水杨醛衍生物缩2-氨甲基苯并咪唑Schiff碱合成、与DNA相互作用及其生物活性研究*1

（1.浙江师范大学浙江省固体表面反应化学重点实验室，浙江金华　321004；2.浙江师范大学化学与生命科学学院，浙江金华　321004）

水杨醛衍生物缩2-氨甲基苯并咪唑Schiff碱合成、与DNA相互作用及其生物活性研究*1

林秋月1，2， 魏琼1，2， 程建平2， 陆梦迪2

（1.浙江师范大学浙江省固体表面反应化学重点实验室，浙江金华321004；2.浙江师范大学化学与生命科学学院，浙江金华321004）

合成了3种水杨醛衍生物缩2-氨甲基苯并咪唑Schiff碱化合物（HL），通过元素分析、红外光谱、紫外光谱和核磁共振氢谱进行了表征，分别为：HL1=水杨醛缩2-氨甲基苯并咪唑，C15H13ON3；HL2=5-氯水杨醛缩2-氨甲基苯并咪唑，C15H12ON3Cl；HL3=邻香兰素缩2-氨甲基苯并咪唑，C16H15O2N3.通过紫外光谱法、荧光光谱法和黏度法检测了3种Schiff碱与DNA相互作用的情况.结果显示：随着DNA的加入，3种Schiff碱的紫外吸收光谱出现减色效应和红移现象；对溴化乙锭-DNA复合体系的荧光有较强的猝灭作用；随着Schiff碱的加入，DNA的黏度减小.表明3种Schiff碱与DNA之间能以部分插入模式发生较强烈的相互作用，且强度按HL1，HL3和HL2的顺序依次增强.HL2和HL3对人体外结肠癌细胞（COLO205）和人乳腺癌细胞（MCF-7）的增殖均有较强的抑制作用，且HL2的抑制活性高于HL3.同时，3种Schiff碱有较好的抑菌活性，其中HL2对大肠杆菌的抑菌效果最显著.

2-氨甲基苯并咪唑；水杨醛；Schiff碱；DNA；相互作用；生物活性

Schiff碱是一类含亚胺基（==CN）官能团的有机化合物，具有抑菌、消炎、抗癌等生物活性，有关方面的研究一直是化学和生物学界关注的热点［1-2］.水杨醛衍生物的Schiff碱在抗真菌、抗病毒和促进DNA水解等方面有重要的作用，是药物和其他有机试剂的中间体［3］.苯并咪唑为杂环化合物，含苯并咪唑的小分子药物能与DNA双螺旋中的AT碱基系列特异性地结合［4］，具有多方面的生物和药理活性，广泛应用于药物中间体的制备［5］.将有生物活性的苯并咪唑引入到水杨醛衍生物Schiff碱中，符合药物拼合原理及药物设计理念.通常，将2种药物的活性结构拼合在一起，所形成的药物兼具两者的性质，显示的药效作用理应得到强化.因此，研究苯并咪唑的水杨醛衍生物Schiff碱的合成和生物活性是一个新颖而富有意义的课题.

目前，本课题组已报道了5-氯水杨醛缩2-氨甲基苯并咪唑Schiff碱的合成和结构［6］.有关水杨醛缩2-氨甲基苯并咪唑Schiff碱的研究已有少量的报道［7］.本研究首次合成了邻香兰素缩2-氨甲基苯并咪唑Schiff碱，并通过紫外和荧光光谱法、黏度法系统地研究了3种水杨醛衍生物缩2-氨甲基苯并咪唑Schiff碱化合物（HL）与生物大分子（DNA）的相互作用，进一步测试了Schiff碱化合物对人结肠癌细胞（COLO205）和人乳腺癌细胞（MCF-7）体外增殖的抑制活性，并且检测了3种化合物对金黄色葡萄球菌、枯草杆菌、大肠杆菌和白色念珠菌4种受试菌的抑菌活性.

图1　Schiff碱化合物HL1，HL2和HL3的合成

1　材料与方法

1.1试剂和仪器

小牛胸腺DNA（ct-DNA）购自北京华美公司. ct-DNA溶液（ρ=200μg·mL-1，c=3.72×10-4mol·L-1）用0.1 mol·L-1NaCl溶液配制，置4℃保存，经纯度测定A260/A280=1.8～2.0.三羟甲基氨基甲烷（Tris）购自国药集团化学试剂有限公司，Tris-HCl缓冲液pH为7.4.溴化乙锭（EB）购自Fluka公司.除水杨醛、邻香兰素为化学纯外，其余试剂均为分析纯.实验用水为二次蒸馏水.人体结肠癌细胞株（COLO205）和人体乳腺癌细胞株（MCF-7）购自中国科学院上海细胞库.金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）、枯草杆菌（Bacillus subtilis）、大肠杆菌（Escherichia coli）和白色念珠菌（Canidia albicans）均由浙江省金华市中心医院提供.

Vario ELⅢ元素分析仪；NEXUS-670 FT-IR红外光谱仪；UV-2501PC紫外可见分光光度计；Brucker Avance 400 MHz核磁共振仪；乌氏黏度计；LS-55型荧光光度计.

1.2Schiff碱化合物HL的合成

HL的合成路线见图1.其中：HL1=水杨醛缩2-氨甲基苯并咪唑；HL2=5-氯水杨醛缩2-氨甲基苯并咪唑；HL3=邻香兰素缩2-氨甲基苯并咪唑.

1.2.12-氨甲基苯并咪唑的合成

2-氨甲基苯并咪唑盐酸盐参照文献［8］的方法合成：称取甘氨酸 0.067 mol，邻苯二胺0.05 mol，加入75 mL 4 mol·L-1盐酸，于130℃左右油浴，搅拌回流72 h.溶液由粉红色变棕黄色，直至为蓝绿色.反应完毕后，将反应液蒸发至25 mL左右，置冰箱中（约0℃）过夜后过滤，将沉淀溶于30 mL 95%乙醇和3 mL水的混合溶剂中进行重结晶，真空干燥，得到白色粉状固体.

1.2.2HL的合成

水杨醛缩2-氨甲基苯并咪唑Schiff碱（HL1）参照文献［9］的方法合成：将2-氨甲基苯并咪唑盐酸盐5 mmol溶于15 mL水中，用碳酸钠溶液调节pH至弱酸性，室温下滴加8mL含5mmol水杨醛的甲醇溶液，滴加完毕后继续搅拌4 h，有大量的黄色沉淀生成，过滤，沉淀分别用水、石油醚充分洗涤后再用乙腈重结晶，得到黄色粉状固体.

5-氯水杨醛缩2-氨甲基苯并咪唑 Schiff碱（HL2）的合成：HL2的合成方法与HL1相似，用5-氯水杨醛［10］5 mmol代替水杨醛反应，将所得黄色固体用体积比为1∶1的乙腈-甲醇混合溶剂重结晶，得到黄色粉状固体.

邻香兰素缩 2-氨甲基苯并咪唑 Schiff碱（HL3）的合成：将2-氨甲基苯并咪唑盐酸盐5 mmol溶于15 mL体积比为1∶4的甲醇-水混合溶剂中，用碳酸钠溶液调节pH至弱酸性，室温下滴加8 mL含5 mmol邻香兰素的甲醇溶液，滴加完毕后继续搅拌4 h，产生大量的黏性黄色沉淀.将所得沉淀用水、石油醚充分洗涤后，用无水乙醇重结晶得到黄色粉状固体.

所得产物均经真空干燥后置于硅胶干燥器中保存，备用.

1.3化合物HL与DNA相互作用的检测

1.3.1紫外光谱法

固定化合物HL的浓度为6.0×10-5mol·L-1，分别加入一系列不同量的3.72×10-4mol·L-1DNA溶液，用Tris-HCl缓冲溶液（pH=7.4）定容至10.00 mL，室温下作用30 min后，以对应浓度的DNA溶液作参比，对200～400 nm波长的紫外吸收光谱进行扫描.

1.3.2荧光光谱法

将2.00 mL Tris-HCl缓冲溶液（pH=7.4），10μL 2.0×10-3mol·L-1溴化乙锭（EB）溶液和2.00 mL 200μg·mL-1DNA溶液置于比色管中，室温下作用1 h后，分别加入不同量的HL溶液，以Tris-HCl缓冲液稀释并定容至10.00 mL，继续作用2 h后，以激发波长（λex）为520 nm扫描体系在发射波长为530～700 nm的荧光光谱.

1.3.3黏度法

黏度用乌氏黏度计测定.固定DNA的浓度为3.72×10-4mol·L-1，依次增加化合物HL的浓度（0～3.33×10-6mol·L-1），恒温在25℃，每次作用30 min后测定溶液流经毛细管的时间.相对黏度（η）按下式［11］计算：

η=（t-t0）/t0.

式中：t0为缓冲溶液流经毛细管所需的时间；t为含有不同浓度HL的DNA溶液流经毛细管的时间.以（η/η0）1/3对结合比率r（r=cHL/cDNA）作图，其中η0和η分别为未加HL和加入不同量HL的DNA溶液的相对黏度.

1.4化合物HL的抑菌活性实验

将化合物HL用二甲基亚砜（DMSO）溶解并配制成浓度分别为1.0×10-3mol·L-1和1.0× 10-2mol·L-1的溶液，灭菌后备用.在培养皿中，往牛肉膏蛋白胨培养基中加入200μL菌悬液，将牛津杯竖直放置于培养基中，并将一定浓度的待测样品注入牛津杯中，盖好培养皿.将平皿放在37℃培养箱中倒置培养，18 h后观察结果，测定牛津杯周围产生的抑菌圈直径.用同样的方法接种只含溶剂的琼脂平皿作为空白对照.所有实验均重复3次.按照上述方法分别测定了化合物HL 对4种受试菌：金黄色葡萄球菌（S.aureus）、枯草杆菌（B.subtilis）、大肠杆菌（E.coli）和白色念珠菌（C.albicans）的抑菌活性.

2　结果与讨论

2.1化合物HL的表征

2.1.1HL的组成和性质

室温下，HL1，HL2和HL3在固相时均很稳定，但在液相中因水解或氧化颜色逐渐加深.它们难溶于水，能溶于多数有机溶剂，其中HL3几乎能溶于除石油醚外的一切常见有机溶剂.表1列出了3种Schiff碱化合物HL的元素分析数据，实验值与理论值基本吻合，误差在4%之内.因此，推测Schiff碱化合物HL的组成为：HL1=水杨醛缩2-氨甲基苯并咪唑，C15H13ON3；HL2=5-氯水杨醛缩2-氨甲基苯并咪唑，C15H12ON3Cl；HL3=邻香兰素缩2-氨甲基苯并咪唑，C16H15O2N3.

2.1.2化合物HL的红外光谱

采用KBr压片法测定了Schiff碱化合物HL 在4 000～400 cm-1的红外光谱.3种Schiff碱的红外光谱图极为相似，HL3的红外光谱见图2.由红外光谱图可见：Schiff碱官能团中的亚胺基σC=N特征吸收峰［12］出现在1 628～1 638 cm-1，HL1为1 632 cm-1，HL2为1 638 cm-1，HL3为1 628 cm-1；苯环的σPh—OH吸收峰，HL1为1 276 cm-1，HL2为1 275 cm-1，HL3为1 253 cm-1.

表1　化合物HL的元素分析数据

图2　Schiff碱化合物HL3的红外光谱图

2.1.3化合物HL的紫外光谱

配制1×10-4mol·L-1Schiff碱化合物HL的甲醇溶液，测定了3种Schiff碱化合物在200～400 nm波长的紫外吸收光谱，所得数据见表2.其中：在281，274，250和224 nm左右的4个强吸收峰可归属于HL中的苯环和咪唑环的π-π*电子跃迁吸收；330 nm左右的弱吸收峰归属于亚氨基官能团中氮原子上的孤电子对向共轭双键的n-π*跃迁吸收［13］.

2.1.4化合物HL的核磁共振氢谱

3种化合物HL在DMSO中的核磁共振氢谱图形十分相似.表3为HL1，HL2和HL3的核磁共振氢谱数据.

表2　化合物HL的紫外光谱数据

表3　化合物HL的1H NMR数据

从表3可以看出，3种化合物具有类似的化学位移，证明它们具有相似的结构.而3种化合物均在8.79～8.81有化学位移，说明Schiff碱官能团亚胺氢（--CH==N--）的存在.

综上所述，2-氨甲基苯并咪唑与3种水杨醛衍生物的Schiff碱化合物HL均已生成.

2.2化合物HL与DNA的相互作用

2.2.1DNA对HL紫外吸收光谱的影响

紫外-可见吸收光谱是研究小分子化合物与DNA相互作用的一种简便而有效的方法.当小分子化合物以插入方式与DNA结合时，其吸收光谱出现减色效应，并伴随一定程度的红移；而以其他方式结合时，光谱没有明显的变化［14］.

图3显示了DNA对HL紫外吸收光谱的影响.由图3可见：在Tris缓冲溶液中，3种化合物在320 nm和400 nm附近出现的弱吸收峰对应于Schiff碱的酚亚胺基团的跃迁吸收带；在230～300 nm出现较强的吸收峰，归属于苯环或苯并咪唑环的π-π*跃迁吸收带.对照表2中化合物HL的紫外光谱数据，可以说明：在化合物HL生物性质的实验浓度范围内，HL是稳定的，并未发生解离；随着DNA浓度的增加，以上吸收峰均出现有规律的减色，并伴随微弱的红移.由此推测，化合物HL的芳环部分插入到DNA碱基对之间而发生了一定程度的相互作用［15］.

为了定量比较化合物HL与DNA结合能力的强弱，可通过如下方程［16］计算结合常数：

图3　DNA对HL1，HL2和HL3紫外吸收光谱的影响

图4　HL1，HL2和HL3对EB-DNA复合体系的荧光猝灭

式中：cDNA表示DNA溶液的浓度；εA，εB和εF分别表示表观、游离和与DNA键合饱和时化合物的摩尔吸光系数；以cDNA/（εA-εF）对cDNA作图（见图3中插图），所得直线的斜率与截距的比值即为化合物与DNA的结合常数Kb.计算得到结合常数Kb/（L·mol-1）分别为：3.14×103（HL1），6.27×103（HL2）和5.25×103（HL3），表明化合物HL与DNA发生了较强烈的相互作用，强度顺序为：HL2最强，HL3次之，HL1最弱.

2.2.2化合物HL对EB-DNA体系的荧光猝灭

溴化乙锭（EB）为具有共轭平面的荧光探针分子，能专一性地插入DNA双螺旋内部的碱基对之间，使自身的荧光强度较在纯水溶液中有显著增强.当EB从与DNA的结合态中被置换出来或DNA双螺旋减少时，将发生荧光猝灭.因而，化合物对EB-DNA体系荧光猝灭的程度可以说明该化合物与DNA插入作用的强弱［17］.图4显示了化合物HL对EB-DNA复合体系的荧光猝灭程度.随着HL的加入，EB-DNA体系的荧光发射强度发生了明显的下降.根据Stern-Volmer方程［18］

F0/F=1+Ksqr，

式中：F0和F分别为加入化合物前后EB-DNA复合体系的荧光强度；Ksq为化合物对EB-DNA体系的动态猝灭常数；r=cHL/cDNA.所得数据以F0/F 对r进行线性拟合（见图4中插图），求得化合物的荧光猝灭常数 Ksq分别为1.16（HL1），1.53 （HL2）和1.45（HL3），且强度以HL1，HL3和HL2的顺序递增.这种对EB-DNA体系的荧光猝灭作用可以归结为：HL中的平面芳香苯并咪唑环与DNA碱基对的平面芳香环发生π-π堆积结合作用，即发生了类似于EB的插入作用，并进一步取代EB而与DNA结合，导致能量转移，从而引发EB-DNA复合体系荧光强度的降低［19］.

2.2.3化合物HL对DNA黏度的影响及作用模式

在缺乏晶体结构数据的情况下，对DNA在溶液中长度变化敏感的流体动力学方法被认为是测试化合物与DNA作用模式的最严谨的方法［20］.若小分子化合物以插入方式与DNA作用，将导致DNA双螺旋伸长而使黏度增加；若以静电和沟面等非插入方式与DNA作用，DNA溶液的黏度无明显变化；而若以部分插入方式与DNA作用，可能使DNA双螺旋扭结而表现为黏度减小［21］.

为了进一步确定Schiff碱化合物HL分子与DNA作用的模式，测定了它们在25℃时对DNA黏度的影响，结果见图5.由图5可见，随着HL浓度的增加，DNA的相对黏度均逐步降低，这一现象表明3种化合物与DNA的主要作用模式均为部分插入模式.这可能是由于Schiff碱分子的苯并咪唑环与水杨醛基的苯环并未处于同一平面，使其只能部分插入到 DNA碱基对之间，导致DNA的双螺旋结构发生了扭曲，有效长度减小之故.同时，DNA黏度降低幅度亦随HL1，HL3和HL2顺序增大，表明化合物HL的作用强度依次增强.这与光谱法研究的结果一致.从组成上看，这可能与前两者的水杨醛苯环上分别引入了氯原子和甲氧基团对分子产生了电子效应有关.

图5　25℃时HL1，HL2和HL3对DNA黏度的影响

图6　HL2和HL3与COLO205和MCF-7作用的半数抑制浓度IC50

图7　HL1，HL2和HL3与COLO205和MCF-7作用的浓度-抑制率曲线

2.3化合物HL对人体外癌细胞增殖的抑制活性

化合物HL对受试的人体结肠癌细胞（COLO205）和人体乳腺癌细胞（MCF-7）增殖（72 h）的半数抑制浓度（IC50）示于图6，HL与肿瘤细胞的体外作用浓度-抑制率曲线示于图7.由于HL1对2种癌细胞均没有明显的抑制作用，故不讨论.HL2和HL3能有效地抑制2种癌细胞的增殖生长，且其活性随浓度的增加而逐步增强.当浓度达到200μmol·L-1时，HL2和HL3对结肠癌的抑制率已分别达到了65%和45%，而对乳腺癌的抑制率均已超过65%.IC50值亦表明HL2和HL3对乳腺癌MCF-7细胞的抑制活性高于对结肠癌COLO205细胞的抑制活性.说明化合物HL的抑制作用对癌细胞具有较高的选择性.对于同一癌细胞株而言，HL2的抑制活性高于HL3.3种Schiff碱化合物组成的差别在水杨醛基团上，依活性顺序为：5-氯水杨醛（HL2）＞邻香兰素（HL3）＞水杨醛（HL），说明在水杨醛芳环上引入氯原子（HL2）或甲氧基（HL3）将促进化合物对癌细胞的抑制作用.同时，抗癌活性的强弱顺序与化合物HL同DNA相互作用的强度顺序基本一致，也预示了DNA可能是该类Schiff碱化合物抗癌作用的靶分子之一.

2.4化合物HL的抑菌活性

选择2种革兰氏阳性菌（金黄色葡萄球菌S. aureus和枯草杆菌B.subtilis）、一种革兰氏阴性菌（大肠杆菌E.coli）和一种真菌（白色念珠菌C.albicans）作为受试菌进行抑菌活性实验.溶剂DMSO和3种Schiff碱化合物HL的抑菌活性实验结果见表4.结果表明：HL1，HL2和 HL3对4种受试菌株均有较好的抑制作用，且具有相同的选择性，对不同菌株的抑菌活性强度顺序为大肠杆菌＞金黄色葡萄球菌＞白色念珠菌＞枯草杆菌，且随着HL浓度的增大，抑菌活性也增强；HL2 和HL3的抑菌活性大于HL1，当浓度为1.0× 10-2mol·L-1时，HL2对大肠杆菌的抑菌效果最显著；溶剂DMSO对4种受试菌的抑制作用很小. 以DMSO为对照，化合物HL2分别对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌实验结果见图8.

表4　化合物HL对4种受试菌的抑菌活性

图8　HL2对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌实验结果

3　结论

本研究合成了3种水杨醛衍生物缩2-氨甲基苯并咪唑Schiff碱化合物：水杨醛缩2-氨甲基苯并咪唑（HL1）、5-氯水杨醛缩2-氨甲基苯并咪唑（HL2）和邻香兰素缩2-氨甲基苯并咪唑（HL3），其中HL3为首次报道，并对它们的结构进行了表征.通过紫外光谱法、荧光光谱法和黏度法研究了3种Schiff碱化合物与DNA的相互作用，结果显示，它们能与DNA发生部分插入模式的较强烈的相互作用，且强度按HL1，HL3和HL2依次增强.同时，测试了3种Schiff碱化合物对人结肠癌细胞（COLO205）和人乳腺癌细胞（MCF-7）体外增殖的抑制活性，结果表明HL2和HL3有较强的增殖抑制活性，而HL1对2种癌细胞几乎没有抑制活性.实验还表明，3种Schiff碱化合物对金黄色葡萄球菌（S.Aureus）、枯草杆菌（B.subtilis）、大肠杆菌（E.coli）和白色念珠菌（C.albicans）有较好的抑菌活性，其中HL2对大肠杆菌的抑菌效果最显著.

致谢：衷心感谢浙江省医学科学院药物研究所在测试化合物对人体外癌细胞的增殖抑制活性方面给予的帮助！

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（责任编辑薛荣）

Synthesis，DNA interaction and biological activity of N-（benzim idazol-2-ylmethyl）-salicylideneim ine Schiff base

LIN Qiuyue1，2， WEIQiong1，2， CHENG Jianping2， LU Mengdi2
（1.Zhejiang Key Laboratory for Reactive Chemistry on Solid Surfaces，Zhejiang Normal University，Jinhua 321004，China；2.Collegeof Chemistry and Life Sciences，Zhejiang Normal University，Jinhua 321004，China）

Three Schiff bases，N-（benzimidazol-2-ylmethyl）-salicylideneimine（HL1，C15H13ON3），N-（benzimidazol-2-ylmethyl）-5-chloro-salicylideneimine（HL2，C15H12ON3Cl）and N-（benzimidazol-2-ylmethyl）-ovallineneimine（HL3，C16H15O2N3）were synthesized and characterized by elemental analysis，IR，UV-spectra and1H NMR.The interaction between compounds and DNA was studied by ultraviolet absorption spectra，fluorescence spectra and viscositymeasurements.As increasing concentration of DNA，the absorption bands of the compoundswere affected，resulting in hypochromicity and slight red shift.The compounds to the EB-DNA solutions caused significant reduction in emission intensities.The relative viscosity of DNA steadily decreasedafter adding compounds.The results showed that the compounds could bind to DNA with stronger intensity via partial intercalativemode.The binding ability followed the trend from low to high：L1，L3 and L2.Meanwhile，the antiproliferative activities tests showed that HL2 and HL3 had greater activities againsthuman colon cancer cells（COLO205）and human breast cancer cells（MCF-7）in vitro，in which HL2 had stronger inhibition ratios compared to HL3.The antibacterial activities of title compounds against Staphylococcusaureus，Bacillus subtilis，Escherichia coli，Canidia albicans were tested respectively.The results showed that HL2 had stronger inhibition against E.Coli.

2-aminomethylbenzimidazole；salicylaldehyde；Schiff base；DNA；interaction；biological activity

O626

A

1001-5051（2016）02-0179-08

10.16218/j.issn.1001-5051.2016.02.010

*收文日期：2015-07-02；2015-11-23

浙江省新苗人才计划项目（2015R404007）；浙江师范大学研究生创新项目（ZC323015055）

林秋月（1957-），女，浙江乐清人，教授.研究方向：生物无机化学.