大黄酸金属配合物的合成_表征及抗氧化活性研究

第8期, 925～930

化 学 学 报

ACTA CHIMICA SINICA

Vol. 69, 2011 No. 8, 925～930

·研究论文· 大黄酸金属配合物的合成、表征及抗氧化活性研究 赵 芳* 梁 慧 程 惠 王 军 (石河子大学化学化工学院 石河子 832000) 摘要 以天然大黄酸为原料合成了三种大黄酸金属配合物. 通过元素分析、摩尔电导、紫外光谱、红外光谱、热重差热、核磁共振氢谱和荧光分析测定配合物的组成和性质. 结果表明配合物组成为ML2•2H2O [M＝Cu(II), Fe(II), Mn(II); •L＝rhein(失去1-OH中质子)]. 并对配体和配合物进行了清除超氧自由基(O－羟自由基(•OH)、DPPH•自由基的对比2)、研究. 抗氧化试验结果表明, 金属配合物抗氧化活性均强于配体. 关键词 大黄酸; 金属配合物; 合成; 抗氧化活性 Synthesis, Characterization and Antioxidative Activity of Metal Com-plexes with Rhein Zhao, Fang* Liang, Hui Cheng, Hui Wang, Jun (College of Chemistry and Chemical Engineering, Shihezi University, Shihezi 832000) Abstract Three metal complexes with rhein ML2•2H2O [L＝rhein (1-OH group deprotonated)]; M＝Cu(II), Fe(II), Mn(II)] have been synthesized and characterized by elemental analysis, molar conductance, IR, 1H NMR, TG-DSC and UV-Vis spectroscopic techniques and by fluorescence analysis. The scavenging •effect on the superoxide radical (O－2), hydroxyl radical (•OH), DPPH• were also compared. The metal com-plexes are stronger than rhein for antioxidant activity. Keywords rhein; metal complexes; synthesis; antioxidative activity 活性氧(ROS)自由基是生物体生命活动过程中由机体生物化学反应所产生的中间产物, 在生物体衰老与疾病、正常的免疫代谢、细胞信号传导等过程中都起着重要的作用. 研究发现生物体的多种疾病都与自由基对机体的氧化损伤有关[1～4], 寻找和开发能够清除氧自由基的抗氧化剂研究成为当前许多学科研究的热点. 大黄酸(Rhein, 1,8-dihydroxy-3-carboxy-anthra- quinone, 简称RH)属单蒽核类1,8-二羟基蒽醌衍生物, 是中药大黄、何首乌、虎杖等多种中药的主要活性成分之一, 具有抗氧化、抑菌、降糖调脂、保肝抗纤维化、抗炎、抗肿瘤等多种生物活性及药理作用, 并且在治疗骨关节炎、糖尿病、肾病等疾病及协同抗肿瘤方面表现突出而成为热门课题之一[5～8]. 铜、铁、锰是人体内必需的微量 * E-mail: nnllzzff@163.com

元素, 是机体内蛋白质和酶的重要组成部分, 在人体的新陈代谢过程中起着重要的作用. 中药配位化学学说认为: 天然药物是以其中的微量元素与有机活性成分形成的配合物在动植物体和人体的生命活动中发挥着重要作用. 单纯的微量元素与单纯的有机活性成分研究都具有片面局限性. 传统中药的无机微量元素与有机活性成分发生配位反应形成配合物, 此配合物才是真正整体意义上的中药有效成分, 较纯有机成分和纯微量元素更能全面地反映中药的物质基础, 代表中药的活性作用核心[9]. 研究中药小分子与金属配位化学行为是了解中药小分子与植物中含有的微量元素协同作用的有效手段, 研究以中药小分子为配体的配合物生物活性是开发新药的一条重要途径. 大黄酸(见图1)的1,8位羟基和9位羰基, 完整Received August 9, 2010; revised November 9, 2010; accepted December 13, 2010. 国家自然科学基金(No. 20961009)资助项目.

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的大π键共轭体系, 强配位氧原子与合适的空间构型, 可作为金属离子良好的螯合配体. 有关大黄酸金属离子配合物研究国内外鲜见文献报道. 本文利用天然有机活性成分大黄酸首次合成了大黄酸金属配合物, 研究了它们的摩尔电导、稳定常数、红外光谱、紫外可见光谱、荧光光谱、1H NMR、溶解性并研究了其可能的配位结构及抗氧化活性. 通过探究大黄酸与金属离子的配位行为及产物特点, 对深入了解大黄酸与金属离子配位反应的机理及开发该类新型药物具有重要意义.

配位比和表观稳定常数. 在系列10 mL容量瓶中, 加入相同浓度的大黄酸和金属离子的无水甲醇溶液, 保持大黄酸浓度和金属离子浓度之和为4.0×10－4 mol/L, 连续改变大黄酸和金属离子浓度之比值, 加入1.0 mL氨水的甲醇溶液(1∶1, V∶V), 以无水甲醇定容. 室温放置30 min后, 在435 nm处测其吸光度. 1.4 抗氧化活性试验

1.4.1 配合物对•OH自由基的清除作用

•OH自由基清除试验采用Fe2＋-H2O2-亚甲蓝体 系[10]. 在5 mL容量瓶中依次加0.05 mol/L pH 8.0 Tris-HCl缓冲液1.0 mL, 0.02 g/L亚甲蓝1.5 mL, 2 mmol/L FeSO4溶液0.50 mL, 试样溶液1.0 mL, 0.5%

图1 大黄酸的结构 Figure 1 Structure of rhein

H2O2溶液0.5 mL, 蒸馏水稀释至刻度. 37 ℃水浴中加热反应60 min, 在664 nm处测其吸光度(A样). 在其他条件不变的情况下, 蒸馏水代替样品测得的吸光度为空白吸光度(A0).

•

1.4.2 配合物对O－2自由基的清除作用

1 实验部分

1.1 试剂和仪器

配合物的元素分析由Perkin Elmer 2400型元素分析仪测定; 红外光谱用美国Avater-360傅立叶红外光谱仪(KBr压片)在4000～400 cm－1范围内测定; 核磁共振氢谱采用Varian Inova-400型超导核磁共振仪(DMSO-d6作溶剂)测定; STA 409 PC热重-差热分析仪; 紫外光谱、配位比等在岛津UV-2401PC型紫外分光光度计上测定; 荧光性质在日立F-2500荧光分光光度计上测定; 国产DDS-型电导率仪及pH-3C型酸度计.

大黄酸(陕西慧科植物开发有限公司, 纯度大于98%)、二苯代苦味肼基自由基(DPPH•, Sigma产品), 三羟甲基氨基甲烷(tris, Sigma产品)、邻苯三酚、CuCl2• 6H2O、FeSO4•7H2O、Mn(CH3COO)2•4H2O、无水甲醇等试剂均为国产分析纯, 所用水均为离子交换蒸馏水. 1.2 配合物的合成

称取0.5 mmol大黄酸用30 mL无水甲醇溶解, 室温电磁搅拌, 待大部分配体溶解后, 加入0.25 mmol CuCl2•6H2O的10 mL无水甲醇溶液, 搅拌混合10 min后, 逐滴加入氨水的甲醇溶液(1∶1, V∶V), 调节配体溶液的pH值为8～9, 溶液很快有红棕色沉淀生成, 继续室温搅拌反应8 h, 将溶液静置过夜真空抽滤, 依次用蒸馏水、无水甲醇及乙醚分别将沉淀洗涤数次后, 真空干燥48 h, 得粉末状固体产物. 用FeSO4•7H2O和Mn(CH3COO)2•4H2O盐替代CuCl2•6H2O, 同法合成大黄酸铁(II)和大黄酸锰配合物, 产率均大于87%. 1.3 配位比及稳定常数的测定

采用Job法(又称等摩尔连续变化法)测定配合物的

超氧自由基清除试验采用碱性条件下邻苯三酚的

•[11]

. 取pH 8.2的0.05 mol/L 自氧化产生O－2自由基体系

Tris-HCl缓冲液4.5 mL, 置于25 ℃水浴中预热30 min,分别加入1.0 mL试样和25 ℃预热过的30 mmol/L邻苯三酚溶液0.4 mL, 混匀后于25 ℃水浴中反应5 min, 加入8 mol/L的盐酸0.5 mL终止反应, 318 nm处测定吸光度(A样). 空白对照组(A0)以相同体积的蒸馏水代替样品. 1.4.3 配合物对DPPH•自由基的清除作用

DPPH•自由基清除试验参照文献[12]方法. 取2.0 mL试样与0.08 mg/L DPPH•无水甲醇溶液2.0 mL混合均匀, 暗室条件下反应30 min后于518 nm处测定吸光度(A样). 以2.0 mL甲醇代替试样测得的吸光度(A0).

上述自由基清除率计算公式为: 清除率＝[(A0－ A样)/A0]×100%

2 结果与讨论

2.1 配合物的组成及一般性质

大黄酸金属配合物难溶于水、氯仿、乙醚、苯、丙酮、四氯化碳、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、四氢呋喃、乙酸乙酯, 微溶于甲醇、乙醇和吡啶, 易溶于二甲亚砜、氨水、氢氧化钠等碱性溶剂中. 空气中稳定, 配体和配合物C、H的含量在元素分析仪上测定, 金属离子含量用EDTA法测定, 氯离子和硫酸根的定性分析呈阴性, 表明配合物不含氯离子和硫酸根. 在22 ℃的二甲亚砜(DMSO)溶液中, 测定了配合物的摩尔电导, 根据摩尔电导与电解质类型的关系[13], 可确定配合物为非电解质. 测定结果见表1.

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赵 芳等：大黄酸金属配合物的合成、表征及抗氧化活性研究

表1 配体和配合物的元素分析、摩尔电导值和稳定常数

Table 1 Elemental analysis, molar conductance and stability constant data for the ligand and complexes

Color Yellow Red brown Red brown Brown

Found (Calcd.)/%

63.70 (63.39) 54.43 (54.10) 54.69 (54.74) 54.97 (54.81)

2.89 (2.84)

Λm/

(s•cm2•mol－1) C H M

2.65 (2.72) 9.56 (9.54) 9.7 2.83 (2.76) 8.57 (8.48) 3.5 2.80 (2.76)

8.29 (8.36)

5.5

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Complexes Formula Rhein C15H8O6 CuL2•2H2O CuC30H18O14 FeL2•2H2O FeC30H18O14 MnL2•2H2O MnC30H18O14

lg K稳

13.75 14.30 13.64

2.2 配合物的红外光谱

大黄酸及其过渡金属配合物的红外光谱主要特征峰见表2. 以铜(II)配合物为例可以看出, 与配体大黄酸红外光谱相比, 配合物的红外光谱主要特征峰有明显差异. 配位后大黄酸的缔合羟基伸缩振动吸收带3000 cm－1处减弱或消失, 此弱宽带是由于大黄酸1,8位羟基与9位醌羰基形成分子内氢键[14], 在配合物中此带减弱或消失, 说明配位反应破坏了分子内氢键, 大黄酸的酚羟基与中心离子形成了配位键. 配合物在3432 cm－1出现一宽峰, 表明有结晶水存在. 配体分子10位醌羰基伸缩振动频率位于1696 cm－1, 9位缔合羰基吸收峰出现在1630 cm－1, 在配合物中分别移到1671和1612 cm－1处. 反之, 与羟基相关联的C—O伸缩振动由1369和1263 cm－1向高波数区位移至1374和1267 cm－1. 这意味着大黄酸中醌羰基上的氧原子和酚羟基上的氧原子双双与中心铜离子螯合成环, 通过芳环使C＝O与C—O产生一定的共轭效应, 导致C＝O键中电子云密度降低, C—O键中电子云密度增加, 结果C＝O键级降低, 力常数变小, 其吸收峰向低波数方向移动, 而C—O峰的情况正好相反. 配体在1605, 1569, 1493 cm－1处的芳环骨架振动在形成配合物后, 也向低频率方向发生了移动, 原因为配合物中形成了新环使共轭效应增强所致[15,16]. 同时在495～520 cm－1[17]出现了系Cu—O伸缩振动的吸收峰,

表2 大黄酸及大黄酸金属配合物的主要红外吸收频率及归属a

Table 2 Main IR bands and assignments for metal complexes with rhein a Compd.

νO-H

νC=O

νC=C

νC-O

νCu-O

1605 (s),

1696 (s),

1569 (s), RH 3000 (Brw）

1630 (vs)

1493 (s) 1607 (s),

1671 (s),

1564 (s), CuL2•2H2O 3346 (Brw)

1612 (vs)

1477 (s)

1675 (s), 1605 (s),

FeL2•2H2O 3421 (Brw)

1627 (vs) 1558 (s)

1552 (s),

MnL2•2H2O 3402 (Brw) 1625 (vs)

1481(s)

a

进一步说明了配合物的形成.

2.3 配合物的紫外可见吸收光谱、配位比及稳定常数的测定

将大黄酸和大黄酸金属配合物配成浓度为1.0×10－4 mol/L的无水甲醇溶液, 在200～500 nm范围内进行UV-vis扫描分别得吸收光谱(见图2).

图2 配体和配合物紫外可见吸收光谱

Figure 2 Ultraviolet-visible absorption spectra of ligand and complexes

比较大黄酸和大黄酸金属配合物紫外吸收光谱可知, 大黄酸在225, 257和431 nm处出现三个比较强吸收带, 是苯环共轭体系、醌样结构和醌羰基谱带. 大黄酸铜在235, 261 nm处出现吸收带, 基本保持配体吸收峰形, 但吸收峰位置发生一定程度移位, 吸收强度增加; 大黄酸铁(II)和大黄酸锰在253 nm出现一宽强吸收峰; 大黄酸铜、铁(II)、锰配合物在433 nm处均出现吸收峰, 峰形较为对称, 这是醌羰基吸收带, 相比大黄酸吸收带430 nm红移, 且大黄酸锰在516 nm出现一新弱峰, 说明醌羰基参与配位成键. 峰位移动的原因可能是: 大黄酸与金属离子形成配合物后, 整个分子中电子的离域程度增大, 致使电子跃迁时需要的能量降低, 使吸收峰发生红移.

以吸光度A对CL/(CL＋CM)作图(见图3), 由各图可确定各配合物的配位比. 用Job法测定配合物稳定常数

1369 (s),

1263 (vs)1374 (s),

519 (m)

1267 (vs)1370 (s),

519 (m)

1279 (vs)1378 (s),

518 (m)

1279 (vs)

νO-H, νC=O, νC=C, νC-O, νCu-O are in cm1.

－

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的准确性取决于两侧直线的绘制精度. 因此, 采用Origin软件作线性回归, 通过线性回归方程计算配合物表观稳定常数. 线性回归方程分别为: RH-Cu Y＝0.00448＋0.8882x (R＝0.9976), Y＝1.529－1.399x (R＝0.9933); RH-Fe(II) Y＝0.00417＋1.241x (R＝0.9994), Y＝2.473－2.458x (R＝0.9989); RH-Mn Y＝0.04829＋1.219x (R＝0.9870), Y＝2.506－2.469x (R＝0.9883). 表观稳定常数结果见表1, 配位比为: 大黄酸∶M＝2∶1.

重量近似等于所含结晶水的重量, 故推测此峰为失去结晶水的吸热峰. 继续升温配合物开始缓慢放热分解, 经氧化放热后体系分别在580, 500, 660 ℃达到恒重, 得到稳定的对应氧化产物, 大黄酸铜、铁(II)、锰配合物总失重分别为84.73%, 85.30%, 86.73%, 与计算值基本相符.

图4 配合物的热重曲线 Figure 4 TG curves of the complexes

图3 Job法曲线图

Figure 3 The graph of Job method for complexes

2.6 配合物的荧光光谱

在λex＝430 nm处扫描大黄酸和大黄酸金属配合物无水甲醇溶液(浓度均为1.0×10－5 mol/L)的荧光光谱. 由图5可以看出: 大黄酸铜和大黄酸锰的发射波长略发生红移, 荧光强度增强, 而大黄酸铁(II)发射波长发生红移, 但荧光强度减弱. 表明铜、锰配合物的形成增加了共平面性, 铁(II)配合物共平面性下降.

2.4 配合物的核磁共振氢谱(1H NMR)

为了进一步探讨大黄酸与金属离子的配位情况, 以氘代二甲亚砜为溶剂测定了配体及配合物的1H NMR谱. 结果为大黄酸δ: 13.77 (s, 1H); 11.90 (s, 2H); 8.15 (d, J＝1.2 Hz, 1H); 7.76 (d, J＝7.6 Hz, 1H); 7.87 (t, J＝9.7 Hz, 1H); 7.78 (d, J＝1.2 Hz, 1H); 7.43 (d, J＝8.7 Hz, 1H). 大黄酸铜配合物的1H NMR δ: 12.0～14 (m, 4H), 6.2～9.0 (m, 10H); 大黄酸锰配合物在δ 11.73 (s, 2H)出现一极弱峰，δ 7.0～10.8 (m, 10H)出现一三重宽峰；大黄酸亚铁配合物仅在δ 7.2～8.4 (m, 10H)出现一三重宽峰. 三种配合物均有δ 3.0～3.5 (m, 4H) H2O峰存在. 考虑到大黄酸的1,8位酚羟基性质相似, 均可与9位羰基氧形成分子内氢键, 由于3位羧基的强吸电子效应影响差异, 可推测1位羟基易于解离. 因此推测, 配体分子中的1位酚羟基失去质子并通过9位氧原子与金属离子形成配合物.

2.5 配合物的热分析

在氮气气氛下以10 /min℃速率从25 ℃升温至900 ℃, 对配合物进行热重-差热分析. 配合物的TG曲线见图4. 热分析结果表明, 配合物热分解行为彼此相似, 说明配合物具有相似结构. 配合物在100 ℃以下DSC曲线上有一个小的吸热峰, 并伴有失重现象, 经计算失去的

图5 配体和配合物荧光光谱

Figure 5 The fluorescence data of ligand and complexes

根据大黄酸配合物的元素分析结果、红外光谱、紫外吸收光谱、核磁共振氢谱和热重-差热分析结果, 综合以上讨论, 可初步确定大黄酸金属配合物的可能结构如图6.

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黄酸配合物稳定, 不易形成自由基中间体, 从而表现抑制率较低.

图6 大黄酸金属配合物可能的结构

Figure 6 Possible structure of the rhein-M complexes

2.7 配合物的抗氧化活性

2.7.1 配合物对•OH自由基的清除作用

配体和配合物清除•OH自由基结果见图7. 由图可知, RH-Cu, RH-Fe, RH-Mn均具有较高的抗•OH自由基的活性, 并且其活性明显比相同量的大黄酸的活性高, 充分表现出金属离子与有机活性配体协同作用提高其抗•OH自由基活性的能力. 配体和配合物对•OH自由基抑制率高低顺序为: RH-Fe＞RH-Cu＞RH-Mn＞RH.

－•

图8 配体和配合物对O2自由基的清除作用

Figure 8 Scavenging effect of ligand and complexes against －•

O2 radical

图9 配体和配合物对DPPH•自由基的清除作用

Figure 9 Scavenging effect of ligand and complexes against DPPH• radical

图7 配合物对•OH自由基的清除作用

Figure 7 Scavenging effect of ligand and complexes against •OH radical

•

2.7.2 配合物对O－2自由基的清除作用

3 结论

本文以天然大黄酸为配体合成了大黄酸铜(II)、 铁(II)、锰(II)三种配位化合物. 利用元素分析、紫外光谱、红外光谱、热重分析、核磁共振氢谱等对其结构进行了表征, 确定了三种配合物的组成. 对比研究了配体及三种金属配合物对超氧阴离子自由基、羟自由基和DPPH•自由基的清除作用, 结果表明: 配合物的抗氧化活性与配体相比均有显著提高, 证明中草药中的有机活性成分与微量元素具有协同抗氧化效应.

由图8所示的实验结果可见, 大黄酸金属配合物的

•抗O－2自由基性能高于单纯的大黄酸配体, 显示出金属•与有机活性配体的协同作用提高其抗O－2自由基的生•物活性, 且配体和配合物对O－2自由基抑制率高低顺序

为: RH-Fe＞RH-Mn＞RH-Cu＞RH. 2.7.3 配合物清除DPPH•自由基的作用

配体和配合物清除DPPH•自由基结果见图9. 根据文献报道[18], DPPH•法测定的机理可能是DPPH•使待测有机物形成不稳定的自由基中间体, 进而双分子偶联, 形成稳定的最终产物. 由此可以推测在甲醇溶液中, 大

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