基于一种酰腙和咪唑配体的铜(Ⅱ)、镍(Ⅱ)配合物的水热合成、晶体结构及体外抗癌活性

高平章 陈雅心 郑敏敏 王景梅 解庆范 陈延民

基于一种酰腙和咪唑配体的铜(Ⅱ)、镍(Ⅱ)配合物的水热合成、晶体结构及体外抗癌活性

高平章 陈雅心 郑敏敏 王景梅 解庆范 陈延民＊

(泉州师范学院化工与材料学院，泉州362000)

采用水热法合成了5-硝基水杨醛缩噻吩-2-甲酰腙的铜和镍配合物[Cu(Him)L]2(1)和[Ni(Him)L](2)(H2L=5-硝基水杨醛缩噻吩-2-甲酰腙，Him=咪唑)并经元素分析、红外光谱和紫外光谱表征。X射线单晶衍射分析表明，1的晶体属单斜晶系，空间群P21/c，晶胞参数：a=1.135 68(12)nm，b=0.770 45(8)nm，c=2.140 4(2)nm，β=97.405(3)°。2的晶体属三斜晶系，空间群P1，晶胞参数：a=0.726 91(4)nm，b=0.976 34(6)nm，c=1.265 74(8)nm，α=79.533(2)°，β=82.862(2)°，γ=68.985(2)°。1是中心对称的双核配合物，Cu(Ⅱ)处于四方锥配位环境；2是单核配合物，Ni(Ⅱ)处于平面四边形的配位环境。化合物1通过N-H…O氢键形成一维超分子链，而化合物2通过N-H…O和C-H…O氢键形成二维超分子网络。初步研究了配体和配合物的体外抗癌活性。结果表明，配合物1和2对人肝癌细胞HEPG2和人结肠癌细胞SW620均有较强的增殖抑制作用。

酰腙；配合物；晶体结构；抗癌活性

自从1969年美国化学家Rosenberg等[1]发现顺铂对肿瘤有强烈抑制作用后，金属配合物作为抗癌药物成为非常活跃的研究领域[2]，非铂系金属配合物的抗癌活性更是受到极大的关注。铜和镍都是生物必需的微量元素，在生物过程中扮演着重要角色[3-4]。例如，铜参与电子传递、氧化还原等许多生命过程，人体内至少有11种氧化酶含有铜；而镍可以促进铁的吸收和氨基酶的合成，同时镍在DNA和RNA的结构中还起到稳定剂的作用。许多研究表明，铜配合物[5-9]和镍配合物[10-12]具有抗菌、抗病毒、抗炎、抗肿瘤等作用。另外，酰腙类Schiff碱配位环境与生物系统相似，其配合物具有良好的抗肿瘤、抗氧化、抗菌等多种生物活性[13-18]，因而备受关注。早在20世纪70年代就已发现此类Schiff碱的抗肿瘤活性的构效关系[19]：①水杨醛比其他醛制得的Schiff碱的抗肿瘤活性好；②取代基拉电子能力越强抗仲瘤效果越好。因此，本文以5-硝基水杨醛与噻吩-2-甲酰肼反应合成了一种新的酰腙型Schiff碱(Scheme 1)，并用水热法合成了咪唑为第二配体的铜和镍配合物，分析了它们的晶体结构和体外抗癌活性。

Scheme 1

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

德国Elmentar Vario EL元素分析仪；美国Nicolet is10型FT-IR红外光谱仪；日本岛津的UV-2401PC紫外分光光度计；德国Bruker Smart ApexⅡCCD单晶衍射仪；美国Thermo二氧化碳培养箱；中国XDS-1B型数码摄影倒置显微镜；美国Thermo全波段酶标仪。噻吩-2-甲酰肼、5-硝基水杨醛等均为市售分析纯试剂。

1.2 配合物的合成

1.2.1 5-硝基水杨醛缩噻吩-2-甲酰腙(H2L)的合成

10 mmol噻吩-2-甲酰肼与10 mmol 5-硝基水杨醛分别溶解于25mL无水乙醇中，然后混合于100 mL圆底烧瓶，并加入1 mL冰醋酸，加热回流2h，冷却至室温，抽滤，用无水乙醇洗涤数次，得黄色粉末状产物，产率85%。对C12H9N3O4S的元素分析实测值(计算值，%)：C 49.40(49.46)；H 3.15(3.11)；N 14.49(14.42)。IR(cm-1)：3 293(N-H)，1 626(C=O)，1 601 (C=N)，1 582，1 556，1 522(NO2)，1 484，1 416；1 371 (NO2)；1 336(C-N)，1 293(C-O)，1 243(C-S-C)，1 127，1 076；959(N-N)；834，750，719(C-H面外弯曲振动)；699(噻吩C-S)。

1.2.2 配合物1的合成

将0.1 mmol H2L，0.1 mmol乙酸铜和0.2 mmol咪唑以及5 mL甲醇和2 mL蒸馏水置于20 mL的内衬聚四氟乙烯的不锈钢自动升压反应釜中。在140℃下反应2 d,得到适于X射线单晶衍射分析的黑褐色晶体。对C30H22Cu2N10O8S2元素分析的实测值(计算值，%)：C 42.72(42.81)；H 2.59(2.63)；N 16.76 (16.64)。IR(cm-1)：3 230，1 599，1 551，1 530，1 465，1 423，1 380；1 301，1 240，952，854，754，729，705。

1.2.3 配合物2的合成

用乙酸镍代替乙酸铜，其他步骤同上，得到橙黄色晶体。对C15H11N5NiO4S元素分析的实测值(计算值，%)：C 43.41(43.30)；H 2.64(2.67)；N 16.79 (16.82)。IR(cm-1)：3 258，1 600，1 550，1 508，1 481，1 467，1 383，1 300，1 242，956，854，754，722，710。

1.3 晶体结构测定

选取0.50 mm×0.23 mm×0.22 mm(1)的单晶和0.22 mm×0.21 mm×0.20 mm(2)的单晶置于Bruker Smart ApexⅡCCD单晶衍射仪上，用经石墨单色器单色化的Mo Kα射线(λ=0.071 073 nm)分别于296(2)和293(2)K下以φ～ω扫描方式在3.20°～25.09°和2.98°～25.10°范围收集衍射数据。晶体结构用SHELXS-97软件由直接法解出，对所有非氢原子坐标及其各向异性温度因子用SHELXL-2014/7程序[20]进行了全矩阵最小二乘法精修。有机物碳原子上的氢原子为理论加氢。晶体数据列于表1，主要键长和键角列于表2。

CCDC：1041671，1；1041672，2。

表1 化合物的晶体数据Table 1 Crystal data of the compounds

表2 配合物1和2的主要键长和键角Table 2 Selected bond lengths(nm)and angles(°)of 1 and 2

1.4 体外抗肿瘤活性实验

在无菌条件下，分别取对数生长期的人肝癌细胞HEPG2和人结肠癌细胞SW620，用2.5 g·L-1胰酶消化，调整细胞密度为2.5×104mL-1，参照文献[15]的方法进行实验。实验重复3次，取平均值，并根据线性回归方程求出化合物的半数抑制浓度IC50。

2 结果与讨论

2.1 晶体结构

配合物1的分子结构见图1，它是一种中心对称的双核配合物，由2个中心离子Cu(Ⅱ)、2个咪唑和2个-2价的5-硝基水杨醛缩噻吩-2-甲酰腙(L2-)组成。Cu(Ⅱ)与配原子构成CuN2O3四方锥的配位几何构型。其中酰腙配体以烯醇式配位并脱除质子，提供羰基O4和亚胺基N2与Cu(Ⅱ)配位形成五元环；而酚羟基脱质子提供μ-O3与Cu(Ⅱ)配位，并与亚胺基N构成稳定的六元环；咪唑上C=N的N4原子则占据锥底的第四个配位点；N4、O3、N2和O4构成锥底，扭转角为-8.20°，键角为81.44(7)°～93.27(8)°和169.52(8)°～173.74(7)°；Cu-O和Cu-N键长分别为0.190 03(15)～0.192 45(17)nm和0.190 94(18)～0.193 7(2)nm，比吴琼洁等[21]报道的类似结构的双核铜配合物[Cu2(L2)2(Py)2]和仇晓阳[8]报道的双Schiff碱双核配合物[Cu(L)]2相应的键长要短得多。锥顶被另一酰腙配体的酚盐氧μ-O3占据，从而构成双核结构，在[Cu2(μ-O)2]片段中Cu1…Cu1i间距为0.345 5 nm。由于Jahn-Teller效应所致，Cu1…O3i间距达0.277 87(16)nm，与文献[23]报道的相似。C4-O3和C8-O4键长为0.128 9(3)和0.128 3(3)nm，C7-N2和C8-N3键长为0.128 6(3)和0.129 7(3)nm，均为典型的双键。

酰腙配体从O1到S1所有的原子几乎共平面，存在较强的共轭作用，扭转角C2-C3-C7-N2、N3-C8-C9-S1、O2-N1-C1-C2和C3-C7-N2-N3、C7-N2-N3-C8为173.55°～174.75°和-177.67°～-179.47°。噻吩环与苯环最小二乘面夹角为5.6°。相邻的双核基元的平面相互平行，水杨基与亚胺基形成的C2-C1-C6-C5-C4-C3-C7-N2共轭片段的离域电子之间存在较强的π-π相互作用(图2)，二面角为0.0°，质心Cg1(O3-C4-C3-C7-N2)与质心Cg2iii(C1-C2-C3-C4-C5-C6)间距0.349 1 nm(垂直距离0.338 0 nm)。而硝基O2与邻近结构基元的咪唑的次氨基NH构成氢键(N(5)-H(5A)…O(2)ii0.286 5(3)nm)。配合物借助这种N-H…O氢键和π-π相互作用扩展为二维超分子。

图1 配合物1的晶体结构(椭球率30%)Fig.1 Crystal structure of complex 1 with 30% probability ellipsoid

图2 化合物1中的分子间氢键和π…π相互作用Fig.2 Intermolecular hydrogen bonds andπ…π interactions in 1

配合物2的分子结构见图3，它由1个中心离子Ni(Ⅱ)、1个咪唑配体和1个5-硝基水杨醛缩噻吩-2-甲酰腙配体组成，与1中相似，酰腙配体以烯醇式三齿螯合配位，形成几乎完全共平面的五元环和六元环，二者平面夹角1.2°。Ni(Ⅱ)与羰基氧O1、亚胺基N2、酚盐基O2和咪唑基N4形成NiN2O2平面四边形配位构型，N4-O1-N2-O2扭转角为5.41°，中心原子周围的4个键角在83.99(17)°～95.55(17)°范围。酰腙三齿配原子与Ni(Ⅱ)形成的配位键Ni1-N2、Ni1-O2和Ni1-O1键长与文献[21]报道的酰腙配合物中相应的键长相近，分别为1.827(4)、1.827(3)和1.841(3) nm，而咪唑与Ni(Ⅱ)的Ni1-N4键长(1.903(4)nm)比张奇龙等[22]报道的基于Schiff碱及咪唑类配体的镍配合物的Ni-N键长(0.192 0～0.193 8 nm)短，也比文献[21]中辅助配体的N-Ni键长短。硝基、苯环、酰腙基团和Ni(Ⅱ)近似共平面，而噻吩环与苯环的二平面夹角为21.0°，咪唑环与苯环二平面夹角为14.5°。硝基的O3分别与另外2个相邻的配合物基元的咪唑次胺基N5-H5A和噻吩的C1-H1之间的氢键(表4)，将配合物扩展为二维超分子网络(图4)，从而增加了配合物的稳定性。

表3 配合物1的氢键参数Table 3 Hydrogen bond parameters for complex 1

表4 2的氢键参数Table 4 Hydrogen bond parameters for 2

图3 配合物2的晶体结构(椭球率30%)Fig.3 Crystal structure of complex 2 with 30% probability ellipsoid

图4 配合物2中分子间的C-H…O和N-H…O氢键Fig.4 Intermolecular C-H…O and N-H…O hydrogen bonds in 2

2.2 红外光谱和电子光谱

在配体H2L的IR谱图中，3 293 cm-1处尖锐的吸收峰属于次胺基的νN-H，1 626和1 601 cm-1分别属于酰胺基的νC=O和亚胺基的νC=N，而959 cm-1可指认为是νN-N。硝基-NO2的特征吸收峰出现在1 522和1 371 cm-1，1 336 cm-1归属于νC-N；1 293 cm-1归属于酚羟基的νC-O。1 243和699 cm-1是噻吩杂环的特征吸收峰(νC-S-C和νC-S)。在1和2的IR中，νC=O消失，说明配体以烯醇式配位；3 230(1)和3 258(2) cm-1来自咪唑的νN-H。1 599(1)和1 600(2)cm-1归属νC=N，νN-N出现在952(1)和956(2)cm-1，而噻吩的特征νC-S-C和νC-S出现在1 240、705 cm-1(1)和1242、710 cm-1(2)。

图5 配体H2L及其配合物的紫外可见光谱Fig.5 UV-Vis spectra of ligand H2L and complexes 1 and 2

由电子吸收光谱(图5)可见，配体H2L在297和395 nm出现2个强而宽的吸收带，分别归属于酰腙与苯环形成的共轭体系的π→π*电子跃迁(即K带)和配体内的电荷转移跃迁(ILCT)，n→π*电子跃迁强度弱而被部分掩盖。配合物1和2中出现的新吸收带261和259 nm来自辅助配体咪唑的π→π*电子跃迁，而酰腙配体与金属配位致使π→π*电子跃迁分别红移至325和329 nm(出现的精细结构可能与其中包含n→π*电子跃迁有关)，ILCT(396和403 nm)则未发生明显的位移，但相对强度发生了变化。

2.3 体外抗肿瘤活性

配体H2L和配合物对癌细胞的半数抑制浓度IC50列于表5。1和2对人肝癌细胞HEPG2半数抑制浓度IC50(表5)分别为1.30和2.77μg·mL-1(即 1.54和6.66μmol·L-1)，对人结肠癌细胞SW620半数抑制浓度IC50分别为2.22和2.97μg·mL-1(即2.64和7.1μmol·L-1)。结果表明，配合物1和2对HEPG2和SW620有较强的增殖抑制作用，都比相应的配体强，且与浓度的增加正相关(图6和7)，呈浓度依赖性。根据Shier[23]的建议，当IC50＜5μg·mL-1时化合物的抑制活性为强效。配合物与DNA的作用模式主要有插入型和面上型，具有大平面结构的配合物，可能更有利于配合物与DNA发生作用，从而增加了抑制活性。其作用机理有待进一步研究。

表5 配体H2L和配合物对癌细胞的半数抑制浓度IC50Table 5 IC50values of ligand H2L and the complexes on cancer cell μg·mL-1

图6 配体H2L和配合物对HEPG2的抑制作用Fig.6 Inhibition effects of ligand H2L and the complexes on cell HEPG2

图7 配体H2L和配合物对SW620的抑制作用Fig.7 Inhibition effects of ligand H2L and the complexes on cell SW620

3 结论

以咪唑为第二配体利用水热反应合成了具有大平面结构的5-硝基水杨醛缩噻吩-2-甲酰腙铜双核配合物[Cu(Him)L]2和镍单核配合物[Ni(Him)L]，二者的晶体结构分别属单斜晶系P21/c空间群和三斜晶系P1空间群。这两种配合物对人肝癌细胞HEPG2和人结肠癌细胞SW620均表现出很强的增殖抑制作用，强弱顺序为[Cu(Him)L]2＞[Ni(Him)L]≫H2L，有望成为抗癌候选药物。

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Syntheses,Crystal Structures and in Vitro Antitumor Activities of Copper(Ⅱ)and Nickel(Ⅱ)Complexes Based on Acylhydrazone and Imidazole Ligands

GAO Ping-Zhang CHEN Ya-Xin ZHENG Min-Min WANG Jing-Mei XIE Qing-Fan CHEN Yan-Min＊
(College of Chemical Engineering and Materials Science,Quanzhou Normal University,Quanzhou,Fujian 362000,China)

Two new complexes[Cu(Him)L]2(1)and[Ni(Him)L](2),where H2L is 2-thiophenecarboxylic acid(2-hydroxly-5-nitro-benzylidene)-hydrazide and Him is imidazole,were synthesized by hydrothermal reaction and characterized by elemental analysis,FT-IR and electronic spectra.The structure of complexes has been accomplished by single crystal X-ray diffraction which results confirmed that the crystal of 1 belongs to the monoclinic system，space group P21/c with cell parameters:a=1.135 68(12)nm,b=0.770 45(8)nm,c=2.140 4(2) nm,β=97.405(3)°and the crystalof 2 belongs to the triclinic system,space group P1 with cellparameters:a= 0.726 91(4)nm,b=0.976 34(6)nm,c=1.265 74(8)nm,α=79.533(2)°,β=82.862(2)°,γ=68.985(2)°.The X-ray analyses revealed that 1 displays a centrosymmetric binuclear structure with the Cu atoms in square pyramidal coordination.The binuclear units are further linked by hydrogen bonds to generate an infinite 1D chain.The mononuclear units in 2 are linked through weak N-H…O and C-H…O hydrogen bonds to form an infinite 2D network.The in vitro antitumor activities of ligand and complexes were tested by MTT method,which results show that 1 and 2 have strong in vitro antitumor activity against HEPG2 and SW620 cancer cells lines．CCDC: 1041671,1;CCDC 1041672,2.

acylhydrazone;complex;crystal structure;antitumor activity

O614.121；O614.81+3

A

1001-4861(2016)09-1572-07

10.11862/CJIC.2016.198

2016-05-02。收修改稿日期：2016-06-17。

泉州师范学院学科建设资金和福建省大学生创新创业训练计划项目(No.201510399025，201510399030)资助。

＊通信联系人。E-mail：qzucym@163.com；会员登记号：S06N5449M1311(解庆范)，S06N2113M1304(陈延民)。