吡啶甲酸鉻衍生物的合成、安全性及降糖活性

柴 杰 楊斌盛 劉 斌

(山西大學分子科學研究所，化學生物學與分子工程教育部重點實驗室，太原 030006)

金屬有機配合物由于其良好的生物活性常被應用于各種疾病的治療并得到廣泛的研究[1]，如抗癌[2-4]、抗菌[5]及抗Ⅱ型糖尿病等[1]。上世紀五十年代，Crバ首次被發現能夠有效地降低糖尿病小鼠血糖并改善糖尿病狀況，因此被認為是一種必需微量元素[6]。本課題組也在21世紀初開始對Crバ化學的研究并初步取得進展[7-11]。此后很長的一段時間內Crバ被廣泛應用于營養品及食品添加劑。以吡啶甲酸鉻Cr(pic)3為主的Crバ配合物銷售額達一億多美元，在同類營養品添加劑中僅次于Caギ的銷量[12]。近年來隨著人們對Cr(pic)3配合物研究的深入，發現其可能存在潛在毒性：Cr(pic)3在還原劑存在下會導致質粒的損傷，同時Cr(pic)3給藥會導致淋巴球細胞凋亡并使DNA斷裂[13-16]。Peter認為該配合物對細胞的損傷可能歸因于Crバ在氧化劑與還原劑共同存在下能夠通過Fenton-like反應誘發生成·OH進而損傷DNA[17-18]。Rogers等認為Crバ與配體配位后，Crバ/Crギ的氧化還原電位發生改變使得Crバ能夠參與到Fenton-like反應中，作為一個電子給體為該過程提供電子進而產生活性氧[17]。我們推測通過改變Cr(pic)3的取代基或結構有可能改變其氧化還原性進而降低其潛在毒性。

雖然在本世紀初Vencent提出Crバ的缺失不會直接導致任何疾病，得出了Crバ并不是人體必需微量元素的觀點。但幾乎所有的研究均表明Crバ可以有效控制糖尿病群體的血糖水平[19]、抑制平滑肌細胞非正常增殖且具有抗動脈粥樣硬化的效果[20-22]。近期Vincient等研究又發現Crバ可以放大胰島素信號，充當第二信使的作用[23]，同時Raman等研究發現Cr(pic)3能夠抑制糖尿病小鼠血小板反應蛋白(TSP-1)的表達，具有抗動脈粥樣硬化的潛在應用價值[20]。因而高效低毒Cr(pic)3衍生物的合成及性質研究對于糖尿病及心腦血管病的輔助治療仍具有重大意義。

基于以上研究，本文以Cr(pic)3為主體結構，選取了包含有不同取代基團的吡啶甲酸衍生物合成了4種Crバ配合物，通過單晶衍射、元素分析、電噴霧質譜 (ESI-MS)等手段對配合物的結構進行了表征；采用循環伏安法研究了配體對配合物的氧化還原活性的影響，采用Fenton-like反應及動物急毒性實驗評估了配合物的潛在毒性，通過降糖活性實驗研究了該類衍生物的抗糖尿病活性，分析了其構效關系。發現所合成的配合物中基于三氟甲基-吡啶-2-甲酸(5-CF3-pic)的配合物3與Cr(pic)3相比具有更高的安全性及更好的降血糖效果，即通過改變Cr(pic)3結構可以提高其降糖效果。

1 實驗部分

1.1 試劑和儀器

5-氨基-吡啶-2-甲酸(5-NH2-pic)、2-萘硼酸頻那醇酯、5-溴-吡啶-2-甲酸(5-Br-pic)、5-三氟甲基-吡啶-2-甲酸(5-CF3-pic)、3-甲基-吡 啶-2-甲 酸(3-CH3-pic)、九水合硝酸鉻(Cr(NO3)3·9H2O)、三乙胺(TEA)、磷酸氫二鈉(Na2HPO4)、檸檬酸及其他溶劑等試劑均為分析純。

D8 Venture X射線單晶衍射儀(Bruker，Germany),Vario ELⅢ元素分析儀，Agilent 6520 Accurate-Mass QTOF LC/MS質譜分析儀，Bruker TENSOR 21傅里葉變換紅外光譜儀，電熱式恒溫水浴鍋(天津市泰新特儀器)，CHI 660C電化學工作站(上海辰華)，玻碳電極(直徑 3.0mm)。

1.2 配合物合成

1.2.1 配合物1的合成

將5-NH2-pic(0.414 0 g，3.0 mmol)溶于蒸餾水(15 mL)， 逐滴加入 Cr(NO3)3·9H2O(0.400 0 g，1.0 mmol)，加熱回流1.0 h，得紫色沉淀。冷卻、過濾、洗滌得到配合物1。元素分析按C18H15CrN6O6計算的理論值(%)：C 46.66,H 3.26,N 18.14;實測值(%):C 46.54,H 3.65，N 18.02。 ESI-MS(m/z)：[M+H]+464.0517(圖S1)。 IR(cm-1)：3 437、3 332、1 589(-NH2)，1 664(-C=O)，1 358、1 296(-C-N)及 447(Cr-N)(圖 S2)。

1.2.2 配合物2的合成

2-萘-硼酸頻那醇酯(0.387 0 g，1.5mmol)，5-Brpic(0.202 0 g，1mmol)，K2CO3(0.276 0 g，2.0 mmol)及Pd(Ph3)4(40 mg)溶于 1，4-二氧六環(25 mL)，在氮氣保護下85℃回流12 h得到淺黃色固體。所得到的固體采用柱色譜 (V乙酸乙酯∶V石油醚=2∶1)分離得到配體L1，ESI-MS(m/z)：[M+H]+250.086 4(圖 S3)。 取配體L1(0.187 85 g，0.75 mmol)及 Cr(NO3)3·9H2O(0.100 0 g，0.25mmol)在乙醇溶液中加熱回流1 h得到白色粉末。洗滌，烘干得到配合物2。元素分析按C48H30CrN3O6計算的理論值 (%)：C 72.36，H 3.80，N 5.27；實測值(%)：C 72.28，H 3.92，N 5.19。 ESI-MS(m/z)：[M+H]+797.1612(圖 S4)。IR(cm-1)：3 055(=C-H)，1 684(-C=O)，1 325、1 160(C-F)與 478(Cr-N，Cr-O)(圖 S5)。

1.2.3 配合物3的合成

向回流中的 5-CF3-pic(0.382 0 g，2.0 mmol)及三乙胺(TEA，40μL)蒸餾水混合溶液中逐滴加入Cr(NO3)3·9H2O(0.400 0 g，1.0 mmol)繼續回流 1 h 得到紫色沉淀。所得到的紫色沉淀過濾、洗滌、干燥并用DMSO重結晶得到適合于X射線單晶衍射的晶體，其晶體結構如圖1所示。元素分析按C38H46Cr2F12N4O16S5計 算 的 理 論 值 (%)：C 34.92，H 3.55，N 4.29；實測值(%)：C 34.83，H 3.68，N 4.34。 ESI-MS(m/z)：[M+H]+898.442 6(圖 S6)。 IR(cm-1)：3 376(-OH)，3 059(=C-H)，1 684(-C=O)，542、513、426(Cr-N，Cr-O)(圖 S7)。 電導率：16.5 μS·cm-1(1mmol·L-1，DMSO)。

1.2.4 配合物4的合成

3-CH3-pic(0.274 0 g，2.0 mmol)與 NaOH(0.08 g，2.0mmol)混合溶液加熱回流至完全溶解后逐滴加入 Cr(NO3)3·9H2O(0.400 0 g，1.0 mmol)得到紫色沉淀。過濾、洗滌、干燥得到紫色產物。元素分析按C28H26Cr2N4O10計算的理論值(%)：C 49.27，H 3.84，N 8.21；實測值(%)：C 48.88，H 4.02，N 8.24。 ESI-MS(m/z)：[M+H]+683.051 1(圖 S8)；IR(cm-1)：3 419(-OH)，1 643(-C=O)，1 332(C-N)，547，453(Cr-N，Cr-O)(圖S9)。電導率：18.5 μS·cm-1(1mmol·L-1，DMSO)。

路線1 配合物1～4的合成路線Scheme 1 Synthetic routes for complexes 1～4

1.3 晶體結構的測定

配合物3的單晶結構數據以Mo Kα射線(λ=0.071 073 nm)為光源采用Bruker D8 Venture X射線單晶衍射儀并采用Bruker SMART進行收集。所收集到的數據通過Lp因子和經驗吸收校正并通過直接法及最小二乘法解出且利用SHELXL-97[24]解析結構并對數據進行精修。對所有非氫原子坐標及其各向異性溫度因子進行了全矩陣最小二乘法精修，氫原子坐標通過理論加氫法給出。配合物的晶體數據在表1列出。

CCDC：1500277，3。

表1 配合物3的晶體結構數據Table 1 Crystal data and structure refinements of complex 3

1.4 電化學研究

配合物 1～4(1.0mmol·L-1)的循環伏安特性曲線在DMSO溶液中進行采集。循環伏安實驗采用三電極電解池，工作電極：玻碳電極，參比電極：甘汞電極，輔助電極：鉑網。實驗在氮氣保護下進行，支持電解質：四丁基過氯酸胺 (TBAP，0.10mol·L-1)；掃描范圍：-0.8～-2.3 V；掃描速度：50mV·s-1。

1.5 Fenton-like反應

配合物 1～4(100 μmol·L-1)羥基自由基(·OH)的產生通過Fenton-like反應進行測定。空白對照：緩沖；標準對照：Fe-EDTA；配合物對照：吡啶甲酸鉻(Cr(pic)3)。 配合物在抗壞血酸(10mmol·L-1)及雙氧水(100μmol·L-1)共同存在下生成·OH并對脫氧核糖(0.4mol·L-1)進行切割生成丙二醛。隨后通過2-硫代巴比妥酸顯色法測定反應溶液在532 nm處的吸光度，溶液的吸光度與所產生的羥基自由基成正比[25]。

1.6 急性毒性及降糖活性

該實驗委托山西醫科大學第一醫院病理科完成。將體重為20～30 g的健康C57小鼠隨機分配為4 組(空白組：DMSO，1%(V/V))，陽性對照組：Cr(pic)3，金屬離子對照組：Cr(NO3)3，實驗組：配合物3，保證每組小鼠中雌雄小鼠的數目相。急性毒性實驗給藥量為1.0 gCr·kgBW-1(BW表示小鼠體重)，并在給藥的1周時間內觀察小鼠的進食狀況、活動行為并記錄體重。給藥完成后對小鼠采用二氧化碳安樂死，取器臟切片染色觀察。

降糖活性實驗中采用鏈脲佐菌素(STZ，50 mg·kgBW-1)誘導與高脂飼料喂養來構建糖尿病模型小鼠并通過空腹血糖(FBG)含量確定所構建模型是否成功(FBG levels≥11.1mmol·L-1表示模型構建成功)。實驗中共5組(正常組：非糖尿病小鼠，空白對照組：糖尿病小鼠(1%(V/V)DMSO)，陽性對照組：Cr(pic)3，金屬離子對照組：Cr(NO3)3及實驗組：配合物3且配合物的給藥量為1.0mgCr·kgBW-1，給藥方式為灌胃給藥。實驗過程為期8周，期間小鼠均可自由進食及飲水。在實驗初期、給藥4周及給藥8周分別記錄小鼠的體重(BW)、空腹血糖(FBG)、空腹胰島素(FINS)、總膽固醇(TC)、總甘油三酯(TG)、低密度脂蛋白(LDL)及高密度脂蛋白(HDL)等生理參數。

2 結果與討論

2.1 結構描述與討論

根據文獻報道方法合成了4種全新的配合物1～4[26]，獲得了3號化合物的單晶結構。具體結構示意圖見Scheme 1。由元素分析可知，配合物1與2中配體與金屬離子的物質的量之比為1∶3，而配合物3與4的配體與金屬離子的物質的量之比為1∶2；配合物 3和 4的電導率低于 20 μs·cm-1(1mmol·L-1，DMSO)，均呈電中性結構；均通過電噴霧質譜確定了配合物的分子量。在3與4的IR光譜中不僅觀察到了Cr-N及Cr-O的特征吸收，同時觀察到-OH振動峰的存在。推斷1和2為單核結構，與我們先前所合成吡啶甲酸鉻配合物結構相似[27]，即每個金屬離子與3個吡啶甲酸配體以CrN3O3的配位模式形成一個六配位八面體結構；而3與4是由2個羥基橋聯而成的雙核結構。

圖1 配合物3的分子結構橢球圖(a)和結構式(b)Fig.1 ORTEP structure(a)and chemical structure(b)of complex 3

單晶結構分析結果表明配合物3是一個由羥基橋聯的雙核Crバ配合物。在配合物3的晶體結構中，內界由4個5-CF3-pic配位分子，2個金屬Crバ及2個羥基組成羥基橋聯結構，外界有5個DMSO溶劑分子和1個水分子，整個分子呈電中性。配合物的晶胞結構中每個金屬離子與4個氧原子(2個來自5-CF3-pic，2個來自羥基氧原子)及2個氮原子(來自5-CF3-pic)配位形成一個畸變的六配位八面體，其中Cr-O鍵平均鍵長為0.195 4 nm，Cr-N鍵的平均鍵長為0.200 7 nm，2個Crバ離子間的距離為0.297 9 nm。配合物的晶體數據及部分鍵長、鍵角數據分別列于表1和表2中。

表2 配合物3的鍵長(nm)與鍵角數據(°)Table 2 Selected bond lengths(nm)and angles(°)of com plexes 3

2.2 配合物的循環伏安曲線

為探究取代基對配合物氧化還原性質的影響，我們記錄了配合物1～4在-0.8～-2.3 V范圍內的循環伏安特性曲線，實驗結果如圖2所示。循環伏安曲線中由高電位到低電位的氧化還原峰被依次定義為第1對、第2對和第3對氧化還原信號。從圖中可以看出化合物1～4在所測定的電化學窗口范圍內都表現出了良好的氧化還原特性：化合物1在所測定范圍內出現了2對準可逆的氧化還原信號而配合物2、3和4出現了3對準可逆的氧化還原信號。化合物第1對氧化還原信號可歸屬為Crバ與Crギ的相互轉化過程[28]，ΔE 均大于 0.065 V(1，0.08 V；2，0.103 V；3，0.079 V；4，0.66 V)， 因此該過程屬于不完全可逆過程。配合物的第2對及第3對氧化還原信號被歸屬為金屬離子存在下配體氧化還原的電位[28]。在三吡啶甲酸配位的配合物1與2中，1的氧化還原電位負于2；在羥基橋聯的化合物3與4中，配合物3的電位正于4。同時，將配合物1和2的氧化還原電位與文獻中所報道的Cr(pic)3(-1.26 V，-1.19 V)相比較[29]，發現吡啶環上的吸電子基團(萘環)導致配合物氧化還原電位正移,而給電子基團(氨基)導致配合物氧化還原電位負移，該現象與先前所報道結論相一致[30]。除此以外，配合物1～4與吡啶甲酸鉻相比表現出不同的氧化還原性質，因此可以用于進一步探究氧化還原性對于Crバ配合物生物毒性和活性的影響。

圖2 配合物1～4在DMSO中的循環伏安特性曲線Fig.2 Cyclic voltammogram of 1～4 in DMSO

表3 配合物1～4的氧化還原電位Table 3 Redox potentials of comp lexes 1～4

2.4 配合物誘導自由基的產生

根據相關文獻報道，生理條件下配合物誘發的自由基多少與配合物的氧化還原性質密切相關[17]。為初步探測配合物的潛在毒性，本文通過Fentonlike反應測定了配合物在PBS緩沖液中誘發產生的·OH。由圖3a可知，配合物在發生Fenton-like反應并加入2-硫代巴比妥酸顯色劑后在532 nm處產生特征峰。反應后樣品在532 nm處的吸光度與樣品中·OH的含量成正比，因此可用532 nm處的吸光度值代替表示樣品生成自由基的量。由圖可知不同實驗組的溶液532 nm處的吸光度不同，即不同配合物誘發產生的·OH量不同：(1)所有配合物所產生的·OH均少于標準對照組；(2)配合物2～4產生的自由基略小于Cr(pic)3陽性對照組，其中配合物中3產生的·OH最少。由于·OH產生與Crバ/Crギ電位密切相關，隨后以配合物Crバ/Crギ氧化還原電位平均值對·OH作圖，研究了二者之間的相關性。由圖3b可知，隨著氧化還原電位的增大，樣品產生的·OH量減小，即電位越正·OH的產生越少，這一現象與先前文獻所報道相一致[32]。綜上可知Crバ配合物的潛在毒性與其氧化還原電位密切相關：配合物的配位模式相同，即同樣為單核或橋連時，吡啶環上取代基吸電子能力越強，配合物的氧化還原電位越正，所誘發出的自由基越少。

圖3 (a)配合物在Fenton-like反應后在2-硫代巴比妥酸顯色劑存在下的紫外-可見吸收光譜;(b)配合物的氧化還原電位平均值對樣品在532 nm處的吸光度作圖Fig.3 (a)UV-visible spectra of Crバcomplexes through Fenton-like reaction in PBS;(b)Plotof average potential againstabsorbance at532 nm

2.5 配合物的急性毒性評價

為進一步評估所得配合物的毒性，選取配合物3進行急性毒性實驗研究(1.0 gCr·kgBW-1),Cr(NO3)3、Cr(pic)3為陽性對照。為期1周給藥后取小鼠組織切片進行觀察，在顯微鏡下所觀察到的組織切片如圖4所示。由圖4可知，與未給藥的空白組相比較，高劑量給藥小鼠的腎臟、肝臟及胰腺等組織并未觀察到明顯的組織形態變化(注：圖中所出現的一些外觀差異是由于著色過程、切片選取或放大倍數不同導致的，配合物3的切片中出現的白色柱狀物為暴露的胰腺導管)，即小鼠的組織沒有發生病理學意義上的變化，這種現象與文獻報道相一致[33]。雖然發現配合物在體外試管實驗中能誘發自由基的產生，但在生理條件下并沒有表現出可觀測到的毒性，說明即使配合物在體內局部產生一定量的自由基，也會被組織液中大量的還原性物質消耗掉[34]，是在機體控制范圍之內，因此不會對機體產生毒害作用。另外從試驗期間小鼠體重變化發現，Cr(NO3)3、Cr(pic)3及配合物3給藥后小鼠體重增長相對變緩，該現象表明高劑量Crバ在減肥方面可能發揮重要作用 (圖5)。由此可知，Crバ在生物體內是低毒性或無毒性的，且具有減肥作用。

圖4 急性毒性實驗中Cr(NO3)3,Cr(pic)3以及配合物3給藥后小鼠的腎臟，肝臟及胰腺組織切片Fig.4 Effects of Cr(NO3)3,Cr(pic)3 and complexes 3 on kidney,liver and pancreas tissue slices of themice in acute toxicity studies

圖5 急性毒性實驗中小鼠在0、3和7 d給藥后小鼠的體重變化Fig.5 Bodymass alters ofmice after 0,3 and 7 d of treatment in acute toxicity study

2.6 配合物的降糖活性實驗

選取潛在毒性較低的配合物3展開了配合物的降糖活性實驗。分別在給藥前、給藥4周及給藥8周時記錄小鼠的與糖尿病相關的各項生理指標，包括空腹血糖(FBG)、空腹血清胰島素(FINS)、總膽固醇(TC)、總甘油三酯(TG)、低密度脂蛋白(LDL)、高密度脂蛋白(HDL)及體重(BW)等數據，結果如圖6、7所示。實驗過程中所有小鼠均存活到最后階段，行為正常。由圖6a所示，相對于正常組而言，糖尿病小鼠的FBG指標明顯升高。與糖尿病小鼠的空白組相比較，在Cr(NO3)3給藥4周和配合物3給藥8周后，均發現小鼠的FBG含量明顯減低，而Cr(pic)3給藥組小鼠FBG值變化不明顯，由此可知配合物3的降糖活性優于市售的Cr(pic)3，但不及無機鹽Cr(NO3)3。由圖6b～6f可知，與正常小鼠相比，糖尿病小鼠的FINS、TC、TG及LDL值均明顯升高，而HDL含量明顯降低。在給藥組中，發現僅有Cr(NO3)3組使小鼠的FINS、TC及LDL含量相對于空白組減小，其余配合物給藥對除FBG含量以外其余各項生理指標影響甚微。除此而外，糖尿病小鼠與正常小鼠相比體重有明顯的增長，但給藥組并未對小鼠的體重造成明顯的影響，或給藥劑量不足以抑制小鼠的體重增長。需要說明的是，本次實驗發現低劑量的Cr(pic)3降糖減肥的藥效并不明顯，與無機鹽Cr(NO3)3相比，也并沒有表現出明顯的優勢，一些文獻此前也報道過類似的結果[35]，該現象可能是由于灌胃給藥后小鼠對Cr(NO3)3的生物利用率更高[36]，畢竟Cr(pic)3的生物利用率不足2%，97%的Cr(pic)3隨糞便排出體外[37]。

圖6 Crバ配合物在為期8周的降糖實驗中對糖尿病小鼠的空腹血糖 (a)、空腹血清胰島素 (b)、總膽固醇(c)、總甘油三酯(d)、低密度脂蛋白 (e)及高密度脂蛋白(f)的影響Fig.6 Effectof Cr supplementation on fasting blood glucose(a),fasting serum insulin(b),Total cholesterol(c),Triglyceride(d),low density lipoprotein(e)and high density lipoprotein(f)ofmice

圖7 降糖實驗中實驗組與對照組小鼠的體重變化Fig.7 Bodymass alters of the control and experimental groups after treatment in anti-hypoglycemic activity study

3 結 論

合成了4種吡啶甲酸鉻衍生物并對其部分性質進行了研究，得到以下結論：(1)吡啶甲酸鉻衍生物的氧化還原性與配體密切相關，吡啶環上的吸電子基團使Crバ/Crギ氧化還原峰位向高電位方向移動，而給電子基團使Crバ/Cギ氧化還原峰位向低電位方向移動；(2)配合物通過Fenton-like反應誘發產生自由基程度與配合物的氧化還原電位呈負相關，且本文制得的多數配合物所誘發的自由基量少于Cr(pic)3；(3)高劑量小鼠急性毒性實驗表明吡啶甲酸鉻衍生物安全性高，低劑量給藥組中配合物3能夠降低糖尿病小鼠空腹血糖含量及低密度脂蛋白，其效果比Cr(pic)3更為顯著。因此，可以通過向Cr(pic)3的吡啶環上引入取代基團來實現改善Cr(pic)3的降糖及降脂的性能，吡啶甲酸結構的修飾對與吡啶甲酸鉻降糖及降脂性能的改善具有重大影響。

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