邻香草醛缩邻甲氧基苯胺镍配合物的合成、表征及抗菌活性

谷晓霞, 赵祖岭, 周 芸, 杨秀秀, 黄孝帅, 薛圣杰

(皖南医学院 药学院,安徽 芜湖 241002)

席夫碱的C=N键上的氮原子含有孤对电子,易与金属离子配位形成稳定的金属配合物,是良好的有机配体[1-2],广泛应用于抗菌[3-6]、抗病毒[7-9]、抗肿瘤[10-13]等领域。邻香草醛本身即具有一定的抗菌能力,而过渡金属也具有较强的抑菌能力,并且部分金属离子与人体有较强的兼容性,利用这些金属离子和邻香草醛席夫碱配合反应,生成的配合物,其抗菌能力非常显著。

近年来,研究人员发现邻香草醛类席夫碱及其金属配合物在抗菌[14-17]、抗肿瘤[18]方面均有较好表现。例如,严振寰等报道了邻香草醛与丙氨酸所形成的席夫碱配体及其Cu(Ⅱ), Zn(Ⅱ), Ni(Ⅱ)的配合物,化合物中除了铜配合物对白色念珠球菌,镍配合物对新型隐球菌无杀菌作用外,其它化合物在试验条件下对两种真菌均有抑制作用[19]。李幸群等报道了邻香草醛与丙氨酸所形成的席夫碱钾盐,及其Cu(Ⅱ), Zn(Ⅱ), Ni(Ⅱ)配合物对白色念珠球菌和新型隐球菌有杀菌作用[20]。

目前,邻香草醛缩芳香胺席夫碱及其过渡金属配合物的抑菌活性方面的报道较少。邻甲氧基苯胺,不仅易于邻香草醛反应成席夫碱,且甲氧基中氧原子也可以与金属配位。可见,邻香草醛缩邻甲氧基苯胺席夫碱是一种多齿配体,有利于稳定金属离子。鉴于此,本文设计、合成了邻香草醛缩邻甲氧基苯胺席夫碱,并进一步采用液相扩散法,将邻香草醛缩邻甲氧基苯胺席夫碱和六水合硫酸镍进行反应,合成了邻香草醛席夫碱镍的配合物(Scheme 1～2)。本文还进一步探索了邻香草醛缩邻甲氧基苯胺席夫碱及其镍配合物对于大肠杆菌、金黄色葡萄球菌及白色念珠菌的抗菌活性,以期为研发具有良好抗菌活性的化合物提供借鉴。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

WRS-3型显微熔点仪;UV-5900PC型紫外可见分光光度计;Nicolet IS5型傅里叶变换红外光谱仪;Bruker APEX-II CCD型单晶X-射线衍射仪;Elementar Vario EL III型全自动元素分析仪;Bruker 400 MHz型核磁共振仪(TMS为内标);Thermo Scientific Q Exactive型四极杆质谱仪;SW-CJ-1D型单人净化工作台；DSX-30L型手提式高压蒸汽灭菌器;Thermo Heratherm IMH 100型恒温培养箱。

邻香草醛、邻甲氧基苯胺、NiSO4·6H2O,上海阿拉丁试剂有限公司;其余所用试剂均为分析纯。

1.2 合成

(1) 邻香草醛缩邻甲氧基苯胺席夫碱的合成

称取邻香草醛(3.043 g, 0.02 mol)与邻甲氧基苯胺(2.239 mL, 0.02 mol)加入250 mL三颈瓶中,加入无水乙醇50 mL,搅拌至完全溶解,于室温反应至终点(TLC示踪)。除去溶剂,获得橘色固体,用乙醇重结晶得橘色晶体邻香草醛缩邻甲氧基苯胺席夫碱(简称邻香草醛席夫碱)3.600 g。

邻香草醛席夫碱: 产率70%, m.p.86.7～87.7 ℃;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 14.46(s, 1H, OH), 8.70(s, 1H, CH=N), 7.27～7.21(m, 2H, ArH), 6.98(dd,J=17.4 Hz, 8.1 Hz, 4H, ArH), 6.84(t,J=7.9 Hz, 1H, ArH), 3.93(s, 3H, OCH3), 3.89(s, 3H, OCH3);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 161.2(CH=N), 153.1(C—OH), 152.7(C—OCH3), 148.7(C—OCH3), 136.1(ArC), 128.1(ArC), 123.5(ArC), 120.9(ArC), 119.2, 119.0(ArC), 118.0(ArC), 114.2(ArC), 111.9(ArC), 56.1(OCH3), 55.8(OCH3); HR-MS(ESI)m/z: calcd for C15H15NO3{[M+H]+}258.1085, found 258.1118; FT-IRν: 3455w, 3062w, 3014w, 2995w, 2967w, 2836w, 1613s, 1496m, 1478m, 1458s, 1444m, 1404w, 1251s, 1023m, 782m, 743m cm-1。

(2) 邻香草醛席夫碱镍配合物的合成

称取NiSO4·6H2O(0.066 g, 0.00025 mol)溶于无水甲醇中,再称取邻香草醛席夫碱(0.129 g, 0.0005 mol)溶于三氯甲烷中,先将溶解配体的三氯甲烷溶液置于试管底部,再加入适量三乙胺,最后加入硫酸镍的甲醇溶液,静置7天可得邻香草醛席夫碱镍配合物,配合物为墨绿色晶体0.092 g,产率65%, m.p.237.1～238.1 ℃; Anal. Calcd for C30H28NiN2O6(CHCl3)0.3: C 62.01, H 4.88, N 4.80, found C 61.99, H 4.86, N 4.80; FT-IRν: 3423w, 2942w, 2833w, 1608s, 1585s, 1537m, 1489s, 1391m, 1341w, 1306w, 1251m,1190m, 1172m, 1120m, 1106w, 1052w, 1010w, 983w, 868w, 851w, 784w, 751m, 736m cm-1。

Scheme 1

Scheme 2

1.3 晶体结构

取适宜尺寸晶体进行单晶测试,应用 SHELXTL-2014 程序包进行解析[21-22]。晶体结构由直接法解得,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。精修得到的邻香草醛席夫碱镍配合物晶体学数据见表1,主要键长和键角见表2。配合物晶体数据已注册于剑桥晶体数据库中,CCDC: 2088248。

表1 配合物的主要晶体学数据

表2 镍配合物的主要键长和键角

配合物的单晶结构见图1。由表1、表2和图1可知,镍配合物为正交晶系,空间群为P212121,配合物是由两个配体和金属离子配位。Ni2+与配体上的酚羟基氧原子,亚胺上的氮原子及邻甲氧基苯胺中甲氧基上的氧原子发生配位,构成的六配位变形的八面体。

图1 邻香草醛席夫碱镍配合物的晶体结构

1.4 抗菌活性测试方法

用LB培养基干粉配制一定量的培养基溶液,高压灭菌冷却后倒平板冷却;另取100 mL液体沙氏培养基和2.5 g琼脂粉配制培养基溶液,经过高压灭菌冷却后倒平板冷却。以DMSO为溶剂,将邻香草醛席夫碱(1)、邻香草醛席夫碱镍配合物(2)、邻香草醛(3)分别配制成0.0125 mol·L-1、 0.025 mol·L-1、 0.05 mol·L-1、 0.10 mol·L-1、 0.20 mol·L-1的溶液备用。采用纸片法,进行目标化合物的体外抑菌活性实验。具体操作如下：采用密集划线法将大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和白色念珠菌接种在含有琼脂的固体培养基上。分别在直径为6 mm的已灭菌滤纸片上滴加20 μL浓度分别为0.0125 mol·L-1、 0.025 mol·L-1、 0.05 mol·L-1、 0.10 mol·L-1、 0.20 mol·L-1的上述5种不同浓度溶液,放置在37 ℃烘箱烘干,然后在每个菌种的培养皿的不同区域分别贴上已烘干的相同浓度上述3个不同溶液的滤纸片(1, 2, 3)及空白滤纸片(4),于37 ℃恒温箱中培养24 h后观察细菌生长情况,以得出抗菌实验结果。平行做3组相同的实验,求出抑菌圈直径的平均值。

2 结果与讨论

2.1 紫外分析

配制1×10-5mol·L-1邻香草醛缩邻甲氧基苯胺和邻香草醛缩邻甲氧基苯胺席夫碱镍配合物的DMSO溶液。邻香草醛缩邻甲氧基苯胺紫外吸收光谱如图2所示。由图2可知,波长280 nm处特征峰为苯环的π→π*跃迁吸收峰,波长340 nm处为两个苯环和席夫碱C=N构成大共轭体系的π→π*跃迁吸收峰。在邻香草醛缩邻甲氧基苯胺镍配合物的紫外吸收光谱图中,受共轭体系增大影响,波长280 nm和波长340 nm的特征峰发生红移,波长336 nm和451 nm处出现特征峰,这证实了金属与配体成功发生了配位[14-15]。

λ/nm图2 邻香草醛缩邻甲氧基苯胺席夫碱及其镍配合物的紫外光谱图

2.2 红外分析

由红外谱图(图略)可知,3455 cm-1处吸收峰为酚羟基峰,由于形成了氢键,出现了一条宽而钝的吸收带。3062 cm-1处吸收峰为吲哚环N—H的收缩振动,1496 cm-1、 1478 cm-1处吸收峰为取代苯环骨架振动吸收峰,743 cm-1处吸收峰为取代苯苯环的C—H面外弯曲振动吸收峰,说明取代方式为1,2-双取代,782 cm-1处吸收峰为取代苯苯环的C—H面外弯曲振动吸收峰,说明出现了1,2,3-三取代,1251 cm-1处吸收峰为C—O—C伸缩振动吸收峰,说明有甲氧基存在。1613 cm-1处吸收峰为C=N伸缩振动吸收峰,说明有C=N形成。

分析配合物红外数据可知,原来配体中C=N键的伸缩振动位于1613 cm-1,形成配合物以后,移动至1608 cm-1,表明配体中C=N键的氮原子与镍离子配合成键,其双键的吸收振动减弱。原来配体中羟基峰的波数为3455 cm-1,形成配合物后移动至3422 cm-1,。原来配体中1251 cm-1处吸收峰为C—O—C伸缩振动吸收峰,也表现出一定程度的减弱,说明配体甲氧基的氧原子参与了配位。

2.3 核磁分析

邻香草醛席夫碱分子式为C15H15NO3,从氢谱上看H原子有7种类型,总积分面积为15,核磁氢类型相符。分析谱图(图略)可知,δ14.46出现的特征峰为酚羟基特征峰,δ3.93和δ3.89为甲氧基特征峰,图中在δ8.70出现了CH=N-质子类特征峰与目标产物相吻合。从碳谱来看,图中δ56.1和δ56.8为甲氧基特征峰。图中δ161.2出现了CH=N-特征峰与目标产物相吻合,其他特征峰与目标产物结构相符。

2.3 抑菌活性

抗菌活性实验结果见表3。由表3可知,邻香草醛席夫碱及其镍配合物对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和白色念珠菌均有一定的抑菌作用,且有一定的浓度依赖性。其中,当溶液浓度达到0.20 mol·L-1时,邻香草醛席夫碱和其镍配合物两者对白色念珠菌的抑菌圈直径分别可达到34.10 mm、 35.40 mm,具有极度敏感,且两者对白色念珠菌抑制活性都大于原料邻香草醛的抑菌活性;对大肠杆菌及金黄色葡萄球菌的抑菌活性也体现出一定的浓度依赖性,但邻香草醛席夫碱镍配合物对这两种菌的抑菌活性随浓度先增后减,其中,在0.05 mol·L-1时,抑菌效果最好,能达到高度敏感。可见,引入亚胺基(C=N)对邻香草醛的抑菌活性增强起到重要的作用,这符合生物活性叠加原理[23];有文献报道Ni2+具有很好的抑菌活性[24],邻香草醛席夫碱与金属镍离子配位形成配合物后,由于金属镍离子的协同作用,使其抑菌活性增强,具体的抗菌机制有待于进一步研究。图3为溶液溶度达到0.20 mol·L-1时,化合物对3种菌的抑制效果。

表3 邻香草醛席夫碱、镍配合物及邻香草醛对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和白色念珠菌的抑菌直径(mm)*

大肠杆菌效果图

合成了邻香草醛缩邻甲氧基苯胺席夫碱,通过液相扩散法获得了邻香草醛席夫碱镍配合物,并采用纸片法研究了两者的抗菌活性。结果表明,邻香草醛席夫碱及其镍配合物对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌及白色念珠菌均有较好的抑菌活性。其中,两者对白色念珠菌的抑制效果远远超过对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制效果;镍配合物的抗菌活性优于邻香草醛席夫碱。将邻香草醛转化成席夫碱后,抗菌活性显著提高,与过渡金属镍配位后,抗菌活性更显著。具体的抑菌机制正在研究之中。