一种咪唑二羧酸钴配合物、制备方法及其应用与流程

本发明涉及一种咪唑二羧酸钴配合物、制备方法及其应用，属于配位化学领域。

背景技术：

配合物因其在生物、医药、磁性材料、光储存材料、手性催化剂、不对称合成、电致发光材料等方面的巨大应用前景，而成为无机化学最热门的研究领域之一。咪唑二羧酸作为一种多齿螯合配体，同时含有杂环咪唑环和羧基，具有不同功能的配位原子N与O，可与多种金属配位形成配合物。含咪唑环的天然产物在高性能的复合材料、感光材料、生物、医药等方面都显示出了非常独特的性能。以咪唑环构筑的咪唑类衍生物在抗菌、抗病毒、调节血糖及治疗生理紊乱等多种疾病有广泛应用。钴作为机体的必需微量元素，具有重要的生理作用，钴是维生素B12组成部分，钴元素能刺激人体骨髓的造血系统，促使血红蛋白的合成及红细胞数目的增加；钴对甲状腺的功能可能有作用，动物实验结果显示，甲状腺素的合成可能需要钴，钴能拮抗碘缺乏产生的影响；胰腺也含有大量钴，用以合成胰岛素及一些对糖、脂肪代谢所必需的酶；钴与锌、铜、锰有协同作用，能促进锌的吸收并改善锌的生物活性。因此对咪唑二羧酸钴配合物的生物活性的研究具有重要的意义。

血清白蛋白是血浆中含量最丰富的重要载体蛋白，它能与许多内源及外源性化合物结合，是药物发挥药效的重要载体和靶点。另外，药物与白蛋白作用后，可使药物暂留在血浆中以减弱药物的最大作用强度，防止其大幅波动从而延长药物的作用时间。因此，研究血清白蛋白与药物的相互作用不仅可以在获得蛋白质与药物结合反应机理，分析蛋白质结构与功能的关系，而且有助于研究药物的药理和毒理的微观机理，为药物的设计、筛选及新药的开发提供依据。

将具有生物活性的咪唑二羧酸配体与钴离子配位，获得配合物，研究配合物与白蛋白相互作用的机制尚未见报道。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种咪唑二羧酸类钴配合物、制备方法及其应用，所述的合成方法简单，反应条件温和，纯度高。利用荧光光谱法研究咪唑二羧酸钴配合物与血清白蛋白的相互作用，结果表明配合物与白蛋白(牛血清白蛋白BSA、人血清白蛋白HSA)具有较强的相互作用，尤其与HSA的结合能力更强。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种咪唑二羧酸钴配合物，所述的咪唑二羧酸钴配合物的分子式为C₁₂H₂₀CoN₄O₁₅。

一种咪唑二羧酸钴配合物的制备方法，包括以下步骤：

(1)将2-羟甲基-1H-4,5-咪唑二羧酸分散于溶剂中，配制成2-羟甲基-1H-4,5-咪唑二羧酸浓度为0.05mol/L的配体溶液；

将CoSO₄·7H₂O溶解于溶剂中，配制成CoSO₄·7H₂O浓度为0.05mol/L的钴盐溶液；

(2)将钴盐溶液和配体溶液按照2-羟甲基-1H-4,5-咪唑二羧酸和CoSO₄·7H₂O物质的量比1:1的比例混合；

(3)在步骤(2)的混合液中加入N,N-二甲基甲酰胺，并调节pH为3.2-3.8，然后置于反应容器中，在110-140℃条件下反应72h，再以5℃/h的速率降温至室温，自然干燥，即得。

所述的溶剂为去离子水。

所述的N,N-二甲基甲酰胺的用量为每1mmol 2-羟甲基-1H-4,5-咪唑二羧酸用5mL N,N-二甲基甲酰胺。

所述的反应容器为聚四氟乙烯内衬不锈钢反应釜。

优选的，所述的反应温度为120℃。

一种所述的咪唑二羧酸钴配合物与牛血清白蛋白(BSA)、人血清白蛋白(HSA)的相互作用。

一种所述的咪唑二羧酸钴配合物在作为研究生物活性试剂方面的应用。

本发明的有益效果：

1、本发明以2-羟甲基-1H-4,5-咪唑二羧酸作为桥连配体，与金属离子钴构建配位聚合物，得到一种全新的咪唑二羧酸钴配合物，该配合物为三斜晶系，P-1空间群；晶胞参数α＝80.891(5)°，β＝87.715(5)°，γ＝69.027(5)°；V＝977.5(5)A³；Z＝2；Dc＝1.764Mg/m³；R₁＝0.0332，ωR2＝0.0932。

2、本发明采用水热法，将CoSO₄·7H₂O与2-羟甲基-1H-4,5-咪唑二羧酸进行反应，使配体与相应的金属离子发生配位，从而得到一种新的咪唑二羧酸钴配合物。该合成方法简单、方便、安全，反应条件温和，纯度高，有利于后续的活性研究。

3、本发明采用荧光光谱法研究配合物与BSA、HSA的相互作用。结果表明，该配合物与BSA、HSA均具有较强的结合能力。

附图说明

图1为咪唑二羧酸钴配合物的配位环境图。

图2为咪唑二羧酸钴配合物的一维超分子链状结构图。

图3为咪唑二羧酸钴配合物的三维超分子网状结构图。

图4为咪唑二羧酸钴配合物的模拟与实测的PXRD图谱对比图。

图5为不同温度下，BSA/HSA溶液随着咪唑二羧酸钴配合物浓度的增加荧光光谱的变化(箭头所指方向表示咪唑二羧酸钴配合物浓度增加的方向)。a为298K时BSA的荧光光谱变化图，b为308K时BSA的荧光光谱变化图，c为298K时HSA的荧光光谱变化图，d为308K时HSA的荧光光谱变化图；插图为340nm处荧光强度随咪唑二羧酸钴配合物浓度的增加的变化图。

图6为不同温度下，咪唑二羧酸钴配合物对BSA、HSA的Stern-volmer曲线图。a为配合物对BSA的Stern-volmer曲线图，b为配合物对HSA的Stern-volmer曲线图。

图7为不同温度下，咪唑二羧酸钴配合物对BSA、HSA的双对数图。a为配合物对BSA的双对数图，b为配合物对HSA的双对数图。

图8为不同温度下，咪唑二羧酸钴配合物对BSA、HSA的同步荧光光谱图(箭头所指方向表示咪唑二羧酸钴配合物浓度增加的方向)。a、b、c、d为不同温度时，BSA的同步荧光光谱图；e、f、g、h为不同温度时，HSA的同步荧光光谱图。

图9为不同温度下，咪唑二羧酸钴配合物对BSA、HSA的3D荧光光谱图。a、c、e、g分别为不同温度时，BSA、HSA的3D荧光光谱图；b、d、f、h为不同温度时，配合物与白蛋白的物质的量比为20：1时的3D荧光光谱图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

本发明的配体2-羟甲基-1H-4,5-咪唑二羧酸的合成方法参照论文Sheng-Run Zheng,Song-Liang Cai,Mei Pan,Jun Fan,Tian-Tian Xiao,Wei-Guang Zhang,The construction of coordination networks based on imidazole-based dicarboxylate ligand containing hydroxymethyl group,CrystEngComm,2011,13,883–888。

实施例1咪唑二羧酸钴配合物的合成

(1)将2-羟甲基-1H-4,5-咪唑二羧酸分散于去离子水中，配制成2-羟甲基-1H-4,5-咪唑二羧酸浓度为0.05mol/L的配体溶液；

将CoSO₄·7H₂O溶解于去离子水中，配制成CoSO₄·7H₂O浓度为0.05mol/L的钴盐溶液；

(2)将钴盐溶液和配体溶液按照2-羟甲基-1H-4,5-咪唑二羧酸和CoSO₄·7H₂O物质的量比1:1的比例混合；

(3)在步骤(2)的混合液中加入N,N-二甲基甲酰胺，并调节pH为3.5，然后置于聚四氟乙烯内衬不锈钢反应釜中，在120℃条件下反应72h，再以5℃/h的速率降温至室温，自然干燥，得到红色块状晶体，即为咪唑二羧酸钴配合物。

N,N-二甲基甲酰胺的用量为每1mmol配体2-羟甲基-1H-4,5-咪唑二羧酸用5mL N,N-二甲基甲酰胺。

实施例2咪唑二羧酸钴配合物的结构表征

1、单晶结构解析

采用Bruker APEX-II CCD型单晶衍射仪对实施例1得到的咪唑二羧酸钴配合物进行晶体结构测试，测试结果为：

该配合物为三斜晶系，P-1空间群；晶胞参数α＝80.891(5)°，β＝87.715(5)°，γ＝69.027(5)°；V＝977.5(5)A³；Z＝2；Dc＝1.764Mg/m³；R₁＝0.0332，ωR2＝0.0932。

采用经石墨单色器单色化的MoK_α射线收集衍射数据。晶体结构采用直接法解出，并且用傅立叶技术扩展，按各向异性进行修正。最后采用全矩阵最小二乘法，依据可观察的衍射数据和可变参数进行校正，所有数据经Lp因子校正。用直接法得到全部非氢原子坐标，氢原子坐标由差值Fourier合成法得到，除氢原子采用各向同性热参数外，其它原子均采用各向异性热参数法，所有的计算均使用程序SHELX-97。得到如图1所示咪唑二羧酸钴配合物的配位环境图，如图2所示的咪唑二羧酸钴配合物的一维超分子链状结构图，如图3所示的咪唑二羧酸钴配合物的三维超分子结构图。

由图1可知，所述咪唑二羧酸钴配合物的组成为{[Co(H₃hmIDC)₂(H₂O)₂·3H₂O]}_n(n为大于等于1的整数，大括号内为最小不对称单元的组成)，分子式为C₁₂H₂₀CoN₄O₁₅。配合物的单元结构包含一个Co(II)离子、两个脱质子的H₃hmIDC^-阴离子、两个配位水分子和三个游离水分子。在配合物中Co(II)为六配位，与来自两个H₃hmIDC^-配体上的两个氧原子(O1、O6)和两个氮原子(N1、N3)，两个配位水分子上的两个氧原子(O11、O12)配位。Co(II)处于稍扭曲的八面体CoN₂O₄配位构型中。八面体的赤道面由O1、O6、N1、N3和Co(II)组成，O11、O12占据八面体的顶点位置，键角O(11)-Co(1)-O(12)为175.10(6)°。Co(II)周围的Co-O配位键长为Co(1)-O(11)：Co(1)-O(6)：Co(1)-O(1)：Co-N配位键长为Co(1)-N(1)：Co(1)-N(3)：

如图2所示，在b方向上，超分子链通过羧基与羟基之间的分子内的O-H···O和羧基与配位水分子之间的分子间O-H···O延伸。相邻链通过羧基、羟基、配位水分子、晶格水分子间的氢键相连。如图3所示，超分子链通过氢键堆积形成超分子网状结构。

2、红外光谱分析

采用美国赛默飞公司(Thermo SCIENTIFIC)公司生产的NICOLET iS50傅里叶变换红外光谱仪对实施例1得到的咪唑二羧酸钴配合物进行红外光谱测试(采用KBr压片法，室温下扫描，测试范围为400-4000cm^-1)。红外光谱中的特征吸收峰(cm^-1)：3749，3230，1556，1456，1388，1268，1215，1075，865，777，663，546。

3、X射线粉末衍射分析

采用PANalytical公司生产的X’Pert PRO型粉末衍射仪，通过使用Cu-Kα1射线采集实施例1得到的咪唑二羧酸钴配合物的衍射数据(见图4)。

从图4分析可知，测得的咪唑二羧酸钴配合物的PXRD的图谱与模拟图谱基本吻合，这说明所述咪唑二羧酸钴配合物的纯度很高，可用于性能研究。

实施例3咪唑二羧酸钴配合物与血清白蛋白的相互作用

试验仪器：荧光分光光度计型号为F7000，日本日立公司生产。

试剂的配制及测试条件设置：

1、样品液的配制

2-羟甲基-1H-4,5-咪唑二羧酸钴配合物溶液：称取0.0052g 2-羟甲基-1H-4,5-咪唑二羧酸钴配合物，配制成浓度为1×10^-3mol/L的DMSO溶液。

Tris-HCl缓冲溶液：取Tris(三羟甲基氨基甲烷)3.0285g，氯化钠7.3124g，用蒸馏水定容至250mL，摇匀。然后用盐酸调节pH至7.40。

牛血清白蛋白(BSA)溶液：称取牛血清白蛋白0.0333g，用Tris-HCl溶液溶解，配制成浓度为5×10^-5mol/L的牛血清白蛋白溶液。

人血清白蛋白(HSA)溶液：称取人血清白蛋白0.0331g，用Tris-HCl溶液定容，配制成浓度为5×10^-5mol/L的人血清白蛋白溶液。

2、荧光光谱测试条件的设置

设定激发波长为280nm，激发和发射狭峰均为5nm，分别在298K、308K条件下，扫描285～450nm范围的荧光光谱；在发射波长250～550nm，激发波长200～400nm范围内扫描其3D荧光光谱。并分别在波长差Δλ＝15nm和Δλ＝60nm时，扫描其同步荧光光谱。

3、荧光光谱的测定

移取0.3mL牛血清白蛋白溶液(0.6mL人血清白蛋白溶液)，14.7mL(14.4mL)Tris-HCl缓冲溶液于50mL圆底烧瓶中，配制成浓度为1×10^-6mol/L的牛血清白蛋白溶液(浓度为2×10^-6mol/L的人血清白蛋白溶液)。加入不同体积的配合物溶液，测定荧光光谱的变化(与BSA相互作用时，配合物浓度范围：0～4.31×10^-4mol/L；与HSA相互作用时，配合物浓度范围：0～3.83×10^-4mol/L)。

荧光光谱法测定配合物与血清白蛋白的相互作用：

1、荧光猝灭

对实施例1所合成的配合物，用荧光光谱法研究其与BSA、HSA的相互作用，如图5。BSA的浓度为1×10^-6mol/L，随着配合物浓度的增加，BSA的内源性荧光逐渐减弱，当配合物浓度为4.31×10^-4mol/L时，配合物与BSA的相互作用基本达到平衡；HSA的浓度为2×10^-6mol/L，随着配合物浓度的增加，HSA的内源性荧光逐渐减弱，当配合物浓度为3.83×10^-4mol/L时，配合物对HSA内源性荧光的猝灭基本达到平衡。说明在这298K、308K两个温度下，BSA、HSA的内源性荧光能有效的被配合物猝灭，而发射峰的形状和位置并没有发生变化，表明配合物与BSA、HSA之间形成了荧光较弱或者无荧光的复合物而造成BSA、HSA内源性荧光被猝灭。

2、猝灭机制

引起BSA、HSA荧光猝灭的机制有静态猝灭和动态猝灭。动态猝灭是一种能量转移或电子转移的过程，不影响蛋白质的结构和生理活性。静态猝灭是由于发生了配合反应，通常是产生了不发荧光的配合物，对蛋白质的二级结构可产生影响，并可能影响其生理活性。动态猝灭遵循Stern-volmer方程：

F₀/F＝1+K_sv[Q]＝1+K_qτ₀[Q] 公式(1)

F₀和F分别为未加入和加入猝灭剂时BSA、HSA的荧光强度；K_q为双分子猝灭过程速率常数；K_sv为Stern-volmer方程的猝灭常数；τ₀为没有猝灭剂存在下生物大分子平均寿命，约为10^-8s；[Q]为配合物的浓度。

由公式(1)可求得BSA、HSA猝灭过程的速率常数K_q(见表1)。

表1钴配合物与BSA、HSA相互作用的速率常数、结合常数、结合位点数

表1表明，两个温度下猝灭过程的速率常数的数量级都大于10¹¹，而各类猝灭剂对生物大分子的最大动态猝灭速率常数约为2.0×10¹⁰L·mol^-1·s^-1，说明2-羟甲基-1H-4,5-咪唑二羧酸钴配合物对BSA、HSA的荧光猝灭速率均大于最大扩散碰撞猝灭速率，且随着温度的升高，猝灭速率常数降低，由此判断2-羟甲基-4,5-咪唑二羧酸钴配合物对BSA、HSA的相互作用是因形成复合物而引起BSA、HSA内源性荧光猝灭，属于静态猝灭。

图6为不同温度下，咪唑二羧酸钴配合物对BSA、HSA的Stern-volmer方程的线性拟合图。

3、结合常数和结合位点数

配合物与BSA、HSA相互作用的结合常数和结合位点数可利用双对数方程计算：

log[(F₀-F)/F]＝logK_b+nlog[Q] 公式(2)

图7为不同温度下，咪唑二羧酸钴配合物对BSA、HSA的双对数图。K_b为结合常数，n为结合位点数，计算结果(表1)表明钴配合物与BSA的结合常数K_b分别为6.48×10²L·mol^-1、6.31×10²L·mol^-1，结合位点数n分别为0.84、0.78；与HSA的结合常数K_b分别为4.52×10⁴L·mol^-1、1.99×10³L·mol^-1，结合位点数n分别为1.24、1.00。以上数据表明，配合物与HSA、BSA均具有较强的相互作用，且配合物与HSA的结合能力强于BSA。

4、作用力类型

配合物与血清白蛋白相互作用的作用力类型包括范德华力、氢键、静电引力、疏水作用力等。药物与血清白蛋白之间的作用力类型的确定可根据两者作用前后焓变ΔH和熵变ΔS来判断，当温度变化不大时，反应的焓变ΔH可认为是常数。配合物与BSA、HSA相互作用的作用力类型由Van’t Hoff方程判断：

ln(K₂/K₁)＝[1/T₁-1/T₂]ΔH/R 公式(3)

ΔG＝ΔH-TΔS＝-RTlnK 公式(4)

R为气体常数(8.314472J K^-1mol^-1)，K₁、K₂为温度为T₁、T₂时的结合常数，钴配合物与BSA、HSA相互作用的热力学参数见表2。

表2不同温度下钴配合物与BSA、HSA相互作用的热力学参数

一定条件下，药物与白蛋白的结合反应是否能自发进行与体系的吉布斯自由能变有关，吉布斯自由能小于零时，反应能够自发进行。这种自发过程可以分为熵驱动和焓驱动。熵、焓的大小与作用力类型之间的关系如表3：

表3熵焓的大小与作用力类型之间的关系

由表2、表3可知，配合物与BSA作用的热力学常数ΔH＜0，ΔS＞0，说明配合物与BSA之间存在较强静电作用力；配合物与HSA相互作用的热力学常数ΔH＜0，ΔS＜0，说明配合物与HSA之间存在氢键或范德华力。配合物与BSA、HSA相互作用的ΔG＜0，表明配合物与BSA、HSA的相互作用是自发进行的。

5、同步荧光光谱

同步荧光光谱可用来判断发射团周围环境的极性是否发生变化。而激发和发射波长差Δλ是一个重要的参数。血清白蛋白分子中因含有色氨酸、酪氨酸及苯丙氨酸等残基而发射较强的内源性荧光,其中色氨酸和酪氨酸的荧光强度比较大，并且两者的激发光谱比较相似，发射光谱会严重重叠，利用同步荧光光谱选择合适的Δλ可以达到简化光谱、减少光谱重叠和窄化谱带的目的，而通常情况下，Δλ＝60nm的同步荧光光谱只显示色氨酸的特征光谱，Δλ＝15nm的同步光谱只显示酪氨酸的特征光谱。根据同步荧光光谱发射波长的变化可以推测配合物的加入对BSA、HSA色氨酸和酪氨酸微环境产生的影响，进而可以判断蛋白质构象的变化。

图8为不同温度下，咪唑二羧酸钴配合物对BSA、HSA的同步荧光光谱图，最大发射波长的位移结果列于表4。从图8可以看出随着配合物浓度的增加，Δλ＝60nm时BSA、HSA的最大荧光强度比Δλ＝15nm时降低更多，从表4可知，Δλ＝60nm时λmax的红移更明显，这表明色氨酸残基的构象发生变化，色氨酸残基周围的微环境极性增加，内部疏水结构有所破坏。而配合物的加入使得BSA、HSA发生如此变化，由此推测是配合物嵌入BSA、HSA内部引起的。

表4最大发射波长的位移

6、3D光谱

三维荧光光谱能够提供蛋白质构象变化的详细信息，氨基酸残基的最大发射波长与蛋白质微环境的极性有密切关系。以激发波长、发射波长和荧光强度为坐标的三维空间图谱如图9，peak a的特征是λex＝λem(Δλ＝0)，为瑞利散射峰；peak 1、peak 2是两种典型的光谱峰，峰1(peak 1)主要显示了色氨酸和酪氨酸残基的光谱特性；峰2(peak 2)主要显示多肽链主链结构的荧光特征，并且该峰的荧光强度与蛋白质的二级结构密切相关。

图9为不同温度下，随咪唑二羧酸钴配合物浓度增大时BSA、HSA的3D荧光光谱图。由图9可以看出加入配合物后，BSA、HSA的瑞利散射峰起始位置及荧光峰位置均无显著变化，BSA荧光峰的Stokes位移不变，HSA荧光峰峰2的Stokes位移有所减小，Stokes位移发生少许的变化，说明分子内部微环境发生变化，蛋白质的构象发生了变化。随着配合物的加入，BSA、HSA的两个特征峰均被不同程度地猝灭，表明配合物与BSA、HSA发生了结合，从而导致蛋白肽链的伸展，分子内部的荧光发色基团所处的微环境发生变化。

以上所述仅为本发明最佳的实施例，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。