镍(Ⅱ)-吡嗪-2，3-二羧酸配合物的结构及其生物活性

焦 韦， 付 虹， 徐晓莹， 高恩军

(1.沈阳化工大学应用化学学院，辽宁沈阳 110142;2.沈阳市无机分子基材料化学(国际)重点实验室，辽宁沈阳 110142)

在过去几年中，配合物的分子结构和生物活性在无机化学领域受到人们更多的关注.镍(Ⅱ)是一种常见的过渡金属，一般具有2种配位形式:四配位和六配位［1-3］.镍(Ⅱ)的配位方式取决于配体结构、溶剂和反应条件，其中配体起决定性作用.它不仅可以确定分子结构的复杂性，协调超分子的新颖聚集方式［4-5］，还可与 DNA和各种生物活性相互作用［6-10］.吡嗪是非常好的桥联配体，金属离子可通过它的轨道重叠达到相互间的电子偶合.因而吡嗪可看做一个潜在的磁交换媒介.羧酸配体也可做为桥联基团为金属提供磁交换作用的途径.然而对于同时将含有这2类基团的吡嗪二羧酸类化合的研究并不常见.本文采用吡嗪-2，3-二羧酸为配体，合成新颖的配合物 Ni［Pyzdc(COO)COOH］2·2H2O 单晶，并通过2个吡嗪-2，3-二羧酸配体以氮原子和氧原子与镍(Ⅱ)离子反式螯合配位.通过X-射线衍射结构分析表明，镍(Ⅱ)形成一个八面体几何形状，通过氢键的弱相互作用使整体结构稳定.应用紫外光谱法和荧光光谱法，初步证实配合物与DNA相互间以插入作用为主.与此同时，又用凝胶电泳法测定配合物对pBR-322质粒DNA的切割能力.

1 实验部分

1.1 试剂和仪器

从商业来源所获得的化学品试剂均为分析纯，不经进一步纯化，直接使用.通过Finnigan EA 1112元素分析仪，Nicolet 470红外光谱仪，Bruker Smart 1000 CCDX射线晶体衍射仪，Shimadzu UV-240紫外-可见分光光度计，Perkin Elmer LS55荧光分光光度计以及JS-380A自动凝胶图像分析仪对配合物的结构、特性以及生物活性进行初步研究.

1.2 配合物的合成

将10 mL浓度为10 mmol/L的硝酸镍水溶液与20 mL浓度为10 mmol/L的吡嗪-2，3-二羧酸水溶液混合，在连续搅拌下，用0.5 mol/L的KOH调节混合溶液pH值为6.3，搅拌8 h后pH值相对稳定为7.52.将该溶液过滤至烧杯中，在室温下放置16 d后有淡绿色晶体析出.

元素分析实测值(%，C12H8N4NiO10计算值):C 33.74(33.76);H 41.86(41.89);N 13.13(13.12).

红外图谱显示(cm-1;s，强峰;m，中峰;w，弱峰):3 404(m);2 360(m);1 636(m);1 609(m);1 438(m);1 395(m);1 129(m);668(m).

2 配合物的晶体结构及弱作用分析

选取尺寸为0.13 mm×0.05 mm×0.08 mm的配合物单晶.在BruckerSmart 1000 CCDX单晶衍射仪上，以经过石墨单色器的Mo-Ka为靶源(λ =0.071 073 nm)，在2.84°＜2θ＜26.02°范围内收集衍射数据.在293 K下，以ω-2θ方式共收集了4 610个衍射数据，其中独立数据1 479个［R(int)=0.0218］，-11≤ h ≤ 10，-9≤ k≤9，-12≤ l≤12，R 最终指数(I＞2σ(I)):R1=0.036 9，wR2=0.092 8;R 指数(所有数据):R1=0.040 4，wR2=0.095 5.部分配合物键长键角如下:

配合物晶体结构中主要的键长(nm)如下:Ni(1)—N(1):0.204(2)nm;Ni(1)—O(4):0.202(2)nm;Ni(1)—O(5):0.212(2)nm.

配合物晶体结构中主要的键角(°)如下:N(1)—Ni(1)—O(4):79.26(8)°;N(1)—Ni(1)—O(5):91.08(8)°;O(4)—Ni(1)—O(5):90.28(8)°.

从晶体结构(见图1)可以看出，配合物Ni［Pyzdc(COO)COOH］2·2H2O 是由 2个吡嗪-2，3-二羧酸为配体的单核配合物，Ni(Ⅱ)分别与2个Pyzdc配体上的羧酸氧和氮以及2个水分子中的氧形成八面体结构.该分子存在穿过Ni(Ⅱ)的中心对称.配体的羧酸与其Ni(Ⅱ)的距离(Ni(1)—O(4))为0.202(2)nm.C(6)—O(3)的距离为0.126(4)nm、C(6)—O(4)的距离为0.125(4)nm，这两个距离很相近，说明羧酸的3个原子O—C—O之间存在某种程度的共轭使C—O键长发生了平均化.从图2可以看出，每个配合物之间通过C—O…H的氢键作用，形成稳定的一维结构，其中 O(1)—H(5A)、O(2)—H(5A)的距离分别为0.206 nm、0.275 nm.与此同时，在图3中可以看到，通过O(1)与H(5B)之间C—O…H的氢键作用，形成了二维空间结构.其中O(1)—H(5B)之间的距离为0.211 nm.

图1 Ni［Pyzdc(COO)COOH］2·2H2O 的分子结构Fig.1 Molecular structure of Ni［Pyzdc(COO)COOH］2·2H2O

图2 Ni［Pyzdc(COO)COOH］2·2H2O的一维链结构Fig.2 One-dimensional chain structure of Ni［Pyzdc(COO)COOH］2·2H2O

图3 Ni［Pyzdc(COO)COOH］2·2H2O的二维链结构Fig.3 Two-dimensional structure of Ni［Pyzdc(COO)COOH］2·2H2O

3 配合物与DNA作用机理讨论

3.1 配合物与CT-DNA作用的紫外光谱测定

DNA分子在波长为260 nm处具有典型的吸收峰，这是由核酸中有碱基共轭双键存在.在波长为260 nm处，DNA双螺旋分子的吸光度值比DNA分子中各碱基的吸光度值的和要小很多，这种现象被称为“减色效应”.这是由于DNA分子中各碱基平行、紧密的堆叠所引起的.

配合物与CT-DNA(CT-DNA是小牛胸腺DNA)相互作用的紫外光谱如图4所示.由图4可知，在波长为190～360 nm范围内有多个吸收峰.相同浓度 Ni［Pyzdc(COO)COOH］2·2H2O(2.0×10-5mol/L)掺入到不同浓度DNA后，对应285 nm左右的吸光度值逐渐减小，表现为比较明显的减色效应，DNA的最大吸收峰发生蓝移现象.当配合物与DNA碱基对以插入方式结合时，由于配体与碱基的π*空间和π电子轨道发生偶合现象，使能级发生变化，从而导致蓝移现象的产生［11］.上述紫外光谱的变化显示配合物中较大的平面芳环配体Pyzdc与DNA以插入方式发生了非共价键作用.

图4 Ni［Pyzdc(COO)COOH］2·2H2O 对CT-DNA的吸收光谱影响Fig.4 Absorption spectrum of the Ni［Pyzdc(COO)COOH］2·2H2O in the absence and presence of increasing amounts DNA

3.2 配合物与DNA-EtBr作用的荧光光谱测定

溴化乙锭(EtBr)是非常重要的平面分子荧光探针［12］.EtBr分子平行地嵌插入DNA分子内部，由于EtBr本身具有一定的荧光，而DNA分子没有荧光，当EtBr插入DNA分子之后，增加了EtBr分子的平面刚性，淬灭现象减小，荧光明显增强.

图5为配合物与HeLa-DNA作用的荧光光谱图.由图5可知，随着配合物浓度的增加，DNA-Et-Br体系荧光强度逐渐减弱，并且浓度越大，荧光猝灭现象愈明显.由斯特恩-沃尔默(Stern-Volmer)方程［13］:I0/I=1+Ksqr，其中 r是配合物与DNA浓度的比值，I0和I分别表示不存在和存在淬灭体时的荧光强度，Ksq是斯特恩-沃尔默(Stern-Volmer)淬灭常数.由图6可计算出该混合物的Ksq=0.190 4.实验结果表明:当DNA分子加入到配合物中，发生了π-π堆砌作用，这是由于配合物［Pyzdc(COO)COOH］2·2H2O中较大的疏水平面芳环(Pyzdc)插入到了DNA碱基对中.

图5 Ni［Pyzdc(COO)COOH］2·2H2O 对DNA-EtBr体系荧光强度的影响Fig.5 Emission spectrum of EB bound to DNA in the presence of Ni［Pyzdc(COO)COOH］2·2H2O

图6 Ni［Pyzdc(COO)COOH］2·2H2O的Stern-volmer图Fig.6 Stern-volmer quenching plots of the Ni［Pyzdc(COO)COOH］2·2H2O

3.3 配合物对pBR322-DNA的切割能力测定

在外电场作用下，带电颗粒如不处于等电状态，将向着与其所带电荷电性相反的电极移动.电泳时，样品在电槽中外电场的作用下发生移动，超螺旋带(FormⅠ)分子质量较小，在电场的作用下迁移速率较大;开环带(FormⅡ)分子质量最大，在电场的作用下迁移速率最小，而线性带(FormⅢ)处于两者之间.实验中，随着配合物浓度增加，FormⅠ解旋慢慢转化为FormⅡ，同时DNA会发生一定降解［14-17］.

配合物与pBR322-DNA(0.01 g/L)作用相同时间后断裂结果如图7所示.随着配合物浓度的增加(Lane 0是纯的DNA，Lane 1～3为配合物与DNA在有氧条件下反应2 h的电泳图像，配合物浓度分别为 3.3、6.6、13.2 μmol/L)，其对pBR322-DNA切割能力越来越大，即FormⅠ逐渐减少，解旋慢慢转化FormⅡ，即FormⅡ越来越多，但无线性带FormⅢ出现.因此可以看出该配合物对pBR322质粒DNA具有一定的切割能力，这与紫外吸收光谱、荧光光谱实验中得到的结论相吻合.

图7 Ni［Pyzdc(COO)COOH］2·2H2O与质粒pBR322-DNA电泳切割图Fig.7 Cleavage of pBR322-DNA in the presence of Ni［Pyzdc(COO)COOH］2·2H2O

4 结论

(1)Ni［Pyzdc(COO)COOH］2·2H2O 单晶为八面体构型，2个吡嗪-2，3-二羧酸配体以氮原子和氧原子与镍(Ⅱ)离子反式螯合配位，2个H2O分子则以氧原子与镍(Ⅱ)离子轴向配位，形成八面体配合物.

(2)配合物分子之间通过氢键弱相互作用形成新颖的超分子结构.紫外光谱和荧光光谱的测定均表明配合物与DNA之间发生了插入作用.在配合物对pBR322-DNA的切割能力测定中可以看出该配合物对pBR322质粒DNA具有一定的切割能力，这与紫外吸收光谱、荧光光谱实验中得到的结论相吻合.

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