{LnⅢ2CoⅡ6}异金属配合物的合成及性质

孙同明 张梦珂 时 旭 徐润生 陈正奕齐星原 王 金＊,,3 朱金丽＊,,3 王敏敏＊,

(1南通大学化学化工学院，南通 226019)

(2南通大学杏林学院，南通 226019)

(3南通智能与新能源材料重点实验室，南通 226019)

由于稀土配合物具有迷人的拓扑结构、特殊的磁学行为以及生物抑菌活性，其在材料学与医药学上具有广泛的应用而备受关注。自首例单分子磁体{Mn12}发现以来[1-2]，人们陆续发现许多含MnⅢ[3-5]、FeⅡ[6-7]、CoⅡ[8-9]和NiⅡ[10-11]的配合物都表现出单分子磁体的行为。但是由于这些单分子磁体的阻塞温度TB(blocking temperature)很低，其实际应用受到很大限制。要提高单分子磁体的TB温度，分子必须具有更高的自旋基态和更大的负零场分裂。稀土离子通常具有较大的自旋基态和磁各向异性(GdⅢ离子除外)，故在单分子磁体的设计与合成中占有非常重要的地位[12-19]。然而，稀土离子内层的f电子使自旋载体间的磁交换作用非常弱。因此，随着单分子磁体的发展，稀土-过渡异金属单分子磁体受到人们的重视[20-24]。目前，报道的稀土-过渡异金属单分子磁体中，其能垒和阻塞温度可达625 cm-1和6 K[13]。

20 世纪60 年代的研究发现稀土配合物具有特殊的药效作用，而且相对于有机合成药物，稀土配合物的毒副作用较低，且不在体内积累[25]。因此，如何有效地利用稀土配合物，尽可能避免或减轻其毒副作用已经成为人们研究的主要目标。目前，稀土配合物的研究重点在于如何使具有特定生理活性的配体与稀土离子结合，因此，配体的选择显得尤为重要。据文献报道，咪唑、嘧啶和吡啶及其衍生物具有一定的生物活性[26-28]。6-氯-2-羟基吡啶(Hcp)作为一种吡啶类配体，主要有以下特征：(1)羟基官能团不仅倾向于与LnⅢ离子结合，而且形成的氧桥较短，可增强离子间的磁相互作用；(2)具有生物活性的刚性吡啶环倾向于与过渡金属离子结合，可以得到更加稳定且具有生物活性的配合物[29]。

因此我们以Hcp为主配体，特戊酸(Hpiv)为辅助配体，合成了5个八核的4f-3d配合物{LnⅢ2}(Ln=Sm(1)、Eu(2)、Tb(3)、Er(4)、Tm(5))，利用单晶X射线衍射进行了结构解析并对其磁性进行了研究。为了对比研究，选取其同构物{LnⅢ2}(Ln=Dy (6)、Ho(7)、Gd(8)、Y(9))[29]并对配合物1～9的抑菌性进行了详细研究。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

6-氯-2-羟基吡啶、特戊酸、稀土盐等购自济南恒化科技有限公司。乙腈为色谱纯，购自百灵威科技有限公司。二氯甲烷、三乙胺、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、氯化钴、牛肉膏、蛋白胨、琼脂、胰蛋白胨、酵母浸出粉等购自雅安瑞进特试剂公司。

所用仪器有Perkin-Elemer 240 型元素分析仪、Nicolet PerkinElmer 型红外光谱仪、SQUID MPMS XL-7 型磁强计、PPMS-9 ACMS 型磁强计、Oxford Super-Nova 型单晶衍射仪、SuperNova 型衍射仪和Xcalibur型衍射仪、NETZSCH TG 209F3 型热重分析仪、D/Max-RA DX-2600 型X 射线衍射仪(工作电压：40 kV，电流：40 mA，辐射源：CuKα，波长：0.154 056 nm、扫描范围：5°＜2θ＜60°)、GHP-9050型隔水式恒温培养箱、DDZH-300型多用途台式恒温振荡器、HZQF100型振荡培养箱和LQ-CTS1型振荡培养箱。

1.2 单晶合成方法

这些配合物的合成条件和比例完全相同，使用不同的稀土盐和氯化钴得到了一系列的{LnⅢ2CoⅡ6}配合物(1～5)。

{[Sm2Co6(OH)4(cp)6(piv)8(CH3CN)2]·CH2Cl2} (1)：将Hcp(0.3 mmol，0.039 g) 和CoCl2·6H2O(0.2 mmol，0.025 g)置于30 mL CH3CN 和CH2Cl2的混合溶液(1∶1，V/V)中搅拌，逐滴加入0.2 mL 三乙胺，继续搅拌1 h 后，加入Sm(NO3)3·6H2O(0.1 mmol，0.038 g)和Hpiv(0.5 mmol，0.051 g)，继续搅拌1 h，接着加热搅拌15 min，得到紫色溶液。将该紫色溶液冷却、过滤，滤液置于烧杯中，并用保鲜膜封好，静置数天后出现紫色晶体。所得产物用CH3CN 和CH2Cl2(6 mL)洗涤。 产率约 51%(42 mg)。 元素分析按Sm2Co6C75H102N8O26Cl8计算的理论值(%)：C，36.48；H，4.16；N，4.54。实验值(%)：C，36.76；H，4.20；N，4.62。红外光谱(KBr，cm-1)：3 462(b)，2 957(s)，1 592(vs)，1 560(vs)，1 485(vs)，1 442(vs)，1 419(vs)，1 375(s)，1 227(s)，1 168(s)，1 008(m)，794(s)，603(m)。

[Eu2Co6(OH)4(cp)6(piv)8(CH3CN)2] (2)：将Sm(NO3)3·6H2O 换成Eu(NO3)3·6H2O(0.1 mmol，0.044 g)，合成方法与配合物1 相同。产率约54%(43 mg)。元素分析按Eu2Co6C75H102N8O26Cl8计算的理论值(%)：C，36.43；H，4.16；N，4.53。实验值(%)：C，36.45；H，4.07；N，4.61。红外光谱(KBr，cm-1)：3 463(b)，2 960(s)，1 592(vs)，1 560(vs)，1 485(vs)，1 439(vs)，1 420(vs)，1 373(s)，1 224(s)，1 169(s)，1 006(m)，794(s)，601(m)。

{[Tb2Co6(OH)4(cp)6(piv)8(CH3CN)2]·CH3CN} (3)：将Sm(NO3)3·6H2O 换成Tb(NO3)3·6H2O(0.1 mmol，0.045 g)，合成方法与配合物1 相同。产率约65%(53 mg)。元素分析按Tb2Co6C76H103N9O26Cl6计算的理论值(%)：C，37.37；H，4.25；N，5.16。实验值(%)：C，37.42；H，4.17；N,5.05。红外光谱(KBr,cm-1)：3 461(b),2 958(s)，1 590(vs)，1 564(vs)，1 483(vs)，1 442(vs)，1 425(vs)，1 374(s)，1 227(s)，1 169(s)，1 005(m)，792(s)，605(m)。

{[Er2Co6(OH)4(cp)6(piv)8(CH3CN)2]·CH2Cl2} (4)：将Sm(NO3)3·6H2O 换成Er(NO3)3·6H2O(0.1 mmol，0.046 g)，合成方法与配合物1 相同。产率约52%(43 mg)。元素分析按Er2Co6C75H102N8O26Cl8计算的理论值(%)：C，35.98；H，4.11；N，4.48。实验值(%)：C，35.98；H，4.28；N，4.75。红外光谱(KBr，cm-1)：3 460(b)，2 959(s)，1 592(vs)，1 560(vs)，1 483(vs)，1 441(vs)，1 420(vs),1 375(s)，1 227(s)，1 168(s)，1 005(m)，793(s)，603(m)。

{[Tm2Co6(OH)4(cp)6(piv)8(CH3CN)2]·CH2Cl2}(5)：将Sm(NO3)3·6H2O 换成Tm(NO3)3·6H2O(0.1 mmol，0.048 g)，合成方法与配合物1 相同。产率约50%(42 mg)。元素分析按Tm2Co6C75H102N8O26Cl8计算的理论值(%)：C，35.93；H，4.10；N，4.47。实验值(%)：C，36.30；H，4.25；N，4.81。红外光谱(KBr，cm-1)：3 459(b)，2 957(s)，1 591(vs)，1 556(vs)，1 485(vs)，1 442(vs)，1 417(vs),1 373(s)，1 226(s)，1 169(s)，1 008(m)，790(s)，605(m)。

1.3 晶体结构的测定

配合物1～5 的晶体结构测定利用Oxford Super-Nova 型单晶衍射仪进行，采用经石墨单色器单色化的MoKα射线(λ=0.071 073 nm)作辐射源，以ω-φ扫描方式收集衍射点。非氢原子用直接法解出，并对其坐标及各向异性热参数用全矩阵最小二乘法修正。氢原子的位置由理论加氢或寻找傅里叶峰得到，并使用固定的各向同性热参数加入结构精修。所有计算使用SHELXTL 程序包和Olex2 进行[30-32]。所有非氢原子均进行了各向异性精修，并且利用PLATON 中SQUEEZE 命令将无序的溶剂分子去除[33]。在一个晶胞里，配合物1～5 的溶剂体积和剩余电子数分别为0.322 nm3和64e、0.300 nm3和16e、0.040 nm3和1e、0.048 nm3和3e、0.031 nm3和5e，与元素分析及热重(图S1，Supporting information)结果一致。Hpiv 配体上的一些C 原子无序，利用EADP 指令将其指定相同的位移参数。有关衍射分析的实验条件和晶体学数据列于表1 中，相关的键长和键角的数据在表S1中列出。

表1 配合物1～5的晶体学数据Table 1 Crystallographic data for complexes 1～5

CCDC：2022664，1；2022665，2；2022666，3；2022667，4；2022668，5。

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1.4 抑菌性测试

采用培养基扩散法测试稀土-钴异金属配合物(1～9)的抑菌作用。

1.4.1 培养基的配制

细菌培养采用牛肉膏蛋白胨固体培养基和LB(Luria-Bertanin)液体培养基。牛肉膏蛋白胨固体培养基：牛肉膏3.0 g、蛋白胨10.0 g、氯化钠5.0 g、琼脂15.0～20.0 g、蒸馏水1 000 mL，用1 mol·L-1的NaOH或HCl 调pH=7.4～7.6。LB 液体培养基：胰蛋白胨10.0 g、酵母浸出粉5.0 g、氯化钠10.0 g、蒸馏水1 L，用1 mol·L-1的NaOH或HCl调pH=7.0。

1.4.2 抑菌剂的配制及灭菌

将稀土金属硝酸盐、过渡金属氯化盐、Hcp、Hpiv 及配合物1～9 用DMF 配制成浓度为10-1、10-2、10-3、10-4、10-5mol·L-1的溶液，待用。采用高压蒸汽灭菌：将LB 液体培养基分装在150 mL 的广口锥形瓶中，连同培养皿、滤纸片、枪头、镊子等放入灭菌锅内，在121 ℃下高温灭菌25 min，取出，放在无菌干燥箱内干燥。

1.4.3 菌悬液与抑菌片的制备

将1 mL 的LB 培养基加入1.5 mL 含有大肠杆菌(E.coli)和金黄色葡萄球菌(S.aureus)的离心管中，放入振荡器里振摇4～5 h，然后将菌种移入装有LB 液体培养基(100 mL)的锥形瓶中，放入振荡器里振摇12 h，制成菌悬液。将菌悬液用生理盐水配制成10-3mol·L-1的浓度。

1.4.4 抑菌活性的测定

在无菌操作台上，先用移液枪移取50 μL 菌悬液于牛肉膏蛋白胨平板中，用涂布器涂抹均匀，然后用无菌镊子取直径为6 mm的无菌滤纸片，用移液枪分别滴加稀土硝酸盐、Hcp、Hpiv 及配合物1～9 溶液20 μL，贴于染菌平板表面，再置于37 ℃恒温培养24 h。平行试验3 次，用游标卡尺多次测量抑菌圈直径取其平均值，即为该菌种抑菌圈的大小。

2 结果与讨论

2.1 单晶X射线结构分析

单晶结构解析表明配合物1～5 是同构的，属于三斜晶系，空间群为P1。仅以配合物5 为例来详细阐述这个系列配合物的结构特点。在配合物5 中，TmⅢ和CoⅡ离子由氧桥联形成Tm-Tm 共边的双三角双锥构型(图S2)。该分子的重复单元中包含晶体学独立的1 个TmⅢ离子(Tb1)、3 个CoⅡ离子(Co1、Co2、Co3)、2个μ3-OH、3个cp-阴离子、4个piv-阴离子、1个配位CH3CN 分子和0.5 个CH2Cl2溶剂分子(图1a)。Tm1、Co2 和Co3 离子位于赤道平面，Tm1A 和Co1 在轴向位置，形成[Tm2Co3]的三角双锥构型，通过对称操作，共用Tm1-Tm1A，得到[Tm2Co6]的双三角双锥构型(图1b)。Tm…Co 的距离为0.342 5～0.392 7 nm，Co…Co 的距离为0.310 8～0.387 6 nm。金属核[Tm2Co6O8]的外围由6个cp-配体、8个piv-配体和2个CH3CN 分子构成。6 个cp-配体都采用μ3∶η2∶η1的配位模式，或者可认为4 个采用μ3∶η3∶η1的配位模式(包含弱的配位键)，2 个采用μ3∶η2∶η1的配位模式。所有的piv-配体都采用syn-syn的桥联模式。

图1 (a)配合物5的分子结构(碳上的氢被省略);(b)配合物5的[Tm2Co6]骨架结构Fig.1 (a)Molecular structure of 5,highlighting the[Tm2Co6O8]core,and H atoms of C atoms are omitted for clarity;(b)Partially labeled[Tm2Co6]skeleton of complex 5

Tm1 的配位构型为八配位的变形十二面体(图S3)。Tm—O 的平均键长为0.233 2 nm，与所报道的Tm—O 键长一致[34-37]。根据bond-valence sum(BVS)计算和电荷守恒得知所有的Co 为+2 价(表S2)。其中，Co1 的配位环境由5 个氧原子和1 个氮原子组成，形成变形的八面体构型(图S4a)。Co2 和Co3 的配位构型为变形的四方锥，分别由O4N 和O3N2构成(图S4b、S4c)。Co1—O、Co2—O 和Co3—O 的平均键长分别为0.209 0、0.205 6和0.209 7 nm，而Co—N 分别为0.210 4、0.209 2、0.215 1 和0.212 5 nm，与报道的Co—O 和Co—N 键长范围一致[38-42]。此外，Co2 和Co3 与相邻的cp-配体的O 原子(O5 和O4)有弱的配位作用，键长分别为0.229 4(5)和0.258 2(7)nm，大于一般的Co—O 键长。因此，Co2 和Co3 的配位构型也可以看作准八面体。

对配合物1～5进行了粉末X 射线衍射(PXRD)测试，结果如图S5 所示。由单晶X 射线衍射数据模拟得到的PXRD 图和实验图基本吻合，证明了测试样品的纯度。

2.2 磁 性

在1 000 Oe 磁场下，测定了配合物1～5 的变温磁化率(图2)。其室温χmT分别为11.43、11.25、34.89、34.21 和25.55 cm3·mol-1·K，高于2 个孤立的LnⅢ离子和6个CoⅡ离子的理论值(表2)，可能是八面体场中CoⅡ离子的轨道角动量所致。在25 K 以上，配合物1～5 的χmT变化趋势相似(稍微下降)，可能是稀土离子Stark亚能级热布居的减少或基态CoⅡ(4T1g)的自旋轨道耦合引起。在25 K 以下，随着温度的下降，配合物1～5 的χmT急剧下降，在2 K 时达到最低值，可能是LnⅢ和/或CoⅡ离子的单离子行为或旋轨耦合所致。在0～80 kOe 范围内，测定了配合物1～5在低温下的M-H曲线(图3)，其磁化强度值见表2。在低场下随着磁场强度的增加，配合物1～5 的磁化强度逐渐上升。在高场下，所有配合物的磁化强度都没有达到饱和，可能存在较高的磁各向异性。交流磁化率测试表明在零外场下配合物1～5没有表现出频率依赖的实部和虚部磁化率信号(图S6)。

图2 配合物1～5的变温磁化率图Fig.2 Temperature dependence of χmT for 1～5

图3 配合物1～5在2 K下的M-H图(0～80 kOe)Fig.3 M-H plots for 1～5 at 2 K in a field range of 0～80 kOe

2.3 抑菌性

为了研究配合物的生物活性，我们对Hcp、Hpiv、金属盐、配合物1～5 以及报道过的同构物6～9[29]的抑菌活性圈进行测定[26-28,44]。当配合物浓度为10-2mol·L-1，菌悬液的浓度为10-3mol·L-1时，其抑菌结果见图4。在抗菌性测试中，CoCl2·6H2O对2种菌均无抑制作用，稀土硝酸盐和配体Hcp、Hpiv的抑菌圈小于6.5 mm，可认为基本无抗菌活性，而配合物1～9 对E. coli和S. aureus都有一定的抑制作用。配合物5 对E. coli的抑菌效果最好，而配合物9 对S.aureus的抑菌效果最好。

表2 配合物1～5的磁性数据Table 2 Magnetic data of complexes 1～5

图4 配体Hcp、Hpiv、CoCl3、稀土硝酸盐和配合物1～9的抑菌活性圈Fig.4 Diameters of growth inhibition areas of ligand Hcp,Hpiv,CoCl2,rare earth nitrate and complexes 1～9

分析可见，配合物5和9分别对E.coli和S.aureus具有较强的抑菌活性，因此通过调节配合物的浓度进行抑菌试验(图5)。随着配合物5 的浓度升高，其对E.coli的抑菌活性有所升高；当浓度下降时，抑菌性能显著减弱。配合物9 与配合物5 表现出了类似的趋势。

图5 配合物5对E.coli和9对S.aureus的抑菌活性圈Fig.5 Diameter of growth inhibition area of complex 5 for E.coli and 9 for S.aureus

在抗菌测试中，配合物1～9的抑菌性较强，根据2002 年《消毒技术规范》中对抑菌作用的判断[28]，属于中等抑菌效果。通过试验判断，配合物的抑菌性并非来源于配体与金属盐，可能是由于配体与金属离子发生反应生成配合物后，产生了协同作用，导致抑菌效果大大增强。与同类稀土基配合物相比，这一系列配合物的抑菌效果较强，可能是由于引入过渡离子后，配合物的空间结构发生了变化，使其抑菌效果增强。上述试验研究发现，除配合物4外，所有配合物对E.coli的抑制作用都强于S.aureus，这是由于革兰氏阴性菌的细胞壁含有肽聚糖，只占细胞壁干重的10%～20%，而革兰氏阳性菌占50%～80%，且细胞壁是由肽聚糖组成的三维网状结构，并有磷壁酸相连[44-45]。所以革兰氏阳性菌细胞壁的坚韧性要明显高于革兰氏阴性菌，导致配合物1～3 和5～9 对E. coli的抑制作用明显强于对S. aureus的抑制作用。

3 结 论

以Hcp 作为主配体，Hpiv 为辅助配体，合成了5个八核的{LnⅢ2}金属簇合物(1～5)。磁性研究发现在配合物1～5 里存在反铁磁相互作用。此外，对配合物1～5 及其同构物6～9 进行抗菌性试验，结果表明配合物1～9 对E.coli和S.aureus都有一定的抑制作用。本论文为稀土配合物的应用及抗菌药物的开发提供了研究基础。后续将通过控制配位几何和修饰有机配体，进一步探寻具有磁性和抗菌活性的多功能高性能配合物。

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