《武汉工程大学学报》 2011年09期
12-15
出版日期：2011-09-30
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
双核铜配合物的结构和SOD活性及电化学性质
0引言超氧离子自由基（·O2-）是生物体在利用氧的过程中细胞有氧呼吸的产物［1］，它在生物体内累积过量会引起细胞损伤，诱发各种与活性氧物种相关的疾病．例如：肌萎性脊髓侧索硬化症、帕金森综合症、缺血再灌性损伤、癌症，糖尿病及关节炎等［25］．超氧化物歧化酶（SOD）能催化·O2-歧化为过氧化氢和氧气，将生物体內的·O2-控制在有利无害的低浓度［6］，使细胞免遭·O2-的侵害，具有潜在的药用价值．但是，天然SOD提取困难、分离成本高、稳定性低、对细胞不可渗透．这些缺点限制了天然SOD的临床应用．寻找具有潜在药用价值的高活性、高稳定性和低毒性的小分子SOD模拟物是生物无机化学工作者面临的挑战．近年来，由于1，4，7-三氮环壬烷及其衍生物可以形成非常稳定的配合物引起了人们的兴趣［710］，特别是其单核配合物作为SOD模拟物方面已有较多文献报道［1113］，而其双核或多核配合物作为SOD模拟物的报道却较少．本课题组在研究化合物乙酸悬臂乙基桥联双环1，4，7-三氮环壬烷的双核铜配合物［CuII2(ENOTA)］·5H2O结构时发现（配体结构见图1），该配合物的两个铜离子的配位环境与天然Cu2Zn2SOD的活性中心Cu(II)的配位环境较接近［14］，为畸变的四方锥构型．本研究对该配合物的超氧化物歧化酶（SOD）活性和电化学性质进行了研究，并初步阐明了其催化机理．图1配体DTNE和ENOTA的结构式
Fig．1The structural formulas of ligand DTNE and ENOTA1实验部分1．1原料与仪器所用试剂和溶剂除核黄素、蛋氨酸、氯化硝基四氮唑蓝（NBT）为BR级外，其余均为分析纯．所用水为二次蒸馏水，配体1，2－二(1，4，7－三氮环壬烷)乙烷氢溴酸盐(DTNE·6HBr)根据文献报道的方法合成［15］．元素分析在240C型元素分析仪上完成；红外光谱用KBr压片后在Nicolet 5DX FTIR型红外光谱仪上记录；X-射线衍射数据搜集在德国Bruker SMARTAPEX CCD单晶衍射仪上进行；循环伏安在273-型电化学仪上测定型电化学仪上测定．1．2配合物的合成［16］配体1，2－二(1，4，7－三氮环壬烷)乙烷氢溴酸盐(DTNE·6HBr)200 mg(0．26 mmol)溶于5 mL水中，加入100 mg(1．05 mmol)氯乙酸的水溶液(3 mL)，用0．1 mol·L-1的NaOH水溶液调pH至11，80 ℃下加热60 h，期间补充NaOH水溶液维持pH＝11．溶液冷却后，加入192 mg(0．52 mmol)Cu(ClO4)2·6H2O的水溶液（2 mL），再加入25 mL无水乙醇，室温搅拌3 h后过滤，滤液室温挥发，析出适合X射线结构分析的蓝色晶体．收率：47 mg（25％）．IR(KBr)ν:3 464，1 625，1 350 691 cm-1．Anal．calcd for C22H46Cu2N6O13:C 36．21，H 6．35，N 11．52；found C 36．39，H 642，N 11．25．1.3配合物晶体结构的测定选取尺寸为0．21 mm×0．20 mm×0．19 mm的化合物的蓝色单晶，数据搜集在SMARTCCD面探衍射仪上进行，用SMART和SAINT程序进行数据还原和晶胞精修，晶体结构用直接法解出，所有非氢原子都用全矩阵最小二乘法对F2各向异性修正(Bruker Shelxtl)［17］．氢原子通过理论加氢加上．有关晶体学数据见表1．CCDC：777328表1配合物［CuII2(ENOTA)］·5H2O的晶体学数据
Table 1Crystallographic data for the complex［CuII2(ENOTA)］·5H2O
分子式C22H46Cu2N6O13γ/°90．00分子量729．73V/nm32．867 6(6)晶系MonoclinicDc/(g·cm-3)1．690颜色/形状Blue/blockZ4收集θ角花围(°)1．56~26．00吸收系数/mu-11．560空间群P2(1)/cF(000)1 528a/nm1．349 02(10)总衍射数目15 933b/nm1．493 23(11)参加精修的衍射数目5 628(Rint=0．112 3)c/nm1．468 4(3)R1，wR2(I>2σ(I)0．055 9，0．125 9a/°90．00R1，wR2(all data)0．129 7，0．141 6β/°104．189(6)最大电子密度峰值和洞值/(e·nm-3)1 322，7951．4SOD活性的测定利用光还原核黄素法测定其活性［18］，受光照的溶液用pH为7．4的混合磷酸钾缓冲溶液配制，溶液包括核黄素（3．40×10-6 mol·dm-3），蛋氨酸(001 mol·dm-3)，氯化硝基四氮唑蓝（NBT）（4．66×10-5 mol·dm-3）．配合物（［CuII2(ENOTA)］·5H2O）浓度在10-4~10-6 mol·dm-3范围内．将配好的溶液于25 ℃在恒定光强度下进行光照，在波长λ为560 nm处测定不同时间溶液的吸光度．抑制百分数（f%）根据文献方法算出［9］．活性定义为抑制百分数为50%时配合物的浓度．第9期栾锋平，等：双核铜配合物的结构和SOD活性及电化学性质
武汉工程大学学报第33卷
1．5电化学研究循环伏安用273型电化学分析仪测定．支持电解质是0．1 mol·dm-3的NaClO4的水溶液，测定前溶液中通入高纯氮气15 min以除去其中氧．用三电极系统在氮气气氛中测定，其中，玻碳电极作工作电极，Ag/AgCl电极作参比电极，铂丝作对电极．测定溶液浓度为1．0×10-3 mol·dm-3，温度为（25±0.1） ℃．半波电位E1/2用(Epa+Epc)/2近似计算．2结果与讨论2．1晶体结构配合物晶体结构见图2，部分键长、键角见表2，从晶体结构图2可知，两个Cu（II）离子分别位于畸变四方锥配位环境的中心，来自三氮环的两个氮原子和来自两个羧酸悬臂的氧原子构成四方锥的底面，桥头氮原子占据了四方锥的顶角．Cu(1)和Cu(2)分别偏离四方锥底面0．025 04和0023 55 nm，两个底面的标准偏差分别为0．008 83和0．008 93 nm．Cu(1)与四方锥顶点原子之间的距离(Cu(1)-N(3)键长)为0．022 01(4) nm，长于与四方锥底面的四个原子之间的距离0．019 23(4)~0．019 98(5) nm．Cu(2)与四方锥顶点原子(N(4))之间的距离0．022 37(5) nm也长于与四方锥底面四个原子之间的距离0019 17(4)~0．020 04(5) nm．两个铜原子之间的距离为0.747 nm．该配合物中，两个中心铜离子的配位环境与天然Cu2Zn2SOD的活性中心Cu(II)的配位环境较接近，在天然Cu2Zn2SOD中，活性中心Cu(II)与来自四个组氨酸的咪唑氮原子和一个氧原子的配位，形成一个畸变的四方锥构型［14］．图2［CuII2(ENOTA)］的晶体结构
Fig．2Crystal structure of［CuII2(ENOTA)］2．2SOD活性利用光还原核黄素法测定了在pH=7．4条件下配合物［CuII2(ENOTA)］·5H2O的活性，该方法是通过不同浓度的配合物对氯化硝基四氮唑蓝（NBT）还原的抑制作用不同来测定的．不同浓度的配合物对NBT还原的抑制百分数作图得图3，当抑制50%时配合物浓度为其活性IC50，从图3可读出其IC50为1．53 mmol·dm-3，显示该配合物的催化歧化超氧自由基的活性较高．这可能是中心铜离子的配位环境与天然Cu2Zn2SOD的活性中心Cu(II)的配位环境较接近的原因．当然，在人工模拟物中该配合物虽然活性较高，但与天然Cu2Zn2SOD的催化活性（IC50＝0．06 mmol·dm-3）［11］相比仍然相差较大．图3［CuII2(ENOTA)］·5H2O的SOD活性
Fig．3The SOD activity of ［CuII2(ENOTA)］·5H2O
表2［CuII2(ENOTA)］·5H2O的部分键长、键角
Table 2Selected bond lengths (nm) and bond angles (o) for［CuII2(ENOTA)］·5H2O
Cu(1)N(1)0．197 0(5)Cu(1)N(2)0．199 8(5)Cu(1)O(1)0．192 5(4)Cu(1)O(3)0．192 3(4)Cu(1)N(3)0．220 1(4)Cu(2)N(5)0．197 0(5)Cu(2)N(6)0．200 4(5)Cu(2)O(5)0．192 8(4)Cu(2)O(7)0．191 7(4)Cu(2)N(4)0．223 7(5)O(1)Cu(1)O(3)97．82(18)O(3)Cu(1)N(1)169．26(18)O(1)Cu(1)N(1)85．31(19)O(3)Cu(1)N(2)86．05(17)O(1)Cu(1)N(2)159．31(18)N(1)Cu(1)N(2)87．50(18)O(3)Cu(1)N(3)103．13(17)O(1)Cu(1)N(3)113．05(17)N(1)Cu(1)N(3)84．90(18)N(2)Cu(1)N(3)85．52(18)O(7)Cu(2)O(5)98．03(19)O(7)Cu(2)N(5)170．06(19)O(5)Cu(2)N(5)85．35(19)O(7)Cu(2)N(6)86．4(2)O(5)Cu(2)N(6)160．06(19)N(5)Cu(2)N(6)87．4(2)O(7)Cu(2)N(4)103．36(18)O(5)Cu(2)N(4)113．25(18)N(5)Cu(2)N(4)83．67(18)N(6)Cu(2)N(4)84．28(19)2．3配合物的电化学性质图4为配合物［CuII2(ENOTA)］·5H2O的循环伏安图．从图中可知，配合物有两对氧化还原峰，第一对峰电位为Epa=79 mV和Epc=-27 mV(Ag/AgCl)，半波电位E11/2=26 mV，两峰差值=106 mV，对应CuII+e→CuI电极过程．第二对峰电位为Epa=-645 mV和Epc=-751 mV((Ag/AgCl))，两峰差值=106 mV，半波电位E21/2=-698 mV．对应CuI+e→Cu0电极过程．文献报道［19］，O2+e-→·O2-，E°pH7＝-160 mV(NHE)；·O2-+2H++e-→H2O2，E°pH7＝+890 mV(NHE)．因此，金属配合物的电位-160 mV(NHE)<E°<＋890 mV(NHE)时，可作为超氧化物歧化酶模型物．配合物［CuII2(ENOTA)］·5H2OE11/2=248 mV(NHE)，在其范围内，故可作为超氧化物歧化酶模型物．第二对峰E21/2=-476 mV(NHE)．·O2-不能将CuI还原成Cu0，故催化反应在CuII和CuI之间循环，即配合物是通过CuI机理催化歧化·O-2的．因此，可推测其催化机理为：CuII+·Oˉ2;CuI+O2；CuI+O2+2H+→CuII+H2O2．图4［CuII2(ENOTA)］·5H2O在水溶液中的循环伏安图
Fig．4Cyclic voltammogram of ［CuII2(ENOTA)］·5H2O in
aqueous solution．Concentration:1．0×10-3mol dm3
注：扫速：100 mV·s-1;参比电极为Ag/AgCl.