2-甲酰基呋喃苯乙酰腙及其Ni（Ⅱ）配合物的晶体结构及热化学性质

杨再文 丁作成 刘向荣 赵顺省 张润兰 杨水兰

(西安科技大学化学与化工学院，西安710054)

2-甲酰基呋喃苯乙酰腙及其Ni（Ⅱ）配合物的晶体结构及热化学性质

杨再文 丁作成 刘向荣＊赵顺省 张润兰 杨水兰

(西安科技大学化学与化工学院，西安710054)

以苯乙酸甲酯、水合肼和呋喃甲醛为原料，合成了配体2-甲酰基呋喃苯乙酰腙(H2L：C13H12N2O2)，再与六水氯化镍反应，制得配合物Ni(HL)2(1)，并对配体及配合物进行了元素分析和X射线单晶衍射结构表征，结果表明，配体晶体属单斜晶系，P21/c空间群，晶胞参数为：a=1.161 9(3)nm，b=1.359 8(3)nm，c=0.792 16(19)nm，β=109.307(4)°；Ni（Ⅱ）配合物晶体属三斜晶系，P1空间群，晶胞参数为：a=0.455 70(14)nm，b=1.094 7(3)nm，c=1.204 8(4)nm，β=98.302(5)°。利用热重实验研究了H2L和1的热稳定性，并计算了各自热分解过程的表观活化能(Ea)，发现配合物的热稳定性要远高于配体。采用微量热法研究了H2L及1与小牛胸腺DNA(CT-DNA)的相互作用，实验结果表明，配合物的作用焓值(ΔH)要大于配体的焓值，说明配合物与CT-DNA的作用要比配体与CT-DNA的作用更强。

酰腙；Ni（Ⅱ）配合物；晶体结构；热稳定性；微量热

0引言

酰腙是一种特殊的Schiff碱，具有很强的配位能力、多样的配位形式和良好的生物药理活性，广泛地应用于新材料、农业、医药、分析试剂等领域[1-7]。芳酰腙是生物活性较强的一类腙，它能与细胞中的过渡金属形成稳定的螯合物，使相关的酶无法替代它而与这些金属结合，从而影响细胞体的有关酶促反应[8]。

近年来，酰腙类配体及其过渡金属配合物的超分子结构、结构中的氢键模式、理化性质和抗菌活性等方面的研究受到了广泛关注，相对于配体而言，金属配合物往往能够实现有机和无机的活性叠加，通常具有更好的抗菌活性[9-11]。例如，吡啶酰腙类配体的配位化学和生物学效应可用来调控生物活性铁螯合物的抗增殖活性[12]，酚酰腙作为雌激素相关孤核受体(ERR)的选择性激动剂的构效关系也得到了研究[13]。Marsh研究组利用离体标本研究了生物酰化植物激素脱落酸酰腙共轭体的功能和稳定性[14]。Sanders研究组研究了不同取代基对甾族N-酰腙的平衡分布和构象的影响[15]。我们课题组对酰腙及其金属配合物的生物活性也进行了系列研究[16-18]。为了进一步拓宽酰腙席夫碱及其配合物的研究领域，寻找具有生物和药物活性的物质，我们合成了配体2-甲酰基呋喃苯乙酰腙(H2L：C13H12N2O2)及其Ni（Ⅱ）配合物Ni(HL)2(1)，利用元素分析、X射线单晶衍射对其进行了表征和分析，利用热重技术对化合物进行了热稳定性研究，通过微量热实验研究了化合物与小牛胸腺DNA的相互作用。H2L与配合物1的合成路线如Scheme 1所示。

Scheme 1

1实验部分

1.1 试剂与仪器

苯乙酸甲酯、水合肼(80%)、呋喃甲醛、无水乙醇、甲醇、六水氯化镍为分析纯，使用前未经处理；小牛胸腺DNA为生物试剂。

XT4-100B熔点仪；PE-2400-Ⅱ元素分析仪；BRUKER SMART APEXⅡCCD单晶衍射仪；METTLER-TOLEDO TG-DSC1 HT热分析仪(N2流量为100.00 mL·min-1)；Setaram C80微量热仪。

1.2 配体H2L的合成及单晶的培养

1.2.1 苯乙酰肼(C8H10N2O)的合成

将苯乙酸甲酯和水合肼按1∶1.2的物质的量之比溶入甲醇中，80.0℃水浴加热回流2h，蒸出大部分甲醇，冷却，室温放置待固体析出，抽滤。然后，将滤饼用乙醇重结晶，得到白色针状晶体，再抽滤、干燥，即得苯乙酰肼,产率90.4%,熔点116.0～117.0℃。

1.2.2 配体H2L的合成及单晶的培养

称取1.50 g(10.0 mmol)苯乙酰肼，溶于50.0 mL乙醇中，滴加0.83 mL(10.0 mmol)呋喃甲醛，80.0℃水浴回流2 h，冷却，有白色沉淀生成，过滤、干燥得到产品1.75 g，熔点154.0～155.0℃，产率76.8%，元素分析实测值(理论值)(%)：C 68.95(68.41)，H 4.96 (5.30)，N 12.30(12.27)。

选择适量的、外观均匀的配体(H2L)溶于乙醇溶液中，搅拌溶解，过滤到25 mL的小烧杯中，静置挥发，大约2 d之后得到可测试用的淡黄色条形块状晶体。

1.3 配合物1的合成及单晶的培养

称取1 mmol NiCl2·6H2O溶于10 mL DMF中，将2 mmol配体(H2L)溶入10 mL乙醇中，用NaOH水溶液调节pH=7～8，然后向其中滴加氯化镍的DMF溶液，搅拌2 h后静置，过滤，得红褐色固体，干燥，得到配合物1。

称取0.01 g配合物，将其溶于5 mL乙醇中，回流0.5 h，趁热过滤，室温下静置滤液，约1个月后析出可供测试用的红褐色单晶，元素分析实测值(理论值)(%)：C 61.26(60.85)，H 4.36(4.32)，N 10.13(10.92)。

1.4 晶体结构的测定

分别选取0.37 mm×0.27 mm×0.14 mm的配体单晶和0.35 mm×0.27 mm×0.20 mm的配合物单晶，其X-射线衍射数据在Bruker APEXⅡ单晶X-射线衍射仪上完成。用经过石墨单色器单色化的Mo Kα射线(λ=0.071 073 nm)，于296(2)K下以ω/2θ扫描方式收集衍射数据，运用SADABS程序[19]进行经验吸收校正。应用SHELXS程序[20]利用直接法进行结构解析，所有非氢原子采用SHELXL程序[21]全矩阵最小二乘法进行各向异性精修，与其相连接的氢原子都由理论加氢法得到。晶体学数据详见表1。

1.5 CT-DNA结合性能研究(微量热的测定)

向参比池下层加入2 mL CT-DNA溶液，上层加入3 mL缓冲溶液，样品池下层加入2 mL CTDNA溶液，上层加入H2L溶液3 mL，消除溶液的混合热，在25℃下，用微量热仪检测并记录配体与CT-DNA作用的热量变化；用同样的方法检测配合物与CT-DNA作用的热量变化。

表1 配体H2L和配合物1的晶体学数据Table1 Crystallographic data for H2L and its complex 1

2结果与讨论

2.1 晶体结构

图1、2、3分别为H2L的分子结构图、氢键图和堆积图,H2L的主要键长、键角和扭转角数据见表2。

由图1和表2可知，在该化合物中，呋喃环和苯环二面角为69.9°，表明2个平面不平行。分子在空间上的不共平面性，在分子的局部也体现出来。扭转角C6-C7-C8-C9和C6-C7-C8-C13分别为-84.1(2)°和94.5(2)°，说明键C6-C7并不处于苯环所在的平面内，而是与该平面存在一定的夹角。分子中羰基C6-O2(0.121 4(2)nm)是典型的C=O双键，而C5-N1 (0.126 5(3)nm)的键长小于C6-N2(0.133 6(3)nm)的键长，说明了C5和N1之间C=N双键的形成。

图1 H2L的分子结构(椭球几率为30%)Fig.1 Molecular structure of the ligand H2L (Probability of ellipsoid is 30%)

如图2所示，配体分子间通过弱的N-H…O氢键(N2-H2…O2i氢键：H2…O2i0.238 nm，N2…O2i0.300 4(2)nm，N2-H2…O2i130.2°)和N-H…N氢键(N2-H2…N1i氢键：H2…N1i0.239 nm，N2…N1i0.321 9(2)nm，N2-H2…N1i161.4°)(氢键参数详见表3)彼此连接起来，拓展为一维的链式结构。这类氢键属于弱氢键范畴[22-24]。配体分子的堆积图(图3)展示了该分子的整体堆积情况。

表2 H2L的主要键长(nm)、键角(°)和扭转角(°)Table2 Selected bond lengths(nm),angles(°)and torsion angles(°)for H2L

表3 H2L的氢键键长(nm)和键角(°)Table3 Hydrogen bond lengths(nm)and bond angles(°)for H2L

图2 H2L的氢键图Fig.2 View of the hydrogen bonds of H2L

图4、5、6分别为配合物1的分子结构图、C-H…π弱作用拓展而来的一维链式结构图和堆积图，配合物1的主要键长、键角和扭转角数据见表4。

在1的分子结构中，2个Schiff碱配体的-1价离子提供了2个羰基O配位原子和2个亚胺基N配位原子与Ni（Ⅱ）离子配位，形成了1个以Ni（Ⅱ）离子为中心的2∶1配合物(图4)。每个配体与镍原子配位形成1个五元螯合环平面，C6-N2-N1-Ni1 (-0.4(2)°)、N1-Ni1-O2-C6(-0.25(15)°)、O2-Ni1-N1-N2 (0.35(15)°)、O2i-Ni1-N1-C5(1.5(2)°)与0°差别很小，说明Ni（Ⅱ）离子与4个配位原子位于同一平面上，配合物的配位中心具有较好的共面性。Ni（Ⅱ）离子与Schiff碱配体形成的Ni1-O2、Ni1-N1键长值分别为0.184 43(17)nm、0.184 8(2)nm，这与类似的配合物的键长基本一致[25]；Ni1-O2键长短于Ni1-N1键长，表明O与Ni（Ⅱ）的配位能力强于N与Ni（Ⅱ）的配位能力。

图3 H2L的堆积图Fig.3 Packing diagram of H2L

如图5所示，单体分子之间通过C-H…π弱相互作用连接起来，C5-H5A与邻近单体分子上的呋喃环之间存在C-H…π弱相互作用(H5A到呋喃环中心的距离即环心距为0.348 88(7)nm，C5-H5A与呋喃环心的夹角为102.303(160)°)，这种弱相互作用属于C-H…π弱相互作用的范畴[26-27]。在邻近的单体分子之间，尽管2个苯环平面几乎接近平行(二面角0.005°)，但是两者之间并不存在明显的π-π堆积作用，它们的环心距达到了0.455 7 nm[26-27]。有意思的是，酰腙的羰基氧和氮与Ni（Ⅱ）配位形成的五元环平面之间刚好平行(二面角0.00°)，环心距为0.335 08(7)nm。通过这些弱相互作用，Ni配合物单体分子之间拓展为一维的链式结构。这些链式结构进一步通过分子间弱相互作用堆积成为三维体，其堆积图见图6。

表4 配合物1的主要键长(nm）、键角(°)和扭转角(°)Table4 Selected bond lengths(nm),angles(°)and torsion angles(°)of complex 1

图4 配合物1的分子结构图(椭球几率为30%)Fig.4 Crystal structure of complex 1(Probability of ellipsoid is 30%)

图5 配合物1的拓展图Fig.5 View of the expanded structure of complex 1

图6 配合物1的堆积图Fig.6 Packing diagram of complex 1

2.2 热重分析

2.2.1 配体H2L热重分析

配体H2L在5.00℃·min-1下的TG-DTG曲线如图7所示，10.00及15.00℃·min-1的TG-DTG曲线与图7相似。该化合物的热分解呈现为一个过程，分解吸收峰出现在285.58℃，对应的失重率为98.86%，配体的热分解较为完全。

图7 配体H2L在5.00℃·min-1的TG-DTG曲线图Fig.7 TG-DTG curves of the ligand H2L at the heating rate of 5.00℃·min-1

采用Kissinger法和Ozawa法[28]计算了配体在不同升温速率下的主要分解过程的表观活化能，计算公式分别见公式(1)和(2)：

其中TP为分解峰温值，A为指前因子，Ea为表观活化能，β为恒定升温速率，G(α)为积分机理函数。将不同升温速率β(5.00，10.00，15.00℃·min-1)及相应DTG曲线上峰温值TP带入公式(1)和(2)。利用Kissinger法，以ln(β/TP2)对1/TP做图，直线斜率为-Ea/R，截距为ln(AR/Ea)，可求得表观活化能Ea及指前因子A。利用Ozawa法，以lgβ对1/TP做图，直线斜率为-0.456 7Ea/R，截距为lg[AEa/(RG(α))]-2.315，由于G(α)未知，所以Ozawa法只能求得表观活化能Ea。

图8为配体H2L在3个不同升温速率(5.00、10.00和15.00℃·min-1)下的DTG曲线，从图8可以看出3个升温速率DTG曲线上相应的峰温值TP分别为285.58、295.30、310.98℃，利用Kissinger法和Ozawa法求得了该化合物的线性相关系数(r)、指前因子(lgA)和表观活化能(Ea)，具体计算结果见表5。

图8 配体H2L在5.00、10.00、15.00℃·min-1下的DTG曲线图Fig.8 DTG graph of the ligand H2L at the heating rate of 5.00,10.00 and 15.00℃·min-1

2.2.2 配合物1的热重分析

配合物在5.00℃·min-1下的TG-DTG曲线如图9所示，10.00及15.00℃·min-1的TG-DTG曲线与图9相似。该配合物的热分解呈现为一个过程，分解吸收峰出现在294.37℃，对应的失重率为90.22%。

表5 配体H2L及配合物1的热分解动力学参数Table5 Kinetic parameters of thermal decomposition of the ligand H2L and complex 1

图10为配合物1在3个不同升温速率(5.00、10.00和15.00℃·min-1)下的DTG曲线，从图10可以看出3个升温速率DTG曲线上相应的峰温值TP分别为294.37、304.25、310.40℃，利用Kissinger法和Ozawa法求得了该化合物的线性相关系数(r)、指前因子(lgA)和表观活化能(Ea)，具体计算结果见表5。

图9 配合物1在5.00℃·min-1的TG-DTG图Fig.9 TG-DTG curves of the complex 1 at the heating rate of 5.00℃·min-1

图10 配合物1在5.00、10.00、15.00℃·min-1下的DTG曲线图Fig.1 0DTG graph of the complex 1 at the heating rate of 5.00,10.00 and 15.00℃·min-1

从图7和9提供的分解温度的角度来看，配体的分解(大量失重时)温度低于配合物，说明配合物1比配体具有更好的热稳定性；根据图8和10呈现的不同升温速率下的分解峰温值TP，利用Kissinger法和Ozawa法求得了配体和配合物的指前因子(lgA)和表观活化能(Ea)(数据详见表5)，配体和配合物热分解各自所需的表观活化能，分别为103.95和179.38 kJ·mol-1。

图11 配体H2L与CT-DNA作用热谱图Fig.1 1Thermogenic curve for CT-DNA interaction with the ligand H2L

图12 配合物1与CT-DNA相互作用热谱图Fig.1 2Thermogenic curve for CT-DNA interaction with the complex 1

图13 不同质量的配体H2L与CT-DNA作用热谱图Fig.1 3Thermogenic curves for CT-DNA interaction with the ligand H2L with different weight

2.3 CT-DNA结合性能研究(微量热分析)

从配体H2L及配合物1的热谱图(图11、图12)可以看出，配体和配合物与CT-DNA混合后均有明显的热效应，所有曲线都包含有吸热阶段，说明了配体和配合物与CT-DNA均发生了相互作用。图13和图14分别为不同质量(1.000～3.000 mg)的配体和配合物1与CT-DNA发生相互作用的热谱图，从图13和图14可以看出，随着质量的增加，配体和配合物与CT-DNA的作用焓增加。在中性水溶液中，DNA分子通常是被水分子包围的双螺旋形式。根据其特点，小分子化合物与DNA之间存在的非共价键作用主要有[29]：小分子带正电的基团与DNA双螺旋链上带负电的磷酸之间的静电作用；小分子进入DNA螺旋结构的沟区与碱基对之间的疏水作用及氢键作用；芳香性化合物进入DNA双螺旋的沟区与芳香族碱基之间的π电子相互作用及疏水作用；van der Waals引力作用。配体H2L及配合物1与DNA之间的作用摩尔焓变均为上述几种作用的综合，配体以及配合物与CT-DNA作用为吸热反应且是熵驱动的自发过程。这是由于当化合物以沟槽方式与CT-DNA结合时，化合物所带正电荷与核苷酸磷脂所带负电荷间的静电作用及CT-DNA沟槽中所束缚的水分子被释放出来的综合结果。

图14 不同质量的Ni（Ⅱ）配合物与CT-DNA作用热谱图Fig.1 4Thermogenic curves for CT-DNA interaction with complex 1 with different weight

由于Ni（Ⅱ）离子的存在，配合物1与CT-DNA作用的反应热值不同于配体。从图11和图12以及表6中的焓值(ΔH)可以看出，配合物与CT-DNA作用产生的热量比配体与CT-DNA作用产生的热量大，说明配合物1与CT-DNA的作用比配体更强烈。

表6 配体H2L及配合物1与CT-DNA相互作用的热力学参数Table6 Thermodynamic parameters of the ligand H2L and complex 1 with CT-DNA

3结论

以苯乙酸甲酯为起始原料，经过肼解和缩合反应，合成了配体H2L及其Ni（Ⅱ）配合物1，利用X-射线单晶衍射和元素分析确定了其结构，采用热重分析考察了配体及其配合物的热稳定性，并计算了各自热分解过程的表观活化能(Ea)，发现配合物的热稳定性要远高于配体。利用微量热法研究了配体及其配合物与CT-DNA的相互作用，从相互作用的焓值(ΔH)来看，配合物与CT-DNA的相互作用要强于配体与CT-DNA的相互作用。

[1]WANG Jian-Ping(王建平),FU Yong-Ju(付永举),YIN Wei-Ping(尹卫平),et al.Chinese J.Org.Chem.(有机化学),2007, 27(4):524-527

[2]WANG Ming-Ming(王明明),XIE A-Gui(谢阿贵),WANG Hui (王慧),et al.Chinese J.Inorg.Chem.(无机化学学报),2009, 25(5):942-945

[3]Despaigne A A R,Silva J G D,Carmo A C M D,et al.J. Mol.Struct.,2009,920(1):97-102

[4]WANG Hui(王慧),GAN Guo-Qing(甘国庆),QU Yang(瞿阳),et al.Chinese J.Inorg.Chem.(无机化学学报),2012,28 (6):1217-1221

[5]ZHAO Yue(赵月),HAN Xiao(韩笑),ZHOU Xiao-Xia(周晓霞),et al.Chinese J.Inorg.Chem.(无机化学学报),2013,29 (4):867-874

[6]LI Heng-Xin(李恒欣),LI Zhuo(李卓),TIAN Zhong(田忠), et al.Chem.Eng.(China)(化学工程),2013,41(1):5-8

[7]YANG Zi-Yuan(杨滋渊),SONG Bin(宋斌),XU Shou-Wei(徐守卫),et al.Chinese J.Inorg.Chem.(无机化学学报),2014, 30(3):585-590

[8]Katyal M,Dutt Y.Talanta,1975,22(2):151-166

[9]Ainscough E W,Brodie A M,Dobbs A J,et al.Inorg.Chim. Acta,1998,267:27-38

[10]Hu X,Zhang L,Liu L,et al.Inorg.Chim.Acta,2006,359: 633-641

[11]Saini R P,Kumar V,Gupta A K,et al.Med.Chem.Res., 2014,23:690-698

[12]Bernhardt P V,Wilson G J,Sharpe P C,et al.J.Biol.Inorg. Chem.,2008,13:107-119

[13]Zuercher W J,Gaillard S,Orband-Miller L A,et al.J.Med. Chem.,2005,48:3107-3109

[14]Smith T R,Clark A J,Napier R,et al.Bioconjugate Chem., 2007,18(4):1355-1359

[15]Simpson M G,Watson S P,Feeder N,et al.Org.Lett.,2000, 2(10):1435-1438

[16]Liang B,Liu X,Chen J,et al.J.Coord.Chem.,2010,63(11): 1951-1959

[17]Wang J,Liu X,Sun Y,et al.J.Coord.Chem.,2011,64(9): 1554-1565

[18]Ren J,Liu X,Yang Z,et al.Thermochim.Acta,2014,582: 17-24

[19]Sheldrick G M.SADABS,Program for Empirical Absorption Correction of Area Detector Data,University of Göttingen, Germany,1996

[20]Sheldrick G M.SHELXS-97,Program for the Solution of Crystal Structures,University of Göttingen,Germany,1997.

[21]Sheldrick G M.SHELXL-97,Program for the Refinement of Crystal Structures,University of Göttingen,Germany,1997.

[22]Jia C,Wu B,Li S,et al.Chem.Commun.,2010,46:5376-5378

[23]Yang Z,Wu B,Huang X,et al.Chem.Commun.,2011,47: 2880-2882

[24]Yang Z,Huang X,Zhao Q,et al.CrystEngComm,2012,14: 5446-5453

[25]YIN Hua(尹华),LIU Shi-Xiong(刘世雄).Chinese J.Inorg. Chem.(无机化学学报),2002,18(3):269-274

[26]Janiak C.J.Chem.Soc.,Dalton Trans.,2000:3885-3896

[27]Hunter C A,Sanders J K M.J.Am.Chem.Soc.,1990,112: 5525-5534

[28]HU Rong-Zu(胡荣祖),GAO Sheng-Li(高胜利),ZHAO Feng -Qi(赵凤起),et al.Thermal Analysis Kinetics.2nd(热分析动力学.2版).Beijing:Science Press,2008:79-120

[29]ZHANG Lin(张琳),SHAO Sheng-Yu(邵晟宇),WEN Hong-Yu(温红宇).Life Sci.Instrum.(生命科学仪器),2008,6:28-31

Crystal Structures and Thermochemical Properties of Phenyl-acetic Acid Furan-2-ylmethylene-hydrazide and Its Ni（Ⅱ）Complex

YANG Zai-WenDING Zuo-ChengLIU Xiang-Rong＊
ZHAO Shun-ShengZHANG Run-LanYANG Shui-Lan
(College of Chemistry and Chemical Engineering,Xi′an University of Science and Technology,Xi′an 710054,China)

The Phenyl-acetic acid furan-2-ylmethylene-hydrazide(H2L:C13H12N2O2)was synthesized from methyl phenylacetate,hydrazine hydrate and furfural,and then reacted with nickel chloride hexahydrate to form a complex Ni(HL)2(1).The structures of H2L and 1 were determined by X-ray single crystal diffraction and element analysis．The X-ray single crystal diffraction showed that the crystal of H2L belonged to monoclinic system,space group P21/c with a=1.161 9(3)nm,b=1.359 8(3)nm,c=0.792 16(19)nm,β=109.307(4)°and the crystal of the complex 1 belonged to triclinic system,space group P1 with a=0.455 70(14)nm,b=1.094 7(3)nm,c=1.204 8(4) nm,β=98.302(5)°.Thermal gravity analyses were used to investigate the thermal stabilities of H2L and 1,and the apparent activation energy(Ea)of the decompositions were also calculated,and the results indicated that the complex 1 was more thermal stable than the ligand H2L.The microcalorimetric method was used to study the interactions of H2L and the complex 1 with calf thymus DNA(CT-DNA),and the experimental results showed that the enthalpy change(ΔH)of the complex 1 was greater than that of the ligand H2L,indicating that the complex 1 displayed stronger interaction with CT-DNA than the ligand H2L.CCDC:909434,H2L;949203,1.

acylhydrazone;Ni（Ⅱ）complex;crystal structure;thermal stability;microcalorimetry

O614.81+3

A

1001-4861(2015)08-1520-09

10.11862/CJIC.2015.196

2014-12-25。收修改稿日期：2015-05-10。

国家自然科学基金项目(No.21373158，21301139，21103135)，陕西省教育厅科研计划项目(No.2013JK0651)资助。

＊通讯联系人。E-mail：xkchemistry@163.com；会员登记号：S06N9491M1008。