两个具有Sn4O4梯状结构二丁基锡羧酸酯的微波溶剂热合成、结构和体外抗癌活性

冯泳兰 邝代治 张复兴 庾江喜 蒋伍玖 朱小明

(衡阳师范学院化学与材料科学学院，功能金属有机材料湖南省普通高等学校重点实验室，衡阳421008)

两个具有Sn4O4梯状结构二丁基锡羧酸酯的微波溶剂热合成、结构和体外抗癌活性

冯泳兰 邝代治＊张复兴 庾江喜 蒋伍玖 朱小明

(衡阳师范学院化学与材料科学学院，功能金属有机材料湖南省普通高等学校重点实验室，衡阳421008)

在甲醇微波溶剂热中，二丁基氧化锡分别与4-甲基苯甲酸、4-二甲氨基苯甲酸反应，合成了2个具有梯形结构的二丁基锡羧酸酯[(μ3-O)(μ2-OMe)(n-Bu2Sn)2(O2CR)]2(R=4-Me-C6H4(1)，4-Me2N-C6H4(2))，并对其进行了元素分析、IR和(1H，13C和119Sn) NMR光谱表征。X射线晶体衍射分析表明，化合物1、2具有Sn4O4构筑的3个四元环梯形骨架平面结构，μ3-O桥联2个环内梯锡和1个环梯端锡原子，此外，甲醇氧还以μ2-O桥联1个环内梯锡和1个环梯端锡原子，锡与配基原子构成畸形三角双锥六面体。化合物对人结肠癌(HT-29)、肝癌细胞(HepG2)、乳腺癌(MCF-7)、鼻咽癌(KB)和肺癌细胞(A549)均显示出比临床使用的顺铂还强的抗癌活性。

有机锡化合物；微波溶剂热合成；梯形骨架；体外抗肿瘤活性

0 引言

有机锡卤化物或氧化物前体与含氧(氮、硫)配体反应产生的有机锡化合物，具有结构多变和良好的生物活性等特点而备受人们关注[1-2]。在与有机锡反应的配体中，有机酸作为含氧多齿桥联配基，既可与锡形成简单的R′C(O)O-SnRx(A型)[3-4]、也可形成含配键[C=O→Sn](B型)的有机锡羧酯[5]，在B型结构中，通过羧基(Sn-O-C=O→Sn)桥联作用还可形成链状、环状，以及μ2-O，μ3-O桥联多锡结构的有机锡化合物[6-8]。近年来，在含O、N配基中，R2SnCl2或R3SnCl脱烃基水解[9-11]、R2SnO与有机酸反应[12-13]，合成由(μ3-O)Sn3构筑、中心结构具有[SnO]n的有机锡氧簇合物，引起合成化学工作者广泛兴趣。我们对苄基氯化锡的水解、丁基氧化锡与有机羧酸反应，也进行了初步实验探索[14-16]，并利用微波辐射合成有机锡羧酸酯取得良好效果[16-18]，微波辐射比传统的合成方法有着高效、简便等优点[19]，本文报道微波甲醇溶剂热中，二丁基氧化锡(n-Bu2Sn=O)与有机芳香酸(4-甲基苯甲酸、4-二甲氨基苯甲酸)的反应，合成了2个中心具有四元环梯状结构的二丁基锡羧酸酯化合物。初步测试了化合物对5种人体外抗肿瘤生物活性。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

合成反应在微波有机合成系统(Micro SYNT Labstation for Microwave assisted意大利)完成。化合物的C、H和N组成用PE-2400元素分析仪；红外光谱用Prestige-21(岛津,400～4 000 cm-1)光谱仪；1H NMR、13C NMR谱用Bruker INOVA-400 NMR测定，四甲基硅烷(TMS)内标，119Sn NMR用Bruker INOVA-500 NMR光谱仪测定，四甲基锡(Me4Sn)内标；晶体分子结构测定用Bruker Smart ApexⅡCCD单晶衍射仪；热稳定性分析用德国NETZSCH TG 209 F3热重分析仪；化合物的熔点用北京泰克XT-4双目体视显微熔点仪测定(温度计未经校正)。试剂购自上海太阳化学科技有限公司和上海晶纯试剂有限公司。

1.2 化合物的合成

取1 mmol二(正丁基)氧化锡、1 mmol芳香酸(4-甲基苯甲酸、4-二甲氨基苯甲酸)、30 mL甲醇，置于聚氟乙烯反应瓶中，设置微波有机合成系统120℃微波辐射反应2 h，冷却至室温，过滤，减压蒸发溶剂，固体重结晶得产物，在适当溶剂中培养晶体，用于晶体结构测定。

无色晶体1，产率：75.6%(基于n-Bu2SnO)，m.p. 158～160℃。1HNMR(CDCl3，400 MHz)：δ 0.90(t，24H，J=6.4 Hz,-CH3,Butyl-H),1.38～1.69(m,48H,SnCH2CH2CH2，Butyl-H),2.40(s,6H，Ar-CH3)，3.49(s，6H，-OCH3)，7.19(s,4H,Ar-H),7.88(s,4H,Ar-H)；13C NMR(CDCl3，100 MHz)：δ 13.63～27.87(n-Bu-C)，21.47(Ar-CH3)，50.86，51.06(-OCH3)，128.62，129.75，131.70，141.53(Ar-C)，172.74(-COO);119Sn NMR(CDCl3，186 MHz)：δ-212.96, -213.95。IR(KBr，cm-1)：1 623 νas(COO-)，1 405 νs(COO-)，619 ν(Sn-O-Sn)，551 ν(Sn-C)，420 ν(Sn-O)。元素分析按C50H92O8Sn4计算值(%)：C 46.33，H 7.15；实测值(%)：C 46.61，H 7.30。

无色晶体2，产率:61.3%(基于n-Bu2SnO)，m.p. 224～226℃。1H NMR(CDCl3，400 MHz)：δ 0.90(t，24H，J=7.2 Hz，-CH3，Butyl-H)；1.38～1.69(m，48H，Sn CH2CH2CH2，Butyl-H)，2.89(d，12H，-N(CH3)2)，3.49(s，6H，-OCH3)，6.66(s，4H，Ar-H)，7.88(s，4H，Ar-H)；13C NMR(CDCl3，100 MHz)：δ 13.67～27.95(n-Bu-C)，40.21 (-N(CH3)2),50.83,51.22(-OCH3),110.73,121.63,131.30, 152.59(Ar-C)；172.58(-COO)；119Sn NMR(CDCl3，186 MHz)：δ-174.41，-215.25。IR(KBr，cm-1)：1 606 νas(COO-)，1 349 νs(COO-)，602 ν(Sn-O-Sn)，551 ν(Sn-C)，419 ν(Sn-O)。元素分析按C52H98N2O8Sn4计算值(%)：C 46.12，H 7.29，N 2.07；实测值(%)：C 46.31，H 7.34，N 2.09。

1.3 X射线晶体衍射

选取大小分别为0.20 mm×0.19 mm×0.17 mm (1)和0.20 mm×0.20 mm×0.20 mm(2)的晶体，在Bruker Smart ApexⅡCCD单晶衍射仪上，采用经石墨单色化的Mo Kα射线(λ=0.071 073 nm)，在室温下以φ～ω扫描方式收集衍射数据。1在1.72°～27.00°范围内收集衍射点；2在1.69°～27.00°范围内收集点。衍射强度数据经多重扫描吸收校正，晶体结构中大部分非氢原子由直接法解出，其余部分非氢原子在随后的差值傅立叶合成中陆续确定，对所有非氢原子坐标及其温度因子采用全矩阵最小二乘法精修。由理论加氢法给出氢原子在晶胞中的位置坐标，对氢原子和非氢原子分别采用各向同性和各向异性热参数精修，全部结构分析工作在WINGX上调用SHELX-97程序[20]完成。化合物的主要晶体学数据列于表1。

表1 化合物的晶体学数据Table 1Crystallographic data of the compounds

CCDC：892010，1；839191，2。

1.4 抗肿瘤活性测定

HT-29，HEPG2，MCF-7，KB和A549细胞取自美国组织培养库，用含10%牛胎血清的RPMI1640培养液，在含5%CO2(V/V)的培养箱内于37℃下培养，用MTT法检测细胞增殖与生长抑制情况，调整实验细胞数量使在570 nm获得1.3到2.2的吸光度，将化合物测试药液(0.1 nmol·L-1～10 μmol·L-1)设置6个浓度，每个浓度至少3个平行和3次重复实验。应用GraphPad Prism 5.0软件统计分析确定IC50值。

2 结果与讨论

2.1 晶体结构

化合物的晶体分子结构见图1，晶体属单斜晶系，P21/n空间群，主要键长和键角见表2。晶体分子结构分析表明，化合物由2个芳香酸、4个二丁基锡和2个甲醇组成，其中甲醇氧以μ2-O桥联Sn1和 Sn2，另一个氧以μ3-O桥联Sn1和Sn2之外，还桥联对称结构的Sn2A原子，形成Sn4O4架构的三梯状化合物。虽梯中四元环的Sn-O键长、键角∠Sn-O-Sn、∠O-Sn-O各不相等，但整个梯以中间四元环的中心为对称中心，且四元环内4个原子构成的二面角∠Sn-O-Sn-O和∠O-Sn-O-Sn、梯形与羧基构成的二面角均在0°～0.65°，因此，中心结构原子具有良好的共平面性。O1和O4、O3A和O4分别占据着Sn1和Sn2为中心的轴向位置,∠O1-Sn1-O4为152.65(15)°,∠O3A-Sn2-O4为146.45(14)°,O3、C1、C5和O3、C9、C13分别占据赤道位置，且O3、C9、C13和Sn2几乎共平面，其4个原子的二面角分别为0.43°(1)，1.01° (2)，但受Sn1…O2的影响，O3、C1、C5和Sn1原子偏离平面较多，它们的二面角分别为15.31°(1)和16.31°(2)。4个Sn原子连同8个丁基分别位于平面两边形成对称。梯端的羧基和甲醇分子沿梯环平面向外延展，如MMTA[10]、吡啶-4-甲酸[16]、3，4-二甲氧基苯甲酸和N-(对甲苄基)羟胺[15]等，因此，配基对中心骨架结构和Sn-O键长的影响不明显，但平面上基团的空间效应影响梯形结构，如以苄基替代丁基的类似化合物中，由于苄基比丁基的基团位阻大，锡(Sn1和Sn2)与苄基碳形成的Sn-CH2Ph键长比与丁基碳(C1、C4、C9和C13)形成的键更长，丁基碳与氧(O3、O3A和O4)形成的所有键角均不相等，羧基与梯端Sn1形成Sn1-O1共价键，羧基另一氧原子与Sn1形成分子内的弱作用，Sn1与O2距离分别为0.283 4 nm(1)和0.284 4 nm(2)，远低于范德华半径之和(0.368 nm)[21]，因此，Sn1与配基原子形成比Sn2与配基原子形成的三角双锥六面体畸变程度更高。

图1 化合物1(左)、2(右)的分子结构Fig.1Molecular structure of 1(left)and 2(right)

表2 化合物的部分键长和键角Table 2Selected bond lengths(nm)and angles(°)for 1 and 2

2.2 构象理论分析

图2 化合物1晶胞中丁基Sn2-C9旋转(右上)及Sn2-C9、C9-C10键旋转(右下)作用能随旋转角变化Fig.2Strain energy of Lennard-Jones with the rotation angle of the Sn2-C9 bond(right above),or Sn2-C9(bond 1) and C9-C10(bond 2)(right below)in the unit cell for compound 1

理论上，四元环梯形骨架平面结构的形成要求基团之间要有适度的空间。因此，羧基与二丁基氧化锡反应，应优先形成空间效应较小的(A)型丁基锡羧酸酯化合物[22]。标题化合物的合成存在，引起我们对结构的思考。晶体结构分析表明，位于平面上、下排列的丁基，通过Sn2-C键向梯外偏离10°～30°，∠O3-Sn2-C在100°～120°之间，以形成“稳定”结构，尽管产生梯状骨架结构的原因需进一步研究，但基团的空间位阻可能是重要因素。为了探索这种梯状骨架平面上基团取向对分子体系能的影响，我们以化合物1的晶体结构为例，考察了化合物1晶胞中丁基Sn2-C9键旋转360°产生的各个构象和对应的Lennard-Jones作用能之间的关系。理论计算表明，Sn2-C9键旋转所构成的E-α图如图2(右上图)，可见Sn2-C9单键旋转过程与基团间的作用有2个主要能垒，其中最大能垒E为28 340 kJ·mol-1，说明空间位阻较大，Sn2-C9单键不能自由旋转。还存在多个低能Eα构象：E0°=-119 021 kJ·mol-1，E44°=-118 675 kJ·mol-1，E144°=-117 512 kJ·mol-1，E289°=-119 016 kJ· mol-1，E339°=-119 021 kJ·mol-1，晶体结构正处于最低能构象(α=0°)，使化合物稳定。基于此，我们进一步考察了晶胞中Sn2-C9(Bond 1)和C9-C10(Bond 2)键同时旋转产生的构象和作用能，结果形成如图2(右下图)的E-α1,α2曲面图，出现有多个较大能垒Eα1,α2，阻碍丁基的位移。也形成27个低能构象，其中最低能构象正是晶体结构E0°,0°时的构象，这可能是化合物梯形骨架平面结构能稳定存在的重要原因，也为苯基、环已基锡化合物空间位阻太大不能形成类似结构提供了理论参考。

2.3 谱学性质

有机锡羧酸酯的红外光谱特征峰νas(COO)与νs(COO)之差Δν为218 cm-1(1)、257 cm-1(2),均大于200 cm-1，表明羧基＞C=O的氧与锡未形成C=O→Sn配键，羧基的C=O双键和C-O单键有明显的差异，羧基氧与锡形成单齿(A型)化合物[23-24]。551cm-1ν(Sn-C)[25]，420(1)、419(2)cm-1ν(Sn-O)和619(1)、602(2)cm-1ν(Sn-O-Sn)特征峰佐证了化合物的结构[26]。化合物1和2中丁基、甲氧基的1H NMR，以及丁基、甲氧基和羧基的13C NMR谱的化学位移相似。化合物1和2分别受甲基和二甲氨基的影响，苯环的13C NMR化学位移有所不同。在119Sn NMR上4个Sn原子只出现2种锡119Sn的谱线。以上表征均支持化合物的结构与X射线晶体衍射实验结果一致。

2.4 化合物1的热稳定性

为了研究化合物的热稳定性，在空气氛下，以20℃·min-1的加热速度和20 mL·min-1气体流速，在40～600℃范围内，对化合物1进行热重测试，研究其热稳定性，结果如图3。可见随温度的升高，化合物1在40～220℃范围几乎未发现失重，但在大于220℃时化合物明显失重，410℃后残余物恒重在46.1%，在220～410℃范围失重53.9%，若以化合物分解失去有机基团，残余物为SnO2计算，理论值为46.52%，与实验结果相吻合，因此，化合物1在低于220℃可稳定存在。

表3 化合物和顺铂对体外肿瘤细胞的半抑制率Table 3IC50of the compounds and cisplatin on tumor cells in vitro

图3 化合物1的热重曲线Fig.3TG-DTG curve for 1

2.5 抗肿瘤活性

表3列出化合物1、2及顺铂对体外肿瘤细胞(人结肠癌(HT-29)、肝癌细胞(HepG2)、乳腺癌(MCF-7)、鼻咽癌(KB)和肺癌细胞(A549))的生长抑制活性，可见化合物1、2对5种肿瘤细胞都有明显的抑制作用，且都大大优于顺铂[27-29]。尤其对HT-29抑制作用效果更好。

3 结论

在微波甲醇溶剂热条件下，合成了2个Sn4O4梯形结构二丁基锡羧酸酯，化合物对人结肠癌(HT-29)、肝癌细胞(HepG2)、乳腺癌(MCF-7)、鼻咽癌(KB)和肺癌细胞(A549)均显示出比临床使用的顺铂还强的体外抗癌活性,可望作为广谱抗癌的候选化合物。

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Two Di-n-butyltin Carboxylates with a Sn4O4Ladder-like Framework: Microwave Solvothermal Syntheses,Structures and in Vitro Antitumor Activities

FENG Yong-LanKUANG Dai-Zhi＊ZHANG Fu-XingYU Jiang-XiJIANG Wu-JiuZHU Xiao-Ming
(Key Laboratory of Functional Organometallic Materials of Hengyang Normal University,College of Hunan Province,College of Chemistry and Material Science,Hengyang Normal University,Hengyang,421008,China)

Two di-n-butyltin carboxylates with a Sn4O4ladder-like framework,[(μ3-O)(μ2-OMe)(n-Bu2Sn)2(O2CR)]2(R=4-methylphenyl(1),4-(dimethylamino)phenyl(2)),were obtained by the microwave-assisted solvothermal reaction of di-n-butyltin oxide precursor with the 4-methylbenzoic acid,4-dimethylaminobenzoic acid in methanol environments,respectively.The compounds were characterized by elemental analysis,IR,(1H,13C and119Sn)NMR spectra and X-ray crystallography diffraction analyses.The compounds have similar structures containing a Sn4O4ladder-like skeleton,in which two endo-cyclic tin and one exo-tin atoms is bonded to the μ3-O atom,in addition, one endo-cyclic tin and one exo-tin atoms is bonded to the μ2-O atom from the methanol,respectively.The ladder-like molecule has a three-ring fused skeleton,which is almost coplanar.The endo-cyclic and exo-cyclic tin atoms all are five-coordinated with distorted trigonal bipyramid geometry.The antitumor activity shows that compounds 1 and 2 have higher activities than cisplatin in HT-29,HepG2,MCF-7,KB and A549 cell line in vitro. CCDC:892010,1;839191,2.

organotin compound;microwave solvothermal synthesis;ladder-like framework;in vitro antitumor activity

O614.43+2

A

1001-4861(2017)05-0830-07

10.11862/CJIC.2017.107

2016-11-07。收修改稿日期：2017-04-08。

湖南省高校创新平台开放基金(No.16K011，14K014)和湖南省自然科学基金(No.13JJ3112)资助项目。

＊通信联系人。E-mail：hnkcq@qq.com；会员登记号：S06N8374M1012。