楊莉?qū)?成 昭,苗延青，梁玲玲

(西安醫(yī)學(xué)院藥學(xué)院，西安 710021)

0 引 言

5-磺基水楊酸是水楊酸的一種衍生物，作為多齒配體，有三個配位基-OH、-COOH、-SO3H和多種配位方式，能夠和許多金屬形成配合物[1-4]，并且分子間存在著極強的氫鍵網(wǎng)絡(luò)[5-7]，從而使得它在超分子化學(xué)和晶體工程學(xué)領(lǐng)域中扮演著重要角色。其金屬配合物比5-磺基水楊酸本身具有更強的抗菌、殺菌作用[8]。銅是人體必需的微量金屬元素，在人體的生理代謝中起著重要的作用[9]?？紤]到配體與金屬離子的協(xié)同效應(yīng)以及引入第二配體可以使配合物的脂溶性增強，有利于配合物對細菌細胞膜滲透，從而使抑菌效果增強，而咪唑又具有質(zhì)子授受、親核活性及共軛酸堿等性能，享有“生物配體”的美譽[10-11]。本文以5-磺基水楊酸(H3ssal)分別與2,2’-聯(lián)咪唑(H2biim)、N-甲基-2,2’-聯(lián)咪唑(MeHbiim)合成了單核和雙核Cu(Ⅱ)配合物，測定其單晶結(jié)構(gòu)，并研究其熱穩(wěn)定性、熒光性能和抗菌活性，期望得到新型的抗菌材料。

1 實 驗

1.1 儀器和試劑

所有試劑均采用分析純，2,2’-聯(lián)咪唑按文獻[12-13]、N-甲基-2,2’-聯(lián)咪唑按文獻[14]方法合成。

Vario EL-IIIG型元素分析儀(德國 EA元素分析系統(tǒng)公司)；EQUINOX55型紅外光譜儀(德國 Brucker 公司)； STA449C 型熱分析儀(N2氣氛，流速30 cm3/min，升溫速率為10 ℃/min，德國Netzsch 公司)； Bruker Smart APEX CCD型 X-射線單晶衍射儀(德國 Brucker 公司)；1800 型紫外可見分光光度計(日本島津公司)；F-4500型熒光分光光度計(日本日立公司)。

1.2 配合物的合成

1.2.1 配合物[Cu(H2biim)(Hssal)(H2O)2]·H2O(1)的合成

將0.3 mmol的2,2’-聯(lián)咪唑和0.6 mmol的NaOH溶于15 mL熱水中攪拌，再加入15 mL 0.3 mmol的5-磺基水楊酸的DMF溶液，加熱攪拌持續(xù)30 min，過濾后加入CuCl2·H2O固體繼續(xù)攪拌48 h后過濾得黃綠色溶液，室溫靜置揮發(fā)溶劑，30 d后析出綠色晶體。元素分析實驗值：C, 33.87%；N, 11.84%； H, 3.74%。理論值：C, 33.34%；N, 11.97%；H, 3.42%。

1.2.2 配合物{[Cu(MeHbiim)(Hssal)(H2O)]·0.5H2O}2(2)的合成

將0.5 mmol的5-磺基水楊酸溶于20 mL的水中，加入0.5 mmol的CuO粉末，溫控80 ℃，持續(xù)攪拌30 min，過濾，再將0.5 mmol的N-甲基-2,2’-聯(lián)咪唑加入濾液中攪拌30 min，過濾，室溫靜置揮發(fā)溶劑，7 d后有深綠色晶體析出。元素分析實驗值：C, 36.27%；N, 11.84%； H, 2.714%。理論值：C, 37.00%；N, 12.33%；H, 3.30%。

1.3 抑菌試驗

利用紙片法測定配合物2的抑菌活性。稱取適量的配合物2固體溶于乙腈配成飽和試液，用紫外燈照射8 h后，將直徑6 mm圓形滅菌濾紙片浸入試液中12 h，備用。取瓊脂培養(yǎng)基涂布備用菌種，再將浸透試液的濾紙片平整地貼合在含菌培養(yǎng)基上，在37 ℃，5%CO2條件下培養(yǎng)24 h，測量抑菌圈直徑。

1.4 配合物晶體結(jié)構(gòu)的測定

挑選大小分別為 0.19 mm × 0.18 mm × 0.16 mm、0.21 mm × 0.18 mm × 0.15 mm 的配合物1、2單晶樣品，置于 Bruker Smart APEX CCD 單晶衍射儀上，用 Mo Kα輻射(λ=0.071 073 nm)，以φ-ω掃描方式收集衍射數(shù)據(jù)。對所得數(shù)據(jù)進行 Lp 因子及半經(jīng)驗法吸收校正，晶體結(jié)構(gòu)采用 SHEXTL-97[15]程序由直接法解出。對氫原子和非氫原子分別采用各向同性和各向異性熱參數(shù)，并用理論加氫法得到氫原子位置，用全矩陣最小二乘法進行結(jié)構(gòu)修正(有關(guān)晶體學(xué)數(shù)據(jù)見表1)。CCDC號為2036598(1)，2036600(2)。

2 結(jié)果與討論

2.1 配合物1的晶體結(jié)構(gòu)

單晶衍射結(jié)果表明，配合物1屬于單斜晶系，P21/C空間群。晶體結(jié)構(gòu)單元如圖1所示，配合物的二維結(jié)構(gòu)如圖2所示，部分鍵長、鍵角列于表2。

配合物[Cu(H2biim)(Hssal)(H2O)2]·H2O(1)的每一個晶體結(jié)構(gòu)單元中，銅離子與脫去一個H質(zhì)子的5-磺基水楊酸根的羧基氧、兩個水分子氧原子以及聯(lián)咪唑分子的兩個3-位N原子形成五配位的四角錐構(gòu)型。與Cu配位的源自聯(lián)咪唑的兩個N原子以及分別來自配位水分子和羧基的兩個O原子是共面的(Cu-N1, 0.200 9 nm; Cu-N3, 0.199 4 nm; Cu-O1W, 0.196 8 nm; Cu-O1, 0.196 9 nm)，構(gòu)成了四邊形的錐底，錐頂被另一個水分子的O占據(jù)(Cu-O2W, 0.226 0 nm,見圖1)。由圖2可以看出，在配合物中存在有豐富的氫鍵，每個配合物分子錐頂?shù)乃肿优c相鄰配合物分子的5-磺基水楊酸根的磺酸基O4以及羥基O3之間產(chǎn)生氫鍵：O2W-H2…O4，0.279 2 nm，137.31°；O2W-H2…O3，0.282 5 nm，171.01°，錐底的配位水分子也與相鄰配合物的5-磺基水楊酸根的磺酸基O4之間有氫鍵作用，O1W-H1…O4, 0.272 7 nm，170.06°，而5-磺基水楊酸根的磺酸基O6與聯(lián)咪唑配體分子咪唑環(huán)上的N2-H2之間形成氫鍵N2-H2…O4，0.294 2 nm，127.96°，這樣由一維鏈形成了二維層狀結(jié)構(gòu)。同時由于姜泰勒效應(yīng)，羥基氧與相鄰配合物單元的Cu離子之間存在弱配位作用，Cu-O鍵長為0.302 7 nm，咪唑環(huán)與相鄰配合物單元的苯環(huán)之間的π-π堆積(環(huán)與環(huán)之間距離為0.344 1 nm)把層與層依次相連，形成了 3D 超分子結(jié)構(gòu)。

表1 配合物1,2的晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Crystal parameters of complex 1 and 2

圖1 配合物1的不對稱單元Fig.1 Asymmetric unit of complex 1

圖2 配合物1的二維氫鍵結(jié)構(gòu)Fig.2 2-D structure of complex 1 by hydrogen bonds

2.2 配合物2的晶體結(jié)構(gòu)

單晶衍射結(jié)果表明，配合物2屬于正交晶系，P2(1)2(1)2(1) 空間群。晶體結(jié)構(gòu)單元如圖3所示，配合物的二維結(jié)構(gòu)如圖4所示，部分鍵長、鍵角列于表2。

表2 配合物1,2晶體的部分鍵長和鍵角數(shù)據(jù)Table 2 Data of selected bond lengths(nm)and bond angles(°) of complex 1 and 2

圖3 配合物2的不對稱單元Fig.3 Asymmetric unit of complex 2

圖4 配合物2的二維氫鍵結(jié)構(gòu)Fig.4 2-D structure of complex 2 by hydrogen bonds

配合物{[Cu(MeHbiim)(Hssal)(H2O)]·0.5H2O}2(2)每一個晶體結(jié)構(gòu)單元的2個中心金屬Cu(II)離子分別采取五配位四角錐和四配位平面四邊形的幾何構(gòu)型，其中Cu1分別與來自同一個MeHbiim上的兩個N原子，兩個Hssal2-配體的1個羧基O原子和1個磺酸基O原子，及1個水分子的O原子進行五配位。而Cu1A分別與來自同一個MeHbiim上的兩個N原子，一個Hssal2-配體的羧基O原子，和1個水分子的O原子進行四配位。五配位的Cul配位環(huán)境中的N1，N3，O5和配位水的O7原子處在四角錐的底平面上，而Hssal2-的磺酸根O2位于錐頂。Cu-N鍵的平均鍵長為0.197 7 nm，比配合物1中的Cu-N鍵長稍短一些。Cul-O5(0.196 3 nm)和Cul-O7(0.196 0 nm)鍵的鍵長比Cul-O2(0.235 5 nm)鍵的短，這主要是由于O2原子占據(jù)四角錐的錐頂位置，但比配合物1中錐頂?shù)腃u-O2 W(0.226 0 nm)鍵長稍長一些。

在配合物2中，5-磺基水楊酸只脫去兩個氫(保留羥基上的氫)，采用μ2雙-單齒配位模式，羧基與磺酸基都是單齒配位；配體Hssa12-將相鄰的兩個銅原子連接起來(Cu-Cu=0.812 2 nm)，擴展為一維鏈狀結(jié)構(gòu)(見圖4)。同時鏈與鏈之間通過配位水與Hssa12-磺酸基上的O3原子形成的氫鍵：O7-H1WA…O3(0.268 3 nm，160.39°)以及Hssa12-未脫質(zhì)子的羥基O4與Cu1之間弱的配位作用力(Cu1-O4=0.278 3 nm)構(gòu)筑成了二維的層狀結(jié)構(gòu)(見圖4)。在配合物的晶格之間還有晶格水存在，它與配體Hssa12-的O原子、MeHbiim咪唑環(huán)上的N4-H4之間存在豐富的氫鍵，同時咪唑環(huán)平面與苯環(huán)之間π-π堆積(環(huán)與環(huán)之間距離為0.312 8 nm)，這些氫鍵和π-π堆積將2D層狀結(jié)構(gòu)擴展成3D網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

2.3 配合物的紫外光譜分析

以DMF為溶劑，分別測定了H2biim及配合物[Cu(H2biim)(Hssal)(H2O)2]·H2O(1)的UV-Vis光譜；以水為溶劑，分別測定了MeHbiim及配合物 {[Cu(MeHbiim)(Hssal)(H2O)]·0.5H2O}2(2)的UV-Vis光譜。在DMF溶液中，H3ssal的紫外吸收峰主要出現(xiàn)在256 nm、317 nm左右處[16]，而H2biim在308 nm處出現(xiàn)的吸收可認定為咪唑環(huán)上的K帶的π-π*吸收，二者與Cu(II)離子形成配合物1后其K帶的π-π*吸收藍移到了280 nm處，且在423 nm處還出現(xiàn)了新的弱電子吸收峰，配合物分子內(nèi)電荷遷移光譜的波長相對較長，可以歸屬為配體與金屬離子間的LMCT，其吸收強度比π-π*弱[17-18]。而在水溶液中，H3ssal的紫外吸收峰主要出現(xiàn)在235 nm、298 nm左右處[19]，MeHbiim的紫外吸收出現(xiàn)在288 nm處，形成配合物2后，主要吸收帶發(fā)生了略微移動，移至295 nm處，可能是由于金屬與配體配位后，發(fā)生了電子的轉(zhuǎn)移所致。

2.4 配合物的紅外光譜分析

配合物1、2在 3 400 cm-1左右的吸收峰是配合物5-磺基水楊酸上締合酚羥基及配位水的υ(O-H)伸縮振動。兩種配合物在1 700 cm-1附近沒有出現(xiàn)吸收峰，說明配體H3ssal羧基脫掉質(zhì)子，其不對稱伸縮振動吸收峰和對稱伸縮振動吸收峰分別出現(xiàn)在1 625 cm-1和1 379 cm-1，1 620 cm-1和1 357 cm-1處，Δυas(COO)-υs(COO)分別為246 cm-1、263 cm-1，說明羧基是單齒配位模式[20]，與晶體結(jié)構(gòu)解析結(jié)果一致。配合物1的磺酸根不對稱伸縮振動峰吸收在1 198 cm-1和1 179 cm-1處；由于磺酸根μ2雙-單齒配位，配合物2磺酸根的不對稱伸縮振動峰吸收表現(xiàn)為三條譜帶：1 213 cm-1，1 177 cm-1和1 120 cm-1。

兩種配合物都含有咪唑衍生物配體，配合物1配體H2biim咪唑環(huán)上的υ(C=N)由1 546 cm-1藍移至1 587 cm-1，配合物2配體MeHbiim咪唑環(huán)上的υ(C=N)由1 518 cm-1藍移至1 546 cm-1，說明咪唑環(huán)上的3位N參與了配位[21]，指紋區(qū)的443 cm-1、449 cm-1吸收峰可以分別指派為二者的配位鍵υCu-N。

2.5 配合物的熱穩(wěn)定性分析

對配合物2進行了從室溫到1 000 ℃溫度范圍內(nèi)的熱穩(wěn)定性測試研究，其TG曲線如圖5所示。

由圖5的熱重曲線可以看出，配合物 {[Cu(MeHbiim)(Hssal)(H2O)]·0.5H2O}2(2)因為有結(jié)晶水和配位水，出現(xiàn)了幾個較明顯的失重過程。在100 ℃和240 ℃左右分別失去1個結(jié)晶水分子、2個配位水分子和1個甲基(總失重實測值分別為2.04%、8.38%，理論值1.98%、7.59%)；隨著溫度的升高，配合物框架于280～400 ℃溫度區(qū)間快速坍塌，可能失去羧基、羥基和磺酸基(總失重實測值為41.62%，理論值為38.83%)，隨后配合物緩慢失重，直到1 000 ℃失重曲線仍在繼續(xù)下降。

2.6 配合物的熒光光譜分析

室溫下，在激發(fā)與發(fā)射單色儀的光譜譜帶狹縫為10 nm時，以激發(fā)波長為290 nm測定配合物2的DMSO溶液在250～500 nm的熒光發(fā)射光譜，如圖6所示。

圖5 配合物2的熱重曲線Fig.5 TG curve of complex 2

圖6 配合物2的熒光發(fā)射光譜Fig.6 Fluorescence emission spectrum of complex 2

由圖6可以看出，配合物2在DMSO中于330 nm處有強熒光發(fā)射光譜。根據(jù)前期工作的結(jié)果，相同條件下配體MeHbiim在330 nm附近有較弱的熒光[22]光譜，配合物的熒光強度大大強于配體，說明配合物的熒光歸因于配體內(nèi)部的π-π*躍遷。配體MeHbiim與Cu(Ⅱ)離子及5-磺基水楊酸形成配合物后，空間剛性增強，躍遷時能量的損失降低，輻射躍遷的幾率得以增大，從而使配合物的熒光強度進一步增強。

2.7 配合物的抑菌活性

以紙片法測試配合物2對一系列細菌的抑菌活性，其抑菌測試結(jié)果如表3所示。所測試菌種分別為：福氏志賀菌(Shigella flexneri，G-)、金黃色葡萄球菌(Staphylococcus aureus，G+)、乙型副傷寒桿菌(Bacillus paratyphosus b，G+)、肺炎克雷伯菌(Klebsiella Pneumoniae，G-)、大腸埃希氏菌(E.coli，G-)。(由西安醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)檢驗實驗中心提供)

表3 配合物2對細菌的抑菌圈大小Table 3 Inhibition zone diameters of the complex 2 for the assayed bacteria

從表3可以看出配合物2對五種細菌的抑菌效果，其中對乙型副傷寒桿菌和大腸埃希氏菌的抑菌活性最強，其次是福氏志賀菌和金黃色葡萄球菌，對肺炎克雷伯菌抑菌效果較弱。說明配合物2具有一定的抑菌活性。

3 結(jié) 論

以5-磺基水楊酸和咪唑衍生物為配體合成了單核、雙核三元Cu(II)配合物1,2，并對其進行了結(jié)構(gòu)表征。X-射線單晶衍射結(jié)果表明配合物1是一個五配位四角錐型結(jié)構(gòu)的單核Cu(II)配合物，其中的5-磺基水楊酸以羧基與Cu(II)進行單齒配位，而雙核Cu(II)配合物2中的5-磺基水楊酸卻是通過羧基、磺酸基以μ2雙-單齒橋連配位模式配位，并且與MeHbiim分子和水分子一起構(gòu)筑了同一結(jié)構(gòu)單元的兩個Cu離子分別處于五配位四角錐型和四配位平面四邊形結(jié)構(gòu)的配位環(huán)境。5-磺基水楊酸在兩個配合物中的配位模式不同可能與形成配合物時的溶劑、第二配體的結(jié)構(gòu)及溶液的酸堿性不同有關(guān)。室溫下的熒光光譜實驗表明配合物2有較強的熒光性。