过渡金属镍(Ⅱ)配合物的合成及其与DNA的相互作用研究

Synthesis of transition metal Ni（Ⅱ）complex and its interaction with DNA

院系 XXXXXXX

专业 XXXXX

班级XX级

姓名 XXX

学号XXXXXX

指导教师单位

指导教师姓名

指导教师职称

过渡金属镍（Ⅱ）配合物的合成及其与DNA的相互作用研究摘要

近几十年来，配位化合物的研究得到了长足的发展并且在许多领域中有潜在的应用价值，先后开辟的许多新的领域，特别是在生命科学和药物化学领域，配位化学的渗入促进了这些学科的发展，引起了药物研究者、化学工作者的广泛关注。

本文以乙二胺和4-（二乙氨基）水杨甲醛为原料，以过渡金属元素Ni（Ⅱ）为中心离子合成金属配合物，并通过红外光谱、紫外光谱等表征。运用紫外光谱滴定法研究了金属配合物与小牛胸腺DNA相互作用。结果阐明，金属配合物和ct-DNA的作用方式为插入作用。

关键词:金属配合物，表征，ct-DNA，插入作用

Synthesis of transition metal Ni（Ⅱ）complex and its interaction

with DNAAbstract

In recently, the coordination compounds have been developed rapidly and have been widely applied in many fields. It has developed many new fields, especially in the field of life sciences and pharmaceutical chemistry, the infiltration of coordination chemistry promoted the development of these disciplines, which widely aroused drug researchers and chemical workers’ attention.

In this dissertation, we have synthesized a metal complex with the synthesis of Ni(II) complex with ethylenediamine and 4-（Diethylamin）Salicylaldehyde. the complex structures have been characterized by IR and UV-Vis spectra. The interaction of platinum complex to ct-DNA was studied by UV-Vis spectra titration. The results have shown that the interaction of the complex ct- DNA is intercalation.

Key words: metal complexs，characterization，ct-DNA，intercalatio

目录

1前言 (1)

1.1绪论 (1)

1.2过渡金属配合物及其功能的研究概况 (3)

1.2.1过渡金属配合物 (3)1.3 金属配合物在药物中的研究进展 (3)

1.3.1核酸 (3)

1.4金属配合物与DNA相互作用研究意义 (4)

2 实验部分 (5)

2.1实验试剂与仪器 (5)

2.1.1主要化学试剂 (5)

2.1.2主要仪器 (5)

2.2金属配合物的合成 (6)

2.2.1 直接合成法 (6)

2.3实验方法 (6)

2.3.1溶液法 (7)

2.4溶液的配制 (7)

2.5金属配合物的结构表征 (7)

2.5.1红外光谱法 (7)

2.5.2红外光谱测定分析 (8)

2.6配合物的紫外光谱分析 (9)

3 实验结果和讨论 (11)

3.1紫外—可见吸收光谱测定 (11)

3.1.1 配合物的稳定性分析 (11)

3.1.2配合物紫外自聚合研究 (11)

3.1.3 紫外光谱滴定 (13)

4 结论与展望 (14)

4.1 结论 (14)

4.2 展望 (14)

致谢 (16)

参考文献 (16)

1前言

1.1绪论

现代配位化学将配合物定义为由可以给出孤对电子或多个不定域电子的、一定数目的离子或分子(称为配体)和具有接受孤对电子或空位的原子或离子(统称为中心原子)按一定的组成和空间构型所形成的化合物[1]。近几十年来，配位化合物的研究得到了长足的发展，特别是在生命科学和药物化学领域，配位化学的渗入促进了这些学科的发展，引起了药物研究者、化学工作者的深切关注。

席夫碱是一类非常重要的配体,通过改变连接的取代基、变化电子给予体原子本性及其位置,便可开拓出许多从链状到环状、从单齿到多齿的性能迥异、结构多变的席夫碱配体,这些配体可以与周期表中大部分金属离子形成不同稳定性的配合物[2]。目前,研究较多的是水杨醛及其衍生物的席夫碱,其中水杨醛缩胺类双席夫碱是一类有代表性的离域π共轭有机分子,在合成上具有极大的灵活性和强络合作用,因具有良好的电子转移性质而成为人们研究的热点[3,4]。此类席夫碱具有一个N,N,O,O构成的空腔,可以容纳金属离子,形成稳定的金属配合物[5]。张英菊等[6]对水杨醛缩乙二胺配体结构研究表明,水杨醛缩乙二胺配体失去两个酚羟基上的氢,随后与Ni（Ⅱ）等过渡金属离子形成稳定的四齿配合物。近年来，水杨醛双Schiff碱及其配合物在催化剂、医药、农药、新材料、有机合成、分析化学等领域的研究都有了很大进展，越来越受到重视，并得到了广泛应用［7-8］。这类配合物甚至表现出与生命现象相关的化学模拟，具有明显的抗结核、抗癌、抗菌等药理作用［9-11］。

DNA是生物体中最重要的遗传物质,它在遗传信息的储存、复制及转录中都具有非常重要的作用,是基因表达的基础[12]。为了进一步探索和认识DNA的性质、结构、行为、形态,揭示生命的奥秘,人们研究了大量的小分子特别是过渡金属配合物与DNA 之间的作用,并且许多小分子现已成功地用作DNA足迹试剂,定位碱基错配试剂,以及DNA的结构探针。通常,小分子与DNA作用有三种结合方式:嵌插作用、沟结合和静电作用[13]。在这三种方式中,嵌插作用是最强的一种,因为嵌插分子的平面插入芳香杂环和DNA的碱基对之间。对于小分子的哪一部分插入DNA是至关重要的，有助于从分子水平上了解抗癌药物的作用机理,并为设计合成具有应用前景的高效的疾病诊断和化疗药物提供有用的信息。

本文以4-（乙二氨基）水杨甲醛和乙二胺为原料，并与Ni（Ⅱ）金属离子络合得到了相应的过渡金属配合物其结构经红外光谱和紫外光谱对其结构进行分析表征。主要目的是研究在4-（乙二氨基）水杨甲醛缩乙二胺双Schiff碱Ni(Ⅱ)配合物与DNA 相互作用的基础上,采用紫外光谱滴定法研究手段研究其与DNA的相互作用。

1.2过渡金属配合物及其功能的研究概况

1.2.1过渡金属配合物

自三维网状结构的配位聚合物普鲁士蓝的发现并被Lude等人确定以来，人们将研究重点放在以过渡金属为中心离子的配位聚合物上。过渡金属d l-d10由于电子结构的差异，而且配位结构灵活，在形成配合物时体现出各自的性质。金属从低价态过渡金属离子，如Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Cd、Ag等，到高价态过渡金属离子，如Ti、V、Cr、Mo、W等。过渡金属配位聚合物的种类很多。

生物体内存在一些微量的过渡金属元素。生物体内的结合酶都是金属螯合物[14]。生命的基本特征之一是新陈代谢，生物体新陈代谢过程中的反应几乎都是在酶的催化下进行的。目前发现的2000 多种酶中[15]，很多是一个或几个微量的金属离子与生物体内的高分子结合而成的配合物。若失去金属离子，酶的活性就丧失或下降，若获得金属离子，酶的活性就恢复。一些微量的过渡金属元素在生命活动扮演重要角色。金属配位聚合物作为一种新型的分子材料,以其独特的结构可剪裁性、丰富的拓扑结构和在离子交换、非线性光学、分子识别等领域的巨大潜在应用而受到广泛的关注,同时由于希夫碱配合物在分析化学、生物、发光材料和金属腐蚀等领域具有广泛的应用,成为当前配位化学研究热点之一。当金属元素与活性有机配体反应形成配合物后，其配合物往往具有一些新的独特的生理生化功能；或有些生物物质必须与微量金属元素结合后，才能正常发挥其生化功能。合成新的希夫碱配体及配位聚合物,研究其性质及应用,对配位化学的发展有重要意义。因此，研究过渡金属的配位化学对了解生物体代谢过程，具有重要意义；同时，过渡金属的配位化学为医学界发现独特新颖的药物提供了基础。

1.3金属配合物在药物中的研究进展

1.3.1核酸

核酸是生物体的重要组成物质。它包含了遗传信息，并参与这些信息在细胞内的表达，从而促成代谢过程并控制这一过程。由于核酸介入了生物的生长，发育和繁殖等正常生命活动，并与癌症等生命的异常情况也密切相关，因此研究核酸，尤其是DNA的结构与功能的关系，将有助于人们从分子水平上了解生命现象的本质。同时，人们为了能够从基因水平上理解某些疾病的发病机理，并通过分子设计来寻找有效的

治疗药物，DNA往往是药物设计时很重要的作用靶之一。金属配合物可作DNA结构和构象的探针，因此研究金属配合物与DNA的键合与识别机理成为近十年来国际上较活跃的研究领域之一[16]。

“生命金属”是构成蛋白质和酶的活性中心的重要组成部分[17]。它们与生物活性配体的作用是众多生物学家、化学家和医学家共同关心的课题。研究表明，在数以几万计的化学药物中，虽然无机药物只占一小部分，而在抗癌化合物的任意筛选中，在无机药物中发现活性物质的几率却是有机中的26倍。显然，金属配合物药物在药物化学中占有很重要的地位。

1.4金属配合物与DNA相互作用研究意义

金属配合物与DNA的作用方式主要是非共价结合，其中包括静电结合、嵌插作用、沟内结合等；共价结合和剪切作用。近年来，金属配合物与DNA的作用引起人们的日益重视，因为这类化合物具有诱人的前景。生物体内众多的遗传机理都是基于对核酸的特异性识别而实现的，此外癌症、肿瘤等恶性疾病的产生也与DNA的损伤、碱基突变密切相关［18］。小分子物质与DNA的作用会直接影响到DNA分子的物理化学和生理性质，从而使DNA本身的结构和功能发生改变。因此，研究小分子物质与DNA 的相互作用不仅有助于人们加深对DNA的复制、修复、重组和基因表达等生物学过程的理解［19］，而且对一些致癌化合物的致癌机理、抗癌药物的药理和毒性以及新型药物的设计合成方面都有很大的指导意义［20］。近年来，过渡金属型配合物作为DNA结构和构象的探针一直受到化学家和生物学家的关注［21］。通过变换不同的配体和中心金属离子，可以与不同构象的DNA及DNA的不同位置发生选择性的作用。席夫碱主要是指含有碳氮双键的亚胺或甲亚胺特性基团( —RC =N—) 的一类有机

化合物。文献报道席夫碱类化合物具有抑菌、杀菌、抗肿瘤、抗病毒的生物活性，且其生物活性与金属的配合物有关［22］。研究此类配合物与DNA的结合作用，对开发新抗肿瘤及抗病毒型药物有重要意义。

2 实验部分

2.1实验试剂与仪器

2.1.1主要化学试剂

实验所需试剂及其规格见表2-1

表2-1实验试剂及其规格

Table.2-1 Experimental reagents and their specificationst

试剂名称化学级别产地

乙二胺AR 西陇化工股份有限公司

甲醇AR 广州金华大化学试剂有限公司4-（二乙氨基）水杨甲醛AR 阿拉丁试剂（上海）有限公司小牛胸腺DNA Sigma公司

乙醚AR 西陇化工股份有限公司二甲基亚砜AR 广州金华大化学试剂有限公司

硫酸镍AR 天津市大茂化学厂

氯化钾AR 西陇化工股份有限公司三羟甲基氨基甲烷AR Aladdin Chmestry Co.Ltd 二次蒸馏水

2.1.2主要仪器

实验所需仪器及其生产厂家见表2-2

表2-2 实验仪器及其生产厂家

Table 2-2 Experimental apparatus and their manufacturers仪器型号及名称生产厂家

PHS-30 pH计（pH值测定）上海精密科学有限公司

DF101S 型集热式磁力加热搅拌器巩义市予华仪器有限公司

BS400S型电子天平北京赛多利斯科学仪器有限公司Spectrum100型傅立叶红外光谱仪美国珀金埃尔（PerkinElmer）仪器有

限公司

Varian cary100型紫外分光光度计美国瓦里安中国有限公司

2 02-00AB台式电热干燥箱天津市泰斯特仪器有限公司

2.2金属配合物的合成

2.2.1 直接合成法

直接合成法是将醛、胺和金属离子按一定的比例混合后，在一定的条件下直接反应而得到席夫碱金属配合物。直接合成法简单、产率较高，但是反应中的成分比较复杂，会有副反应的发生，所以产品中可能会混有其它配体的金属配合物，不利于得到目标金属配合物［23］。

实验以乙二胺和4-（二乙氨基）水杨甲醛为原料，以过渡金属元素Ni(Ⅱ)为中心离子，在甲醇溶液中通过镍离子与不同摩尔配比合成含金属元素镍的配合物，并通过扫描的红外光谱、紫外光谱对配合物的结构和性能进行分析与表征。

OH

O N

H2N NH2

甲醇

NiSO4·6H2O

图2-1 Ni(Ⅱ)配合物的合成路线

Figure 2- 1 The Synthesis route for the preparation of the complex Ni(Ⅱ) 2.3实验方法2.3.1溶液法

先将1ml乙二胺和准确称取的0.2318g（1.2mmol）4-（二乙氨基）水杨甲醛完全溶于15ml甲醇的混合液中，并在恒温（75~80℃）下磁力避光搅拌回流反应30min，得到橙黄色溶液，再将准确称取的0.6528g（2.5mmol）硫酸镍缓慢加入上述橙黄色溶液中至产生沉淀固体，在恒温（75~80℃）下磁力搅拌继续回流反应3h，冷却静置，有橘红色沉淀生成，减压抽滤，先用甲醇溶液洗固体两遍，再用乙醚溶液洗两遍，最后用水洗涤，烘干固体，得到配合物。

2.4溶液的配制

1. pH＝7.35 的Tris-HCl-KCl缓冲溶液的配制步骤：称取0.3025g（

2.5mmol）Tris（三(羟甲基)氨基甲烷），再称取1.75g(25mmol)无水KCl 溶于二次蒸馏水中，再用PHS-30 pH计（pH值测定）测定溶液pH，用HCl调节溶液pH至7.35，再稀释定容至250mL得10μmol/L Tris-HCl-KCl缓冲溶液。

2. 用二甲基亚砜溶剂配制2.0×10-3mol/L的化合物标准溶液备用。

3. ct-DNA溶液浓度：2mmol/L

2.5金属配合物的结构表征

2.5.1红外光谱法

红外光谱法又称“红外分光光度分析法”。分子吸收光谱的一种。利用物质对红外光区的电磁辐射的选择性吸收来进行结构分析及定量分析的一种方法。任何气态、液态、固态样品均可以进行红外光谱分析，通过与标准图谱比较，可以确定化合物的结构。各种基团都有其特征区的红外吸收频率，O-H伸缩振动在3700-3100cm-1,N-H 伸缩振动在3500-3300cm-1,不饱和C-H伸缩振动在3000以下。C=N与C=C或芳环共轭时的伸缩振动在16592-1560cm-1，C=O与C=C或芳环共轭时伸缩振动在1850-1650cm-1。在红外光谱波数上，波数在1400-650cm-1的吸收峰主要是C-C、C-N、C-O单键的伸缩振动和各种弯曲振动。

2.5.2红外光谱测定分析

配体配合物γ（O-H）/cm-13490 3263.12

γ（C=N）/cm-11632 1592.09

γ（=C-O）/cm-11207 1249.26

γ(=C-H）/cm-1758 776.39

γ(Ni-N)/cm-1- 704.

γ(螯环)/cm-1- 663.13

γ(Ni-O)/cm-1- 610.36

4000.0

3600

3200

2800

2400

2000

18001600

1400

1200

1000

800

600.0

87.8

90

91

92

93

94

9596

97

98

99

100

101

101.7cm-1

%T

3263.12

3165.592925.04

2881.071592.09

1509.98

1452.16

1408.561372.70

1337.86

1274.291249.26

1120.83

1063.621034.72

875.16

823.41

776.39

704.

663.13

610.36

其中3000cm -1以上的峰指认为芳环上的C —H 伸缩振动,2800～3000cm -1区域的振动为CH 和CH 所贡献，v (C=N)则由(1632cm -1)文献[24]位移至(1592cm -1)配合物中C ＝N 键因与Ni （Ⅱ）

配位而降低了键的力常数使得其伸缩振动峰出现了红移；同理，v (＝C －O)由(1207 cm -1) 文献[24]位移至(1249cm -1),配合物中＝C-O 键也因与Ni （Ⅱ）配位使其伸缩振动峰出现红移，这表明配体的N 、O 原子与Ni （Ⅱ）形成了配位键。另外，配合物分别在610～663cm -1和704cm -1低波数附近产生的吸收峰，分别归属于Ni －O 和Ni －N 振动峰，也证明Ni （Ⅱ）与配体中的N 、O 原子发生了配位。

2.6配合物的紫外光谱分析

图2-3为配合物的UV-Vis 的吸收光谱，本实验用的是Varian cary100型紫外分光

光度计，用二甲基亚砜作溶剂，在200-600 nm 的波段进行扫描下得到。

200

250300

350400450

500550600

0.00.1

0.2

0.3

0.4

0.5

368

235

296

Wavelength/nm Absorbance

从图2-3可以知，在 200~600 nm 范围内，配合物在235 nm 、368 nm 左右出现了两个吸收峰；其中在235nm 处是在紫外区出现的峰，这是由于配体自身发生的π→π*跃迁引起，在368 nm 处出现的峰是由配体和Ni(II)发生电子转移引起，368nm 处吸收峰属于 n-π*电子跃迁。

complex λ /nm 235 368 Abs

0.378

0.452

3 实验结果和讨论

3.1紫外—可见吸收光谱测定 3.1.1 配合物的稳定性分析

200

250

300

350

400

450

500

550

600

0.00.10.20.30.4

0.50.6A b s o r b a n c e

Wavelength/nm

图3-1是配合物在pH= 7.35的Tris-HCl-KCl 缓冲溶液中，时间分别为0、8、24、48h 后的紫外—可见吸收光谱图。由图可见，室温下，配合物在0 – 48h 内的紫外吸收峰并没有发生特别明显的变化，且没有新的吸收峰出现，表明在该实验条件下，配合物能够稳定存在于溶液中。

3.1.2配合物紫外自聚合研究

稠环共平面的分子在溶液状态中经常会出现自聚合的现象。配合物的自聚合会影响到化合物在生物体内的生物利用度，从而影响到化合物的生物活性。因此了解化合物在溶液中的自聚合行为及其与化合物的生物利用度之间的关系十分重要。我们通过紫外光谱的实验研究了配合物合物的自聚合性质。由朗伯比尔定律A=εbc （3.1）可知，如果化合物的紫外光谱最大吸收与浓度成正比关系，化合物不存在聚合作用。由图（3-2）可知，随着化合物浓度的增大，配合物的紫外吸光度逐渐减小，摩尔吸光

系数也逐渐变小，摩尔吸收系数ε的大小与待测物、溶剂的性质及光的波长有关，可见，配合物分子之间存在着自聚合作用。

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

A b s

C/10

-5

mol/L

图 3-2 吸光度随配合物加入量的变化

Figure 3-2 The Effect of increasing amounts of the complex on

the relative of absorbance

200

250300350400450500550600

-0.10

-0.050.000.050.100.150.200.25

0.300.350.40A b s o r b a n c e

Wavelength/nm

图 3-3 配合物的自聚合紫外吸收光谱图

Figure 3-3 The UV spectra of polymerization of complexe

3.1.3 紫外光谱滴定

紫外-可见吸收光谱是人们研究DNA 与小分子相互作用机制的常用光谱法之一。当小分子与DNA 发生作用后，相互改变对方结构和理化性质，从而影响小分子或DNA 的吸收光谱，因此根据相互作用前后DNA 或小分子的吸收谱带的变化，对两者的作用方式进行判断[25]。在参比池和样品池中分别加入同样积的缓冲溶液和配合物溶液, 配合物的浓度固定为2.0×10－3mol/L, 在200～600 nm 范围内测定配合物的吸收 光谱;然后依次向参比池和样品池中滴加相同体积(6μL)的ct- DNA 溶液。

图中虚线（a ）表示的是未加入ct-DNA 的紫外吸收曲线，实线是ct-DNA 浓度不断 增加（b-i ）时的紫外可见光谱图。

紫外吸收光谱法是研究电活性小分子物质与DNA 相互作用的一种非常简单、方便、有效和常用的检测技术。当配合物与DNA 以插入方式结合时,通常发生减色效应, 并伴有一定程度的红移, 减色效应是DNA 特有的与其双螺旋结构密切相关的光谱性质，是DNA 分子轴向收缩，构象变化的结果[26]。

图3-4为Ni （Ⅱ）配合物与DNA 相互作用的紫外吸收光谱图。由图可知，配合物

0.00

0.050.100.150.200.250.300.35

0.400.450.50A b s o r b a n c e

Wavelength/nm

4 结论与展望

4.1 结论

本文合成了4-（二乙氨基）水杨醛缩乙二胺双席夫碱Ni（Ⅱ）配合物，用红外光谱、紫外光谱进行了表征。新合成的Ni（Ⅱ）配合物与ct-DNA作用的紫外结果分析表明，化合物与ct-DNA作用后紫外吸收光谱出现不同程度的减色效应，有微小的红移现象，研究说明配合物与DNA间可能存在插入作用。

虽然本文合成新的配合物，但有也有不足之处，例如：没能进一步通过核磁共振、元素分析、红外光谱、紫外光谱对配合物进行进一步表征，并且没有通过进行量化计算来确定配合物的具体结构，而且没能培养出单晶。在研究新合成的配合物与ct-DNA 作用时，只是片面的通过紫外光谱法来研究，没能结合荧光光谱法和粘度法来更好地考察配合物与DNA的作用方式为插入作用的结果。

4.2展望

今后本课题还可以从以下几个方面发展：

(1) 配合物的合成相对容易，但单晶培养条件比较苛刻，没能培养出单晶并确定其结构，因此还需在以后的研究过程中摸索合适培养其他产物单晶的条件。

(2) 本文只通过紫外光谱滴定法探讨了配合物与小牛胸腺DNA(ct-DNA)相互作用，还可以通过荧光光谱法和粘度法来考察结果，并对它们的抑菌活性等做进一步研究。

(3) 还可以在水杨醛的苯环上的不同位置引入其他取代基，通过探索合适的条件制得其他过渡金属、稀土金属的配合物，加强在生物学、催化学、分析化学等方面的应用研究工作，拓宽其应用范围。

致谢

在本论文完成之际，我首先向我的指导老师XXX老师和XXX老师表示衷心的感谢，感谢他们在我完成论文期间，给予的悉心指导和热情关怀。

本论文在实验期间还得到了XXX老师的帮助，在此向他们表示我最衷心的感谢。

同时诚挚感谢在各方面给予我帮助的朋友和同学们。特别感谢XXX,XXX,XXX,XXX，在实验进行和论文撰写过程中都得到了他们的热情帮助。

最后，衷心地祝愿所有老师、同学和朋友们身体健康、工作顺利、万事如意。

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