2-呋喃甲醛-4-羟基苯甲酰腙及其Cu配合物的晶体结构及与CT-DNA的结合性能

刘向荣　孙秀超　杨再文　赵顺省　杨水兰　闫森

(西安科技大学化学与化工学院，西安710054)

2-呋喃甲醛-4-羟基苯甲酰腙及其Cu配合物的晶体结构及与CT-DNA的结合性能

刘向荣＊孙秀超杨再文赵顺省杨水兰闫森

(西安科技大学化学与化工学院，西安710054)

通过2-呋喃甲醛与4-羟基苯甲酰肼缩合得到2-呋喃甲醛-4-羟基苯甲酰腙(H2L)，并以其为配体与Cu配位得到了配合物[Cu(HL)2]·2H2O(1)，采用元素分析和X射线单晶衍射对配体和配合物进行结构表征，结果表明配体属于正交晶系，Pna21空间群。配合物属于单斜晶系，P21/c空间群。利用热重实验研究了H2L和1的热稳定性，并计算了它们主要热分解过程的表观活化能，发现H2L和1的热稳定性都较高。通过紫外吸收光谱研究了H2L和1与CT-DNA的相互作用方式，并利用微量热计测量了其作用过程的热效应，结果表明H2L和1均以插入方式与CT-DNA结合，且作用过程放出的热量1大于H2L，说明配合物与CTDNA的结合能力强于配体。

酰腙化合物；Cu配合物；晶体结构；CT-DNA；微量热

0　引言

酰腙化合物分子结构中含有生物活性基团-CONHN=CH-，不仅具有优良的抑菌、杀菌、抗肿瘤、除草性等生物药理活性，而且分子中的O、N均可作为配位原子，具有较强的配位能力和多样的配位方式[1-2]，尤其是酰腙的过渡金属配合物，由于融合了有机和无机单元，在生物医学、发光材料和催化领域应用比较广泛[3-5]。据文献报道[6-8]，大部分具有生物活性的化合物易以插入方式与病毒或肿瘤的DNA作用，从而达到抗病毒、抗肿瘤的目的。因此，本文拟将活性基团呋喃引入酰腙分子中实现活性叠加，获得更具抑、杀菌能力的新物质，故以2-呋喃甲醛和4-羟基苯甲酰肼为原料缩合得到2-呋喃甲醛-4-羟基苯甲酰腙，并以其为配体制备Cu配合物。通过X射线单晶衍射和元素分析确定配体及配合物的晶体结构，利用热重实验分析它们的热分解过程，采用紫外吸收光谱探索配体及配合物与CTDNA的作用模式，并借助微量热法测定其与CTDNA相互作用过程的热效应，以此评价配体和配合物与CT-DNA的结合能力。

1　实验部分

1.1主要试剂与仪器

2-呋喃甲醛、4-羟基苯甲酰肼、甲醇均为分析纯,CT-DNA(小牛胸腺DNA)购自于美国Sigma公司。

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热重分析仪(N2流量为100.00 mL·min-1)；TU-1900型紫外-可见分光光度计；SETARAM C80微量热仪。

1.2配体H2L的合成及单晶培养

配体和配合物的合成路线见Scheme 1。

Scheme 1

称取0.153 2 g(1 mmol)4-羟基苯甲酰肼溶于15.0 mL甲醇中，量取90 μL(1 mmol)2-呋喃甲醛，慢慢滴加到4-羟基苯甲酰肼中，65℃搅拌下水浴回流3 h，冷却至室温后过滤，静置约1周后产生棕黄色块状晶体(可供测试用)，产率67.45%。m.p.248～249℃。元素分析按C12H10N2O3计算的理论值(%)：C 62.60，H 4.38，N 12.17；实验值：C 62.61，H 4.43，N 11.81。

1.3配合物1的合成及单晶培养

称取0.034 7 g(0.15 mmol)配体H2L溶于10.0 mL甲醇中，待其完全溶解后，慢慢向其滴加0.036 3 g(0.15 mmol)Cu(NO3)2·3H2O的甲醇溶液，65℃搅拌下水浴回流3h，冷却至室温后过滤，静置一段时间后产生墨绿色块状晶体(可供测试用)。m.p.＞300℃。元素分析按CuC24H22N4O8计算的理论值(%)：C 51.61，H 3.94，N 10.04；实验值：C 51.22，H 3.87，N 9.75。

1.4晶体结构测试

选取尺寸分别为0.37 mm×0.29 mm×0.13 mm的H2L的单晶和0.35 mm×0.21 mm×0.12 mm的1的单晶置于Bruker APEX-ⅡCCD单晶衍射仪上，在296(2)K下用经石墨单色器单色化的Mo Kα射线(λ=0.071 073 nm)，以φ-ω扫描方式，分别在2.68°～25.10°(H2L)和2.37°～25.10°(1)范围内收集单晶衍射数据，然后用SAINT程序进行还原。衍射强度数据经SADABS程序作经验吸收校正后用SHELXS程序[9]由直接法解出晶体结构，对非氢原子坐标及其各向异性热参数用SHELXL程序[10]进行全矩阵最小二乘法修正，与其相连的氢原子由理论加氢法得到。晶体学数据详见表1。

CCDC：1030242，H2L；1401955，1。

1.5热重实验

准确称取(10.0±0.05)mg H2L或配合物1放入氧化铝坩埚内，升温程序设置为室温至800℃，升温速率为5.00、10.00和15.00℃·min-1，在氮气气氛下进行热重分析。

1.6紫外吸收光谱

将3 mL 0.01 mol·L-1的Tris-HCl缓冲溶液(pH=7.90)加入参比比色皿中，向样品比色皿中加入等体积现配制的1×10-4mol·L-1配体溶液，用微量进样器分别往参比比色皿和样品比色皿中加入相同体积(50 μL)100 mg·L-1的CT-DNA溶液，使配体与CT-DNA的浓度比值逐渐减小，连续加入5次，每次间隔约需5 min混合均匀，扫描波长范围为250～500 nm；配合物采用同样的测试方法。

1.7微量热实验

准确称取2.0 mg的配体放入样品池下层，分别向参比池和样品池下层各加0.01 mol·L-1的Tris-HCl缓冲溶液(pH=7.90)2 mL，再分别向参比池和样品池的上层各加1 mL 100 mg·L-1的CT-DNA溶液，25℃下，用微量热仪测量配体与CT-DNA作用的热量变化；用同样的方法测量配合物与CT-DNA作用过程的热量变化。

表1　H2L和1的晶体学数据Table 1Crystallographic data for H2L and 1

2　结果与讨论

2.1晶体结构

从表1可以看出，H2L的晶体属于正交晶系，空间群为Pna21，其分子结构见图1，主要键长及键角见表2。从表2可以看出，所列出的键长和键角的数据都在正常范围之内，H2L中苯环与呋喃环的二面角为32.5°，表明两个环不在同一平面上。N2-C8键长为0.128 2(3)nm，小于N1-C7(0.135 0(3)nm)的键长，说明N2和C8之间形成了双键[11]。分子中O2-C7键长为0.123 6(3)nm，属于典型的C=O双键，证明配体是以酮羰基形式存在的。图2为配体的氢键图，从图2可以看出配体分子间通过氢键N-H…O (N1-H1…O2i氢键：H1…O2i0.213 nm，N1…O2i0.291 4(2)nm，N1-H1…O2i151.1°)和氢键O-H…N (O1-H1A…N2ii氢键：H1A…N2ii0.216 nm，O1··· N2ii0.296 9(3)nm，O1-H1A…N2ii169.5°)的弱作用力拓展为如图3所示波浪形堆积结构。氢键键长和键角见表3。

图1　H2L的分子结构Fig.1　Molecular structure of H2L

配合物1属于单斜晶系，P21/c空间群，其分子结构见图4，主要键长及键角见表2，从表2可以看出所列出的键长和键角的数据都在正常范围之内。1的晶体单胞结构中包含1个Cu2+、2个配体负离子，并含有结晶水分子。1属于双齿配位，每个配体负离子上的亚胺N和羰基O都参与配位，形成四配位的单核结构，Cu2+所在环的内角求和是539.9°，说明Cu2+与配位原子组成了闭合的五元环。O2-Cu1-O2i和N2-Cu1-N2i键角均为180.0°，表明Cu2+周围的2个五元环几乎处于同一平面。配位后分子中的O2-C7键长变长，N1-C7键长变短，且配合物中N1-C7键长为0.133 2(9)nm，比吡啶环中N-C双键(0.135 2 nm)短，说明配体是以烯醇形式配位的。围绕Cu2+的Cu1-O2键长为0.191 2(5)nm，Cu1-N2键长为0.192 5(6)nm，与类似结构的铜配合物的键长基本一致[12-13]。

表2H2L和1的主要键长(nm)及键角(°)Table 2Selected bond lengths(nm)and angles(°)for H2L and 1

表3　H2L的氢键键长(nm)及键角(°)Table 3Hydrogen bond distances(nm)and angles(°)of H2L

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

图3　H2L的晶胞堆积图Fig.3　Crystal packing of H2L

如图5所示，配合物1中苯环上羟基的O1、H1A和结晶水中的O4形成氢键O1-H1A…O4ii(0.272 4(9)nm，151.9°)，结晶水中的O4、H4B、H4C和N1、O1形成氢键O4-H4C…N1iii(0.301 3(10)nm，150(7)°)和O4-H4B…O1iv(0.287 1(10)nm，157(7)°)，单体分子通过以上3种弱氢键作用相互连接成如图6所示规则交叉排列的三维超分子结构。氢键参数详见表4。

表4　配合物1的氢键键长(nm)及键角(°)Table 4Hydrogen bond distances(nm)and angles(°)of complex 1

图4　配合物1的分子结构Fig.4Molecular structure of complex 1

图5　配合物1的氢键图Fig.5Hydrogen bond diagram of complex 1

图6　配合物1的晶胞堆积图Fig.6Crystal packing diagram of complex 1

图7　H2L在5.00℃·min-1下的TG-DTG曲线Fig.7TG-DTG curves of H2L at the heating rate of 5.00℃·min-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升温速率下的TGDTG曲线如图7所示，在升温速率分别为5.00、10.00和15.00℃·min-1时的DTG曲线见图8。可以看出配体在3种升温速率下的热分解过程相似，都只有一个阶段，分解峰分别出现在291.50、303.55和310.89℃，表明配体在291.50℃以下可以稳定存在。升温速率为5.00℃·min-1时实验失重率为70.67%，计算值70.90%(与OH-C6H4-CO-NH-N=C-的百分含量相同)，因此可推测热分解过程中C8-C9键断裂。

采用Kissinger和Ozawa公式[14]计算配体热分解过程表观活化能，计算公式分别见(1)和(2)式。

图8　H2L在3种升温速率下的DTG曲线Fig.8DTG curves of H2L at three heating rates

其中，Tp为分解峰的温度，A为指前因子，Ea为表观活化能，R为气体摩尔常数，β为升温速率，G(α)为积分机理函数。利用公式(1)和(2)可求得表观活化能Ea及指前因子A，计算结果列于表5。

2.2.2配合物1热重分析

配合物1的热重分析曲线如图9～10所示，配合物在3种升温速率下的DTG曲线很相似。从图9可见配合物的热分解过程主要分为2个阶段：第1阶段分解的实验失重率为7.97%，该阶段是配合物中2分子结晶水的失去，第2阶段对应的实验失重率为60.16%，最大失重率对应的热分解温度配合物与配体接近，均大于290℃，说明配合物和配体的热稳定性都较高。利用公式(1)和(2)计算的配合物热分解过程的表观活化能也列于表5。从表5可以看出，配体和配合物的主要热分解阶段的表观活化能分别为：145.8 kJ·mol-1和264.1 kJ·mol-1。

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

图10　配合物1在3种升温速率下的DTG曲线Fig.10DTG curves of complex 1 at three heating rates

表5H2L和1在3种升温速率下的热分解动力学参数Table 5Kinetic parameters of thermal decomposition for H2L and 1

2.3CT-DNA结合性能

2.3.1H2L和1与CT-DNA作用的紫外吸收光谱

分析

配体和配合物与CT-DNA相互作用的紫外吸收光谱图分别见图11和图12，从图11可以看出，随CT-DNA浓度的增加，配体体系的吸光度值逐渐减小(0.42→0.38)，在326 nm处发生了减色效应和微弱的红移现象，可认为配体与CT-DNA发生插入作用，这是由于CT-DNA碱基对π电子轨道与配体中π*电子空轨道发生耦合，从而导致π-π*跃迁能减小[15-19]，产生红移现象，此外，配体插入CT-DNA后，长链DNA的“屏蔽”使π平面接受的光通量减少，也会导致减色效应[20-21]。图12中配合物体系的吸光度也随CT-DNA浓度的增加而逐渐减小(0.22→0.19，0.15→0.13)，分别在297 nm和355 nm处发生了减色效应和微弱的红移现象，表明配合物也是以插入作用与CT-DNA结合，配合物与CTDNA作用时，具有芳香性的配体会部分嵌入到DNA的相邻碱基对之间，这一插入作用是药物分子与DNA结合的一个重要模式，而且金属插入剂是这种结合模式极有用的探针[22]。

图11　H2L与CT-DNA作用的紫外光谱图Fig.11UV-Vis spectra of H2L when interacting with CT-DNA

图12　配合物1与CT-DNA作用的紫外光谱图Fig.12UV-Vis spectra of 1 when interacting with CT-DNA

配体和配合物与CT-DNA的结合常数Kb可以通过收集在指定波长下的滴定曲线的吸光度并利用方程(3)[23]求得，其中εa，εf和εb分别表示任意CTDNA浓度下Tris-HCl缓冲溶液的摩尔消光系数、配体或配合物的摩尔消光系数和配体或配合物与CTDNA完全键合后的摩尔消光系数[24]。以CDNA/(εa-εf)对CCT-DNA作图，配体和配合物的CDNA/(εa-εf)-CDNA关系图分别见图13和图14，斜率与截距的比值即为样品与CT-DNA的结合常数Kb。通过计算，配体和配合物的结合常数分别为：1.98×106L·mol-1和3.68×107L·mol-1，表明配体和配合物与CT-DNA都有较强的插入作用[23]，并且配合物与CT-DNA的结合能力大于配体。

图13　H2L的CDNA/(εa-εf)-CDNA关系图Fig.13Plot of CDNA/(εa-εf)vs CDNAfor H2L

图14　配合物1的CDNA/(εa-εf)-CDNA关系图Fig.14Plot of CDNA/(εa-εf)vs CDNAfor complex 1

2.3.2H2L和1与CT-DNA作用的微量热分析

图15和图16分别是配体及配合物与CT-DNA相互作用的微量热实验热谱图。从图15可以看出配体与CT-DNA混合后迅速放热，在11.20 min时出现一个最大放热峰，35.10 min时结束，通过计算峰面积得出配体与CT-DNA作用的焓变值为-4.56 kJ·mol-1。从图16可以看出配合物与CT-DNA混合后发生了与配体类似的放热过程，最大放热峰出现在12.36 min，在49.37 min时结束，配合物与CTDNA作用的焓变值为-22.53 kJ·mol-1，从焓变值可知配合物与CT-DNA有更强的作用。由于配体和配合物与CT-DNA作用焓变的绝对值都小于30 kJ· mol-1，因此可认为配体和配合物与CT-DNA没有发生化学反应，不存在化学键[25-26]，这也印证了2.3.1节中的结果，即配体和配合物与CT-DNA均以插入方式相互作用。

图15　H2L与CT-DNA作用热谱图Fig.15Thermogenic curve of H2L when interacting with CT-DNA

图16　配合物1与CT-DNA作用热谱图Fig.16Thermogenic curve of 1 when interacting with CT-DNA

3　结论

以2-呋喃甲醛和4-羟基苯甲酰肼为原料制备了配体2-呋喃甲醛-4-羟基苯甲酰腙(H2L)，并进一步制得其Cu配合物[Cu(HL)2]·2H2O(1)，利用元素分析和X射线单晶衍射确定了其结构。热重实验结果说明H2L和1的热稳定性都较高。通过紫外吸收光谱法和微量热法研究了H2L和1与CT-DNA的相互作用模式和强弱，结果表明H2L和1与CT-DNA皆以插入模式结合，作用过程放热，1与CT-DNA的结合能力强于H2L。

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2-Furancarbaldehyde-4-hydroxy-benzoylhydrazone and Its CuComplex: Crystal Structures and Binding Ability with CT-DNA

LIU Xiang-Rong＊SUN Xiu-ChaoYANG Zai-Wen ZHAO Shun-ShengYANG Shui-LanYAN Sen
(College of Chemistry and Chemical Engineering,Xi′an University of Science and Technology,Xi′an 710054,China)

2-furancarbaldehyde-4-hydroxy-benzoylhydrazone(H2L)was synthesized from 4-hydroxybenzoylhydrazine and 2-furancarbaldehyde,and its Cucoordination polymer[Cu(HL)2]·2H2O(1)also was prepared.H2L and 1 were characterized by elemental analysis and single crystal X-ray diffraction analysis.The crystal structural analyses show that the crystal of H2L belongs to orthorhombic system space group Pna21,and the crystal of 1 crystallizes in monoclinic system space group P21/c.Thermal gravity analyses were used to investigate the thermal stabilities of H2L and 1,and their apparent activation energy of the decompositions were also calculated.It was found that both of the complex and the ligand possessed higher thermal stability.The binding modes of H2L and 1 with CT-DNA were studied by UV-Vis absorption,and their interaction enthalpies were measured by microcalorimetry.The results showed that the interaction of H2L and 1 with CT-DNA belonged to partial intercalation mode and 1 presented stronger interaction with CT-DNA than H2L.CCDC:1030242,H2L;1401955,1.

hydrazone compounds;Cucomplex;crystal structure;CT-DNA;microcalorimetry

O614.121

A

1001-4861(2016)02-0250-09

10.11862/CJIC.2016.037

2015-08-19。收修改稿日期：2015-11-22。

国家自然科学基金项目(No.21073139，21301139，21103135)和陕西省自然科学基础研究计划项目(No.2015JQ2043)资助。

＊通信联系人。E-mail：liuxiangrongxk@163.com；会员登记号：S06N9491M1008。