聚三水合乙二胺四乙酸合钒酸钾的合成及结构表征＊

张瑞红，朱苗力

（1.西安工业大学 材料与化工学院，西安 710021；2.山西大学 分子科学研究所，太原 030006）

糖尿病是全球最常见的代谢内分泌疾病之一，根据其发病机制的不同可分为Ⅰ型糖尿病（T1DM）和Ⅱ型糖尿病（T2DM）.临床表现为血糖升高、尿糖阳性及糖耐量降低，典型症状为“三多一少”，即多饮、多尿、多食和体重减少.糖尿病已对人类的健康构成了严重的威胁，所以寻求更有效的药物控制糖尿病的发展，减少糖尿病的危害，是目前治疗糖尿病的主要发展方向.

1899年研究人员就发现糖尿病人用钒酸钠治疗后，尿糖明显降低.直到1975～1980年间，钒化合物在药用价值方面的研究才又引起了生物化学家和细胞学家的兴趣.1980年进行了有关钒酸盐模拟胰岛素在促进老鼠脂肪细胞己糖的吸收和葡萄糖的代谢等方面的研究［1］.1992年 Mcneil［1-2］等率先对具有双氧配体结构的有机钒化合物－联麦氧钒（Bis（maltolato）oxovanadium（IV），BMOV）进行了研究，结果证明其具有钒类共有的降糖作用，且对糖尿病大鼠的降血糖能力是硫酸氧钒的2～3倍，腹泻、脱水等副作用明显减少.通过给STZ糖尿病大鼠服用BMOV 6个月，没有发现毒性表现，由此可见这是一种很有潜力的拟胰岛素制剂.而1995年Sakurai等［3］报道，经口给予二一吡啶甲酸氧钒治疗STZ诱导的糖尿病大鼠14天后，血糖浓度降至正常，停药后降糖作用可维持30天.实验证明：有机钒配合物毒性较小，且胰岛素效应增强.谢明进［4］对合成的糠酸氧钒配合物进行了糖尿病动物模型实验，结果表明：①VO（FA）可以影响动物的新陈代谢，毒性低等优点，但仍存在一定的胃肠道毒副作用；②VO（FA）具有潜在地降糖作用.为此研究人员通过合成有机钒化合物以提高钒在机体的生物利用度.有机钒化合物不仅可以降低金属的使用剂量和毒副作用，而且还能够增加钒化合物的溶解度，延长其药物的作用时间和药效.

在合成钒配合物时对于有机配体的选择主要考虑的是：配合物的水溶性和脂溶性好、配体毒性低、配合物有适中的稳定性；因此有机钒配合物受到广泛的关注，特别是以人体的生物小分子氨基酸、低毒的有机羧酸以及具有抗糖尿病的有机药物为配体的钒配合物成为现在药物研究和开发的热点［5-6］.

文中主要是以有机羧酸乙二胺四乙酸作为钒的配体，合成和表征一个新型钒配合物聚三水合乙二胺四乙酸合钒酸钾，不仅可能提高钒化合物的生物利用度，而且可能增强或改进有机物的活性，同时可能降低钒的毒性.

1 实验部分

1.1 原料及试剂

乙二胺四乙酸（分析纯，上海试剂一厂）；硫酸氧钒（分析纯，上海盈元化工有限公司）；碳酸钾（分析纯，上海九鹏化工有限公司）.

1.2 实验仪器

红外光谱测定：采用日本岛津公司的Perkin－Elmer－983型傅立叶变化红外仪，KBr压片在Shimadzu 8300FT－IR－830红外压片装置上完成，在4000～400cm－1范围内扫谱.元素分析：Perkin－Elemer 240B型元素分析仪.晶体测定：Bruker Smart 1000CCD X射线晶体衍射仪，德国.

1.3 聚三水合乙二胺四乙酸合钒酸钾的合成及单晶培养

称取11.69g（40mmol）的乙二胺四乙酸（EDTA）和11.20g（80mmol）的碳酸钾（K2CO3）溶于100mL的去离子水中，不断搅拌同时有大量气泡冒出，呈无色透明溶液，称取6.25g（40 mmol）的硫酸氧钒（VOSO4）加入到溶液中，继续搅拌，完全溶解后溶液呈蓝色，在室温下搅拌24 h，停止反应，进行减压旋转蒸发溶液大约至20mL左右，pH＝7，有沉淀生成，过滤，溶液放置在室温下进行缓慢挥发，过夜后长出立方状的蓝色晶体.

1.4 晶体结构的测定

所选晶体尺寸0.40mm×0.30mm×0.20 mm，测试温度为298K.将晶体置于Bruker Smart 1000CCD型X射线单晶衍射仪，衍射数据采集采用石墨单色器单色化的 Mo Kα辐射射线（λ＝0.71073Å）和ω－2θ扫描方式，在2.65≤θ≤25.00范围内收集了6813个衍射点，2957个独立点，其中2613个可观察点（I＞2δ（I））用于晶体结构解析.所得数据经Lp因子及经验吸收校正.该配合物晶体为单斜晶系，空间群为P21／c，晶胞参数a＝6.6701（13）Å，b＝13.618（3）Å，c＝18.693（4）Å，β＝96.150（2）°，V＝1688.2（6）Å3，Z＝4，μ＝0.90mm－1，Dc＝1.768g／cm－3，F（000）＝924.

晶体结构解析在微机上用Bruker AXS SHELXTL 6.10软件来完成，用直接法求得初始结构，全部非氢原子在以后的数轮Fourier合成中陆续确定，对全部非氢原子的坐标、各项异性温度因子采用全矩阵最小二乘法对F2进行修正，最终偏差因子R＝0.036，wR＝0.088，GOF＝1.069，精修参数为236个，最终值Fourier上的最大残余峰Δρmax＝0.33Åe－3和最小残余峰 Δρmin＝－0.22Åe－3.所有计算由SHELX－97晶体结构分析程序包完成.

2 结果与讨论

2.1 配合物的元素分析

配合物聚三水合乙二胺四乙酸合钒酸钾［KV（C10H13N2O8）O（H2O）3］n元 素 分 析 结 果 为（括号内为理论值）：C，26.79% （26.74%）；H，4.46% （4.49%）；N，6.887%（6.93%）.其组成为［KV（C10H13N2O8）O（H2O）3］n.

2.2 配合物的红外光谱分析

在室温下，采用KBr压片后进行红外光谱测试，在4000～400cm－1范围内扫光谱图，分辨率2 cm－1，具体归属结果见表1.

表1 配合物的红外光谱数据（cm－1）Tab.1 The infrared spectral data of complexes（cm－1）

从红外光谱数据可以看出，配合物中碳氮伸缩振动VC－N在1099cm－1附近处有中等强度的吸收峰，表明配体中氮原子参与了配位［7］.配合物在1700cm－1处无吸收峰，说明不存在游离的羧基，并且配合物中羧基的反对称伸缩振动Vas（COO－）和对称伸缩振动Vs（COO－）分别在1591cm－1和1406 cm－1处出现的吸收峰，与配体相比，它们有不同程度的红移和紫移，表明羧基中氧原子参与了配位［8］，也说明配合物中存在螯合或桥式配位的羧酸根.

配合物在3400cm－1附近处有宽峰，是水分子的羟基伸缩振动VOH，说明配合物中存在有水分子，同时配合物在969cm－1处范围内出现吸收峰，表明配合物中有钒氧的伸缩振动

2.3 配合物晶体结构的描述及讨论

由于钒的配合物对糖尿病有明显降血糖作用，因此本文在水溶液中合成了聚三水合乙二胺四乙酸合钒酸钾配合物单晶并测定了其晶体结构.经X Ray晶体衍射仪测试，该配合物属于单斜晶系，空间点群为 P21／c，分子式为［KV（C10H13N2O8）O（H2O）3］n，分子量为449.31g／mol，晶胞参数a＝6.6701（13）Å，b＝13.618（3）Å，c＝18.693（4）Å，β＝96.150（2）°，V＝1688.2（6）Å3，Z＝4，μ＝0.90mm－1，Dc＝1.768g／cm－3，F（000）＝ 924，R＝0.036，wR＝0.088，GOF＝1.069.配合物的晶体结构见图1.

图1 配合物的晶体结构Fig.1 Perspective view of molecule for the complex

由图1知，配合物［KV（C10H13N2O8）O（H2O）3］n中，V（IV）离子与来自EDTA配体中的三个羧酸基氧原子和两个氮原子以及硫酸氧钒中的一个氧原子配位.配合物中的V（IV）离子形成六配位的畸变八面体结构，V（1）离子周围的配位环境是N（2），O（2），O（4），O（6）处于赤道平面（V1－N2＝2.172（2）Å，V1－O2＝2.0092（16）Å，V－O4＝2.0104（17）Å，V－O6＝1.9816（17）Å），而 N（1），O（1）处于轴向位置（V1－N1＝2.298（2）Å，V1－O1＝1.5955（18）Å）.其中配合物中的配体乙二胺四乙酸的1个羧基的氢未电离，没有参与钒离子的配位.钾离子与两个水分子、两个桥键水分子和来自HEDTA中的三个羰基氧原子形成七配位结构，K…O之间平均距离是2.83（2）Å；K1…K1w之间距离是4.6380（14）Å.配合物晶体中部分键长和键角见表2.

表2 ［KV（C10H13N2O8）O（H2O）3］n的主要键长和键角Tab.2 Selected bond lengths and angles for［KV（C10H13N2O8）O（H2O）3］n

配合物的晶胞堆积如图2所示，由图2可见，分子内氢键和分子间配位键以及金属键起着非常重要的作用.晶胞中羧基氧原子与羰基氧原子，部分钾离子配位的水分子与羰基氧原子，部分钾离子配位的水分子与羧基氧原子，钾离子配位的水分子与部分钾离子配位的水分子存在分子间氢键；钾离子与钾离子之间存在的金属键；羰基氧原子与钾离子分子之间存在的配位键.分子间氢键H…O的键长范围是1.75～2.26Å，配合物晶体氢键数据参数见表3，金属键K…K的键长是4.6380Å，配位键K…O的键长是2.7540～2.900Å，因此配合物分子之间就是通过氢键和配位键以及金属键连结成稳定三维网状结构.

图2 配合物中的晶胞堆积图Fig.2 Packing diagram of the complex

表3 配合物晶体氢键参数Tab.3 Hydrogen－bond parameter for complex

3 结论

以有机羧酸乙二胺四乙酸作为钒的配体，用常温溶液挥发法培养出蓝色晶体聚三水合乙二胺四乙酸合钒酸钾的钒配合物，其属于单斜晶系，空间点群为P21／c，分子式为［KV（C10H13N2O8）O（H2O）3］n，分子量为449.31g／mol，所测单晶的配合物分子中含有一个八配位的V（IV）离子和七配位的钾离子结构单元，V（IV）离子与来自EDTA配体中的三个羧酸基中的氧原子和两个氮原子以及硫酸氧钒中的一个氧原子配位，而形成以V（IV）离子为中心六配位畸变八面体结构.钾离子与两个水分子、两个桥键水分子和来自HEDTA中的三个羰基氧原子配位形成七配位结构.配合物分子之间就是通过氢键和配位键以及金属键连结成稳定三维网状结构.

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