鍺鎢酸晶體合成、二維紅外光譜和抗腫瘤活性研究

黃曉輝，黃曉星，應少明，畢文超，高小梅，陳義平*，孫燕瓊

1. 福州大學化學學院，福建 福州 350116 2. 福建省特色生物化工材料重點實驗室，寧德師范學院化學與材料學院，福建 寧德 352100 3. 消化道惡性腫瘤教育部重點實驗室，福建醫科大學基礎醫學部，福建 福州 350116

引 言

多金屬氧酸鹽(簡稱多酸)為一類具有廣泛用途的金屬氧化物簇，由于其結構的多樣性以及在醫藥和材料科學等領域的潛在應用而受到廣泛關注[1-7]。在過去的幾十年里，多酸由于其結構和性質的多樣性而表現出了良好的生物活性[8-11]。目前多酸藥物的研究主要集中在功能化的配體引入對多酸抗癌活性的影響[12-16]。但是對于過渡金屬在多酸化合物中作用研究的較少，構效關系還不是很明確。

本工作選擇Keggin型鍺鎢氧簇和鄰菲羅啉(phen)配體進行組裝反應，合成同構鍺鎢酸化合物[M(phen)3]2[GeW12O40]·2H2O [M=Zn(1), Co(2)]，利用X射線粉末衍射、紅外光譜和磁微擾及熱微擾下的動態紅外光譜等方法，深入研究化合物的譜學性質與結構的關系； 并利用二維紅外光譜，從分子結構角度探索同構晶體中不同過渡金屬對抗腫瘤活性的影響，為合成抗腫瘤多酸藥物提供理論依據。

1 實驗部分

1.1 化合物[Zn(phen)3]2[GeW12O40]·2H2O(1)的合成

依次稱取K8Na2[A-α-GeW9O34]·25H2O (0.500 0 g, 0.163 mmol)，1,10-phen (0.173 2 g, 0.961 mmol)，二水合醋酸鋅(0.066 2 g, 0.302 mmol)，置于25.0 mL反應釜中，加入100 μL乙二胺、6.00 mL，2 mol·L-1NH4Cl攪拌1 h(溶液的最終pH 8.91)，混合均勻，于140 ℃下恒溫加熱5 d后，冷卻至室溫。洗滌后得到淺粉色塊狀晶體(按鎢計算產率約為37%)。

1.2 化合物 [Co(phen)3]2[GeW12O40]·2H2O(2)的合成

化合物2的合成條件和化合物1的條件一樣，只是將醋酸鋅換成四水醋酸鈷(0.075 1 g，0.302 mmol)，最后得到棕色塊狀晶體(按鎢計算產率約為23%)。

1.3 化合物結構測試和譜學表征

用Rigaku Saturn 724 CCD衍射儀對化合物進行X射線單晶衍射測定，用Rigaku UltimaIV X-Ray Diffractometer粉末衍射儀對化合物進行X射線粉末衍射測定。用Thermo Scientific Nicolet iS50 FT-IR傅里葉變換紅外光譜儀在4 000～400 cm-1范圍掃描32次測定化合物的紅外光譜，此外，在熱微擾和磁微擾下分別測試動態紅外相關光譜。熱微擾紅外光譜測試采用可編程溫度控制器，在50～120 ℃范圍內每20 min升溫10 ℃； 磁微擾紅外相關光譜測定采用自制磁控制器(CT50高斯計標定磁場強度)，磁性變化范圍0～50 mT，測量間隔5 mT。熱重分析利用Mettler Tpledo TGA/SDTA 815e分析儀在Ar氣氛保護下測定，溫度區間為25～800 ℃，升溫速度為10 ℃·min-1。

1.4 化合物抗腫瘤活性實驗

人體癌細胞為福建醫科大學消化道惡性腫瘤教育部重點實驗室惠贈，測試是在福建醫科大學的Elx800 Universal Microplate Reader酶標儀完成。根據測量的細胞抑制率利用GradPad Prism 8軟件計算化合物作用于細胞的半抑制濃度(IC50值)。

具體實驗方法： 細胞在5% CO2、37 ℃、飽和濕度、含有10%的胎牛血清的RPMI-1640培養基中培養。貼壁細胞以2 000細胞/孔加入96-孔板中，孵育至貼壁后加化合物。細胞液體積為90 μL。每一組實驗設置化合物的最大作用濃度為100 μmol·L-1。用不含DMSO的細胞培養液按1∶100稀釋母液濃度為100 mmol·L-1的化合物，之后在含有1% DMSO的培養基中按1/3稀釋度逐級稀釋化合物，共設置8個濃度梯度，以終濃度為0.1% DMSO為陰性對照，以不含細胞及化合物的培養基為空白對照。取10 μL各梯度濃度的化合物加入對應的96-孔板中。每組實驗設置三個平行。混勻化合物的細胞板置于細胞培養箱中(37 ℃； 5% CO2)培養48 hr。向每孔細胞中加入10 μL CCK-8反應液，混勻后置于細胞培養箱中(37 ℃； 5% CO2)孵育1～4 hr； 采用酶標儀測量450 nm波長下的OD值。

細胞存活率%=1-(OD實驗組-OD空白組)/(OD陰性組-OD空白組)×100%

2 結果與討論

2.1 化合物1，2的X射線單晶衍射測定和結構特征

化合物[Zn(phen)3]2[GeW12O40]·2H2O [圖1(a)]，[Co(phen)3]2[GeW12O40]·2H2O [圖1(b)]這兩個化合物同構，屬于正交晶系，空間群為Pnma，最小不對稱單元包含1/2個[GeW12O40]4-陰離子，1個[M(phen)3]2+(M=Zn，Co)陽離子以及1個游離水分子(圖1)，其中Ge1的占有率為1/2，W4, W7的占有率為0.5，其他原子位于一般等效點上。

圖1 化合物不對稱單元(省略水分子)對稱操作碼： A x, 0.5-y, z(a): [Zn(phen)3]2+; (b): [GeW12O40]4-Fig.1 The asymmetric unit of compound 1,symmetry code： A x, 0.5-y, z(a): [Zn(phen)3]2+; (b): [GeW12O40]4-

聚陰離子和金屬-有機陽離子則通過分子間氫鍵(Ow(1)…Ow(2)，Ow(1)…Ow(2)，Ow(2)…O(16)，Ow(2)…O(16)，Ow(2)…O(13)，Ow(2)…O(21)，C(3)…O(3)，C(25)…O(2)，C(26)…O(23))相連接成一維鏈[圖2(b)]。再通過π…π和C—H…π分子間作用力[圖2(a)]構筑形成穩定的三維超分子結構。以[GeW12O40]4-陰離子作為連接點，通過phen與[GeW12O40]4-之間的弱作用力設置為連接線，得到sqc4拓撲網絡三維超分子結構(圖3)，運用TOPOS4.0軟件拓撲分析其Schl?fli 符號為{36.418.53.6}。

圖2 (a)化合物1中phen兩個芳環間π-π作用；(b)化合物的一維鏈(沿a軸方向)Fig.2 (a) The π-π interactions between two aromatic rings from phen in compound 1; (b) 1D chain structure of compound (along a axis)

圖3 化合物1三維超分子結構Fig.3 The 3D supramolecular stacking structure of compound 1

表1 化合物1中弱作用力Table 1 Parameters of weak interaction for compound 1

Two RingsDihedral AngleCent-to-Cent DistanceSymmetry CodeCg(6)>Cg(10)3.7°3.997(10)1/2-x, -y, -1/2+z

X—H…πH…CgX…Cg∠X—H…CgSymmetry CodeC(32)—H(32)>Cg(10)2.573.461611-x, -y, 1-z

2.2 化合物的X射線粉末衍射

化合物1、2的X射線粉末衍射圖如圖4所示，從對比圖可以看出在主要峰位置吻合較好，由于晶體的各向異性導致了部分衍射峰的強度存在一些差別，表明所合成的晶體較純，可用于其他性質的表征。

圖4 化合物1, 2的XRD譜圖Fig.4 XRD for compound 1, 2

2.3 合物的紅外光譜和二維紅外相關光譜

圖5 化合物和配體的紅外譜圖Fig.5 The FTIR spectra of compounds and ligand

表2 化合物和配體的紅外峰歸屬Table 2 The FTIR of compound and ligand

在50～120 ℃熱微擾下兩個化合物的2D-IR COS同步圖基本一致，與兩個化合物是相同構型的結構解析結果相一致。然而兩個化合物在5～50 mT磁場變化下的2D-IR COS同步圖差別較大，如圖6所示： 在1 300～1 500 cm-1范圍內，化合物1分別在1 302，1 418，1 427和1 435 cm-1處出現自動響應峰，其中1 435 cm-1處的響應峰最強，1 418 cm-1的響應峰次之，1 427和1 302 cm-1處則較弱。化合物2則在1 401，1 427和1 432 cm-1處出現響應峰，其中1 401 cm-1處的響應峰最強，1 435 cm-1的響應峰次之，1 427 cm處響應峰最弱； 這些響應峰歸屬為phen苯環C—C骨架振動的在磁場微擾下的響應峰[圖6(a1)，(a2)]； 這可能是在化合物1中過渡金屬Zn(Ⅱ)為d10組態沒有未成對電子； 在化合物2中過渡金屬Co(Ⅱ)為d7組態，含有未成對電子，磁性粒子Co(Ⅱ)與phen配位時，未成對電子導致配體phen苯環中C—C骨架振動時瞬間態偶極矩隨磁場變化而發生變化。化合物1在(1 340，1 418) cm-1，(1 418，1 450) cm-1處出現正的交叉峰，表明在磁微擾下，C—C對稱伸縮和反對稱伸縮的偶極矩變化趨勢相同。化合物2則在(1 400，1 418) cm-1處出現正的交叉峰，但在(1 400，1 440) cm-1處出現的交叉峰是負的，表明在磁微擾下，C—C對稱伸縮的偶極矩變化趨勢相反。化合物1和化合物2交叉峰的差異也表明化合物中金屬離子[Zn(Ⅱ), Co(Ⅱ)]與苯環的離域π鍵作用不同，從導致在磁微擾下芳環C—C對稱伸縮振動偶極矩變化的同步性發生變化。在2 900～3 060 cm-1范圍內，化合物1在3 055 cm-1處出現響應峰[圖6(b1)]，化合物2在3 035 cm-1處出現響應峰，歸屬于νas(C—H)振動的響應峰[圖6(b2)]，這是可能由于化合物2中磁性粒子Co(Ⅱ)與phen配位，磁性粒子Co(Ⅱ)中未成對電子對苯環的離域π鍵產生作用，使得C—H…π氫鍵中νas(C—H)振動的瞬間態偶極矩發生變化。

圖6 在5～50 mT磁微擾化合物1(a1，b1)，化合物2(a2，b2)的二維紅外相關同步圖Fig.6 Synchronous 2D-IR COS of compound 1 (a1，b1) and compound 2 (a2，b2) (5～50 mT)

2.4 化合物的熱重分析

化合物1和2熱重分析圖基本一致(圖7)，失重過程分為3個階段，第一階段失重區間為50～110 ℃，化合物1失重2.18%，對應于2個游離水的失去(理論失重0.87%)； 化合物2失重2.33%，對應于2個游離水的失去(理論失重0.89%)，實驗值稍高于理論值可能是因為晶體粉末放置于空氣中太久吸潮造成的。其第二階段失重區間為240～450 ℃，化合物1失重12.77%(理論失重13.12%)； 化合物2失重12.95%(理論失重13.16%)； 對應于3個鄰菲羅啉分子的失去； 第3階段失重化合物1在620 ℃后、化合物2在630 ℃后，鎢氧簇骨架開始坍塌。

圖7 化合物1和2的熱失重圖Fig.7 The TG curves of compounds

2.5 化合物的抗腫瘤活性

為了探索化合物抗腫瘤活性的差異，選取了五種人體腫瘤細胞系(胃癌細胞HGC-27、SNU668，肝癌細胞Huh7，腸癌細胞HCT116、SW480)分別測試了化合物對它們的抑制作用。圖8表示不同濃度下化合物對五種癌細胞的抑制作用，在高濃度下，化合物對細胞生長的抑制作用比較明顯。與此同時，對K2NaH[GeW12O40]·7H2O[16]、phen、醋酸鋅和醋酸鈷進行了測試，通過最小二乘法擬合出不同細胞的半抑制濃度IC50，結果見表3。

圖8 化合物1和2對五種人體腫瘤細胞的抑制作用Fig.8 Inhibitory effect of compound 1, 2 on human cancer cells

表3 化合物1, 2對5種人體癌細胞的半抑制濃度IC50Table 3 IC50 values of Compound 1, 2 against diverse human cancer cells

從表3中發現兩個化合物對這五種人體腫瘤細胞的半抑制濃度IC50都小于100 μmol·L-1，對比有機配體，金屬鹽和K2NaH[GeW12O40]·7H2O，化合物1和2的IC50小了很多，由于有機配體和無機多酸的協同作用使得化合物1和2的體外抗腫瘤活性大大增強[17-18]； 化合物1和2對于這五種人體腫瘤細胞具有一定的選擇性，兩種化合物對腸癌細胞SW480的抗腫瘤活性最高，對胃癌細胞SNU668的抑制作用最低。雖然化合物1和2同構，但是過渡金屬的不同，導致于它們的抗腫瘤活性差別較大，化合物2對五種人體腫瘤細胞的抑制作用都比化合物1強，其中化合物2對于腸癌細胞SW480的抑制作用是化合物1的2.7倍； 磁微擾下2D-IR COS同步圖表明這兩個同構化合物由于過渡金屬[Zn(Ⅱ), Co(Ⅱ)]含有的未成對電子不同，導致它們對配體phen苯環中的離域π鍵作用不同，化合物2中Co(Ⅱ)含有未成對電子，容易與含有順磁電子的官能團(如自由基等)作用[19-20]，從而導致化合物2抗腫瘤活性比化合物1的強。顯示了這兩種化合物在抗腫瘤藥物方面潛在應用前景，為進一步研究作為多酸抗癌藥物提供方向。

3 結 論

通過水熱法合成新型鍺鎢酸化合物Zn(phen)3]2[GeW12O40]·2H2O (1)，[Co(phen)3]2[GeW12O40]·2H2O (2)。兩個化合物同構，同屬于正交晶系，空間群為Pnma，陰離子簇和配體間通過氫鍵、π…π和C—H…π分子間作用力連結成三維超分子。雖然兩個化合物的結構相同，但由于[Zn(Ⅱ), Co(Ⅱ)]含有的未成對電子不同, 磁微擾下2D-IR COS同步圖表明這兩個同構化合物由于[Zn(Ⅱ), Co(Ⅱ)]含有的未成對電子不同，導致它們對配體phen苯環中的離域π鍵作用不同； 也由于結構中此差別，引起抗腫瘤活性的差異。如化合物2對五種人體腫瘤細胞的抑制作用都比化合物1強，其中化合物2對于腸癌細胞SW480的抑制作用是化合物1的2.7倍。同時抗腫瘤實驗表明： 兩個化合物對這五種人體腫瘤細胞系(胃癌細胞HGC-27、SNU668，肝癌細胞Huh7，腸癌細胞HCT116、SW480)的半抑制濃度IC50都小于100 μmol·L-1，有機配體和鍺鎢氧酸簇的協同作用使得化合物1和2的體外抗腫瘤活性大大增強； 化合物1和2對于這五種人體腫瘤細胞具有一定的選擇性，對腸癌細胞SW480的抗腫瘤活性最高，對胃癌細胞SNU668的抑制作用最低。進一步研究將為多酸抗癌藥物提供方向。

致謝：感謝清華大學孫素琴教授在二維相關光譜軟件分析中提供的幫助。