2,2'-联咪唑按文献^[18,19]方法合成;小牛胸腺DNA( ct-DNA)(生化试剂,Sigma公司);三羟甲基氨基甲烷(Tris.,(CH₃OH)₃CNH₂,阿拉丁试剂公司);邻苯二甲酸氢钾(KHphth,上海恒远生物科技有限公司)、醋酸镍(Ni(OAc)₂,西安化学试剂厂)、氯化镉(CdCl₂,西安化学试剂厂)、氢氧化钾(天津市天力化学试剂有限公司)均为分析纯试剂,使用前未经纯化处理,纯净水(杭州娃哈哈集团有限公司)。

Vario EL-IIIG型元素分析仪(德国EA元素分析系统公司);EQUINOX55型红外光谱仪(德国Bruckr公司);STA449C型热分析仪(N₂气氛,流速30 cm³/min,升温速率为10 ℃/min,德国Netzsch公司);Bruker Smart APEX CCD型X射线衍射仪(德国Bruckr公司);1800型紫外可见分光光度计(日本岛津公司);Ubbeoldhe型黏度计(上海申玻玻璃仪器公司),F-4500型荧光分光光光度计(日本日立公司)。

1.2.1 配合物1{[Ni(H₂biim)₃](phth)}的合成 将Ni(OAc)₂ (0.124 g,0.5 mmol)、H₂biim(0.067 g,0.5 mmol)、邻苯二甲酸氢钾KHphth(0.102 g,0.5 mmol)和8 mL水混合,在空气中搅拌30 min并用氢氧化钾调节pH值为6~7,将混合液放入体积为23 mL带聚四氟乙烯内胆的不锈钢反应釜中,封好后放入烘箱,加热到160 ℃并保持4 d,然后自然降温至室温,得到紫色片状晶体。 元素分析计算值/%:C 49.90,H 3.52, N 26.89;实验值/%: C 49.39,H 3.24,N 26.40。 红外光谱(KBr压片), σ/cm^-1:3127~2527(br,m),1542(s),1487(m),1398(vs),1115(m),991(m),756(m),689(m)。

1.2.2 配合物2[Cd (H₃biim)₂Cl₄]的合成 将H₂biim(0.204 g,1.5 mmol)悬浮于50 mL的蒸馏水中,持续剧烈搅拌下加入CdCl₂·2.5H₂O(0.137 g,0.6 mmol)固体,形成悬浮液,向其中加入少量稀盐酸溶液直至固体刚刚溶解,搅拌30 min,形成无色溶液,过滤,在空气中缓慢蒸发溶剂,30 d,有淡黄色棒状晶体析出。 元素分析计算值/%:C 27.45,N 21.36,H 2.67;实验值/%:C 26.99,N 20.84,H 2.45。 红外光谱(KBr压片), δ/cm^-1:3156~2790[ ν(NH)],764,672[ δ(H₂biim)]。

1.2.3 化合物与DNA相互作用实验 采用经典方法^[20,21]配制与DNA相互作用实验所需试剂、缓冲溶液并进行相关实验。

挑选大小分别为0.49 mm×0.19 mm×0.15 mm、0.38 mm×0.27 mm×0.22 mm的配合物1、2单晶样品,置于Bruker Smart APEX CCD单晶衍射仪上,用Mo Kα辐射( λ=0.071073 nm),以 φ-ω扫描方式收集衍射数据。 对所得数据进行Lp因子及半经验法吸收校正,晶体结构采用SHEXTL-97^[22]程序由直接法解出。 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,并用理论加氢法得到氢原子位置,用全矩阵最小二乘法进行结构修正(有关晶体学数据见表1)。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 配合物的晶体学参数 Table 1 The crystal parameters of complexes Complexes 1 2 Empirical formula C26H22N12NiO4 C12H14CdCl4N8 Formula weight 625.27 524.51 T/K 295(2) 295(2) Crystal system Monoclinic triclinic Space group P2(1)/c P-1 a/nm 2.35242(18) 0.81001(11) b/nm 1.11168(9) 0.87152(12) c/nm 2.38578(19) 1.32418(18) α/(°) 90 79.445(2) β/(°) 115.3250 79.634(2) γ/(°) 90 79.881(2) V/nm3 5.6395(8) 0.8941(2) Z 8 2 Density/(g·cm-1) 1.473 1.948 F(000) 2576 516 Absorption coefficient/mm-1 0.744 1.833 GOF( F2) 1.026 0.996 Reflections collected(independent) 34502/13575 4023/3307 Final R indices[ I>2 σ( I)] R1=0.0424, wR2=0.1246 R1=0.0197, wR2=0.0630 Rindices(all data) R1=0.0689, wR2=0.1383 R1=0.0291, wR2=0.0716

表1 配合物的晶体学参数 Table 1 The crystal parameters of complexes

配合物1是由[Ni(H₂biim)₃]²⁺阳离子和邻苯二甲酸根阴离子组成的。 每一个结构单元是由两分子{[Ni(H₂biim)₃](phth)}组成,分别是{[Ni(1)(H₂biim)₃](phth)}和{[Ni(2)(H₂biim)₃](phth)}。 每个配离子的中心Ni^Ⅱ与3个中性联咪唑配体分子配位,形成了扭曲的八面体配位结构,如图1 A。 部分键长键角数据见表2。 二齿螯合配位的配体与金属之间的N—Ni—N键角平均只有79°,而Ni—N之间的键长在0.2072(2)~0.2137(2) nm范围内,这比类似结构的{[Ni^II(Hbim)₃](NMe₄)}中的相应键长(0.196(3)~0.219(2) nm)要略长一些^[23]。 在配合物中,配体的两个咪唑环几乎共面,N—C—C—N的扭角小于10°,而且为了更好地与Ni^Ⅱ配位,配体分子的两个咪唑环互相靠近,例如{[ Ni(1)(H₂biim)₃](phth)}中的N1—C3—C4和N2—C3—C4的键角分别为118.4°和129.6°。 晶体结构中,羧基氧原子与未配位的配体氮原子之间所存在着丰富而复杂的氢键N—H••••O键,如图1 B,部分氢键参数见表3。 在{[Ni(1)(H₂biim)₃](phth)}中,每一个配阳离子周围通过7个N—H••••O氢键连接3个邻苯二甲酸根阴离子, N—H••••O键的键长在0.2693(3)~0.3028(3) nm之间;而在每一个[Ni(2)(H₂biim)₃]⁺阳离子周围则通过6个较强的N—H••••O氢键连接4个邻苯二甲酸根阴离子, N—H••••O键的键长在0.2674(3)~0.2788(3) nm之间。 相邻的配合物阳离子的金属原子之间的平均距离为0.76 nm。

图1

Fig.1

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	图1 {[Ni(H2biim)3](phth)}的晶体结构图( A),氢键相互作用图( B)Fig.1 The crystal structure( A) and hydrogen-bonding interaction( B) between the sheets in the structure of {[Ni(H2biim)3](phth)}

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 配合物1的选择键长和键角 Table 2 The data of selected bond lengths(nm) and bond angles(°) of complex 1 Bond lengths/nm Ni(1)—N(11) 0.2073(2) N(11)—Ni(1)—N(7) 92.83(8) Ni(1)—N(5) 0.2091(2) N(5)—Ni(1)—N(7) 78.60(8) Ni(1)—N(3) 0.2102(2) N(3)—Ni(1)—N(7) 91.21(8) Ni(1)—N(9) 0.2120(2) N(9)—Ni(1)—N(7) 96. 00(8) Ni(1)—N(1) 0.2123(2) N(1)—Ni(1)—N(7) 162.41(8) Ni(1)—N(7) 0.2138(2) N(19)—Ni(2)—N(21) 92.10(8) Ni(2)—N(19) 0.2076(2) N(19)—Ni(2)—N(23) 99.55(8) Ni(2)—N(21) 0.2089(2) N(21)—Ni(2)—N(23) 79.13(8) Ni(2)—N(23) 0.2098(2) N(19)—Ni(2)—N(13) 91.70(8) Ni(2)—N(13) 0.2098(2) N(21)—Ni(2)—N(13) 94.27(8) Ni(2)—N(17) 0.2107(2) N(23)—Ni(2)—N(13) 167.10(8) Ni(2)—N(15) 0.2124(2) N(19)—Ni(2)—N(17) 79.56(8) Bond angle/(°) N(11)—Ni(1)—N(5) 169.98(8) N(21)—Ni(2)—N(17) 165.67(8) N(11)—Ni(1)—N(3) 88.56(8) N(23)—Ni(2)—N(17) 90.69(8) N(5)—Ni(1)—N(3) 96.72(8) N(13)—Ni(2)—N(17) 97.58(8) N(11)—Ni(1)—N(9) 78.92(8) N(19)—Ni(2)—N(15) 166.76(8) N(5)—Ni(1)—N(9) 96.79(8) N(21)—Ni(2)—N(15) 98.13(8) N(3)—Ni(1)—N(9) 165.44(8) N(23)—Ni(2)—N(15) 90.65(8) N(11)—Ni(1)—N(1) 101.63(8) N(13)—Ni(2)—N(15) 79.23(8) N(5)—Ni(1)—N(1) 87.75(8) N(17)—Ni(2)—N(15) 91.99(8) N(3)—Ni(1)—N(1) 79.31(8) N(1)—C(3)—C(4) 118.4(2) N(9)—Ni(1)—N(1) 95.82(8) N(2)—C(3)—C(4) 129.6(2)

表2 配合物1的选择键长和键角 Table 2 The data of selected bond lengths(nm) and bond angles(°) of complex 1

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 配合物1的氢键键长和键角 Table 3 The data of bond lengths(nm) and bond angles(°) of hydrogen bonds of complex 1 D—H••••A d(D一H) d(H••••A) ∠DHA d(D••••A ) Symmetry code N2—H2A••••O 0.0860 0.1864 161.55 0.2694 [ x, -y+3 /2, z+1/2] N4—H4A••••O7 0.0860 0.1975 176.90 0.2834 [ x, -y+3 /2, z+1/2] N6—H6A••••O5 0.0860 0.1941 169.37 0.2791 N8—H8A••••O6 0.0860 0.1908 164.45 0.2746 N10—H10A••••O2 0.0860 0.2277 140.87 0.2994 [ x, y-1, z] N10—H10A••••O3 0.0860 0.2326 138.98 0.3028 [ x, y-1, z] N12—H12A••••O4 0.0860 0.1966 160.71 0.2792 [ x, y-1, z] N14—H14A••••O1 0.0860 0.1814 177.83 0.2674 N16—H16A••••O2 0.0860 0.1884 164.99 0.2724 N18—H18A••••O4 0.0860 0.1953 162.23 0.2784 [ x, -y+5 /2, z-1/2] N20—H20A••••O3 0.0860 0.1872 175.63 0.2730 [ x, -y+5 /2, z-1/2] N22—H22A••••O7 0.0860 0.1901 163.15 0.2736 N24—H24A••••O6 0.0860 0.2036 145.60 0.2788 [- x+1, y+1 /2, -z+1/2]

表3 配合物1的氢键键长和键角 Table 3 The data of bond lengths(nm) and bond angles(°) of hydrogen bonds of complex 1

配合物2的每个结构单元中也包含两个中性[Cd(H₃biim)₂Cl₄]分子,两个分子仅仅是键长键角参数略有不同,其配位模式完全相同。 其中每个Cd²⁺与4个Cl原子和2个H₃biim⁺配体阳离子的非氢氮原子形成六配位的稍有畸变的八面体构型。 如图2 A,部分键长键角数据见表4。 键角∠N(9)—Cd(1)—N(13)= 177.9(4)°,∠Cl(8)—Cd(1)—Cl(6)=179.55(15)°,∠Cl(7)—Cd(1)—Cl(5)=179.43(15)°,非常接近于180°,因此是一个接近于理想八面体的立体结构,Cl(7)—Cd(1)—Cl(5)处于轴向位置。 与配合物1不同的是,中性的H₂biim分子在酸性配合物合成环境中质子化,成为H₃biim⁺配体阳离子,因此在配合物中只有唯一的一个非氢氮原子单齿配位,两个配体阳离子以反式排列在金属周围。 Cd—N的键长比[Cd(H₂biim)₂(Htere)₂](Cd(1)—N(1)=0.2323(2) nm,Cd(1)—N(2)=0.2291(2) nm)中的略长一些^[24]。 由于1位上的一个氮原子质子化,H₃biim⁺中的两个咪唑环因为位阻发生了扭曲,其扭角为30°。 Cd—Cl的键长比[CdCl₂(Me₂biim)] _n(Cd—Cl1= 0.2398(4) nm,Cd—Cl2=0.2400(4) nm)也略长一些^[25]。 在晶体结构中,卤素原子作为电子受体,与每个配体中的两个N—H键形成N—H••••Cl氢键,如图2 B,氢键参数见表5。 配合物分子之间,每个H₃biim⁺的咪唑环上未质子化的N—H键与相邻分子中轴向位置的氯原子存在氢键作用,这样使分子之间由于氢键而形成了一维链,同时,质子化的咪唑环上的N—H键与相邻链上的轴向氯原子之间也存在氢键作用,将一条条一维链联结成了二维的格子状网络结构,而且相距较近的咪唑环之间相互平行,平均距离为0.34 nm,存在π-π堆积作用,使晶体结构更加稳定,如图2 C。

图2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew WindowDownload As Powerpoint Slide
	图2 [Cd (H3biim)2Cl4]的晶体结构( A)、氢键相互作用图( B)及二维结构图( C)Fig.2 The crystal structure( A) and hydrogen-bonding interaction( B) and 2-D structure( C) of [Cd (H3biim)2Cl4]

表4

Table 4

表4(Table 4)

表4 配合物2的选择键长和键角 Table 4 The data of selected bond lengths(nm) and bond angles(°) of complex 2 Bond lengths/nm Cd(1)—N(9) 0.2372(9) Cl(6)—Cd(1)—Cl(7) 91.57(10) Cd(1)—N(13) 0.2424(12) N(9)—Cd(1)—Cl(5) 88.3(2) Cd(1)—Cl(8) 0.2591(3) N(13)—Cd(1)—Cl(5) 91.6(3) Cd(1)—Cl(6) 0.2596(3) Cl(8)—Cd(1)—Cl(5) 91.54(10) Cd(1)—Cl(7) 0.2665(3) Cl(6)—Cd(1)—Cl(5) 88.48(10) Cd(1)—Cl(5) 0.2681(3) Cl(7)—Cd(1)—Cl(5) 179.43(15) Cd(2)—N(1) 0.2374(9) N(1)—Cd(2)—N(5) 177.8(4) Cd(2)—N(5) 0.2422(12) N(1)—Cd(2)—Cl(4) 93.3(2) Cd(2)—Cl(4) 0.2591(3) N(5)—Cd(2)—Cl(4) 88.9(3) Cd(2)—Cl(2) 0.2597(3) N(1)—Cd(2)—Cl(2) 87.2(2) Cd(2)—Cl(3) 0.2667(3) N(5)—Cd(2)—Cl(2) 90.6(3) Cd(2)—Cl(1) 0.2675(3) Cl(4)—Cd(2)—Cl(2) 179.57(15) Bond/(°) N(9)—Cd(1)—N(13) 177.9(4) N(1)—Cd(2)—Cl(3) 91.3(2) N(9)—Cd(1)—Cl(8) 93.1(2) N(5)—Cd(2)—Cl(3) 89.1(3) N(13)—Cd(1)—Cl(8) 89.0(3) Cl(4)—Cd(2)—Cl(3) 88.43(10) N(9)—Cd(1)—Cl(6) 87.4(2) Cl(2)—Cd(2)—Cl(3) 91.58(10) N(13)—Cd(1)—Cl(6) 90.5(3) N(1)—Cd(2)—Cl(1) 88.1(2) Cl(8)—Cd(1)—Cl(6) 179.55(15) N(5)—Cd(2)—Cl(1) 91.5(3) N(9)—Cd(1)—Cl(7) 91.1(2) Cl(4)—Cd(2)—Cl(1) 91.53(10) N(13)—Cd(1)—Cl(7) 89.0(3) Cl(2)—Cd(2)—Cl(1) 88.46(10) Cl(8)—Cd(1)—Cl(7) 88.41(10) Cl(3)—Cd(2)—Cl(1) 179.38(15)

表4 配合物2的选择键长和键角 Table 4 The data of selected bond lengths(nm) and bond angles(°) of complex 2

表5

Table 5

表5(Table 5)

表5 配合物2的氢键键长和键角 Table 5 The data of bond lengths(nm) and bond angles(°) of hydrogen bonds of complex 2 D—H••••A d(D一H) d(H••••A) ∠DHA d(D••••A) Symmetry code N3—H25••••C14 0.0860 0.2274 166.34 0.3116 N4—H4••••C17 0.0860 0.2381 166.22 0.3223 [ x-1, y+1, z] N2—H2••••C15 0.0860 0.2534 143.20 0.3264 [ x-1, y, z] N2—H2••••C17 0.0860 0.2828 124.95 0.3395 [ x-1, y+1, z] N8—H8••••C15 0.0860 0.2360 165.24 0.3199 [ x, y, z-1] N6—H6••••C17 0.0860 0.2432 146.49 0.3184 [ x, y+1, z-1] N6—H6••••C15 0.0860 0.2873 120.65 0.3393 [ x, y, z-] N7—H26••••C12 0.0860 0.2233 178.02 0.3093 N16—H16••••C11 0.0860 0.2358 164.35 0.3194 [ x+1, y-1, z] N11—H28••••C18 0.0860 0.2261 166.27 0.3103 N12—H12••••C13 0.0860 0.2383 166.21 0.3225 [ x, y, z+1] N15—H27••••C16 0.0860 0.2242 177.60 0.3101 N14—H14••••C13 0.0860 0.2444 146.52 0.3197 [ x+1, y, z] N14—H14••••C11 0.0860 0.2872 120.83 0.3394 [ x+1, y-1, z] N10—H10••••C11 0.0860 0.2545 142.33 0.3268 [ x, y-1, z+1] N10—H10••••C13 0.0860 0.2819 125.79 0.3394 [ x, y, z+1]

表5 配合物2的氢键键长和键角 Table 5 The data of bond lengths(nm) and bond angles(°) of hydrogen bonds of complex 2

2.2.1 镍、镉配合物与DNA作用的紫外吸收光谱 从图3可已看出,随着向配合物中滴加 ct-DNA的量的增加,配合物紫外吸收光谱的强度发生了变化,配合物的紫外吸收峰发生红移(≤2 nm),同时发生了较为明显的减色效应,说明配合物与DNA之间存在较强的相互作用。 配合物与 ct-DNA的结合常数可以通过以下公式求得:

c(DNA)/( ε_A- ε_F)= c_DNA/( ε_B- ε_F)+1/ K_b( ε_B- ε_F)

式中, c(DNA)为DNA的浓度, ε_A、 ε_F和 ε_B分别为在不同DNA浓度下、游离的以及与DNA键合饱和的配合物摩尔消光系数。 以 c(DNA)/( ε_A- ε_F)对 c(DNA)作图,求斜率和截距之比,得到结合常数 K_b。 利用配合物在275 nm左右的吸收峰强度变化进行线性拟合,求得配合物1和配合物2与DNA的结合常数分别是8.88×10⁵和1.89×10⁵。 由此可见,配合物1与DNA相互作用强于配合物2。 配合物1与DNA的结合常数比文献报道的经典金属配合物插入剂[Ru(phen)₂(dppz)]²⁺(10⁶~10⁷)略小^[26],但比相似结构其它配体的Ni(Ⅱ)配合物结合能力强^[27]。 配合物2与DNA的结合常数也比文献报道的[Cd(H₃biim)₂(NCS)₂Cl₂]与DNA的结合常数1.98×10⁴大了一个数量级^[28]。 根据结合常数 K_b的大小可以推测,两种配合物与DNA是以插入方式结合,但插入作用的强度不很大,尤其配合物2^[29]。 这可能是由于两种配合物结构虽然含有共平面联咪唑环,但比较两种配合物的单晶结构,发现配合物1中联咪唑的平面性更好一些。

图3

Fig.3

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	图3 配合物[Ni(H2biim)3](phth)( A)、[Cd (H3biim)2Cl4]( B)与DNA作用的紫外光谱图Fig.3 UV absorption spectra of [Ni(H2biim)3](phth)( A), [Cd (H3biim)2Cl4]( B) complexes with increasing concentration of DNA c(DNA)/(mol·L-1): a.0; b.8.52×10-5; c.1.70×10-4; d.2.52×10-4; e.3.34×10-4; f. 4.15×10-4

图4

Fig.4

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	图4 配合物[Ni(H2biim)3](phth)( A)、[Cd(H3biim)2Cl4]( B)与DNA作用的荧光光谱图Fig.4 Fluorescence spectra of [Ni(H2biim)3](phth)( A), [Cd(H3biim)2Cl4]( B) complexes at different concentrations of DNA c(DNA)/(mol·L-1): a.0; b.8.52×10-5; c.1.70×10-4; d. 2.52×10-4; e.3.34×10-4; f.4.15×10-4

2.2.2 镍、镉配合物与DNA作用的荧光发射光谱 从图4可以看出,配合物与DNA作用后,其荧光光谱强度随着DNA浓度的增大而增大。 化合物小分子若插入DNA双螺旋碱基对之间,从溶液的亲水环境进入DNA内腔的疏水环境,避免了溶剂分子的猝灭,即发生强烈的荧光敏化现象^[30]。 随着DNA浓度的增大,配合物的荧光强度增强程度明显,尤其配合物1,同时配合物2还发生了一定程度的红移现象。 这说明配合物与DNA可能是以插入的模式作用的。 根据增色程度大小判断,配合物1与DNA的作用更强,这可能与二者的结构不同有关^[31],同时也和与DNA相互作用的紫外吸收实验结果一致。

2.2.3 黏度分析 光谱法对于确定化合物与DNA的作用模式只能提供与DNA发生了一定相互作用的必要证据。 在缺少晶体结构资料的情况下,黏度测定是检测化合物与DNA是否以插入方式结合的最有效方法,其结果比光谱数据更具说服力^[32]。 从图5可以看出,随配合物1浓度的增加,DNA相对黏度缓慢增大。说明配合物1与DNA的结合模式可能是插入模式,因为若配合物插入到相邻碱基对的中间,就会导致DNA双螺旋链的拉伸,提高了DNA的黏度^[33]。 相反,随配合物2浓度的增加,DNA相对黏度在减小,从这一现象可以排除配合物2与DNA以经典的插入方式作用,可能以部分插入方式与DNA作用^[34]。

图5

Fig.5

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	图5 配合物[Ni(H2biim)3](phth)( a)和[Cd (H3biim)2Cl4]( b)的浓度对DNA黏度的影响Fig.5 Effects of increasing amount of [Ni(H2biim)3](phth)( a) and [Cd (H3biim)2Cl4]( b) complexes on the viscosity of DNA c(compound)/ c(DNA):0.3096, 0.4644, 0.5148, 0.6192, 0.7740