（无机化学专业论文）四氮唑羧酸配合物的合成及其性质研究.pdf

南开大学博士学位论文摘要 摘要 含有氮杂环的羧酸配体，羧基可以多种方式与金属离子键合，同时氮杂环 的多个氮原子可能与金属离子配位，所以可用于合成结构和性能多样的配合物。 利用溶液法，本文合成了二十二个配合物。通过红外光谱、元素分析、x 射线 单晶衍射等手段，较系统地研究了其中二十一个晶体的结构，并应用紫外光谱、 荧光光谱、c d 光谱、黏度分析方法和琼脂糖凝胶电泳等手段研究了部分配合物 的化学核酸酶活性，测定了部分配合物的固体荧光性质和磁性质。 本论文分为以下三部分： 第一章：通过溶液法合成了四氮唑5 甲酸的1 3 个配合物并解析了1 2 个配合 物的晶体结构。测定了配合物( 1 ) ( 4 ) 和( 7 ) ( 9 ) 的磁性质。配合物( 1 ) ( 4 ) 均为 反铁磁性物质；对于配合物( 7 ) ( 9 ) ，由于稀土离子的强旋轨耦合作用，其磁性 质比较复杂。利用光谱学方法和粘度法研究了配合物( 1 ) 、( 4 ) 、( 5 ) 、( 1 0 ) 、( 1 1 ) 与d n a 的相互作用，发现五个配合物均以中等强度的插入方式与d n a 作用。利 用凝胶电泳法研究了配合物( 1 ) 、( 4 ) 、( 5 ) 、( 1 0 ) 、( 1 1 ) 对质粒p b r3 2 2 的切割作用， 结果发现五个配合物都具有核酸酶活性，均可在一定程度上切割d n a 。在室温 下测了配合物( 1 3 ) 的固体荧光，在3 3 8n m 的激发波长条件下，在5 1 9n n l 处有荧光 发射。 第二章：通过溶液法合成了四氮唑5 乙酸的6 个配合物并解析了它们的晶体 结构。测定了配合物( 1 5 _ ) ( 1 9 ) 的磁性质。配合物( 1 5 ) 是一个反铁磁性物质。配 合物( 1 6 ) ( 1 9 ) 的中心金属离子分别是p r ( i i i ) 、n d ( i i i ) 、s m ( i i i ) 、g d ( i i i ) 。对于配 合物( 1 6 ) 和( 1 7 ) 的磁性质我们用配体场近似进行了计算，计算表明这两个配合物 也是反铁磁性的。配合物( 1 8 ) 是s m ( i i i ) 的一维链状聚合物，s m ( i i i ) 离子间存在着 反铁磁相互作用。配合物( 1 9 ) 贝j j 是一个双核钆的反铁磁性物质。 第三章：通过溶液法合成了四氮唑一5 一甲酸乙酯的3 个配合物并解析了其晶体 结构。在室温下测定了配合物( 2 0 ) 和( 2 1 ) 的固体荧光质。配合物( 2 0 ) 在3 5 2n n 的 激发波长条件下，在3 7 8n t n 处有荧光发射。配合物( 2 1 ) 在3 3 6n l t l 的激发波长条件 南开大学博士学位论文摘要 下，在3 9 6n m 处有荧光发射。测定了配合物( 2 2 ) 的磁性质并利用光谱学方法、粘 度法及凝胶电泳法研究了配合物( 2 2 ) 与d n a 的相互作用，发现该配合物以插入方 式与d n a 作用，具有核酸酶活性，可在一定程度上切割d n a 。 关键词：四氮唑羧酸晶体结构磁性质荧光性质生物活性 i i 南开大学博士学位论文摘要 ab s t r a c t t h el i g a n d ，w h i c hh a sc a r b o x y lg r o u p sa n dn i t r o g e n h e t e r o c y c l i cr i n g s ，c a n c o o r d i n a t et ot h em e t a li o n sb ya l lk i n d so fm o d e i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t w e n t yt w on e w c o o r d i n a t i o nc o m p l e x e sh a v eb e e ns y n t h e s i z e db yt h es o l u t i o nm e t h o d t w e n t y o n eo f t h e mw e r es t u d i e db yi r ，e l e m e n t a la n a l y s i sa n ds i n g l ec r y s t a lx r a yd i f f r a c t i o n m e t h o d s t h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e np a r to f c o m p l e x e sa n dd n a w e r es t u d i e db yu v ， c d ，f l u o r e s c e n c es p e c t r a ，v i s c o s i t ym e a s u r e m e n ta n dg e le l e c t r o p h o r e s i s 。t h es o l i d f l u o r e s c e n c ea n dm a g n e t i cp r o p e r t i e so f p a r to fc o m p l e x e sw e r em e a s u r e d t h e r ea l et h r e ec h a p t e r si nt h i sd i s s e r t a t i o n ： c h a p t e ro n e ：t h i r t e e nr l e wc o m p l e x e so f1h t e t r a z o l e 5 f o r m i ca c i dw e r e s y n t h e s i z e d ，a n dt w e l v ec r y s t a ls t r u c t u r e so ft h e mw e r ed e t e r m i n e d b yx r a y d i f f r a c t i o nm e t h o d s v a r i a b l e - t e m p e r a t u r em a g n e t i cs u s c e p t i b i l i t yo fc o m p l e x e s ( 1 ) t o ( 4 ) a n d ( 7 ) t o ( 9 ) a r em e a s u r e d t h ec o m p l e x e s ( 1 ) t o ( 4 ) a r ea n t i f e r r o m a g n e t i c t h e m a g n e t i cp r o p e r t i e so fc o m p l e x e s ( 7 ) t o ( 9 ) w e r ec o m p l i c a t e db e c a u s eo fs t r o n g s p i n o r b i tc o u p l i n g t h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e nc o m p l e x e s ( 1 ) ，( 4 ) ，( 5 ) ，( 1 0 ) ，( i i ) a n d d n aw e r es t u d i e db yu v ，c d ，f l u o r e s c e n c es p e c t r a ，v i s c o s i t ym e a s u r e m e n ta n dg e l e l e c t r o p h o r e s i s t h er e s u l t ss h o w e dt h a ta l lo ft h ef i v ec o m p l e x e sc a ni n t e r a c tw i t h d n a a tr o o mt e m p e r a t u r e ，t h ef l u o r e s c e n c eo fc o m p l e x ( 1 3 ) w a sm e a s u r e di nt h e s o l i ds t a t e c o m p l e x ( 1 3 ) s h o w st h ef l u o r e s c e n c ee m i s s i o nw i t hk = 5 1 9n n l ( k = 3 3 8n m ) c h a p t e rt w o ：s i xn e wc o m p l e x e so f1 h - t e t r a z o l e 5 a c e t i ca c i dw e r e s y n t h e s i z e da n dt h ec r y s t a ls t r u c t u r e sw e r ed e t e r m i n e db yx r a yd i f f r a c t i o nm e t h o d s v a r i a b l e t e m p e r a t u r em a g n e t i cs u s c e p t i b i l i t yo fc o m p l e x e s ( 1 5 ) t o ( 1 9 ) w e r e p e r f o r m e db yu s i n gp o w d e rs a m p l e s t h ea n t i f e r r o m a g n e t i ci n t e r a c t i o na m o n gt h e m e t a li o n sw a se v i d e n tf r o mt h es u s c e p t i b i l i t yd a t ai nc o m p l e x ( 1 5 ) t h em e t a li o n so f c o m p l e x e s ( 16 ) t o ( 1 9 ) w e r ep r o i i ) ，n d ( 1 1 1 ) ，s m ( i i i ) a n dg d ( i i i ) ，r e s p e c t i v e l y t h e a n t i f e r r o m a g n e t i ci n t e r a c t i o n sa r es h o w e di nc o m p l e x ( 16 ) a n d ( 17 ) a n a l y z e db yt h e t h e o r yo fl i g a n df i e l d sa p p r o x i m a t i o n t h em a g n e t i cp r o p e r t yo fc o m p l e x ( 18 ) w a s a n t i f e r r o m a g n e t i ci n t e r a c t i o n s f o rc o m p l e x ( 1 9 ) ，t h ea n t i f e r r o m a g n e t i ci n t e r a c t i o n s h i 南开大学博士学位论文摘要 w a ss h o w e db e t w e e nt w og d ( i i i ) i o n s c h a p t e rt h r e e ：t h r e en e wc o m p l e x e so fe t h y lt e t r a z o l e - - 5 - - c a r b o x y l a t ew e r e s y n t h e s i z e da n dt h ec r y s t a ls t r u c t u r e sw e r ed e t e r m i n e db yx - r a yd i f f r a c t i o nm e t h o d s a tr o o mt e m p e r a t u r e ，t h ef l u o r e s c e n c eo fc o m p l e x e s ( 2 0 ) a n d ( 2 1 ) a r em e a s u r e di n t h es o l i ds t a t eo nt h es a m ec o n d i t i o n c o m p l e x e s ( 2 0 ) a n d ( 2 1 ) s h o w e dt h e f l u o r e s c e n c ee m i s s i o nw i t h = 3 7 8n l n = 3 5 2r u n ) ，2 e m = 3 9 6 姗阢= 3 3 6 n m ) r e s p e c t i v e l y t i l ee m i s s i o no b s e r v e di nc o m p l e x e s ( 2 0 ) a n d ( 21 ) a r et e n t a t i v e l y a s s i g n e dt ot h el i g a n d sf l u o r e s c e n c e v a r i a b l e - t e m p e r a t u r em a g n e t i cs u s c e p t i b i l i t yo f c o m p l e x e s ( 2 2 ) w a sp e r f o r m e db yu s i n gp o w d e rs a m p l e s t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e n c o m p l e x ( 2 2 ) a n dd n aw a ss t u d i e db yu v ，c d ，f l u o r e s c e n c es p e c t r a ，v i s c o s i t y m e a s u r e m e n ta n dg e le l e c t r o p h o r e s i s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec o m p l e xc a n i n t e r a c tw i t hd n ab yi n t e r c a l a t i n gm o d ea n dc a nc l e a v a g ep b r 3 2 2d n at os o m e e x t e n t k e y w o r d s ：t e t r a z o l ec a r b o x y l i ca c i d ；c r y s t a ls t r u c t u r e s ；m a g n e t i cp r o p e r t i e s ； f l u o r e s c e n c ep r o p e r t i e s ；b i o l o g i c a la c t i v i t y i v 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：麸秀漓 炒7 年岁月弓j 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间：年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： r 一。+ 一一4 、 | 内部5 年( 最长5 年，可少于5 年)| | 秘密1 0 年( 最长1 0 年，可少于1 0 年)l l 机密 k 2 0 年( 最长2 0 年，可少于2 0 年) ? 一。j 。，。1 j l 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：认秀清 1 炒穸年岁月；f e l 南开大学博士学位论文绪论 绪论 配位化学是在无机化学的基础上发展起来的一门学科。它所研究的对象为 配位化合物( c o o r d i n a t i o nc o m p o u n d ，简称配合物) 。某些配合物具有广泛的应用 潜力，其在磁学、光学、催化、生物等诸多领域已显示出广泛的应用前景【1 捌。 早期的配位化学集中在研究以金属阳离子受体为中心( 作为酸) 和以含n ，o ， s ，p 等给体原子的配体( 作为碱) 而形成的所谓“w e r n e r 配合物”。自w e m e r 创立 配位化学以来，配位化学处于无机化学的主流。配合物以其花样繁多的价键形 式和空间结构在化学键理论发展中，及其与物理化学、有机化学、生物化学、 固体化学、材料化学和环境科学的相互渗透中，使配位化学成为众多学科的交 叉点。 通过将中性配体和阴离子配体结合使用，往往可以构筑出具有中性孔穴、 孔道的高维配位聚合物。其中，最常用的中性配体是多功能含氮杂环类如 4 ，4 b i p y 等，它们能牢固地与过渡金属离子结合，形成具有稳定结构的化合物 【3 8 】 o 羧酸是构筑配位聚合物的一类常用配体，羧基不仅可以多种方式与金属离 子键合，还可与金属离子自组装成多核的次级结构单元，从而构造出各种结构 的配位聚合物。而含有氮杂环的羧酸配体，由于它们在结构上具有一定的刚性 和稳定性，同时氮杂环的多个氮原子可能与金属离子配位，所以可用于合成结 构和性能多样的配合物。 近年来，对功能配合物和开发新材料的研究引起了人们的极大兴趣。同时， 对于研究生物探针，设计和开发简单、高效、新颖的双核或多核过渡金属配合 物型的水解模拟酶也成为当今多个课题组的研究热点。经过世界各国科学家近 几年不断的努力，这两个领域的研究成果层出不穷，极大地推动了配位化学的 发展。 1 氮杂环羧酸配合物概述 近年来，一维、二维和三维配位聚合物的合成、表征和性质研究备受关注。 配位聚合物在催化、分离领域具有的应用潜力，促使人们不断地合成新型配合 南开大学博士学位论文绪论 物，探索其性质。在这一发展历程中，由于类沸石结构的杂化无机一有机配位 聚合物拥有或多或少可预测的结构和一些优于天然沸石的优点，使之成为配位 聚合物研究中的热点课题。该类化合物的设计和制备中，人们大多采用多齿含 氮或氧原子的刚性配体，如烟酸、异烟酸、三氮唑和四氮唑羧酸【9 1 2 1 ，并已合成 了许多含过渡金属或稀土的化合物。这些化合物有些具有规则空洞和通道，可 能成为一类新型的吸附材料；有些则表现出一定的光学、磁性功能。 1 1 羧基的配位方式 羧基带一个负电荷，并且有两个可与金属配位的氧原子，所以羧酸根的配 位形式非常灵活，几乎能与所有的金属作用。它能够以单齿、螯合双齿、桥式 双齿、桥式三齿、桥式四齿等多种方式与金属离子配位( f i g 1 ) 。 r i m r m rr l m i m i m m ( a ) 单齿( b ) 螯合双齿( c ) 顺- 顺桥式双齿 ( d ) 顺- 反桥式双齿 m - - - - - - - - - - r - - - - - - - - m m - - - - - - - - - - - r i m r l m ( e ) 反反桥式双齿( d 单原子桥式 ( 9 1 ) 桥式三齿 2 l m 南开大学博士学位论文绪论 m r i m m r m mm r m m ( 9 2 ) 桥式三齿a 1 ) 螯合一桥式三齿( i ) 螯合桥式四齿 f i g 1 羧基几种典型的配位方式 当与稀土离子配位时，( a ) 、( ”、( c ) 、( d ) 、( e ) 、( 9 1 ) 、( i ) 较为常见，而 ( f ) 和( 醇) 形式往往只出现在过渡金属离子的配合物中【1 3 】。 1 2 羧酸配位聚合物的合成 适合x 一射线衍射实验所需要的单晶的培养，需要采用合适的方法，以获得 质量好、尺寸合适的晶体1 4 】。羧酸配合物单晶的培养主要采用下列几种方法制 备：溶液法【1 5 】、扩散法、水热或溶剂热合成法 1 5 - 17 ：i 、流变相反应法 1 8 2 0 l 。 1 2 1 溶液法 用溶液法培养晶体是合成配合物最常用的方法，应用也最为广泛。这种方 法的基本原理是：将选择的金属盐、配体溶解在适当的溶剂中，静置使其自组 装产生配位聚合物晶体。 1 2 2 扩散法 扩散法包括界面扩散，蒸气扩散和凝胶扩散，常用于通过化学反应制备晶 体。 界面扩散【2 1 】：将适当的金属盐、羧酸配体分别溶解在不同的溶剂中，小心地 将一种溶液放置在另一种溶液上，两种溶液接触通过扩散发生反应而产生配位 聚合物。 蒸气扩散：将选择的金属盐、配体溶解在适当的溶剂中，将气态碱性物质( 如 易挥发的三乙胺) 扩散进溶液中使羧酸脱质子进而与金属离子反应生成配位聚 合物 2 2 , 2 3 】。 凝胶扩削2 4 】：将一种组分( 通常是羧酸) 配制在凝胶( 硅胶) 中，将另一种组分 ( 金属盐) 放置在凝胶上，两种组分通过扩散在界面上生成配合物。 3 南开大学博士学位论文绪论 1 2 3 水热或溶剂热合成法 水热法：是指在特制的密闭反应容器中( 一般是内衬聚四氟乙烯的不锈钢容 器) ，以水作为反应介质，通过对反应容器进行加热，创造一个高温( 1 0 0 1 0 0 0 ) 、高压( 1 - 1 0 0 a ) 的反应环境，使得在通常情况下难溶或不溶的物质溶解 并重新结晶析出。 溶剂热法：是指在水热法的基础上，用有机溶剂代替水作为反应介质，采用 类似水热合成的原理来制备目标化合物的一种新方法。有机溶剂在反应过程中 既是反应的介质，又起到了矿化剂的作用。以有机溶剂替代水，不仅扩展了水 热技术的应用范围，而且还可以实现一些在通常条件下无法实现的反应。在溶 剂热合成中，常用的有机溶剂是氨、醇类( 甲醇、乙醇等) 、胺类( 乙二胺、d m f 等) 、d m s o 、吡啶掣2 5 ，2 6 1 。 水热和溶剂热合成研究特点之一是由于研究体系一般处于非理想非平衡状 态，因此应用非平衡热力学研究合成化学问题。 水热法和溶剂热是目前多数无机功能材料、特种组成与结构的无机化合物以 及特种凝聚态材料的日益重要的合成途径，近来被用来合成各种各样的配位聚 合物的晶体材料。在典型的1 2 0 2 6 0 c 温度范围内产生的自生压强的水热反应条 件下开发了水溶性前提的自组装，在这类条件下降低的粘度促进了扩散过程， 这有利于固体的溶剂抽提和自溶液中生长晶体。 水热和溶剂热合成研究的另一个特点是由于水热和溶剂热化学的可操作性 和可调变性，因此将成为衔接合成化学和合成材料的物理性质之间的桥梁。 1 2 4 流变相反应法 所谓流变相反应，就是指在反应体系中有流变相参加的化学反应。简单的 流变相反应是指将固体反应物充分研磨混合均匀，加入适当的液体物质以将反 应物调成固体微粒和液体物质混合均匀、不分层的糊状或粘稠状固液混合物， 即流变相体系，然后在适当的条件下进行反应得到目标产物。 与上述反应方法相比，流变相反应具有以下几个方面的优点： ( 1 ) 固体微粒在流体中分布均匀、接触紧密，可以使表面积得到有效的利用， 使反应更加充分地进行； ( 2 ) 可以高产率的得到纯净单一的目标化合物，避免了大量废弃物的产生， 有利于环保，是一种高效、节能、经济的绿色化学反应【2 7 】； ( 3 ) 在流体中热交换良好，传热稳定，可以避免局部过热，而且反应温度容 4 南开大学博士学位论文绪论 帆m hq h 旷洲臼c o o h c h 杂环类芳香羧酸是合成配位聚合物的理想配体之一。目前，对杂环类芳香 羧酸配位聚合物研究引起了许多化学工作者的注意。由于烟酸( h n i c ，3 吡啶甲酸) 和异烟酸( h i s o n i c ，4 吡啶甲酸) 在所有生物体细胞的新陈代谢中起着重要作用且 其配合物常可用作药物【3 1 】，对其配合物已有大量报道 3 2 。3 4 。研究表明：吡啶羧 酸类配体在不同反应条件下具有不同的配位模式，而配位模式的不同又影响着 产物的结构。y a hw e n - b e n 等人利用异烟酸合成了 t r a n s ( e n ) 2 ( n 0 2 ) c o ( 0 2 c c 5 h 5 n ) ( c 1 0 4 ) 21 3 5 j 。k i l s i k m i n 等人也利用异烟酸合成 t 配厶物 - n i ( c 2 0 h 3 2 n s ) ( 0 2 c c 5 h s n ) 2 p 6 j 。在这两种配合物中异烟酸根离子仅以羧 基氧原子与金属离子配位，而吡啶环上的氮原子以未配位的形式存在或与金属 离子的配位水分子形成氢键。但当吡啶环上的n 原子和羧基共同参与配位时，常 可得到高维结构配位聚合物t 3 7 j 。如高氯酸铁与4 毗啶甲醛经水热反应可得至i j 3 - d 配位聚合物f e ( i s o n i c ) 2 3 8 】。在该反应过程中，f e 3 + 被还原为f e 2 + ，吡啶甲醛被氧化 为毗啶甲酸。2 0 0 5 年，y a n gg u o y u 等也利用异烟酸合成了一系列具有漂亮的3 - d 结构的稀土簇合物和稀土一铜聚合物【3 引( f i g 3 ) 。 5 南开大学博上学位论文绪论 鬻| | l ab f i g3 1 g d 配合物的配位多面体图；b o d 配合物的3 d 结构( 省略了晶格水分子1 最近，四氨唑援酸衍生物的研究引起了人们很大兴趣。2 0 0 5 年，陈小明课 题组报道了四氮唑一】一乙酸的异金属聚合物并研究了其磁性质。自2 0 0 3 年以来， 我们课题组也台成报道丁一系列四氪唑一l 一乙酸的配位聚台物1 4 1 删。d o n g w e n w e n 等也曾报道了四氮唑- i 一乙酸的z n ，c d ，m n ，c o 配位聚合物。b a i y u e - l i n g 等用四氮唑- 1 一乙酸合成了具有三维n i a s 拓朴结构的自旋交叉的混价铁 的配合物en 2 ( f i g4 和f l g5 1 。 a f i g4af e 配台物的分子结构幽 鬟；一 = = i 、卜r 1 一 l li i 一 曩璺。一 - j 。 i ll i 1 1 bf e 配台物的三维n i a s 拓朴结构 去年，c h e nq i y o n g 等报道了类金刚石结构的凹氨唑一5 一甲酸锌的聚合物， 并研究了其荧光性质1 州。y a r i g g a o w e n r 四氨唑一5 一甲酸的锰和铜的聚 合物，并对其磁性质进行了研究。 蒜。 骖。 南开大学博士学位论文绪论 麟 f * 5af e 配合物中四唑环的电子分布罔 3 2 二元羧酸配惶聚合物 常见的二元羧酸有机配体有如下： 0 1 1 - ：u 2 ：c3 “ rk b bf e 配合物的x m t - t ( s k 0 e ) 图 c 0 0 hr c 一c 气k c 蛩。少八。 h h h 。” f i g6 常见的二元羧酸有机配体 在杂环类芳香援酸配位聚合物中，研究的较为广泛的是4 ，5 一咪唑二甲酸和 2 , 6 一吡啶二甲酸的配台物。下mr a j e n d l r a n 和j - cb a y 6 n 曾报道了4 ，5 一咪唑二甲酸 以三价酸根离子( i d c 3 1 的形式配位的双核配合物蝴。王传峰等合成了一系列 的4 ，5 - 咪唑二甲酸配合物”。他得到了三个舍有一价4 ，5 一咪唑二羧酸根( 1 2 i d c 。) 的同晶化合物，金属离子分别是m n ( 1 1 ) 、z n ( 1 1 ) 、c o ( i z ) p 丑及两个c d ( i i ) 的单核配 位化合物，它们通过丰富的氧键形成了三维的超分子框架结构。在化台物中， 两个配体都以双齿螯合的方式参与配位，在过渡金属离子m ( i i ) 的赤道方向上反 式配位，m ( 1 i ) 的另外两个在轴向方向上的配位位点被两个水分子占居，从而形 成金属离子的八面体配位环境。通过变换反应物的配比、反应时间、n h 值和加 铲一 洲 刚艇 南开大学博士学位论文绪论 入2 ，2 一b i p y ，4 , 4 - b i p y ，l ，1 0 一p h e n 等第- - i e 体的方法，他还合成了三个金属分别 是m n ( i i ) ，n i ( i i ) ，c d ( i i ) 的配位聚合物。在这些配合物中，4 , 5 一咪唑二甲酸均以 h i d c 2 。的形式参与配位。2 , 6 - 吡啶二甲酸( h 2 d i p i c ) 具有多种配位方式，如f i g 7 所 示： 堪 o m o 、o m 0o o f i g 72 ，6 吡啶二甲酸常见的配位方式 m 0 、0 c h 2 d i p i c 具有强的配位能力，能以多种形式与过渡、非过渡及镧系金属离子 等螯合形成单配、混配、桥联等各式各样的稳定配合物。研究发现：h 2 d i p i c 作 为一种三齿配体，易以平面方式与金属螯合，过渡金属离子的配位数一般为5 6 ， 中心原子常采用扭曲四方锥或八面体的几何构型，稀土金属离子的配位数一般 为8 9 ，形成畸变的三帽三棱柱体。关于2 ，6 吡啶二甲酸的配合物已有大量报道， 北京大学张毅等报道了2 ，6 吡啶二甲酸钪的配合物【4 9 1 。配合物中s c 3 + 离子与来自 两个2 ，6 吡啶二甲酸的2 个氮原子和4 个羧基的4 个氧原子配位，还与来自2 个水分 子的氧原子配位，s c ”离子的配位数为8 ，形成三角十二面体型配位多面体。配 合物中2 ，6 吡啶二甲酸均通过两个羧基的2 个氧原子和1 个氮原子以三齿配位，羧 基没有桥式配位，所以 s c ( h d p a ) ( d p a ) ( h 2 0 ) 】5 h 2 0 是单核配合物。 b r o u c a - c a b a r r e c q t 5 0 等人通过水热法合成了一系列具有二维网状结构的稀土配合 物 l n ( h d i p i c ) ( d i p i c ) ( l n = e u ，g d ，t b ，d y , h o ，e r , y b ) ，晶体结构表明：两个d i p i c 8 o m 南开大学博士学位论文绪论 作为三齿配体与一个l n 离子螯合，其中一个配体d i p i c 2 。上的两个羧基起桥联作用 连接另外两个l n 离子( 即羧基上的四个氧均参与配位) ，而另一d i p i c 2 。上只有两个 羧基氧配位。每个中心离子l n 3 + 周围由6 个o 和两个n 形成畸变的四方反棱柱几何 构型( f 培6 ) 。金天柱【5 l j 等人报道了异核i e 厶物 l a y - ( h d p a ) 2 ( d p a ) 2 ( h 2 0 ) 4 8 h 2 0 为无限长链分子，其基本重复单元为 l a o 5 y o 5 ( h d p a ) ( d p a ) ( h 2 0 ) 2 】4 h 2 0 ，通过 两个羧基桥把相邻的镧钇原子连接起来。最近，蔡继文1 5 2 等人利用2 ，6 吡啶二甲 酸通过水热法合成了一系列一维、二维、三维的稀土聚合物，这种维数递进现 象是由于镧系收缩效应和2 ，6 吡啶二甲酸多种多样的配位方式造成的。而游效增 p 剐等人则报道了利用毗唑二羧酸合成的各种维度的3 小4 厂异金属聚合物，并研究 了c u l n ( l n = d y , e u ，g d ，t b ) 配合物的磁性质。 由上述可见，氮杂环羧酸衍生物具有多变的配位方式，是一类合成结构多 样，具有优良性质的配合物的配体。 2 人工核酸切割酶 生物无机化学是介于生物化学与无机化学之间的内容十分广泛的边缘学 科。广义地讲，生物无机化学是在分子水平上研究生物体内与无机元素有关的 各种相互作用的学科【5 4 1 。金属离子及配合物与生物大分子的相互作用是生物无 机化学最基本的反应。核酸是重要的生物大分子，而且是生物体的重要组成物 质，遗传信息的携带者和基因表达的物质基础，它在生物的生长、发育和繁殖 等活动中，具有十分重要的作用。核酸的结构直接影响其功能，并与致癌、抗 癌有关。由于金属配合物可作为d n a 结构和构象的探针，近年来，小分子配合 物与大分子d n a 的相互作用的研究已经成为生物无机化学领域上十分活跃的研 究领域，并已取得了许多令人瞩目的成果【5 5 5 8 】。 为了研究配合物与d n a 的作用，需要了解配合物与d n a 作用的基本方式及 配合物与d n a 作用的常用研究方法等基础知识。 2 1 配合物与d n a 作用的基本方式 金属配合物与d n a 有多种结合方式。一般情况下，金属配合物与d n a 结 合位点位于d n a 分子中平行堆积的碱基、聚合的阴离子磷酸骨架和两条核苷酸 链螺旋形成的大沟或小沟。配合物与d n a 作用的基本方式有共价结合、非共价 9 南开大学博士学位论文绪论 结合和切割作用。 2 。1 1 共价结合 共价结合是指金属配合物中的金属离子与d n a 的各种碱基或者磷酸根的氧 原子之间可以产生配位结合形成加和物。通常软金属离子如r u ( i i ) ，r h ( i i i ) ， p d ( i i ) ，p t ( i i ) 等与d n a 的碱基有较强的序列特异性识别能力【5 9 棚】。一般来说， 金属离子与碱基的共价结合会降低d n a 双螺旋结构的稳定性，而与磷酸根结合 则会增加双螺旋结构的稳定性。 2 1 2 非共价结合 非共价结合相对较弱，主要包括插入作用、沟面结合和静电作用等模式。 插入作用是指具有平面芳香稠环结构的金属配合物通过平面芳香稠环配体 插入d n a ，主要依靠氢键、范德华力、7 - g 堆积等作用与d n a 的碱基对发生重 叠。小分子化合物与d n a 之间的插入作用是一种很重要的结合方式。随着人们 对配合物与d n a 结合研究的不断深入，已分离得到了多个金属配合物与核苷酸 插入结合的晶体结构【6 2 删；某些抗癌药的作用机理也发现和插入结合有关1 6 5 1 。 配合物与d n a 之间的插入结合会导致其物理化学性质发生变化，例如熔点升高， 黏度增加，电子吸收光谱的强度减弱，并伴随一定的红移等实验现象，是检测 配合物是否与d n a 插入结合的主要手段 6 6 - 6 9 1 。 沟面结合即分子与d n a 双螺旋链的大沟或小沟的碱基发生的相互作用，是 特异性结合，氢键和疏水相互作用是主要的作用力。蛋白质等大分子与d n a 在 大沟区结合，而小分子金属配合物则一般在小沟区与d n a 发生作用。小沟区为 a t 碱基的富集区，沟内存在大量的水分子。具有简单芳香环结构例如：吡啶、 吡咯、苯环、呋喃等的小分子配合物可以通过扭转自由键，取代小沟内的水分 子，以氢键或疏水相互作用与碱基之间发生特异性结合。当配合物以沟面结合 方式与d n a 作用时，引起的d n a 的黏度变化不明显，光谱变化也相对较小， 但熔点曲线发生有规律平移。 核酸是带负电荷的多聚阴离子，通常以钠盐形式存在。在溶液体系中，金 属配合物电离出的正电荷会与核酸发生静电作用。该作用是非常弱的，无选择 性、非特异性的。 2 1 3 切割作用 切割作用包括氧化切割和消除机理切割。水解断裂d n a 的人工化学核酸酶 必须与d n a 结合并发生作用，一般而言，金属离子直接或间接与磷酸骨架上的 1 0 南开大学博士学位论文绪论 氧原子配位，进攻磷酸二酯键，引起水解或酯转移反应，从而导致d n a 螺旋链 的断裂，其断裂机理与天然核酸酶类似。因此，水解断裂试剂具有产物单一， 反应条件温和，较高的序列专一性等优点。 2 2 配合物与d n a 作用的常用研究方法 近年来，随着分析化学学科的飞速发展，分析测试手段的不断更新和改进， 物理、生物、化学实验技术也得到了极大的提高。研究配合物与d n a 的相互作 用已经发展到分子水平，通常从两方面入手来研究：一是d n a 加入前后对于配 合物的光、电、磁、氧化还原等化学物理性质的影响；二是配合物加入前后对 d n a 的黏度、热变性、序列稳定性等物理、化学、生物等性质的改变。常用的 研究技术有光谱学方法、流体力学方法、电化学方法、热力学方法、n m r 技术 和序列凝胶电泳等。 2 2 1 电子吸收光谱 吸收光谱是研究配合物与d n a 相互作用的机理的最常用、最简便、比较直 接的一种方法。金属配合物与d n a 发生作用后，其电子结构会受到d n a 的微 扰，致使配体所处的环境发生变化，引起吸收光谱的波长和强度发生一系列的 变化。当配合物以插入方式键合于d n a 双螺旋碱基对之间时，其吸收光谱会出 现减色效应和红移现象。其原因是插入配体与d n a 的碱基对发生7 1 ：电子堆积后， 使其矿空轨道与碱基的万电子轨道发生耦合，能级下降，从而导致z - n * 跃迁能 减小，产生红移现象。同时，耦合后的石轨道因部分填充点子，使跃迁几率减 小，伴随着减色效应。而且，减色效应的强弱，红移的程度与其插入结合力大 小有关，通常吸收峰红移越大，减色效应越明显，表明插入程度越强 7 0 , 7 1 。 2 2 2 荧光光谱 荧光光谱是一种快速、灵敏的谱学技术，可以作为一种研究d n a 与其它小 分子相互作用理想方法，根据作用前后荧光强度的变化，对二者的作用模式进 行判断。 溴化乙锭( e b ) 是具有共轭平面的小分子，它本身产生的荧光强度很弱，但它 能专一性地插入到d n a 双螺旋或三螺旋的碱基对之间致使其荧光强度大大增加 1 7 引。当配合物分子加入j ! u e b d n a 体系后，溴化乙锭被置换出来，这种增强的荧 光能够被部分或全部猝, ：k 7 3 , 7 4 1 。这种方法已经作为研究小分子与d n a 作用方式 的一种常用方法。 南开大学博士学位论文绪论 2 2 3 黏度法 黏度法是研究小分子与d n a 作用方式的一种比较直接的方法。稳定的双螺 旋结构的d n a 分子极细长，即具有一定的刚性又具有适度的柔性，所以即使是 极稀的溶液，也有极大的黏度。黏度对分子长度的变化非常敏感，因此，黏度 测定被认为是确定键合模式最重要的实验之一【7 5 1 。小分子配合物通过经典插入 方式与d n a 作用时，d n a 相邻碱基对的距离会增大以容纳插入的配合物分子， 致使d n a 分子增长，相应d n a 溶液的黏度增加【。7 6 】。以“部分”或“非经典 的插入模式与d n a 作用时，可能导致d n a 双螺旋结构发生扭曲或弯曲，d n a 溶液的黏度减d x 7 7 , 7 8 。由于磷酸基团带负电，d n a 分子本身是一个多聚阴离子， 当在溶液中电离出的配合物阳离子与带负电荷的d n a 以静电作用结合时，导致 d n a 双螺旋结构收缩，分子长度减小，相应的d n a 溶液的黏度降低【7 9 1 。当配 合物与d n a 以沟面结合方式作用时，d n a 溶液的黏度无明显变化【8 0 1 。 2 2 4 圆二色谱( c d ) c d 光谱是一种研究化合物分子手性特征的有力工具。圆二色谱的基本原理 是当一束偏振光通过具有旋光性的介质时，左旋及右旋圆振成分会出现相位差 【8 1 1 。圆二色谱对d n a 的构象变化非常敏感，利用圆二色谱可以了解配合物与d n a 结合方式的有关信息。金属配合物加入到d n a 溶液中，会引起d n a 的圆二色谱 吸收峰强度的减弱。如果正、负吸收峰强度的变化不同，说明配合物与d n a 的 结合诱导d n a 的构型发生了变化 8 2 , s 3 。此外，测量已拆分的异构体键合d n a 前 后其圆二色谱的变化，还可以获得配合物与d n a 的键合方式的一些信息 8 4 , 8 5 1 。 此外，电化学方法、核磁共振和单晶x 射线衍射也是研究配合物与d n a 的 相互作用的有力方法。 3 选题依据 四氮唑羧酸含有丰富的氮原子和氧原子，能与软硬程度不同的金属配位， 氮原子与过渡金属配位能力较强，而氧原子较硬，与稀土金属离子较匹配。而 且其配位方式多样，既能单齿配位( 即以单个氮或氧原子单独配位) 、又能螯合配 位( 即以羧基的两个氧原子配位) ，还可以以桥联方式配位( 包括羧基单氧桥联或 二齿桥联) 。考虑到四氮唑羧酸的这些配位特点，我们期望通过这类配体合成一 系列具有结构新颖、功能优良的配合物。 1 2 南开大学博士学位论文绪论 另外，四唑及其衍生物的配合物具有优良的抗微生物活性及消炎作用【8 6 7 1 。 其中四氮唑1 一乙酸是主要用于制造先锋v 号等系列抗生素的医药中间体，先锋v 号是注射用抗生素类药，它具有疗效高、副作用小及价格便宜等优点，市场前 景广阔。近年来，四氮唑羧酸的配合物已逐渐引起了人们的兴趣。 考虑到四氮唑羧酸的配位特点以及其配合物在药物方面有可能会产生新的 或更高的生物活性，这对寻找新的药物和探索构效关系具有重要的意义，于是 进行了该课题的研究。 1 3 南开大学博士学位论文绪论 参考文献 1 1 c h e l abl ，e d d a o u d im ，h y d est ，e ta 1 i n t e r w o