兩個含對羧甲氧基肉桂酸鋅ギ/鎘ギ配合物的合成、晶體結構與抑菌活性

黃翠欣 顧 家 熊萬明,3 陳金珠,3 聶旭亮＊,,,3 上官新晨

(1江西農業大學農學院，南昌 330045)

(2江西農業大學理學院化學系，南昌 330045)

(3南昌市植物資源化學利用重點實驗室，南昌 330045)

(4江西省食品藥品監督管理局，南昌 330045)

植物病害是農業生產過程中影響突出的自然災害之一，對全球農作物產量造成的損失占總產量的13%～20%，每年給全球造成的直接經濟損失高達數千億美元[1]。在植物病害中，由病原真菌的侵染導致的占植物病害的70%～80%?；瘜W防治是防治植物病害最簡便有效的方法[2]。我國作為農業大國，通過使用化學農藥對各種植物病害進行防控，每年可以減少經濟損失約300 億元[3]。然而近年來關于植物病原菌對農藥殺菌劑產生抗藥性的相關報道越來越多[4]。主要由于很多農藥殺菌劑都是內吸性殺菌劑，存在作用靶點和作用機制單一的問題，長期使用就會產生抗藥性，失去了高效性，過度使用甚至還會產生食品安全問題和生態問題。

隨著人類環境意識的日益增強，研究開發對環境友好的植物源農藥殺菌劑是今后農藥殺菌劑研究發展的目標。王宗德課題組在植物殺菌劑方面做了大量的工作，主要以松節油等萜類林特資源為原料，較系統地開展了萜類農藥的合成與生物活性研究，篩選到多個新型綠色驅避劑和拒食劑，為綠色農藥開發和松節油利用創新提供了理論依據[5-7]。以具有一定抑菌活性的天然產物作為先導物，進行結構修飾后可以獲得數量龐大的衍生物，從中篩選高活性、副作用小或無副作用的抑菌功能因子是很有可能的，是一條非常有前景的農藥殺菌劑開發途徑。肉桂酸(cinnamic acid)又名3-苯基-2-丙烯酸，俗稱桂皮酸，是一種從肉桂皮提取出來的有機酸。肉桂酸及其衍生物不僅具有潛在的抗菌、抗腫瘤和抗氧化的作用，在醫藥領域有著廣泛的應用；而且還具有防病害活性、生長調節和除草活性，在農業上有著潛在的利用價值[8-11]。由于肉桂酸及其衍生物具有優越的結構和生物活性，關于肉桂酸及其衍生物的金屬配合物的研究也引起了人們的關注。李小芳等以桂皮酸、8-羥基喹啉為配體合成了2 個稀土三元配合物，研究了配合物對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌活性和與DNA 的相互作用[12]。周賢菊等以對位取代肉桂酸與Eu3+反應得到一系列的銪配合物，研究了配合物的熒光光譜及取代基和配位小分子對配合物發光性能的影響[13]。朱海亮課題組設計合成了一系列取代肉桂酸衍生物，并以此為配體合成了一系列肉桂酸衍生物配合物，研究了配合物的刀豆脲酶的抑制活性。研究發現，5 種配合物具有與乙酰氧肟酸相當的脲酶抑制活性，其中2個銅配合物的抑制活性最好，IC50值分別為1.23 和1.17 μmol·L-1[14]。因此，對天然活性物質肉桂酸進行修飾，設計、合成具有好的生物活性的肉桂酸衍生物，并研究其抑菌活性，以其開發高效、廣譜、毒性低、對環境友好的殺菌劑具有重要的意義。

我們以天然產物對羥基肉桂酸甲酯為起始原料，在羥基上引入氧乙酸合成了對羧甲氧基肉桂酸(H2CMOPAA)，再以其為配體，與金屬離子配位合成了2個金屬配合物。通過X射線單晶衍射、熱重(TG)分析、元素分析和紅外光譜等分析手段表征了配合物的結構。采用牛津杯抑菌圈法研究了配合物的抑菌活性。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

對羥基肉桂酸甲酯、溴乙酸乙酯、菲咯啉(Phen)、ZnCl2、CdCl2·2.5H2O、DMF(N，N-二甲基甲酰胺)和鹽酸均為分析純，購于天津希恩思生化科技有限公司。大腸桿菌(Escherichia coli)、金黃色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)、意大利青霉(Penicilliumitalicum)、桔青霉(Penicillium citrinum)、黑曲霉(Aspergillus niger)、松球殼孢菌(Sphaeropsis sapinea)、萵苣霜霉病(Bremia lactucea Regel.)、西瓜灰霉病菌(Botryiscinerea Pers)等菌種均為江西農業大學生工院實驗室自行保存。

所用儀器有精密增力電動攪拌器JJ-1 型(常州國華電器有限公司)、循環水泵SHZ-Dバ型(鞏義市英峪予華儀器廠)、電熱恒溫水浴鍋H.H.S-2 型指針式(上海電子光學技術研究所滬粵科學儀器廠)、ZK-82A型真空干燥箱(上海市實驗儀器總廠)、傅里葉紅外光譜儀FTS-40 型(美國BIO-RAD 公司)、Perkin Elmer 240B 型自動元素分析儀、CCD-X 射線單晶衍射儀SMART-1000型(德國Bruker公司)。

1.2 配體和配合物的合成

1.2.1 配體H2CMOPAA的合成

配體H2CMOPAA 是參照文獻[15]的方法合成。以對羥基肉桂酸甲酯為起始原料，在羥基上引入氧乙酸合成了對羧甲氧基肉桂酸衍生物，堿性條件下水解，酸化后得到H2CMOPAA 配體。產物和中間體的結構經X 射線單晶衍射和元素分析等分析手段表征。中間體晶體屬于三斜晶系，P1 空間群，晶胞參數a=0.852 93(8) nm，b=1.156 26(11) nm，c=1.421 96(13)nm，α=88.888 0(10)°，β=74.988 0(10)°，γ=87.556 0(10)°，Z=4[16]。

1.2.2 配合物1和2的合成

配合物1 的合成：稱取H2CMOPAA(0.022 8 g，0.1 mmol)、Phen(0.019 8 g，0.1 mmol)和ZnCl2(0.1 mmol，0.013 6 g)，加入到25 mL 水熱反應釜中，然后加入蒸餾水10 mL 和NaOH 0.30 mL(0.65 mol·L-1)，玻璃棒攪拌均勻。將反應釜放入140 ℃烘箱中反應3 d，得到淺黃色塊狀晶體，用少量蒸餾水沖洗，干燥后稱量，得到0.033 9 g，產率為70%。元素分析按C23H18ZnN2O6的計算值(%)：C，57.10；H，3.75；N，5.79。實測值(%)：C，56.06；H，3.89；N，5.68。IR(KBr，cm-1)：3 056，3 031，2 969，2 918，1 635，1 603，1 542，1 511，1 423，1 343，1 289，1 265，1 247，1 224,1 207，1 175，1 106，1 062，985，868，855，838，812，782,728，693，641，599。

配合物2 的合成：稱取H2CMOPAA(0.022 8 g，0.1 mmol)、Phen(0.019 8 g，0.1 mmol)和CdCl2·2.5H2O(0.022 8 g，0.1 mmol)，加入到25 mL 反應釜中，然后加入蒸餾水10 mL 和NaOH 0.30 mL(0.065 mol·L-1)，玻璃棒攪拌均勻。將反應釜放入150 ℃烘箱中反應3 d，得到淺黃色塊狀晶體，用少量蒸餾水沖洗、干燥后稱取，得到0.049 4 g，產率為68%。元素分析按C23H16CdN2O5的計算值(%)：C，53.87;H，3.15；N，5.46。實測值(%)：C，52.94；H，3.28；N，5.37。IR(KBr，cm-1)：3 416，3 062，2 944，1 602，1 513，1 449，1 384，1 346，1 325，1 300，1 269，1 231，1 203，1 176，1 142,1 101，1 061，983，929，864，950，833，783，727，641，601，520。

1.3 晶體結構測定

在Bruker Smart Apex CCD[17]單晶衍射儀上收集樣品的單晶衍射數據。用SHELXS-2014[18-19]程序中的直接法解析晶體結構。全部非氫原子坐標由差值傅里葉合成得到，并對其坐標和各向異性熱參數進行全矩陣最小二乘法精修。氫原子為理論加氫，并進行Riding 模式精修。表1 為配合物1 和2 的晶體數據和結構精修參數，表2為配合物1和2的部分鍵長和鍵角，表3為配合物1的氫鍵參數。

CCDC：2054460，1；2068057，2。

表1 配合物1和2的晶體學數據Table 1 Crystal and structure refinement data of complexes 1 and 2

續表1

表2 配合物1和2的部分鍵長(nm)和鍵角(°)Table 2 Selected bond lengths(nm)and bond angles(°)of complexes 1 and 2

表3 配合物1的氫鍵參數Table 3 Hydrogen bond parameters of complexes 1

1.4 配合物1～2的抑菌活性

將H2CMOPAA及其配合物1和2用DMF分別配成溶液，采用牛津杯法測定它們對8 種病原真菌(大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、意大利青霉、桔青霉、黑曲霉、松球殼孢菌、萵苣霜霉病、西瓜灰霉病菌)的抑菌活性。

2 結果與討論

2.1 配合物1和2的晶體結構

配合物1 屬于單斜晶系P21/n空間群(表1)。配合物1 的不對稱單元中有1 個Zn2+、1 個CMOPAA2-、1個Phen和1個配位水分子。如圖1所示，Znギ離子是一個六配位的扭曲八面體構型，赤道方向的4 個配位點被來自2 個CMOPAA2-的羧基的氧原子(O3，O5i)和2 個來自Phen 配體的氮原子(N1，N2)占據，軸向方向的2 個配位點被來自1 個CMOPAA2-的羧基的氧原子(O4)和配位水的氧原子(O6)占據。Zn—O的鍵長為0.199 83(12)、0.204 87(15)和0.206 96(13)nm，Zn—N 的鍵長為0.211 94(14)和0.218 10(15) nm(表2)，N—Zn—N 鍵角為77.08(5)°，N—Zn—O 鍵角在88.86(5)°～165.88(5)°之間，O—Zn—O 鍵角在89.32(6)°～102.79(6)°之間。所有鍵長和鍵角都在正常范圍內，和已經報道的3-羥基肉桂酸鋅配合物是一致的[20]。

圖1 配合物1的橢球率50%的晶體結構圖Fig.1 Crystal structure of complex 1 with 50%thermal ellipsoids

CMOPAA2-的羧基采用三齒橋聯的配位模式(Scheme 1)，連接相鄰的鋅離子Znギ沿著b軸形成了一條螺旋形的一維鏈(圖2)。相鄰的2 個鋅離子(Zn1…Zn1i)之間的距離為1.215 44(10)nm，相鄰的3個鋅離子之間的角度為92.172(3)°。如圖3 所示，配位水中的氫原子與CMOPAA2-的羧基的氧原子之間形成分子間O—H…O 氫鍵(表3)，這一氫鍵連接上下的一維鏈形成了一個二維氫鍵網絡結構。

Scheme 1 Coordination codes of CMOPAA2-ligand

圖2 配合物1的一維鏈Fig.2 One-dimensional chain of complex 1

圖3 配合物1的二維氫鍵網絡結構Fig.3 Two-dimensional hydrogen bond net of complex 1

配合物2 屬于三斜晶系P1 空間群(表1)。配合物2 的不對稱單元中有1 個Cd2+、1 個CMOPAA2-和1個Phen。如圖4 所示，Cd ギ離子是一個七配位([N2O5])的扭曲單帽三角棱柱體構型，赤道方向的4個配位點被來自2 個CMOPAA2-的羧基的氧原子(O1、O3i、O4i)和1 個來自Phen 配體的氮原子(N2)占據，軸向方向的3 個配位點被來自2 個CMOPAA2-的羧基的氧原子(O2、O2ii)和1 個來自Phen 配體的氮原子(N1)占據。Cd—O 的鍵長在0.227 6(10)～0.255 1(2) nm 之間，Cd—N 的鍵長在0.256(2)～0.257 3(11) nm 之間( 表2)，N—Cd—N 鍵角為70.54(8)°，N—Cd—O 鍵角在78.06(8)°～154.87(8)°之間，O—Cd—O 鍵角在53.10(7)°～135.82(9)°之間。所有鍵長和鍵角都在正常范圍內，與已報道的3-羥基肉桂酸鎘配合物一致[20]。

圖4 配合物2的橢球率50%的晶體結構圖Fig.4 Crystal structure of complex 2 with 50%thermal ellipsoids

兩個CMOPAA2-連接4 個Cd2+形成了一個平行四邊形的26 元大環結構(圖5)，其中2 個鎘離子Cd1…Cd1i之間的距離分別為0.392 16(6)和1.263 73(15) nm，3 個鎘離子之間的角度為84.428(5)°和95.572(5)°。CMOPAA2-的羧基采用橋聯的配位模式(Scheme 1)，連接相鄰的平行四邊形結構形成了一條一維帶狀結構(圖6)。

圖5 配合物2的大環結構Fig.5 Macrocycle structure of complex 2

圖6 配合物2的一維帶狀結構Fig.6 One-dimensional band-like structure of complex 2

2.2 配合物1和2的TG分析

配合物1 的TG 曲線見圖7。從配合物1 的TG曲線可以看出2次明顯的失重過程。第一次失重是在126～162 ℃，失重5.6%(計算值：4.39%)，主要是由于失去了游離水分子。之后1 的骨架在402～476 ℃逐漸坍塌，主要是配體分解導致，失重73.2%(計算值：75.75%)。最終殘留物為ZnO(計算值：19.86%，實測值：21.2%)。

圖7 配合物1的TG曲線Fig.7 TG curve of complex 1

配合物2 的TG 曲線見圖8。從2 的TG 曲線可以看出，2 在308.4 ℃之前都很穩定。之后2 的骨架在350～780 ℃逐漸坍塌，主要是配體分解導致，失重69%(計算值：74.96%)。最終殘余物為CdO(計算值：25.04%，實測值：26.5%)。

圖8 配合物2的TG曲線Fig.8 TG curve of complex 2

2.3 配合物的抑菌活性

配體H2CMOPAA 及其配合物的抑菌活性結果如表4 所示。結果表明，H2CMOPAA 及其配合物1和2 對8 種微生物具有一定的抑制作用，配合物的抑菌活性略強。具體來說，配合物1對松球殼孢菌、黑曲霉和萵苣霜霉病菌有一定的抑制作用，而配合物2對松球殼孢菌和金黃色葡萄球菌具有一定的抑制作用，對金黃葡萄球菌的抑制活性最好。但與其他配合物的抑菌活性相比，抑菌活性還是相對較弱。

表4 配合物1和2對八種微生物抑菌活性Table 4 Antimicrobial activities of eight microorganisms of complexes 1 and 2

3 結 論

以天然產物羥基肉桂酸甲酯為起始原料，合成了對羧甲氧基肉桂酸配體，再以其為配體，與金屬離子配位合成了2 個金屬配合物。通過X 射線單晶衍射、熱重分析、元素分析和紅外光譜等分析手段表征了H2CMOPAA 及其配合物的結構。研究了配合物1 和2 的熱穩定性和抑菌活性。研究表明，H2CMOPAA 及其配合物的抑菌活性相對較弱，還需要進一步修飾對羥基肉桂酸的結構。