水合三環己基錫4-吡啶甲酸酯配合物的合成、結構及抗癌活性

何麗芳, 張復興, 李宗澤, 王芳宇, 劉 最, 陳佩云

(1. 衡陽師范學院 生命科學學院 南岳山區生物資源保護與利用湖南省重點實驗室,湖南 衡陽 421008; 2. 衡陽師范學院 化學與材料科學學院 功能金屬有機化合物湖南省重點實驗室, 湖南 衡陽 421008)

有機錫配合物具有多變的結構和豐富的性能,在工業、農業、醫藥等領域中有廣泛應用。已有研究表明,許多有機錫配合物具有極其高效廣譜的抗癌活性,比目前臨床上廣泛使用的抗癌藥順鉑的抗癌活性還要高出許多。因此，有機錫配合物是一類未來可期的高效抗癌藥物,具有潛在研究價值[1-7]。但由于有機錫化合物的高毒性,又使它們的應用受到了一定的限制。

有機錫配合物的結構和性能決定于與錫原子相連的烴基的結構和配體的類型[8-11],功能化的配體能改變錫原子的配位方式,影響有機錫化合物的生物活性,能調節其毒性與生物活性之間的平衡。雜環羧酸是一類具有豐富結構和較強生物活性的良好配體,能與有機錫形成極具特色結構和特殊性能的有機錫配合物,因而受到研究人員廣泛關注[12-19]。

為系統地研究該類化合物,本文合成了水合三環己基錫4-吡啶甲酸酯配合物(Scheme 1),采用元素分析、紅外光譜、核磁共振氫譜進行了表征,用X-射線單晶衍射測定了晶體結構,對其結構進行量子化學從頭計算,探討了化合物分子的穩定性、分子軌道能量以及一些前沿分子軌道的組成特征,并研究了其熱穩定性和體外抗癌活性。

Scheme 1

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

X-4型數字顯微熔點儀;Shimadzu FT IR8700型紅外光譜儀(KBr壓片);PE-2400型元素分析儀;Bruker Avance III HD 500 MHz型超導核磁共振儀(TMS為內標);Bruker Smart Apex Ⅱ CCD型單晶衍射儀;TGA Q50型熱重分析儀。

所用試劑均為分析純。

1.2 合成

在50 mL的耐壓反應瓶中,加入0.3850 g(1 mmol)三環己基氫氧化錫、0.1230 g(1 mmol)4-吡啶甲酸和35 mL無水甲醇,密封反應瓶,于120 ℃下恒溫攪拌反應4 h。冷卻至室溫,旋轉蒸發除去部分溶劑,靜置析出白色固體,用無水乙醇重結晶得無色晶體水合三環己基錫4-吡啶甲酸酯配合物0.3880 g,產率76.38%, m.p.122～124 ℃; Anal. Calcd for C24H39NO3Sn: C 56.67, N 2.75, H 7.67, found C 56.48, N 2.78, H 7.71; IR(KBr)ν: 3398.57(m, b), 3055.25(s), 3026.31(s), 2958.80(s), 2922.16(s), 2864.29(s), 1654.93(vs), 1598.99(s), 1571.99(s), 1442.76(s), 1382.96(m), 1323.17(s), 500.71(w), 451.07(w) cm-1;1H NMR(CDCl3, 500 MHz)δ: 8.73(d,J=4.0 Hz, 2H), 7.87(d,J=4.0 Hz, 2H), 2.05～1.93(m, 9H), 1.77～1.66(m, 15H), 1.41～1.34(m, 9H);13C NMR(CDCl3, 125 MHz)δ: 169.4, 150.2, 139.8, 123.6, 34.2, 31.1, 28.8, 26.8;119Sn NMR(CDCl3, 187 MHz)δ: 31.15。

1.3 晶體結構測試方法

選取體積為0.22 mm×0.21 mm×0.20 mm的晶體,在Bruker SMART APEX Ⅱ CCD單晶衍射儀上,采用經石墨單色化的Mo-Kα射線(λ=0.071073 nm),于296(2)K,以φ～ω掃描方式收集數據。在1.883°≤θ≤25.687°范圍內共收集9292個衍射點,其中獨立衍射點3069個[R(int)=0.0227],可觀察衍射點2802個[I>2σ(I)]。衍射強度數據經多重掃描吸收校正,晶體結構中大部分非氫原子由直接法解出,其余部分非氫原子在隨后的差值傅立葉合成中陸續確定,對所有非氫原子坐標及其溫度因子采用全矩陣最小二乘法精修。由理論加氫法給出氫原子在晶胞中的位置坐標,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精修,全部結構分析工作在WINGX上調用SHELX-97程序完成。

1.4 體外抗癌活性測試方法

將待測藥物溶于少量DMSO,用水稀釋至所需濃度,保持最終DMSO濃度<0.1%。人肝癌細胞(HuH-7)、人肺腺癌細胞(A549)、人表皮癌細胞(A431)、人結腸癌細胞(HCT-116)、人乳腺癌細胞(231)和人肝正常細胞(HL-7702)均獲自ATCC。將細胞用含10%牛胎血清的RPMI1640(GIBICO, Invitrogen)培養液,在含5%(V/V)CO2的培養箱內于37 ℃下培養,用MTT法檢測細胞增殖與生長抑制情況,調整實驗細胞數量使在570 nm獲得1.3～2.2的吸光度,將化合物測試藥液(0.1 nmol/L～10 μmol/L)設置6個濃度,處理細胞72 h,每個濃度至少3個平行和3次重復實驗,采用GraphPad Prism 5.0軟件統計分析確定IC50值。

2 結果與討論

2.1 表征

分析IR譜圖(圖略)可知,配合物在1654 cm-1和1323 cm-1出現了尖銳吸收峰為羧基的反對稱伸縮振動[νas(COO)]和對稱伸縮振動吸收峰[νs(COO)],其Δν[νas(COO)與νs(COO)之差]為331 cm-1,表明配合物中羧基氧是以單齒形式與錫配位;配合物451 cm-1處出現了吸收峰,該峰為Sn—O鍵的伸縮振動吸收峰,說明化合物中有Sn—O鍵存在。

在1H NMR譜中,化合物分別在δ8.73和δ7.87出現雙重峰,該特征峰為配體吡啶環上質子的吸收峰,在δ2.05～1.34出現的多重峰歸屬于環己基烷基氫的吸收峰,各部分的積分面積之比與配合物分子結構質子數之比吻合;在13C NMR譜中,δ169.39為配合物羧基碳的吸收峰,吡啶環碳的吸收峰出現在δ150.18、 139.83和123.64,在δ34.16、 31.05、 28.84和26.80出現的特征峰為環己基碳的吸收峰;在119Sn NMR譜中,在δ31.15處出現了吸收峰。

2.2 晶體結構分析

配合物屬四方晶系,空間群為P43,晶體學參數a=1.08165(5) nm,b=1.08165(5) nm,c=218235(14) nm,α=β=γ=90°,V=2.5533(3) nm3,Z=4,Dc=1.322 g/cm3,μ(MoKa)=10.23 cm-1,F(000)=1056,R1=0.0367,wR2=0.0894;Δρmax=528 e/nm3,Δρmin=-310 e/nm3。配合物的主要鍵長和鍵角列于表1,分子結構見圖1,晶胞中分子堆積見圖2。

表1 配合物的主要鍵長和鍵角

圖1 配合物的分子結構

圖2 配合物的晶胞

由分子構型圖和結構參數可知,配合物為單錫核結構,中心錫原子與3個環己基碳原子、配體4-吡啶甲酸的1個羧基氧原子和水分子的氧原子配位形成畸變的三角雙錐構型。其中3個環己基碳C(7)、 C(13)和C(9)處于赤道平面的3個位置,分別來自4-吡啶甲酸的羧基氧原子和水分子的氧原子O(1)和O(3),占據了赤道平面兩側的軸向位置。處于赤道位置的3個原子之間的夾角分別為:C(7)—Sn(1)—C(13) 116.6°、 C(7)—Sn(1)—C(19) 125.3°和C(13)—Sn(1)—C(19) 115.9°,夾角之和為357.8°,與360°有一定的偏差,說明處于赤道位置的3個原子無法完美地共平面。而處于軸向位置的兩個原子O(1)和O(3)與處于赤道位置的3個原子的鍵角在82.5～100.3°,均偏離90°。此外,處于軸向位置的鍵角為O(1)—Sn(1)—O(3) 175.3°與180.0°線性角相差較大。因此,分子中錫原子為畸變程度較大的三角雙錐構型。

2.3 量子化學分析

根據晶體結構的原子坐標,運用Gaussian 03W程序和B3lyp/lanl2dz基組水平,計算得到分子的總能量和前沿分子軌道能量。ET=-2158.5556708 a.u.,EHOMO=-0.24446 a.u.,ELUMO=0.11084 a.u.,ΔELUMO-HOMO=0.3553 a.u.。由此可見,總能量和占有軌道能量級均較低,表明配合物分子結構較穩定。最高占據軌道與最低未占軌道的能量間隙ΔE為較大值,從氧化還原轉移的角度分析,配合物均較難失去電子而被氧化,其基態較穩定。

為探索配合物的電子結構與成鍵特征,對配合物分子軌道進行分析,用參與組合的各類原子軌道系數的平方和來表示該部分在分子軌道中的貢獻,并經歸一化。把配合物原子分為7部分,(a)錫原子Sn; (b)配體羧基氧原子O1; (c)配體羧基碳原子C1; (d)環己基碳原子C2; (e)配體吡啶環碳原子和氮原子M; (f)水分子氧原子O2; (g)氫原子H。前沿占有軌道和未占有軌道各取5個,計算結果如表2和圖3所示。

表2 配合物的分子軌道組成/%

HOMO LUMO

表2和圖3顯示了配合物的成鍵特征。前沿占有分子軌道中,對分子軌道貢獻最大的羧基氧原子、錫原子和環己基碳原子分別為84.03%、 5.31%和4.63%,說明分子中Sn—C鍵和Sn—O鍵均較牢固,因而配合物的穩定性較好。由HOMO與LUMO的各類原子軌道成分可知,電子從HOMO激發到LUMO軌道是其它所有原子上的電子集中向配體吡啶環轉移的過程。

2.4 熱穩定性分析

在空氣氣氛中,加熱速度設置為20 ℃/min,氣體流速為20 mL/min,在40～800 ℃內對化合物進行熱重測試,結果如圖4所示。由圖4可知,在140 ℃之前,配合物幾乎沒有失重,而從140 ℃開始快速失重,310 ℃時失重趨緩,至470 ℃時失重基本停止,殘留質量最后穩定在28.48%,總計失重71.52%。經分析,殘余物可被假定為SnO2,與29.65%的計算值基本吻合。

Temerature/℃

2.5 抗腫瘤活性

以順鉑對照,測試了配合物對腫瘤細胞人肝癌細胞(HUH7)、人肺腺癌細胞(A549)、人表皮癌細胞(A431)、人結腸癌細胞(HCT-116)、人乳腺癌細胞(231)和人肝正常細胞(HL-7702)的體外生長抑制活性,結果見表3。由表3可知,配合物對所有癌細胞的抑制活性均強于臨床廣泛使用的順鉑。因此,配合物可作為抗HuH-7、 A549、 A431和HCT-116等癌細胞藥物的候選化合物。

表3 配合物和順鉑對人體外腫瘤細胞的半抑制率(μmol/L)

以甲醇為溶劑,在溶劑熱條件下合成了水合三環己基錫4-吡啶甲酸酯配合物。體外抗癌活性測試結果表明,配合物對HuH-7、 A549、 A431和HCT-116的抑制活性較好,優于對照組順鉑,有望作為抗HuH-7、 A549、 A431和HCT-116等癌細胞藥物的候選化合物。