钴(Ⅲ)多吡啶类混配配合物的合成、表征及其与DNA键合性质的研究

谭年元,陈立新,颜炜伟,黄赛金

(湖南工程学院化学化工学院,湘潭 411104)

钴(Ⅲ)多吡啶类混配配合物的合成、表征及其与DNA键合性质的研究

谭年元,陈立新,颜炜伟,黄赛金

(湖南工程学院化学化工学院,湘潭 411104)

合成了一种新型钴(III)多吡啶类混配配合物[Co(phen)2dpapz](ClO4)3·2H2O(phen=1,10-邻菲咯啉;dpapz=联吡啶并[3,2-a:2′,3′-c]6-氮杂-吩嗪).通过元素分析、红外光谱、紫外光谱和循环伏安法对配合物进行了表征.应用电子吸收光谱、荧光光谱和粘度法研究了配合物与DNA的相互作用.结果表明,该配合物以插入方式与DNA结合,其键合常数为2.2×105L·mol-1.

钴(Ⅲ)混配配合物;dpapz;DNA键合

近十几年来,小分子过渡金属多吡啶配合物与DNA相互作用的研究一直是无机生物化学领域十分活跃的研究课题[1-6].过渡金属多吡啶配合物广泛地被研究用作 DNA结构探针、DNA分子光开关、DNA光裂解试剂以及抗癌药物等[1-4].含配体dppz(联吡啶并[3,2-a:2′,3′-c]吩嗪)的过渡金属多吡啶配合物因其独特的"光开关"效应及其衍生物潜在的功用一直受到人们的广泛关注[5,6].为进一步研究该类配合物的DNA键合性质和DNA分子光开关机理,吴宝燕等[7]合成了一种在dppz骨架上引入另一个氮原子的配体联吡啶并[3,2-a:2′,3′-c]6-氮杂-吩嗪(dpapz)的多吡啶钌配合物,他们发现该配合物与DNA键合作用较强,其键合常数为6.9×105L·mol-1,是一种良好的DNA嵌入键合试剂.本文合成了一种含该配体的新型钴(Ⅲ)多吡啶类混配配合物[Co(phen)2dpapz](ClO4)3·2H2O(图1),并测定了该配合物的电化学行为,以及分别采用紫外、荧光和粘度法研究了配合物与小牛胸腺DNA的相互作用.

图 1 配合物[Co(phen)2dpapz](ClO4)3·2H2O的结构

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

Vario-ELⅢ元素分析仪(德国Elementar公司)、AVATAR-370红外光谱仪(US-Nicolet)、CHI660B电化学工作站(上海辰华仪器公司)、F-4500荧光分光光度计(日立)、Agilent-8453紫外可见分光光度计(德国惠普公司)、pHS-3C型精密酸度计(上海雷磁厂)、乌式粘度计.

联吡啶并[3,2-a:2′,3′-c]6-氮杂-吩嗪(dpapz)[7],[Co(phen)2Cl2]Cl[8]参照文献方法合成,小牛胸腺DNA(北京华美生化试剂公司),高氯酸四丁基铵,三羟甲基氨基甲烷(Tris).其它试剂均为AR级,所用试剂除特别说明外均没有进一步处理.

研究配合物与DNA相互作用时,样品均溶解在含 5 mmol·L-1Tris·HCl和 50 mmol·L-1NaCl的二次馏水缓冲溶液(PH=7.2)中.小牛胸腺DNA的浓度以 ε260=6600 L·mol-1·cm-1来确定[9].

1.2 配合物的合成

在氮气保护下,将0.206 g(0.7 mmol)dpapz、0.372 g(0.7 mmol)[Co(phen)2Cl2]Cl的60 mL乙醇溶液加热回流4h.冷却至室温,过滤除去不溶物,向滤液加入4倍过量的NaClO4饱和溶液,析出黄色固体.用水、无水乙醇分别洗涤3次,再用乙腈溶解,乙醚扩散法重结晶.真空干燥得0.335 g橘黄色粉末,产率46.2%.

1.3 实验方法

1.3.1 电化学测定

配合物的电极电位用循环伏安法测定.采用三电极系统,工作电极为玻碳电极,使用前先用0.05μm的Al2O3糊在抛光垫上抛光,然后依次在丙酮、二次蒸馏水中超声清洗10 min,辅助电极为铂电极,参比电极为饱和甘汞电极(SCE).溶剂为乙腈,使用前用P2O5重蒸2次,支持电解质为高氯酸四丁基铵(0.1 mol·dm-3).测试前通高纯氮15 min除氧.

1.3.2 配合物与DNA作用的电子吸收光谱

在参比池加入2.5 mL T ris缓冲溶液,在样品池中加入相同体积的5μmol·L-1的配合物溶液,用微量加样器每次往参比池和样品池中加入相同体积的DNA溶液,使DNA与配合物浓度比值不断增加,直至吸收峰不再减色.

1.3.3 配合物与DNA作用的的荧光光谱

在样品池中加入 2.5 mL 5μmol·L-1的配合物溶液.用微量加样器每次往样品池中加入相同体积的DNA溶液,使DNA与配合物浓度比值不断增加,以适当波长激发光激发,测定配合物的发射光谱.

1.3.4 DNA粘度测定实验

温度恒定在(30±0.1)℃,小牛胸腺DNA浓度固定为0.4 mmol·L-1,依次增大配合物浓度.相对粘度按公式η=(t-t0)/t0[t0为缓冲溶液流经毛细管所需时间,t为DNA溶液(含浓度不等的钴配合物)流经毛细管所需的时间]计算[10].以(η/η0)1/3对结合比率r作图(r=[Co]/[DNA],η0为未加配合物时DNA溶液的相对粘度.

2 结果与讨论

2.1 配合物的表征

配合物[Co(phen)2dpapz](ClO4)3·2H2O元素分析的理论值由化学式C41H29N9CoCl3O14计算.其计算值为C:47.49%;H:2.82%;N:12.16%.实验值为C:47.43%;H:2.79%;N:12.21%.实验值与理论值一致.

室温下,测定了配合物(KBr压片)在 4000～400 cm-1范围内的IR谱(图2).配合物在 3392 cm-1处出现一个强的宽吸收峰,这归属于水分子的νOH吸收峰,而1627 cm-1处的中等强度吸收峰是δH2O的吸收峰[11].配合物在3040 cm-1处的吸收峰为νC-H的吸收峰,1493 cm-1处的吸收峰为δC=C的吸收峰,1427 cm-1处的吸收峰为νCCH的吸收峰.1357 cm-1处的吸收峰归属于νdpapz的吸收峰,1084和629 cm-1处的吸收峰分别归属于νClO4-和δClO4-的吸收峰,848和716 cm-1处的吸收峰都归属于δ phen的吸收峰[5].

图2 配合物[Co(phen)2dpapz](ClO4)3·2H2O图

2.2 配合物的电化学性质

配合物在乙腈中的循环伏安曲线如图3所示.由图 3可知,在0.0～ 0.8 V电位范围内,配合物有一对氧化还原峰,其阳极峰电位和阴极峰电位分别为Ep,a=0.433 V和Ep,c=0.295 V,对应的电极反应是Co(Ⅲ)/Co(Ⅱ)的氧化还原过程.阳极峰电位和阴极峰的电位差△Ep=0.138 V,其阴极峰电流对扫描速率(0.02～0.2 V/s)的平方根作图(图3插图),可得一条通过原点的直线,故认为该氧化还原反应为准可逆单电子过程[3].

图3 配合物[Co(phen)2dpapz]3+在乙腈中伏安曲线.扫描速率分别为a=20;b=50;c=100;d=150;e=200 mV/s.插图为阴极峰电流对扫描速率的平方根作图.

图4 配合物[Co(phen)2dpapz]3+在不同DNA浓度下的电子吸收光谱.

2.3 配合物与DNA作用的电子吸收光谱

配合物与DNA相互作用的电子吸收光谱如图4所示.由图4可知,随着DNA浓度增加,配合物在221,272,305和365 nm处的吸收峰均发生明显的减色效应,减色率分别为24.8%,32.6%,14.5%和39.2%,表明得到的配合物可能以插入方式与DNA键合[7].这是因为插入配体与DNA碱基对发生π电子堆积之后,配体的π*空轨道与碱基的π电子轨道发生偶合,偶合后的π轨道因部分填充电子,使π→π*跃迁几率减小,产生减色效应.为了定量地研究配合物与DNA的结合强度,可根据下列方程式求得配合物与DNA的键合常数Kb[12]:

其中 ,cDNA表示DNA 的浓度,εa、εb和εf分别表示任意DNA浓度下、键合饱和以及未加DNA时配合物的摩尔吸光系数,以cDNA/(εf-εa)对 cDNA作图(图4插图),斜率与截距的比值即为配合物与DNA的键合常数Kb等于2.2×105L·mol-1.

2.4 配合物与DNA作用的荧光光谱

荧光光谱变化幅度的大小也能反映配合物与DNA作用的强度.以242 nm波长的光进行激发,测得配合物的荧光光谱(图5).

图5 配合物[Co(phen)2dpapz]3+随DNA浓度增大的荧光光谱图.

在Tris溶液中,配合物没有荧光,这是由于配体dpapz与水分子之间存在氢键作用,从而猝灭了插入配体的激发态[7].加入DNA后,配合物的插入配体dpapz插入DNA碱基对中,吩嗪N受到保护脱去缔合水而产生发射波长为335 nm的荧光,且随DNA浓度的增大,强度明显增大,表明配合物与DNA作用较强,与紫外光谱结果一致.

2.5 配合物与DNA作用的粘度分析

光谱学方法对于确定配合物与DNA的作用模式只能提供必要的证据.在缺少高精度晶体结构数据和核磁数据的情况下,粘度这种对DNA长度变化比较敏感的流体力学方法是检测溶液状态下配合物与DNA作用模式的最有效的重要手段.一般来讲,当配合物以静电、沟面结合等非插入方式与DNA作用时,DNA溶液的粘度无明显变化;当配合物通过经典插入方式与DNA作用时,DNA相邻碱基对的距离变大以容纳插入配体,导致DNA双螺旋伸长,DNA溶液的粘度增加;当配合物以部分插入方式与DNA作用时,则可能使DNA双螺旋发生扭结,使DNA溶液粘度减小[11].从图6可知,随着配合物浓度增加,DNA溶液的相对粘度增大,进一步证实该配合物是以经典插入方式与DNA结合.

3 结 论

本文合成了一种新型多吡啶钴(III)混配配合物[Co(phen)2dpapz](ClO4)3·2H2O并对其进行了表征,用电子吸收光谱、荧光光谱滴定实验和粘度测试研究了该配合物与DNA的键合性质,结果表明该配合物以经典的插入方式与DNA结合,键合常数为2.2×105L·mol-1.

图6 DNA溶液的相对粘度随配合物[Co(phen)2dpapz]3+加入量的变化.

[1]刘 杰,计亮年,梅文杰.金属钌配合物的抗肿瘤活性及其作用机理[J].化学进展,2004,16(6):969-974.

[2]张黔玲,刘剑洪,任祥忠,等.多吡啶钴(Ⅲ)配合物与Zn2+形成的新型“关-开”荧光探针[J].无机化学学报,2006,22(5):885-889.

[3]N.Y.TAN,X.M.XIAO,Z.L.Li,et al.Microwave Synthesis,Characterization and DNA-binding Properties of A New Cobalt(Ⅱ)Complex with 2,6-Bis(benzimidazol-2-yl)pyridine[J].Chinese Chemical Letters,2004,15(6):687-690.

[4]A.E.FRIEDMAN,J.C.CHAM BRON,J.P.SAUVAGE,et al.Molecular“Light Switch” for DNA:[Ru(bpy)2(dppz)]2+[J].J.Am.Chem.Soc.,1990,112:4960-4962.

[5]L.JIN,P.YANG.Synthesis and DNA Binding Studies of Mixed-ligand Complex Containing Dipyrido[3,2-a:2′,3′-c]Phenazine and Phen[J].Polyhedron,1997,16(19):3395-3398.

[6]聂 晶,韩美娇,王科志.[Ru(phen)2dppz]2+二聚及对DNA键合性质的影响[J].高等学校化学学报,2007,28(10):1833-1835.

[7]吴宝燕,高丽华,王科志.一个新型钌(Ⅱ)配合物的合成、表征与DNA的键合及溶剂变色性质[J].高等学校化学学报,2005,26(7):1206-1209.

[8]S.G.GRASSINI,S.ISOLA.Thin-layer Chromatrogr-aphic Detection of Some Impurities in Cobalt(Ⅲ)Complexes[J].J Chromatogr.,1978,154:127-130.

[9]张金艳,肖小明,谭年元,等.微波辐照2,6-二(2'-咪唑啉-2'-基)吡啶的合成及其与DNA的相互作用[J].应用化学,2010,27(6):658-663.

[10]S.SATYANARYANA,J.C.DABROWIAL,J.B.CHAIRES.Neither Δ-nor Λ-Tris(Phenanthroline)Ruthen-ium(Ⅱ)Binds to DNA by Classical Intercalation[J].Biochemistry,1992,31(39):9319-9324.

[11]陈绘丽,杨 频.钴(Ⅲ)的联吡啶类混配配合物的合成,表征及其与DNA键合的光谱研究[J].光谱学与光谱分析,2002,22(6):983-986.

[12]A.WOLFE,G.H.SHIMER,T.MEEHAN.Polycyclic Aromatic Hydrocarbons Physically Intercalate into Duplex Regions of Denatured DNA[J].Biochemistry,1987,26(20):6392-6396.

Synthesis,Characterization and DNA Binding Studies of a New Polypyridine Cobalt(III)Mixed Ligand Complex

TAN Nian-yuan,TAN Ling-ling,CHEN Li-xin,YAN Wei-wei,HUANG Sai-jin

(College of Chemistry and Chemical Engineering,Hunan Institute of Engineering,Xiangtan 411104,China)

A new Polypyridine cobalt(III)mixed ligand complex of[Co(phen)2dpapz](ClO4)3·2H2O(phen=1,10-phenanthroline,dppz=dipyrido[3,2-a:2′,3′-c]-6-azaphenazine)is synthesized and characterized by elemental analysis,IR,UV and electrochemical methods.The interaction of the complex[Co(phen)2dpapz](ClO4)3·2H2O with DNA has been studied by absorption spectra,fluorescence spectra and viscosity measurements.The results suggest that the new polypyridine cobalt complex interacts with DNA by intercalative binding with a binding constant of 2.2×105L·mol-1.

cobalt(III)mixed ligand complex;dpapz;DNA binding

O614

A

1671-119X(2011)02-0075-04

2010-11-18

湖南省教育厅科研资助项目(08C231);湖南师范大学化学生物学及中药分析教育部重点实验室开放基金课题(KLCBTCMR200909)

谭年元(1970-),男,在读博士,讲师,研究方向:功能配合物的合成与应用.

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