

稀土氯化物由稀土氧化物RE2O3(纯度99.9%，国药集团上海化学试剂有限公司)制备.按照文献[8]方法合成乙二胺N,N-二(4-乙酰胺苯甲酸)二乙酸，其余试剂均为市售分析纯.

1.2实验方法

1.2.1 配合物的合成 将0.53 g(1 mmol)配体乙二胺N,N-二(4-乙酰胺苯甲酸)二乙酸(H4L)溶于15 mL二甲基甲酰胺(DMF)-水(体积比1∶1)混合溶剂中，滴加1.0 mol/L NaOH溶液调节pH到适当的范围.搅拌滴加含有2 mmol金属离子的水溶液， 60 ℃下反应3 h，生成白色沉淀.抽滤，用DMF洗涤沉淀3次，真空干燥，得到产品，收率在60%～80%之间.

1.2.2 配合物中金属含量的测定 采用EDTA化学滴定法测定. 准确称取金属配合物固体(ms约为0.500 0～1.000 0 g)于瓷坩锅中，800 ℃恒温焙烧3 h，加入适量6 mol/L的HCl溶液溶解残留固体.用体积分数20%的六次甲基四胺缓冲溶液调节pH为5.5,再加入2滴二甲酚橙指示剂，使溶液呈紫色.用0.020 0 mol/L EDTA标准溶液滴定到亮黄色，重复3次.计算金属离子含量,w(M)=[金属元素原子量×cEDTA×VEDTA/ (ms×1 000)] ×100%.

1.2.3 配合物中的C、H、N含量的测定 用PE2400型元素分析仪测定.

1.2.4 配合物弛豫率的测试 纵向弛豫速率(1/T1)的测定见参考文献[9].称取一定量的金属配合物加入适量NaOH溶液，配制成浓度为3～5 mmol/L的溶液(pH=6.5～7.0)，分别取该溶液10 μL和400 μL D2O注入NMR样品管，混合均匀后封口待测.在NMR波谱仪上启动INVREc.Au自动程序，取90°脉宽tP(90°)=2.8 μs，脉冲间隔t=5T1.用反转恢复法用含10 μL蒸馏水和400 μL D2O的样品做参比, 在35℃恒测试Gd配合物纵向驰豫时间T1并计算得到自旋-晶格弛豫率R1，为了比较，也测定了配合物Gd-DTPA的弛豫性能，其中R1依据下式[14]计算：

式中 (1/T1)o是含顺磁性物质的溶剂质子的纵向弛豫速率；(1/T1)d纯溶剂质子的纵向弛豫速率；[M]是溶液中顺磁性溶质的浓度.

2 结果与讨论

2.1pH对配合物合成的影响

由于制备的有机配体难溶于水，为了使金属离子和配体的配位反应在均相溶液中进行，选取了DMF-水混合溶剂作为配位反应的溶剂；体系pH对配位反应速率的影响结果表明，当溶液pH<4.0时，配位反应速度慢，需要数天析出配合物，得到的产物纯度较好；pH在5～10之间时，配位反应速度较快，在1～5 h可析出配合物，产物纯度和晶态均较好；当pH>10时，配合物析出速度很快，产物一般为絮状粉末，纯度不高，可能是沉淀速度过快，包裹了其它杂质所致.

另外，对于不同的金属离子，配位反应对溶液pH控制的范围要求也不同.合成Gd(Ⅲ)、Sm(Ⅲ)、Eu(Ⅲ)和Mn(Ⅱ)配合物时，控制pH在5～6之间；合成Fe(Ⅲ)的配合物，由于Fe3+易生成Fe(OH)3形式沉淀，则需控制pH在2.0～2.5之间.

2.2配合物组成和一般物理性质

配合物在空气中稳定, 无光敏性，难溶于水、甲醇、乙醇、丙酮、乙醚、氯仿、环己烷，能溶于二甲基甲酰胺(DMF)、二甲亚砜(DMSO)等溶剂.在室温下，各配合物的摩尔电导率在20～50 S·cm2/mol范围内，属于非离子型配合物[10].

通过配合物中的C、H、N含量和金属离子含量的测定，推测出配合物的组成(表1)中金属离子与配体个数之比为1∶1，后续的差热-热重分析结果进一步佐证了配合物的组成.

表1 配合物的元素分析和摩尔电导率Table 1 Elemental analysis and molar conductivity of the complexes

2.3配合物的差热-热重(DTA-TG)分析

在N2气氛下，30～850 ℃温度范围(升温速率10 ℃/min)测得各个配合物的DTA-TG曲线.结果表明，3个稀土配合物的DTA-TG曲线相似，热重曲线变化趋势一致，反映了其配合物结构相似，图2(a)呈现Gd配合物DTA曲线上有2个明显峰，分别是110 ℃附近的吸热峰和350 ℃出现的放热峰，对应的TG曲线上也有2个明显的失质量台阶.此配合物在50～120 ℃出现明显的吸热峰，根据此温度区间的失质量率7.89%，与失去3个水分子的理论失水率(7.31%)基本接近，表明配合物中有3个水分子，与元素分析的结果一致.

该配合物在350℃开始分解，在DTA曲线上有1个强大的放热峰，且热重曲线骤然下降，此时配合物框架结构破坏，分子内的有机配体氧化燃烧.在600 ℃以上TG曲线基本恒质量，残余物质为Gd2O3，固体残质量率为24.50%(理论值为24.55%，按照Gd2O3计算)，根据残余物的质量，可以计算得到配合物中Gd的含量为21.26%，与理论值21.30%接近.

图2(b)是Mn配合物的DTA-TG曲线，该配合物在50 ℃左右开始失水，至180 ℃失水完毕，其失水率为9.33%，与理论上配合物失去3分子水的失质量率8.48%基本吻合，由此可认为配合物中有3个水分子，红外图谱中也显示出水分子的存在.升温至300～350 ℃时，TG曲线开始明显下降，这时配合物框架结构破坏，配合物开始氧化分解，到400～500 ℃分解基本完全，体系达到恒质量，最终分解产物为氧化物.

在N2气氛中，以上述同样的测试条件测定了有机配体的DTA-TG曲线，在215 ℃出现1个吸热峰，但在TG曲线上质量没有变化，说明在该温度下只发生了相变，这与配体的熔点测定相一致.而在250℃以后出现1个大的放热峰，TG曲线的失质量率变化很大，为配体的氧化分解.将以上各个配合物的分解温度与有机配体比较，表明形成配合物后，热稳定性得到一定的提高，这主要是配合物螯合成环稳定作用所致.而且稀土螯合物的分解温度以及恒质量温度均高于过渡金属(Mn、Fe)配合物，说明它们具有更稳定的结构.

图2 配合物的差热-热重曲线

2.4配合物的红外光谱分析

在 400～4 000 cm-1范围内测定了配体及配合物的红外光谱，其主要红外吸收峰及归属见表2.配体H4L在3 187.4 cm-1有缔合羧酸的O-H伸缩振动[11]，形成配合物后，在3 400 cm-1附近有较强较宽的吸收峰存在，表明配合物中都有水分子存在.自由配体H4L中的C=O键的伸缩振动吸收峰位于1 706 cm-1处，形成配合物后出现了羧酸盐特有的反对称伸缩振动吸收峰νas,COO-和对称伸缩振动吸收峰νs,COO-，说明配合物中配体以羧酸根的形式与稀土离子配位.羧酸根的配位方式与反对称与对称伸缩振动频率差△ν(△ν=νas,COO--νs,COO-)密切相关[12]，配合物中△ν接近200 cm-1，且吸收强度增加，峰变宽，说明配体中的羧基氧以单齿配位形成螯合结构.配合物中1 530 cm-1附近的吸收峰归属于酰胺的N-H弯曲振动，与配体的酰胺N-H弯曲振动1 526.6 cm-1相比基本保持不变，表明酰胺上的N原子没有参与配位；但是配体1 262.4 cm-1的C-N振动发生了位移，表明EDTA骨架中的N原子参与了配位.配合物在420～550 cm-1左右处出现新的较弱的吸收峰归属为金属与配体配位后形成的配位振动吸收[12].

综合分析红外光谱、元素分析以及DTA-TG的结果，配体以羧酸根的形式与稀土离子配位，配体的2个N原子，4个羧基氧原子，2个酰胺基上的氧原子与金属离子配位，其可能的配位模式见图1；另外考虑到电荷平衡，以及配合物一般是在酸性介质中制备的，化合物中可能含有一定的平衡H+, 可能通过氢键与水分子结合，具体结构有待单晶衍射证实.

2.5配合物的荧光光谱

在波长250 nm激发下，测定了配体以及稀土配合物在室温下的发射光谱，如图3所示.

表2 配体及稀土配合物的IR数据 cm-1

图3 配体(a)和稀土Sm配合物、Eu配合物(b)的发射光谱图Figure 3 Emission spectra of the ligand and the Sm and Eu complexes (a) The ligand (b) The Sm and Eu complexes

从图3可知，在340～350 nm附近的宽峰和560 nm 的弱峰可归属为配体的发射峰，由于自由配体在350 nm和560 nm可观察到有类似特征的发射峰，其中350 nm的宽峰是配体中苯环的邻位结构所带有的特征发射峰；在560 nm以上不同的金属配合物出现的峰不相同，因而大于560 nm出现的发射峰是各个金属离子和配合物的特征发射峰.Sm配合物荧光光谱的特征峰强度比Eu弱，2个特征的发射峰分别位于590 nm和620 nm，由于没有能量传递给配体，所以配体的荧光发射峰基本没有发生移动；Eu配合物产生Eu3+离子的特征发射，578 、588 、618 nm和650～700 nm对应的峰分别归属于5D0→7F1，5D0→7F2，5D0→7F3和5D0→7F4跃迁，其中在618 nm处的5D0→7F3跃迁最强.650～700 nm的宽峰可能是配体和金属离子相互作用导致特征发射光谱的宽化.

Eu3+离子的5D0→7F1跃迁为磁偶极跃迁，5D0→7F2跃迁为电偶极跃迁.当被激发的Eu3+离子处于对称中心时，一般只能观察到磁偶极跃迁；但当被激发的Eu3+离子不处于对称中心时，由于配体场的微扰使 f 组态混入不同宇称状态，不仅能观察到磁偶极跃迁的谱线，也能观察到较强的电偶极跃迁的谱线[13].本文合成的Eu配合物的电偶极跃迁5D0→7F2强度大于磁偶极跃迁5D0→7F1强度，表明Eu3+位置的对称性较低，Eu3+不处在晶格的对称中心位置，因此配合物发出较强的荧光.与配位前Eu3+离子荧光光谱比较，该配合物荧光光谱不仅展现出Eu3+离子的特征发射光谱，同时将荧光强度大幅度提高，配体的发射峰也由原来的350 nm向短波方向移动到339 nm，说明在Eu3+离子的作用下，发生了从金属离子到配体的电子传递过程，配体得到了金属离子传递的能量，使配体的能级升高，荧光光谱发生“蓝移”.

2.6配合物的弛豫性能

表3说明不同浓度的Gd配合物的弛豫率R1与Gd-DTPA的弛豫率4.37 mmol/(L·s)相比，增强效果达到大于150%.说明本文所合成的Gd配合物对水质子的弛豫速率起到良好的加速作用. 这可能与配体的结构修饰有关，首先是在EDTA上引入芳香酸基团，增大了相对分子量，导致旋转相关时间的延长，提高配合物的弛豫效率；其次是经过结构修饰后的配体含有羧酸基团，可以通过氢键在配合物周围束缚较多的水分子，使外层弛豫更为有效.

表3 Gd配合物的纵向弛豫时间T1和弛豫率R1

Table 3 The relaxation timeT1and relaxivityR1of the Gd-complex

Compoundc/(mmol·L-1)T1/sR1/(mmol·L-1·s-1)RelaxivityIncrease/%H2O+D2O—1．830——Gd(HL)·3H2O2．030．0647．43170．0Gd(HL)·3H2O2．690．0497．38168．9Gd(HL)·3H2O5．640．0237．61174．1Gd-DTPA2．030．1064．37100．0

人体的某组织出现病变时，病变部位周围的免疫反应和细胞浸润改变了该部位的含水量，造成正常组织和病变组织含水量的差别.同一组织在正常和病变情况下，氢原子核的密度和弛豫时间存在着明显差异，其中自旋-晶格弛豫时间T1和自旋-晶格弛豫率R1是表征这些差异的特征参数. 本文合成Gd配合物的自旋-晶格弛豫时间T1与Gd-DTPA相比，明显缩短，而弛豫率R1与Gd-DTPA的弛豫率4.37 mmol/(L·s)相比，增强效果显著提高.高弛豫率是顺磁配合物作为MRI造影剂的前提，因此本文合成的Gd配合物具有作为潜在造影剂具有进一步开发应用前景.

3 结论

以乙二胺N,N-二(4-乙酰胺苯甲酸)二乙酸为配体，分别与稀土离子Sm3+、Gd3+、Eu3+和过渡金属离子Mn2+、Fe3+组装得到系列1∶1型配合物.在合成的配合物中，Eu配合物荧光强度最强，说明有机配体能够强烈敏化Eu3+发光，是一种高效的发光材料.Gd配合物的体外纵向弛豫率R1平均为7.43 mmol/(L·s)，与小分子配合物Gd-DTPA相比，体外弛豫性能有明显提高，具有顺磁配合物作为MRI造影剂具有进一步开发应用前景.

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Keywords： derivatives of ethylenediamine tetraacetic acid; complex; fluorescence spectrum; relaxation property

【责任编辑 成 文】

SYNTHESIS,CHARACTERIZATIONANDPROPERTIESOFCOMPLEXESBASEDONLIGANDETHYLENEDIAMINE-N,N-DI(4-ACETAMIDEBENZOICACID)-DIACETATE

LI Jia1,3, HAO Zhifeng2*, CHEN Linmiao2, LIU Wenfeng2, MA Xiaoyi2

(1.School of education, South China Normal University, Guangzhou 510631,China; 2. Faculty of Chemical Engineering and Light Industry, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China; 3. Education Examination Authority of Guangdong Province, Guangzhou 510631, China)

The ligand ethylenediamine-N,N-di(4-acetamide benzoic acid)-diacetate(H4L) is synthesized by acylation reaction of ethylenediamine tetraacetic acid dianhydride andp-amniobenzoic acid. A series complexes were prepared after the reaction of the ligand with rare earth ions Gd3+，Sm3+，Eu3+and transition metal ions Mn2+,Fe3+respectively. The complexes were characterized by IR, UV-Vis, element analysis and TG-DTA. The results showed that the chemical composition of the complexes is confirmed to be M(HL)·3H2O(M=Sm3+, Eu3+,Gd3+,Fe3+)or M(H2L)·3H2O(M=Mn2+). The fluorescence emission spectra of the complexes were measured and investigated, there is no characteristic emission peak of ion in fluorescence emission spectrum for Gd(HL)·3H2O, while emission peak of5D0→7F3transition is the strongest at 618 nm for the complex Eu(HL)·3H2O. The longitudinal relaxivityR1of Gd complex was 7.43 mmol/(L·s),which was more greater than small molecular weight complex Gd-DTPA.

2010-11-10

广东省自然科学基金项目(06021469，10251009001000003)；广东省科技计划项目(2009B011000012, 2010B010800029)

*通讯作者,haozhifeng3377@163.com

1000-5463(2011)02-0075-06

0623.626

A