引用本文
洪峰, 印月如, 田玉鹏, 吴杰颖. 具有近红外三阶非线性光学性质的咪唑邻菲罗啉钌配合物的合成及其与DNA作用特性[J]. 应用化学, 35(7): 818-824
Feng HONG, Yueru YIN, Yupeng TIAN, et al. A Novel Third-Order Non-Linear Optical Ruthenium(Ⅱ) Complex Based on Imidazo-phenanthroline Derivative:Design, Synthesis and DNA Binding Properties[J]. Chinese Journal of Applied Chemistry, 35(7): 818-824  
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具有近红外三阶非线性光学性质的咪唑邻菲罗啉钌配合物的合成及其与DNA作用特性
洪峰, 印月如, 田玉鹏, 吴杰颖*
安徽大学化学化工学院 合肥 230601
通讯联系人:吴杰颖,教授; Tel/Fax:0551-63861279; E-mail:jywu1957@163.com; 研究方向:光功能生物材料
收稿日期:2017-08-18 修回日期:2017-09-30 接受日期:2017-11-24
基金:国家自然科学基金(51672002); 安徽大学大学生科研训练计划项目基金(KYXL2016027)资助;
摘要

以邻菲罗啉双酮和 N, N-二(4-丁氧基苯基)氨基苯甲醛为原料,设计合成了光功能配体(L)及其钌配合物1,运用现代分析测试手段进行了表征。 利用开/闭孔Z扫描技术测试了目标化合物的三阶非线性光学性质。 结果表明,在近红外范围内钌配合物具有比配体更大的三阶非线性系数和双光子吸收截面。 通过UV-Vis吸收光谱、荧光光谱、圆二色光谱和粘度实验,研究了配合物与小牛胸腺DNA结合特性。 结果表明,配合物通过插入模式与DNA结合。 因此,该新型钌配合物可以作为非线性光学材料应用于生物显影。

关键词: 邻菲罗啉; 钌配合物; 三阶非线性光学性质; DNA结合; 双光子吸收效应
中图分类号:O614.8 文献标志码:A 文章编号:1000-0518(2018)07-0818-07
A Novel Third-Order Non-Linear Optical Ruthenium(Ⅱ) Complex Based on Imidazo-phenanthroline Derivative:Design, Synthesis and DNA Binding Properties
Feng HONG, Yueru YIN, Yupeng TIAN, Jieying WU
College of Chemistry & Chemical Engineering,Anhui University,Hefei 230601,China
Corresponding author:WU Jieying, professor; Tel/Fax:0551-63861279; E-mail:jywu1957@163.com; Research interests:optical functional biological materials
Received:2017-08-18 Revised:2017-09-30 Accepted:2017-11-24
Fund:Supported by the National Natural Science Foundation of China(No.51672002), Student Research Training Program of Anhui University(No.KYXL2016027); }
Abstract

A new D-π-A type two-photon absorption ligand(L) based on imidazo [4,5-f] [1,10] phenanthroline and its Ru(Ⅱ) complex(1) have been synthesized and characterized. The third-order nonlinear optical(NLO) properties of all compounds are studied by open/close aperture Z-scan techniques. The results reveal that complex 1 possesses larger third-order nonlinear susceptibility and two-photon absorption cross section than its free ligand L in the near infrared range. A reverse nonlinear optical refraction character takes place from self-defocusing to self-focusing response after complexation. Calf-thymus DNA binding properties combined with complex 1 are studied by UV-Vis absorption, DNA competitive binding with ethidium bromide, viscosity measurements, and circular dichrosim spectra. The results indicate that complex 1 binds to DNA via an intercalative mode. Therefore, the complex 1 with nonlinear optical properties can be used for bioimaging applications.

Keyword: phenanthroline; Ru(Ⅱ) complexes;; third-order nonlinear optical property; DNA binding; two-photon absorption effect

随着以光子学为中心的信息时代的到来,非线性光学材料在激光、通信、武器、医疗等领域具有光明的应用前景。 其中,具有三阶非线性光学(NLO)效应的双光子吸收材料,在生命科学领域的应用备受关注[1]。

在过去几十年中,配位化合物作为三阶非线性光学材料取得了长足的发展。 与有机分子相比,配合物具有更多不同的结构,更高的稳定性和多种发光模式。 研究表明,钌配合物因其具有独特的稳定性、氧化还原性、长的荧光寿命,有望成为理想的非线性光学材料。 另一方面,钌配合物的低毒性、容易吸收并在体内很快排泄的优势使它们成为取代顺铂的最佳无机金属类抗肿瘤药物[2]。 研究发现,钌配合物可以引发线粒体功能障碍从而诱导癌细胞凋亡,在抗癌药物设计方面具有广阔的应用前景[3,4]。 此外,利用钌配合物能够制成 “光开关”的特点,可用于早期癌症诊断[5]。

咪唑类化合物具有很好的生物相容性,可以通过降低化疗期间癌细胞的耐受性,提高治疗效果并减轻副反应,从而应用于癌症的辅助治疗[6]。 邻菲罗啉不仅具有高的空穴迁移率、强荧光性能和良好的配位特性,而且平面性好且易于修饰,与Ru(Ⅱ)形成的配合物,可以通过静电、沟槽和插入的非共价结合方式与DNA作用,广泛应用于抗肿瘤药物和DNA探针等方面[7]。

本文引入给电子能力强的氧烷基三苯胺,与邻菲罗啉双酮经过缩合与环化反应,得到一种溶解性好的新型咪唑邻菲罗啉钌配合物。 系统研究配体和配合物的光物理性质以及与DNA的结合模式,结果表明,它们在近红外范围内具有良好的三阶非线性光学效应,4种实验手段均表明钌配合物通过插入方式与DNA结合。

1 实验部分
1.1 试剂和仪器

冰醋酸和碳酸钾购自于天津博迪化工股份有限公司,分析纯;甲醇、二氯甲烷和乙酸铵购自于国药集团试剂公司,分析纯;小牛胸腺DNA购自于合肥博美生物公司; N, N-二(4-丁氧基苯基)氨基苯、邻菲罗啉双酮和[Ru(phen)2Cl2]按文献[8,9]方法合成。

Perkin-Elmer 240型元素分析仪(美国珀金埃尔默有限公司);SHIMADZU UV-3600型分光光度计(日本岛津有限公司); Nicolet FT-IR 870SX型红外光谱仪(日本岛津有限公司);Bruker 400 Ultrashield型核磁共振波谱仪(NMR,美国布鲁克公司);BrukerAutoflex III Smartbeam型质谱仪(MS,美国布鲁克公司);Jasco J-810型自动记录仪(日本岛津有限公司);Ubbelohde型粘度计(重庆吉盛科技发展有限公司);Coherent Chameleon Ⅱ型飞秒激光器和Ti宝石系统(680~1080 nm,10 Hz,140 fs)(美国相干公司);F-7000型荧光光谱仪(天美科学仪器有限公司)。

1.2 合成

1.2.1 配体L的合成

在N2气保护下,向50 mL圆底烧瓶中加入 N, N-二(4-丁氧基苯基)氨基苯甲醛[8]1.46 g(3.5 mmol)、邻菲罗啉双酮0.75 g(3.5 mmol)、乙酸铵5.75 g(75 mmol)和冰醋酸75 mL,回流反应4 h,冷却至室温,加入300 mL水,逐滴加入饱和碳酸钾溶液调pH值至7~8,逐渐有黄色固体生成,二氯甲烷萃取,收集有机相干燥,旋干得黄色固体,柱层析得黄色固体1.27 g,产率60%。1H NMR(400 MHz,DMSO- d6), δ:13.50(s,1H),9.02(d, J=4.3 Hz,2H),8.90(d, J=7.9 Hz,2H),8.05(t, J=10.9 Hz,2H),7.82(s,2H),7.24~7.06(m,4H),7.04~6.84(m,6H),3.93(d, J=6.3 Hz, 4H),1.80~1.60(m,4H),1.45(m,4H),0.91(t, J=7.6 Hz,6H);13C NMR(100 MHz,DMSO- d6), δ:155.7,151.0,149.6,147.5,139.2,129.5,127.3,127.0,120.9,118.0,115.5,67.3,30.8,18.7,13.6;IR(KBr), σ/cm-1:3414,2979,1597,1523(vs),1314,1115,1048,858,739;MS, m/z(%):608.30(M+)。 分子式:C39H37N5O2;实测值/%:C 77.05,H 6.15,N 11.55;计算值/%:C 77.07,H 6.14,N 11.52。 合成的途径见Scheme 1。

Scheme 1 Synthetic routes for ligand L and its complex 1

1.2.2 钌配合物1的合成

将 [Ru(phen)2Cl2][9]0.26 g(0.5 mmol)、配体L 0.30 g(0.5 mmol)和甲醇60 mL的混合物,在N2气保护下,回流12 h,蒸出大部分甲醇,冷却至室温,滴加饱和的六氟磷酸铵水溶液,有红色固体生成,抽滤得粗产物。 经柱色谱(硅胶, V(DCM)∶ V(MeOH)=10∶1)纯化,得到红色固体0.20 g,产率35%。1H NMR(400 MHz,DMSO- d6), δ:15.10(s,1H),9.66(s,1H),8.99(s,1H),8.78(d, J=7.9 Hz,4H),8.40(s,4H),8.31(d, J=7.8 Hz,2H),8.11(d, J=23.9 Hz,4H),7.97(d, J=14.9 Hz,2H),7.77(s,6H),7.12(d, J=7.5 Hz,4H),6.96(d, J=7.7 Hz,4H),6.83(d, J=7.6 Hz,2H),3.96(s,4H),2.51(s,4H),1.69(d, J=6.4 Hz,4H),1.44(m,4H),0.94(t, J=6.7 Hz,6H);13C NMR(100 MHz,DMSO- d6), δ:155.8,152.6,150.0,147.2,138.9,136.7,130.4,127.5,126.3,115.5,78.9,67.2,30.7,18.7,13.7;IR(KBr), σ/cm-1:3389,2930,2870,1603,1505,1477,1453,1428,1367,1320,1240,1194,1071,841,721,557;MS:1069.10[M-2PF6]+;分子式:C63H53N9F12P2RuO2;实测值/%:C 55.64,H 3.99,N 9.30;计算值/%:C 55.67,H 3.93,N 9.27。 合成的途径见Scheme 1。

1.3 理论计算

含时密度泛函理论(TD-DFT)对配体及钌配合物的电子跃迁进行了理论计算。 结构优化采用未进行对称限制的B3LYP泛函理论,然后在优化结构的基础上采用B3LYP泛函进行TD-DFT计算。 结构优化及TD-DFT计算均采用高斯09程序进行。 对于基态的优化及最低的25个单线态到单线态的激发能量的TD-DFT计算采用6-31G*基组(对于C、H、O、N原子)及LanL2dz基组(对于Ru原子)。

1.4 DNA结合实验测试方法

缓冲溶液和母液的配制及相关测试条件参考文献[9]。

在缓冲溶液(pH=7.4,50 mmol/L Tris-HCl,50 mmol/L NaCl)中进行所有涉及配合物1与小牛胸腺DNA相互作用的实验。

紫外-可见吸收光谱测试:在保持配合物1的浓度恒定而改变DNA浓度的条件下,进行配合物1与DNA结合的紫外-可见吸收光谱测试。

荧光光谱测试:将1.0×10-3 mol/L的配合物1滴加到3 mL含5.0×10-5 mol/L DNA/EB(溴化乙锭)溶液中( V(DNA)∶ V(EB)=1∶1),每次10 μL,进行EB与配合物1同DNA的竞争测试,常温下记录荧光光谱变化(激发波长375 nm,发射波长537 nm)。

粘度测试:在(32.14±0.05) ℃的恒温水浴中,保持DNA的总浓度不变,使配合物1浓度的不断增加的情况下在Ubbelohde粘度计上测量DNA的粘度,测试结果反映配合物1与DNA结合的相对粘度变化。

圆二色谱测试:在DNA浓度不变的条件下,不断增加配合物1浓度,并测试配合物1与DNA结合的圆二色谱。

2 结果与讨论
2.1 线性吸收和TD-DFT计算

如图1所示,在DMF溶液中,配体L主要有2个吸收峰,在286 nm左右的吸收峰可归属于三苯胺[10]的 π-π*跃迁,在359 nm左右的吸收峰可归属于分子内电荷转移(ICT)跃迁。 与配体L相比,配合物1主要有3个吸收峰,在280 nm左右出现的吸收峰的归属与配体一致,在372 nm左右出现的吸收峰可归属于配合物的ICT跃迁,而在457 nm左右出现的新峰可归属于金属到配体的跃迁(MLCT)[11]。

图1 配体L及其钌配合物1在DMF溶液中的紫外-可见吸收光谱( c=1.0×10-5 mol / L)Fig.1 UV-Vis absorption spectra of L and its Ru(Ⅱ) complex 1 in DMF solution( c=1.0×10-5 mol/L)

从图2和表1中可以看出,配体L在365 nm处的吸收峰主要来自于HOMO→LUMO+2跃迁,可归属于分子内电荷转移(ICT)跃迁,而287 nm处的吸收峰主要来自于HOMO-1→LUMO+2跃迁,可归属为三苯胺的 π-π*跃迁。 钌配合物1的紫外吸收理论计算最大吸收峰在453 nm,是HOMO-2→LUMO+2的跃迁,可归属于金属到配体的电荷转移。 在375 nm处的吸收峰对应于HOMO-1→LUMO+5跃迁,可以指认为ICT跃迁。 理论计算结果与实验测得的数值基本一致,为解释配体L和配合物1的电子吸收光谱提供了理论依据。

图2 配体L(左)和配合物1(右)的分子轨道能级图Fig.2 Molecular orbital energy diagrams for L(left) and 1(right)

表1 配体L和配合物1理论计算主要数据 Table 1 Calculated linear absorption properties(nm), excitation energy(eV), oscillator strengths and major contribution for L and complex 1
2.2 非线性光学性质

采用Z-scan方法测试了配体L和配合物1的非线性光学性质[12]。图3和图4是配体L和配合物1的开孔及闭孔拟合曲线图,表2列出了配体L和配合物1的主要非线性光学数据。

图3 配体L( A)和配合物1( B)在DMF溶液中的开孔Z-扫描图( c=1.0×10-3 mol/LFig.3 The open aperture Z-scan data for L( A) and its complex 1( B) in DMF( c=1.0×10-3 mol/L)

图4 配体L( A)和配合物1( B)在DMF中的闭孔Z扫描图( c=1.0×10-3 mol/L)Fig.4 The close aperture Z-scan data for ligand L( A) and its complex 1( B) in DMF( c=1.0×10-3 mol/L)

表2 配体L和配合物1的双光子吸收率系数 β和双光子吸收截面 σ Table 2 Two-photon absorption ratio β and two-photon cross section σ of ligand L and complex 1

图4与表2中获得的结果表明,与配体相比,配合物的双光子吸收波长发生了红移,双光子吸收系数和双光子吸收截面明显增加,这主要是由于形成配合物后,增加了整个分子的共轭,有利于电荷转移,从而促进双光子效应的增强。 从闭孔Z-scan图可以看出,配体L是自聚焦行为,而形成配合物后,变成了自散焦行为。 配合物的三阶非线性极化率比配体高,并且在近红外区表现出强的三阶非线性响应。

2.3 DNA结合性质

从图5 A可以看出,随着DNA浓度的增加,曲线如箭头所示变化,在260 nm处的吸收峰出现了明显的减色效应,键合常数 Kb[13]达到1.3×105 (mol/L)-1,表明配合物可以插入到DNA双链中。图5 B表明,当EB插入到DNA双链时发射出较强的荧光,随着配合物的量增加,曲线随着箭头方向变化,荧光强度逐渐降低,配合物逐渐取代EB,间接表明配合物是以插入模式与DNA相互作用。 从图5 C可以看出,随着配合物的增加,DNA的粘度增加,表明配合物与DNA的相互作用是典型的插入模式。 如图5 D所示,随着配合物量的增加,DNA的CD光谱随着箭头方向变化,在277和248 nm处的峰均随着配合物的增加而减弱,这说明DNA的构型和碱基对均发生了变化。 以上4个实验相辅相成,均证明了配合物通过插入模式与DNA相互作用。

图5 配合物1与DNA结合的紫外-可见吸收光谱( A)、EB与DNA体系中加入配合物1的荧光光谱( B)、配合物1与DNA结合的相对粘度变化( C)和配合物1与DNA结合的圆二色谱( D)Fig.5 UV-Vis absorption spectra of the complex 1 combined with DNA( A), fluorescence spectra of the complex 1 added in EB+DNA system( B), the changes in the relative viscosities of complex 1 combined with DNA( C), circular dichroism spectra of complex 1 combined with DNA( D)

3 结 论

设计合成了一种新型的三苯胺邻菲啰啉配体及其钌配合物。 系统研究了它们的光物理性质。 非线性测试研究结果表明,与配体L相比,配合物1具有更大的双光子吸收截面和更高的三阶非线性极化率。 DNA结合实验表明,配合物1是以插入模式与DNA相互作用。 由于配合物1在近红外区表现出强的三阶非线性响应,可望作为非线性光学材料应用于生物显影方面。

参考文献
[1] Hwan M K, Bong R C. Small-Molecule Two-Photon Probes for Bioimaging Applications[J]. Chem Rev, 2015, 115(11): 5014-5055. [本文引用:1]
[2] Huang L L, Xu J, Jin Y J, et al. Ru(Ⅱ) Polypyridyl Complex-incorporated and Folate-conjugated Vehicle for Cancer Cell Imaging and Photoinduced Inactivation[J]. Analyst, 2016, 141(10): 2948-2954. [本文引用:1]
[3] Pierroz V, Rubbiani R, Gentili C, et al. Dual Mode of Cell Death upon the Photo-irradiation of a Ru(Ⅱ) Polypyridyl Complex in Interphase or Mitosis[J]. Chem Sci, 2016, 7(9): 6115-6124. [本文引用:1]
[4] Zhang P Y, Wang J Q, Huang H Y, et al. Unexpected High Photothermal conversion Efficiency of Gold Nanospheres upon Grafting with Two-photon Luminescent Ruthenium(Ⅱ) Complexes: A Way Towards Cancer Therapy?[J]. Biomaterials, 2015, 63: 102-114. [本文引用:1]
[5] Adam N B, Lionel M, Jacqueline K B. [Ru(Me4phen)2dppz]2+, A Light Switch for DNA Mismatches[J]. J Am Chem Soc, 2016, 138(15): 5020-5023. [本文引用:1]
[6] Yusuke K, Asuka S, Anandhakumar C, et al. Targeting 24 bp Within Telomere Repeat Sequences with Tandem Tetramer Pyrrole-Imidazole Polyamide Probes[J]. J Am Chem Soc, 2016, 138(42): 14100-14107. [本文引用:1]
[7] Zhu B Z, Chao X J, Huang C H, et al. Delivering the Cell-impermeable DNA Light-switching' Ru(Ⅱ) Complexes Preferentially into Livecell Nucleus via an Unprecedented Ion-pairing Method[J]. Chem Sci, 2016, 7(7): 4016-4023. [本文引用:1]
[8] HAO Fuying, Study of Pyridine Derivatives: Synthesis Characterization and Two Photon Effect[D]. Hefei: College Chemistry & Chemical Engineering, Anhui University, 2001(in Chinese).
郝扶影. 吡啶盐衍生物的合成表征及双光子效应研究[D]. 合肥: 安徽大学化学化工学院, 2001. [本文引用:2]
[9] Wang H, Tian X H, Guan L J, et al. Targeting Mitochondrial DNA with a Two-photon Active Ru(II) Phenanthroline Derivative[J]. J Mater Chem B, 2016, 4(17): 2895-2902. [本文引用:3]
[10] Reichmann M E, Rice S A, Thmas C A, et al. A Further Examination of the Molecular Weight and Size of Desoxypentose Nucleic Acid[J]. J Am Chem Soc, 1954, 76(11): 3047-3053. [本文引用:1]
[11] Zhang H G, Tao X T, Chen K S, et al. Off-on-off Luminescent Switching of a Dye Containing Imidazo[4, 5-f][1, 10]phenanthroline[J]. Chinese Chem Lett, 2011, 22(6): 647-650. [本文引用:1]
[12] Sheik-Bahae M, Said A A, Wei T H, et al. Sensitive Measurement of Optical Nonlinearities Using a Single Beam[J]. J Quantum Electron, 1990, 26(4): 760-769. [本文引用:1]
[13] Wolf A, ShimerJr G H, Meehan T. Polycyclic Aromatic Hydrocarbons Physically Intercalate into Duplex Regions of Denatured DNA[J]. Biochemistry, 1987, 26(20): 6392-6396. [本文引用:1]