基于5-磺基水杨酸的单、双核铜(Ⅱ)三元混配配合物的合成及晶体结构

杨莉宁,成 昭,苗延青，梁玲玲

(西安医学院药学院，西安 710021)

0 引 言

5-磺基水杨酸是水杨酸的一种衍生物，作为多齿配体，有三个配位基-OH、-COOH、-SO3H和多种配位方式，能够和许多金属形成配合物[1-4]，并且分子间存在着极强的氢键网络[5-7]，从而使得它在超分子化学和晶体工程学领域中扮演着重要角色。其金属配合物比5-磺基水杨酸本身具有更强的抗菌、杀菌作用[8]。铜是人体必需的微量金属元素，在人体的生理代谢中起着重要的作用[9]。考虑到配体与金属离子的协同效应以及引入第二配体可以使配合物的脂溶性增强，有利于配合物对细菌细胞膜渗透，从而使抑菌效果增强，而咪唑又具有质子授受、亲核活性及共轭酸碱等性能，享有“生物配体”的美誉[10-11]。本文以5-磺基水杨酸(H3ssal)分别与2,2’-联咪唑(H2biim)、N-甲基-2,2’-联咪唑(MeHbiim)合成了单核和双核Cu(Ⅱ)配合物，测定其单晶结构，并研究其热稳定性、荧光性能和抗菌活性，期望得到新型的抗菌材料。

1 实 验

1.1 仪器和试剂

所有试剂均采用分析纯，2,2’-联咪唑按文献[12-13]、N-甲基-2,2’-联咪唑按文献[14]方法合成。

Vario EL-IIIG型元素分析仪(德国 EA元素分析系统公司)；EQUINOX55型红外光谱仪(德国 Brucker 公司)； STA449C 型热分析仪(N2气氛，流速30 cm3/min，升温速率为10 ℃/min，德国Netzsch 公司)； Bruker Smart APEX CCD型 X-射线单晶衍射仪(德国 Brucker 公司)；1800 型紫外可见分光光度计(日本岛津公司)；F-4500型荧光分光光度计(日本日立公司)。

1.2 配合物的合成

1.2.1 配合物[Cu(H2biim)(Hssal)(H2O)2]·H2O(1)的合成

将0.3 mmol的2,2’-联咪唑和0.6 mmol的NaOH溶于15 mL热水中搅拌，再加入15 mL 0.3 mmol的5-磺基水杨酸的DMF溶液，加热搅拌持续30 min，过滤后加入CuCl2·H2O固体继续搅拌48 h后过滤得黄绿色溶液，室温静置挥发溶剂，30 d后析出绿色晶体。元素分析实验值：C, 33.87%；N, 11.84%； H, 3.74%。理论值：C, 33.34%；N, 11.97%；H, 3.42%。

1.2.2 配合物{[Cu(MeHbiim)(Hssal)(H2O)]·0.5H2O}2(2)的合成

将0.5 mmol的5-磺基水杨酸溶于20 mL的水中，加入0.5 mmol的CuO粉末，温控80 ℃，持续搅拌30 min，过滤，再将0.5 mmol的N-甲基-2,2’-联咪唑加入滤液中搅拌30 min，过滤，室温静置挥发溶剂，7 d后有深绿色晶体析出。元素分析实验值：C, 36.27%；N, 11.84%； H, 2.714%。理论值：C, 37.00%；N, 12.33%；H, 3.30%。

1.3 抑菌试验

利用纸片法测定配合物2的抑菌活性。称取适量的配合物2固体溶于乙腈配成饱和试液，用紫外灯照射8 h后，将直径6 mm圆形灭菌滤纸片浸入试液中12 h，备用。取琼脂培养基涂布备用菌种，再将浸透试液的滤纸片平整地贴合在含菌培养基上，在37 ℃，5%CO2条件下培养24 h，测量抑菌圈直径。

1.4 配合物晶体结构的测定

挑选大小分别为 0.19 mm × 0.18 mm × 0.16 mm、0.21 mm × 0.18 mm × 0.15 mm 的配合物1、2单晶样品，置于 Bruker Smart APEX CCD 单晶衍射仪上，用 Mo Kα辐射(λ=0.071 073 nm)，以φ-ω扫描方式收集衍射数据。对所得数据进行 Lp 因子及半经验法吸收校正，晶体结构采用 SHEXTL-97[15]程序由直接法解出。对氢原子和非氢原子分别采用各向同性和各向异性热参数，并用理论加氢法得到氢原子位置，用全矩阵最小二乘法进行结构修正(有关晶体学数据见表1)。CCDC号为2036598(1)，2036600(2)。

2 结果与讨论

2.1 配合物1的晶体结构

单晶衍射结果表明，配合物1属于单斜晶系，P21/C空间群。晶体结构单元如图1所示，配合物的二维结构如图2所示，部分键长、键角列于表2。

配合物[Cu(H2biim)(Hssal)(H2O)2]·H2O(1)的每一个晶体结构单元中，铜离子与脱去一个H质子的5-磺基水杨酸根的羧基氧、两个水分子氧原子以及联咪唑分子的两个3-位N原子形成五配位的四角锥构型。与Cu配位的源自联咪唑的两个N原子以及分别来自配位水分子和羧基的两个O原子是共面的(Cu-N1, 0.200 9 nm; Cu-N3, 0.199 4 nm; Cu-O1W, 0.196 8 nm; Cu-O1, 0.196 9 nm)，构成了四边形的锥底，锥顶被另一个水分子的O占据(Cu-O2W, 0.226 0 nm,见图1)。由图2可以看出，在配合物中存在有丰富的氢键，每个配合物分子锥顶的水分子与相邻配合物分子的5-磺基水杨酸根的磺酸基O4以及羟基O3之间产生氢键：O2W-H2…O4，0.279 2 nm，137.31°；O2W-H2…O3，0.282 5 nm，171.01°，锥底的配位水分子也与相邻配合物的5-磺基水杨酸根的磺酸基O4之间有氢键作用，O1W-H1…O4, 0.272 7 nm，170.06°，而5-磺基水杨酸根的磺酸基O6与联咪唑配体分子咪唑环上的N2-H2之间形成氢键N2-H2…O4，0.294 2 nm，127.96°，这样由一维链形成了二维层状结构。同时由于姜泰勒效应，羟基氧与相邻配合物单元的Cu离子之间存在弱配位作用，Cu-O键长为0.302 7 nm，咪唑环与相邻配合物单元的苯环之间的π-π堆积(环与环之间距离为0.344 1 nm)把层与层依次相连，形成了 3D 超分子结构。

表1 配合物1,2的晶体结构参数Table 1 Crystal parameters of complex 1 and 2

图1 配合物1的不对称单元Fig.1 Asymmetric unit of complex 1

图2 配合物1的二维氢键结构Fig.2 2-D structure of complex 1 by hydrogen bonds

2.2 配合物2的晶体结构

单晶衍射结果表明，配合物2属于正交晶系，P2(1)2(1)2(1) 空间群。晶体结构单元如图3所示，配合物的二维结构如图4所示，部分键长、键角列于表2。

表2 配合物1,2晶体的部分键长和键角数据Table 2 Data of selected bond lengths(nm)and bond angles(°) of complex 1 and 2

图3 配合物2的不对称单元Fig.3 Asymmetric unit of complex 2

图4 配合物2的二维氢键结构Fig.4 2-D structure of complex 2 by hydrogen bonds

配合物{[Cu(MeHbiim)(Hssal)(H2O)]·0.5H2O}2(2)每一个晶体结构单元的2个中心金属Cu(II)离子分别采取五配位四角锥和四配位平面四边形的几何构型，其中Cu1分别与来自同一个MeHbiim上的两个N原子，两个Hssal2-配体的1个羧基O原子和1个磺酸基O原子，及1个水分子的O原子进行五配位。而Cu1A分别与来自同一个MeHbiim上的两个N原子，一个Hssal2-配体的羧基O原子，和1个水分子的O原子进行四配位。五配位的Cul配位环境中的N1，N3，O5和配位水的O7原子处在四角锥的底平面上，而Hssal2-的磺酸根O2位于锥顶。Cu-N键的平均键长为0.197 7 nm，比配合物1中的Cu-N键长稍短一些。Cul-O5(0.196 3 nm)和Cul-O7(0.196 0 nm)键的键长比Cul-O2(0.235 5 nm)键的短，这主要是由于O2原子占据四角锥的锥顶位置，但比配合物1中锥顶的Cu-O2 W(0.226 0 nm)键长稍长一些。

在配合物2中，5-磺基水杨酸只脱去两个氢(保留羟基上的氢)，采用μ2双-单齿配位模式，羧基与磺酸基都是单齿配位；配体Hssa12-将相邻的两个铜原子连接起来(Cu-Cu=0.812 2 nm)，扩展为一维链状结构(见图4)。同时链与链之间通过配位水与Hssa12-磺酸基上的O3原子形成的氢键：O7-H1WA…O3(0.268 3 nm，160.39°)以及Hssa12-未脱质子的羟基O4与Cu1之间弱的配位作用力(Cu1-O4=0.278 3 nm)构筑成了二维的层状结构(见图4)。在配合物的晶格之间还有晶格水存在，它与配体Hssa12-的O原子、MeHbiim咪唑环上的N4-H4之间存在丰富的氢键，同时咪唑环平面与苯环之间π-π堆积(环与环之间距离为0.312 8 nm)，这些氢键和π-π堆积将2D层状结构扩展成3D网络结构。

2.3 配合物的紫外光谱分析

以DMF为溶剂，分别测定了H2biim及配合物[Cu(H2biim)(Hssal)(H2O)2]·H2O(1)的UV-Vis光谱；以水为溶剂，分别测定了MeHbiim及配合物 {[Cu(MeHbiim)(Hssal)(H2O)]·0.5H2O}2(2)的UV-Vis光谱。在DMF溶液中，H3ssal的紫外吸收峰主要出现在256 nm、317 nm左右处[16]，而H2biim在308 nm处出现的吸收可认定为咪唑环上的K带的π-π*吸收，二者与Cu(II)离子形成配合物1后其K带的π-π*吸收蓝移到了280 nm处，且在423 nm处还出现了新的弱电子吸收峰，配合物分子内电荷迁移光谱的波长相对较长，可以归属为配体与金属离子间的LMCT，其吸收强度比π-π*弱[17-18]。而在水溶液中，H3ssal的紫外吸收峰主要出现在235 nm、298 nm左右处[19]，MeHbiim的紫外吸收出现在288 nm处，形成配合物2后，主要吸收带发生了略微移动，移至295 nm处，可能是由于金属与配体配位后，发生了电子的转移所致。

2.4 配合物的红外光谱分析

配合物1、2在 3 400 cm-1左右的吸收峰是配合物5-磺基水杨酸上缔合酚羟基及配位水的υ(O-H)伸缩振动。两种配合物在1 700 cm-1附近没有出现吸收峰，说明配体H3ssal羧基脱掉质子，其不对称伸缩振动吸收峰和对称伸缩振动吸收峰分别出现在1 625 cm-1和1 379 cm-1，1 620 cm-1和1 357 cm-1处，Δυas(COO)-υs(COO)分别为246 cm-1、263 cm-1，说明羧基是单齿配位模式[20]，与晶体结构解析结果一致。配合物1的磺酸根不对称伸缩振动峰吸收在1 198 cm-1和1 179 cm-1处；由于磺酸根μ2双-单齿配位，配合物2磺酸根的不对称伸缩振动峰吸收表现为三条谱带：1 213 cm-1，1 177 cm-1和1 120 cm-1。

两种配合物都含有咪唑衍生物配体，配合物1配体H2biim咪唑环上的υ(C=N)由1 546 cm-1蓝移至1 587 cm-1，配合物2配体MeHbiim咪唑环上的υ(C=N)由1 518 cm-1蓝移至1 546 cm-1，说明咪唑环上的3位N参与了配位[21]，指纹区的443 cm-1、449 cm-1吸收峰可以分别指派为二者的配位键υCu-N。

2.5 配合物的热稳定性分析

对配合物2进行了从室温到1 000 ℃温度范围内的热稳定性测试研究，其TG曲线如图5所示。

由图5的热重曲线可以看出，配合物 {[Cu(MeHbiim)(Hssal)(H2O)]·0.5H2O}2(2)因为有结晶水和配位水，出现了几个较明显的失重过程。在100 ℃和240 ℃左右分别失去1个结晶水分子、2个配位水分子和1个甲基(总失重实测值分别为2.04%、8.38%，理论值1.98%、7.59%)；随着温度的升高，配合物框架于280～400 ℃温度区间快速坍塌，可能失去羧基、羟基和磺酸基(总失重实测值为41.62%，理论值为38.83%)，随后配合物缓慢失重，直到1 000 ℃失重曲线仍在继续下降。

2.6 配合物的荧光光谱分析

室温下，在激发与发射单色仪的光谱谱带狭缝为10 nm时，以激发波长为290 nm测定配合物2的DMSO溶液在250～500 nm的荧光发射光谱，如图6所示。

图5 配合物2的热重曲线Fig.5 TG curve of complex 2

图6 配合物2的荧光发射光谱Fig.6 Fluorescence emission spectrum of complex 2

由图6可以看出，配合物2在DMSO中于330 nm处有强荧光发射光谱。根据前期工作的结果，相同条件下配体MeHbiim在330 nm附近有较弱的荧光[22]光谱，配合物的荧光强度大大强于配体，说明配合物的荧光归因于配体内部的π-π*跃迁。配体MeHbiim与Cu(Ⅱ)离子及5-磺基水杨酸形成配合物后，空间刚性增强，跃迁时能量的损失降低，辐射跃迁的几率得以增大，从而使配合物的荧光强度进一步增强。

2.7 配合物的抑菌活性

以纸片法测试配合物2对一系列细菌的抑菌活性，其抑菌测试结果如表3所示。所测试菌种分别为：福氏志贺菌(Shigella flexneri，G-)、金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus，G+)、乙型副伤寒杆菌(Bacillus paratyphosus b，G+)、肺炎克雷伯菌(Klebsiella Pneumoniae，G-)、大肠埃希氏菌(E.coli，G-)。(由西安医学院医学检验实验中心提供)

表3 配合物2对细菌的抑菌圈大小Table 3 Inhibition zone diameters of the complex 2 for the assayed bacteria

从表3可以看出配合物2对五种细菌的抑菌效果，其中对乙型副伤寒杆菌和大肠埃希氏菌的抑菌活性最强，其次是福氏志贺菌和金黄色葡萄球菌，对肺炎克雷伯菌抑菌效果较弱。说明配合物2具有一定的抑菌活性。

3 结 论

以5-磺基水杨酸和咪唑衍生物为配体合成了单核、双核三元Cu(II)配合物1,2，并对其进行了结构表征。X-射线单晶衍射结果表明配合物1是一个五配位四角锥型结构的单核Cu(II)配合物，其中的5-磺基水杨酸以羧基与Cu(II)进行单齿配位，而双核Cu(II)配合物2中的5-磺基水杨酸却是通过羧基、磺酸基以μ2双-单齿桥连配位模式配位，并且与MeHbiim分子和水分子一起构筑了同一结构单元的两个Cu离子分别处于五配位四角锥型和四配位平面四边形结构的配位环境。5-磺基水杨酸在两个配合物中的配位模式不同可能与形成配合物时的溶剂、第二配体的结构及溶液的酸碱性不同有关。室温下的荧光光谱实验表明配合物2有较强的荧光性。