吡嗪席夫碱银配位聚合物的晶体结构、发光性质和抗菌活性

廖延智,郭俊儿,冯安生,2,赖敏成,2,杨超杰,徐小云,2,游 遨

(1.广东轻工职业技术学院分析测试中心，广州 510300；2.仲恺农业工程学院轻工食品学院，广州 510225)

0 引 言

化疗药物顺二胺二氯铂(II)(顺铂)在临床肿瘤治疗中的成功应用，表明了金属配合物在人类疾病治疗过程中的潜在生物活性[1]。银离子虽然是微量元素，但在所有生物体内都起着非常重要的作用[2-4]。化合物对某些细菌、病毒、藻类以及真菌显现出毒性，但对人体却几乎是完全无害的。此外，由于其高生物利用度和强靶向性，大量含有银的配合物往往较配体具有更好的抗癌细胞增殖、抗菌和抗真菌活性[5-7]。Ahadiat等[8]将2-氨基嘧啶配体与银离子配位后抗菌活性显著提高，对大肠杆菌的最低抑菌浓度低至0.009 μg/mL；Chu等[9]合成的4,4′-联吡啶类银离子配合物对革兰氏阴性菌表现出优异的长期抗菌性能，大肠杆菌的抑制作用较小；Almeida等[10]将银(I)配位化合物负载于聚合物纳米粒子中作为提高体外抗幽门螺杆菌活性的策略。

含吡嗪环、吡啶环均是具有广泛生物活性的结构单元，如抗菌[11]、抗肿瘤[12]、抗病毒[13]、消炎[14]，及降糖作用[15]。有吡啶端基和吡嗪基团的席夫碱配体往往具有很好的金属配位能力，配位形式多样，其与过渡金属组成的配合物在构型、生物活性及光学材料等方面有独特的性质，近年来一直是人们关注的焦点。根据药物拼合原理，本文设计合成了一种基于吡啶端基的吡嗪席夫碱配体N-[(1-吡嗪基)-1-亚甲基]异烟酰肼，并与硝酸银反应得到了其银配位聚合物{[Ag3L2(NO3)2]CH3CN}n晶体，通过X-射线单晶衍射、元素分析、红外光谱、荧光光谱对配位聚合物进行结构解析和性质表征。研究了配体及配位聚合物对七种常见的耐药菌株——蜡状芽孢杆菌(Bacilluscereus)、枯草芽孢杆菌(Bacillussubtilis)、大肠杆菌(Escherichiacoli)、白色葡萄球菌(Staphylococcusalbus)、藤黄八叠球菌(Sarcinaluteus)、金黄色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)、伤寒沙门氏菌(Salmonella)的抑制作用。

1 实 验

1.1 试剂与仪器

2-乙酰吡嗪,异烟肼为分析纯；元素分析在德国Vario EL分析仪(Elementar)上进行；红外光谱样品制备采用KBr压片法，由Thermo Nicolet Avatrar 330型号红外光谱仪测定；荧光光谱是由Shimadzu RF5301PC荧光光谱仪测定。采用Bruker AVANCE-III 500在室温下测定1H-NMR谱，并用MestReNova软件进行数据分析；晶体数据是在Bruker SMART APEX CCD 单晶衍射仪上收集；生物活性测试在SpectraMax®ABS酶标仪上进行。

1.2 配位聚合物{[Ag3L(NO3)3]CH3CN}n的合成

将2-乙酰吡嗪(0.50 g, 4.02 mmol)和异烟肼(0.56 g, 4.08 mmol)溶解于30 mL的无水乙醇中，加入几滴盐酸作为催化剂，加热回流5 h，冷却，沉淀物经过抽滤后，再利用无水乙醇洗涤，干燥，得到白色丝状固体(L)0.71 g，产率73%。1H-NMR (d6-DMSO): 11.39(s, 1H), 9.29(s, 1H), 8.80(d, 2H), 8.70(m, 2H), 7.84(d, 2H), 2.48(s, 3H); FAB-MS m/z: 242 [M+1]。

称取配体L 24.2 mg(0.10 mmol)溶于5 mL的三氯甲烷中，经滤纸滤入试管的底部，三氯甲烷和乙腈(V(三氯甲烷)/V(乙腈)=1∶1)作为中间缓冲层，AgNO316.9 mg(0.10 mmol)溶于3 mL的乙腈溶液经过滤纸沿着试管壁缓慢的平铺试管的上部，将其在黑暗处放置数日得到透明的浅绿色单晶38.7 mg，产率为49.0%。IR (cm-1): 3 183(m), 3 046(w), 1 670(s), 1 617(w), 1 598(w), 1 554(w), 1 501(w), 1 459(w), 1 418(w), 1 381(m), 1 304(m), 1 225 (w), 1 169(m), 1 126(w), 1 099(w), 1 010(w), 863(w), 841(m), 803(w), 753(m), 724(m), 687(w), 631(w), 585(w)。元素分析按C26H24Ag3N13O8计算 (%): C, 32.19; H, 2.49; N, 18.80; 实验值(%)：C, 32.44; H, 2.63; N, 18.71。

图1 配体及配位聚合物的合成路线Fig.1 Synthesis route of ligand and the polymer

1.3 晶体结构测试

在室温下选取0.6 mm×0.1 mm×0.1 mm的配位聚合物单晶，采用石墨单色化的Mo Kα射线(λ=0.071 073 nm)以φ-ω扫描方式在Bruker SMART APEX CCD型衍射仪上进行收集。采用SAINT和SADABS-2008/1 (Bruker,2008)程序对数据进行还原吸收校正[16]，在3.662°≤θ≤30.456°范围内收集衍射数据16 565个，使用4 447个独立衍射点(Rint=0.021 7)进行结构解析和修正。采用SHELXT程序通过直接法求解结构[17]，并通过SHELXL-2018程序对全部非氢原子坐标及其各向异性热参数进行全矩阵最小二乘法修正[18]，对骨架中所有的非氢原子进行各向异性精修，骨架结构中的氢原子位置全部采用理论加氢的方式进行确定，所有的氢原子则采用各向同性精修，主要的晶体学数据列于表1，主要键长和键角列于表2。

表1 配位聚合物{[Ag3L2(NO3)2]CH3CN}n主要晶体学数据和结构修正摘要Table 1 Crystallographic data and structure refinement summary for {[Ag3L2(NO3)2]CH3CN}n

表2 配位聚合物{[Ag3L2(NO3)2]CH3CN}n主要键长键角数据Table 2 Selected bond lengths (nm) and angles (°) for {[Ag3L2(NO3)2]CH3CN}n

2 结果与讨论

2.1 晶体结构分析

晶体结构解析表明，配位聚合物属单斜晶系，空间群P21/c，在配位聚合物{[Ag3L2(NO3)2]CH3CN}n的不对称结构单元中存在两种不同配位环境的Ag(I)离子(见图2)。Ag1离子位于一个扭曲的四角锥形几何体的中心，同时与三个N原子(N2，N3，N1′)及两个O原子(O1，O2)配位，其中三个氮原子分别由两个配体分子提供，两个氧原子分别来源于配体内碳基基团和硝酸根阴离子，配体分子通过与Ag1离子桥连形成沿b轴方向无限伸展的一维链状结构，桥连的两个Ag1原子之间的距离是0.733 6 nm；Ag2离子分别与两个配体中的吡啶N原子(N5，N5′)配位，最终通过连接一维长链组成二维网状结构，其中N5i-Ag2-N5键角为180.00°(见图3)。配位聚合物中Ag-N键长分别为 0.227 7(4) nm，0.247 9(4) nm，0.235 1(4) nm，0.218 0(4) nm及0.218 0(4) nm；Ag-O键长分别为0.263 8(6) nm和0.258 7(8) nm，与文献报道基本一致[19-20]。扭转角∠C11-N5-N5i-C9i=180.00°说明两个配体的吡啶环处于同一平面。

图2 配位聚合物中Ag(I)离子的配位环境(省略溶剂分子)Fig.2 Coordination environment of Ag(I) in the polymer the solvent molecules are omitted for clarity

图3 配位聚合物的二维网状结构图(省略氢原子和溶剂分子)Fig.3 2D-network structure diagram of the polymer. All the hydrogen atoms and solvent molecules are omitted for clarity

2.2 红外光谱及荧光谱图分析

聚合物红外吸收数据可以看出，配体在3 183 cm-1处的吸收峰可以归属为配体中N-H 键伸缩振动，3 046 cm-1附近峰归属于吡啶环上C-H键伸缩振动峰，1 381 cm-1、1 598 cm-1、1 501 cm-1、1 459 cm-1峰为吡啶环骨架振动所引起，吡嗪酮中C=O键的伸缩振动峰υ(C=O)为1 595 cm-1，在形成聚合物后发生了变化至1 617 cm-1处[21]，表明O原子参与了配位,1 304 cm-1峰为环上C=N键伸缩振动峰，1 225 cm-1为链上C=N双键伸缩振动峰，1 169 cm-1、1 126 cm-1峰C-N键伸缩振动峰，1 099～585 cm-1峰归属于芳香环上C-H键面内摇摆振动。1 381 cm-1、841 cm-1分别对应配位阴离子硝酸根的反对称伸缩振动峰和伸缩振动峰。

如图4所示，在室温下分别测定了配体及配位聚合物的固体粉末荧光发射光谱，室温下在激发波长340 nm的配体在438 nm处有弱的荧光。与配体相比，当激发波长为340 nm时，配位聚合物在539 nm处出现较强的荧光发射峰，波长出现了红移，这可能是因为金属配位导致电子从配体至金属空轨道的转移，π电子共轭度增加，减少了配体内部电荷转移带来的能量损失，且结构刚性增强的结果，使配位聚合物荧光强度明显增强[22]。

图4 配体L和配位聚合物的发射光谱(λex=340 nm)Fig.4 Emission spectra of ligand L and the complex

2.3 抗菌活性分析

采用酶标仪对配体及配位聚合物的抗菌活性进行定性分析[23-25]。将大肠杆菌(E.coli, ATCC 25922)、沙门氏菌(S.typhimurium, CMCC(B) 50071)、白色葡萄球菌(S.albus, ATCC 8799)、藤黄八叠球菌(S.luteus, CMCC(B) 11001)、金黄色葡萄球菌(S.aureus, CMCC(B) 26003)、蜡状芽孢杆菌(B.cereus, CMCC(B)63301)、枯草芽孢杆菌(B.subtilis, ATCC 6633)接种于Mueller-Hinton琼脂平板，37 ℃培养24 h。通过麦氏比浊法将菌悬液稀释至合适浓度(108cfu/mL)。配体和配位聚合物采用二甲基亚砜溶解，配置为浓度为10 mg/mL的溶液，将得到的溶液(10 mg/mL, 2 μL)加入含有200 μL菌悬液的酶标板中，用酶标仪在630 nm处测定7株病原菌的吸光度，以抑菌率(%)表示化合物的抑菌活性。在50～3.125 μg/mL浓度范围内，采用双倍稀释法筛选出抑制率较高的化合物进行最低抑制浓度(MIC)测定。以环丙沙星作为抗菌活性阳性对照，空白组为DMSO。实验重复三次并取平均值，用以下公式计算抑制率:

(1)

由表3初筛结果可以看出，配位聚合物对大肠杆菌、沙门氏菌、白色葡萄球菌、藤黄八叠球菌、枯草芽孢杆菌均具有较好的抗菌活性，较配体的抗菌活性均有所升高；但对金黄色葡萄球菌和蜡状芽孢杆菌的抑制活性降低。由表4最低抑菌浓度(MIC)测定数据可知，配位聚合物对白色葡萄球菌，藤黄八叠球菌，枯草芽孢杆菌特异性较高，特别是在抗藤黄八叠球菌方面，可以与市售抗生素环丙沙星一致，说明了该配位聚合物在抗菌材料方面的潜在应用价值。

表3 配体及配位聚合物抗菌活性初筛(100 μg/mL)Table 3 Bactericidal activity screening test levels of the ligand and complex (100 μg/mL)

表4 配体及配位聚合物对细菌菌株最低抑菌浓度(MIC)测定Table 4 Tests of MIC of the ligand and complexes against bacterial strains

3 结 论

采用溶液扩散法，通过N-[(1-吡嗪基)-1-亚甲基]异烟酰肼与硝酸银反应，得到了具有二维网状结构的Ag(I) 配位聚合物{[Ag3L2(NO3)2]CH3CN}n，X射线单晶衍射结构表明该配位聚合物属于单斜晶系，并对该配位聚合物的发光性质及抗菌活性进行了测试研究。荧光光谱分析表明该配位聚合物具有良好的荧光性，且配位聚合物荧光性优于配体；抑菌研究表明该配位聚合物在抗菌材料方面具有很大的应用潜力。