糠醛缩烟酸甲酰肼Schiff碱的合成以及与DNA的作用

2019-09-12

材料科学与工程学报 2019年4期

(天水师范学院化学工程与技术学院，甘肃天水 741001)

1 前言

希夫碱(Schiff base)是指分子结构中含有亚胺(—CH==N—)或甲亚胺特性基团(—RC==N—)的一类有机化合物，易于大部分金属离子形成配合物，是目前应用最为广泛的配体之一。Schiff碱结构中的亚胺或甲亚胺是一种活性基团，致使很多Schiff碱也表现出良好的消炎、抑菌、杀菌、抗肿瘤、抗高血压和抗结核病等生物活性[1]。自1965年Rosenberg等[2]发现顺铂有抗癌活性以来，Schiff碱金属配合物就受到了广泛关注。蔡丽华等[3]合成了糠醛双希夫碱N N’-双(2-呋喃甲醛亚氨基乙基)-2,6-吡啶二甲酰胺(Ⅱa)，模拟了其在废水中去除重金属的反应，发现其能与金属反应生成具有高稳定性且不溶于水的螯合物，因此可以应用在净化水资源方面；郝治湘等[4]合成了糠醛-乙二胺希夫碱，经研究发现带有呋喃环的希夫碱在杀菌、抗病毒、抗癌等方面有着很好的效果。

诸多抗癌药物与DNA之间通过嵌插作用而发挥药理作用[5-6]，所以Schiff碱与DNA的作用方式也是研究热点。魏峰等[7]合成了水杨醛甘氨酸希夫碱、2，6-二氨基吡啶缩2-羟基-1-萘醛(H2L1)、2，6-二氨基吡啶缩邻香草醛(H2L2)和2，6-二氨基吡啶缩2，4-二羟基苯乙酮(H4L3)Schiff碱，发现Schiff碱均通过嵌插方式与DNA作用。

糠醛是含氮杂环类化合物，也是呋喃环系衍生物之一，其化学性质活泼，可通过缩合反应制取多种衍生物，因而广泛应用于医药、农药等领域[8]。烟酸甲酰肼在抗肿瘤，抗结核方面具有一定的优势[9]，是一种潜在的抗肿瘤、抗结核治疗药物。基于糠醛和烟酸甲酰肼的特性及醛类Schiff碱的金属配合物在医学、生物等领域的广泛应用前景，本研究通过糠醛和烟酸甲酰肼合成了Schiff碱，并采用紫外光谱、热重分析、摩尔电导率进行了表征，通过循环伏安法和黏度测定研究了Schiff碱与DNA的相互作用。

2 实验

2.1 试剂与仪器

实验试剂主要有：烟酸甲酰肼和糠醛，均为分析纯。主要仪器有：UV-2450紫外可见光谱仪(UV-Vis)；傅立叶变换红外光谱仪(FTIR)；差热-热重分析仪(TG-DTA)；CHI电化学分析仪。

2.2 Schiff碱的合成

参照文献[10]，在100mL三口圆底烧瓶中加入溶于20mL无水乙醇的0.012mol烟酸甲酰肼，在磁力搅拌下继续加入0.006mol的糠醛，60℃ 条件下加热回流搅拌3h。反应结束后将反应液静置冷却，慢慢析出大量沉淀。将沉淀进行抽滤，并用无水乙醇进行重结晶，70℃下真空干燥2h后得到棕黄色晶体，产率为26.0%。基本合成路线如图1所示。

图1 糠醛缩烟酸甲酰肼Schiff碱的合成路线Fig.1 Synthetic route of Schiff base constructed from Furfural and Nicotinic hydrazide

2.3 Schiff碱的表征

采用KBr压片，测定Schiff碱的红外光谱；配制0.0125mg/mL的烟酸甲酰肼、糠醛和Schiff碱溶液，以乙醇作溶剂和参比，在190～400nm范围内扫描紫外-可见吸收光谱；在N2气氛中，升温速度为10℃/min，在20～800℃温度范围内测定差热-热重曲线；在室温下测定浓度为0.5mg/mL的Schiff碱溶液的电导率。

2.4 Schiff碱与DNA的相互作用

2.4.1循环伏安法实验前预先在电化学池加入1.0mL的包含5mmo/L电活性指示剂Fe(CN)63-/4-和0.1mol/L KCl支持电解质的pH=6.8 Tris-HCl缓冲溶液。以Au/DNA为工作电极，甘汞电极为参比电极，铂电极为辅助电极，在-1.0～1.5V电位范围内，固定扫描速率为0.3V/s进行扫描，运用循环伏安法测定Au/DNA修饰电极在不同Schiff碱浓度下的循环伏安曲线[11]。

2.4.2粘度法在室温下用乌氏粘度计测定一定浓度DNA溶液(1.0mg/mL)与不同浓度的Schiff碱溶液发生分别反应后反应液的粘度。其中Schiff碱溶液的浓度依次为0.083、0.167、0.250、0.333和0.417mg/mL。将混合液放置48h后测定其粘度。

3 结果与讨论

3.1 Schiff碱的表征

采用溴化钾压片法，在4000～400cm-1范围扫描烟酸甲酰肼、糠醛及Schiff碱的红外光谱，数据如表1所示。糠醛在1671cm-1处出现一个很强的吸收峰，可归属为醛基-C=O的伸缩振动吸收峰。烟酸甲酰肼在3306和3117cm-1处出现的吸收峰，可归属为N-H的伸缩振动吸收峰。烟酸甲酰肼和糠醛发生反应后，合成的Schiff碱-C=O的伸缩振动吸收峰位移至1679cm-1处，N-H的伸缩振动吸收峰位移至3176cm-1处。

烟酸甲酰肼、糠醛及Schiff碱的紫外-可见吸收光谱如图2所示：烟酸甲酰肼在205和262nm处出现了两个吸收峰，糠醛在204.5和272nm处出现了两个吸收峰，这些都属于n—π*跃迁。Schiff碱在205.5nm处出现了强吸收峰，属于n—π*跃迁，在313.5nm处出现了新的强吸收峰，与两种反应物的峰相比，发生了红移，属于π—π*跃迁，可以看出这不是两种反应物各自吸收光谱的简单加和，说明有新键生成，即两种反应物发生了反应，形成了新的物质。

表1 糠醛、烟酸甲酰肼及Schiff碱的红外光谱数据Table 1 IR spectral data of furfural, nicotinic hydrazide and Schiff base/cm-1

图2 烟酸甲酰肼、糠醛及Schiff碱的紫外-可见吸收光谱图Fig.2 UV-Vis absorption spectra of nicotinic hydrazide, furfural and schiff base

Schiff碱的热重曲线见图3。Schiff碱在250～700℃出现了失重台阶，有77.4%的失重，属于Schiff碱的完全氧化分解，在DTG曲线上位于294.9℃处有一明显的放热峰。温度持续升高，热重曲线比较平缓，温度达到800℃时，仍有22.6%的质量剩余，800℃以后，失重趋于平衡。

图3 Schiff碱的热重曲线Fig.3 Thermogravimetric curves of schiff base

测得Schiff碱样品溶液的电导率为0.31S·m-1，计算得到在室温下Schiff碱的摩尔电导率为0.134S·m2.mol-1，这说明Schiff碱在乙醇中不电离，是以中性分子形式存在，属于非电解质[12]。

3.2 Schiff碱与DNA的作用方式

3.2.1循环伏安法扫描速率为0.5V·s-1，配合物的存在下Fe(CN)63-/4-在Au/DNA电极上表现的循环伏安行为如图4所示。图4中第曲线1，曲线2是没有配合物存在下，K4Fe(CN)6分别在裸金电极和Au/DNA修饰电极上的循环伏安曲线。与裸金电极上的循环伏安曲线相比，铁氰化钾溶液在0.442V处出现氧化峰，峰电流为-4.704×10-4A，在0.301V处出现还原峰，峰电流为4.185×10-4A。在滴加DNA后，无新峰出现，但氧化峰从0.442V正移至0.5114V处，峰电流从-4.704×10-4A降至-3.977×10-4A，还原峰从0.301V负移至0.2275V处，峰电流从4.185×10-4A降至4.004×10-4A，说明式量电位E1/2发生正移。根据文献报道[13]，一旦金属配合物与DNA以嵌插作用结合，会引起金属配合物的式量电位E1/2正移。由此可见，Fe(CN)63-/4-以嵌插作用方式与DNA发生作用。

图4 Schiff碱存在下K4Fe(CN)6在Au/DNA电极上循环伏安曲线Fig.4 V-A curves of K4Fe(CN)6 in schiff base solution

当向DNA/Fe(CN)63-/4-体系中加入Schiff碱时，体系的氧化还原峰电流均有不同程度的减小，并且氧化峰的电位不断向正方向移动，而还原的峰电位向负方向移动，即式量电位E1/2不断增大。当加入1.0mL Schiff碱溶液时，DNA/Fe(CN)63-/4-体系的氧化峰从0.5114V正移至0.6085V处，峰电流从-3.977×10-4A降至-1.751×10-4A；还原峰移动不明显，但峰电流从4.004×10-4A降至2.371×10-4A。可以看出当Schiff溶液存在时，DNA/Fe(CN)63-/4-体系的峰电流下降，式量电位发生正移，说明Schiff碱和Fe(CN)63-/4—探针分子与DNA之间存在竞争性作用，Schiff碱通过嵌插方式与DNA相互作用。

3.2.2粘度法绘制(η/η0)1/3与CSchiff碱/CDNA关系图(其中η0为不含Schiff碱的DNA溶液的相对粘度)，如图5所示。从图可见，随着Schiff碱加入量的增加，DNA溶液的粘度不断增大。根据文献[14]报道，若配合物以嵌插方式与DNA作用，将会使DNA溶液的粘度增加。图5中DNA溶液粘度的增大趋势说明了Schiff碱可以插入到DNA分子结构的内部，增加了分子链的长度，最终导致了DNA溶液粘度增大，进一步说明Schiff碱通过嵌插方式与DNA作用，这与上述电化学实验结果一致。