邻氧乙酸苯甲醛缩水杨酰腙及其配合物结构的量子化学研究和生物活性分析

罗飞华，杨 莉，张 萍，王 辉

(四川文理学院 化学与化学工程系，四川 达州 635000)

水杨酰腙类Schiff碱及其金属配合物是具有生物活性的化合物，具有抗菌、抗病毒及抗癌等生物活性[1-3]. 我们曾对邻氧乙酸苯甲醛缩水杨酰腙及其与Cu(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)的配合物的合成和生物活性进行过研究[4]，而它们的结构与生理活性的理论研究尚未见报道.

现代药物分子设计理论认为，药物分子(底物)的活性取决于其活性构象，这种构象必须与生物大分子(受体)活性中心的构象相匹配. 因此，探讨药物分子的构效关系(QSAR)对药物分子的生理活性研究至关重要. 作者利用Gaussian03W在B3LYP/3-21G水平上对标题化合物进行了理论计算, 对它们的几何结构、原子电荷布局、前沿轨道能量和生理活性进行了理论研究.

1 计算方法

应用Gaussian03W程序，在B3LYP/3-21G水平上对邻氧乙酸苯甲醛缩水杨酰腙(H2L)及其与金属离子M(M= Cu(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)、Ni(Ⅱ))形成的配合物ML进行全优化计算. 计算采用的原子输入坐标来自晶体结构数据[5]，未加对称性限制. 频率计算结果无虚振动频率，优化结果为稳定构型. 全部计算均在Pentium IV 3.0微机上进行，计算中所有收敛精度均取程序设定的缺省值. 图1为酰腙配体(H2L)及其配合物ML的结构式.

图1 配体及配合物的结构式Fig.1 Structures of the ligand and the complexes

2 结果与讨论

2.1 电荷布居分析

图2与图3为酰腙配体(H2L)及其配合物ML优化后的稳定构型图，表1中列出了部分原子的自然原子电荷. 对H2L及其M(II)配合物ML的自然原子电荷进行分析，在配体H2L中N1、N2、O1、O2、O3、O4、O5均带有较多的负电荷，其中N2：-0.284 3、O2：-0.509 6、O3：-0.528 4、O4：-0.455 6，这些原子形成了一个带负电荷的空腔，有利于带正电的金属离子的嵌入，说明在形成配合物的过程中除了结构上的优势外，还有静电作用的优势，这与所得配合物构型相符[6]. N1 (-0.617 7)和O1 (-0.623 6)同样具有较大负电荷但未参与配位，可能与空间位阻有关. 在配合物中O4和N1上的H+离子脱去后将一对电子留给O4和N1，而N1上负电荷较配位前明显降低，O4上电荷变化不明显，表明N1和O4上的负电荷通过共轭大π键传递给了O2、O3和O4，但O2、O3和O4负电荷并无明显增加，这说明配位原子将较多的负电荷给了M(Ⅱ)(如Cu上仅带有0.896 4正电荷，说明配位原子向Cu转移的净电荷为1.104)从而形成较为稳定的配位键[7].

图2 配体H2L优化后的构型Fig.2 Configuration of H2L after optimization

图3 配合物ML优化后的构型Fig.3 Configuration of ML after optimization

2.2 前沿轨道能量分析

依据分子轨道理论的观点，最高占据轨道(HOMO)、最低空轨道(LUMO)及其附近的分子轨道决定分子的化学性质，对分子的生物活性影响最大. HOMO具有优先提供电子的作用，LUMO具有优先接受电子的作用. 图4和图5显示，配体分子中HOMO主要由苯环碳原子、氮原子、羰基氧原子及醚氧基氧原子提供，LUMO则主要由苯环碳原子、羰基氧原子及羟基氧原子提供，故在形成配合物的过程中这些原子应具有较好的活性，这与配合物单晶衍射分析结果基本一致[3].

前沿轨道能隙(ΔEL-H=ELUMO-EHOMO)的大小决定了电子跃迁的难易程度，能很好地反映化合物的生物活性[8-9]. 由表2可以看出ΔEL-H和ΔEL-(H-1)(ELUMO-EHOMO-1)的大小趋势H2L>NiL>ZnL>CuL；ΔE(L+1)-H(ELUMO+1-EHOMO)和ΔE(L+1)-(H-1)(ELUMO+1-EHOMO-1)的大小趋势为H2L> ZnL >NiL > CuL，故配合物的生物活性明显会比配体要强，这与实验得到的结果基本一致[4].

表1 化合物部分原子的自然原子电荷Table 1 Partial atomic Mulliken charges of the complexes

图4 配体H2L的HOMO轨道Fig.4 The HOMO of H2L

图5 配体H2L的LUMO轨道Fig.5 The LUMO of H2L

H2LNiLZnLCuL*E(total)-1 097.635 5-2 610.451 1-2 881.437 2-2 729.185 06HOMO-1-0.237 4-0.242 4-0.239 5-0.231 7/-0.232 4HOMO-0.218 5-0.220 2-0.217 6-0.211 2/-0.211 2LUMO-0.058 3-0.104 9-0.103 3-0.099 4/-0.099 9LUMO+10.027 3-0.043 4-0.038 8-0.041 3/-0.058 0ΔEL-H0.160 30.115 30.114 30.111 8/0.111 2ΔEL-(H-1)0.179 10.137 50.136 20.132 3/0.132 5ΔE(L+1)-H0.191 20.176 90.178 80.169 9/0.153 2ΔE(L+1)-(H-1)0.210 10.199 00.200 70.190 4/0.174 4

*α态/β态

3 结论

1) 邻氧乙酸苯甲醛缩水杨酰腙(H2L)及其过渡金属配合物ML(M= Cu(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)、Ni(Ⅱ))的结构优化和电荷分析表明该类配体中氮原子和氧原子均具有较好的配位性能，且所得配合物结构稳定.

2) 配体(H2L)及其过渡金属配合物(ML)的HOMO轨道和LUMO轨道能量计算及前沿轨道能隙分析表明该类化合物具有一定的生物活性，且配合物的活性明显要比配体强.

参考文献：

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[4] 罗飞华，杨 莉，张 萍，等. 邻氧乙酸苯甲醛缩水杨酰腙及其配合物的合成与生物活性研究[J]. 化学研究与应用， 2010, 22(10):1315-1319.

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