Zn_ATP_N_het_2_配合物分子内芳环间堆积作用

Zn_ATP_N_het_2_配合物分子内芳环间堆积作用 2 - ) ( ()Zn A T P N - het 配合物分子内芳环 3 间堆积作用 112乐学义 何庭玉 毋福海 ()1 华南农业大学理学院 ,广州 ,510642 ; 2 广东药学院卫生系 2 + 2 - ( ( ) ( ) ( ) 摘要 应用 p H 电位滴定法测定了二元 Zn N - het和三元 Zn A TPN - het 配合物 N - - 1 ) ( het = 3 ,4 - 二甲基吡啶和苯并咪唑 , A TP = 5′- 三磷酸腺苷在水溶液中 I = 0 . 10 mol?L , t = ) 15 、25 和 35 ?的 稳 定 常 数 , 三 元 配 合 物 相 对 于 二 元 配 合 物 的 稳 定 性 用 平 衡 常 数 ?lo g K=Zn ()Zn Zn A TP log K- log K表示 . 与咪唑的相关值比较 ,揭示了三元配合物分子中 N - het( ) Zn Zn N - het (A TP) ( N - het) 芳环与 A TP 的腺嘌呤环之间存在着堆积作用 ,这种作用依赖于配体的结构 ,并且随着溶液温度 的升高而减弱 . 关键词 堆积作用 ;A TP ;三元配合物 ;稳定常数 中图分类号 O 642 . 43 () 在已知的酶促反应中 , 有六分之一需要 5′- 三磷酸腺苷 A TP或有关的嘌呤辅助因子 () 参加 L eo nard ,1982,并且这些反应常常与金属离子有关 , 因此研究 A TP 三元配合物 , 尤 其是分子内芳环间堆积作用对阐述酶 - 金属离子 - 底物以及酶 - 金属离子 - 抑制剂作用机 ( ) 制等 Fischer et al ,1980有着极其重要的意义 . () 在以前的工作中 L e et al ,1995 ; Wu et al ,1994,我们研究了金属离子配位层结构 、芳环 2 - () ( ) 大小对三元配合物 M A TPN - het分子内芳环间堆积作用的影响. 为了进一步研究影 ( ) 响堆积作用的因素 , 本文在水溶液中于不同温度 t = 15 、25 和 35 ?下研究了配合物 Zn 2 - () ( ) ( ) A TPN - hetN - het = 3 ,4 - 二甲基吡啶 ,苯并咪唑分子内芳环间的堆积作用 . 结果 表明 ,分子内芳环间的堆积作用与配体的结构有关 ,并且随着溶液温度的升高而降低 . 1 材料与方法 1 . 1 材料 ( ( ) ) 5′- 三磷酸腺苷二钠盐 NaHA TP?3 HO购自 Serva 高级生化公司 德国, 其溶液需 2 2 2 () 当天配制 ;高氯酸锌参照文献 日本化学会 ,1986方法制备 ,其浓度用 ED TA 标定 ; 3 ,4 - 二 () 甲基吡啶由 Merck 公司 法国生产 ,使用前同氢氧化钾一起回流 3 h 后蒸馏 ;其它试剂均为 纯. 整个实验过程均使用 2 次蒸馏水 . 1 . 2 稳定常数的测定 () 溶液 p H 值使用 SA720 型 p H 计 美国奥林公司生产 ,精度 0 . 001 p H 单位测定 , 每次 () 测定前先用 p H 为 4 . 003 、6 . 864 和 9 . 184 的标准缓冲溶液 上海爱建现成试剂厂校正 ,测定 ( ) 在 t ?0 . 05?的恒温槽中进行 ,并通以净化的氮气. 1997 - 07 - 08 收稿乐学义 ,男 ,36 岁 ,讲师 ,博士 3 2 - 2 - ?log KZn () ( ) () () / Zn A TPN - het , 5 A TPN - het10 = Zn () ?log K可根据下列方程式 L e et al ,1995进行计算 : ZnZn()Zn A TP()- lo g K 6 , ?lo g K= log K () ()()Zn A TPN - het Zn N - het Zn ?log K值大小反映了三元配合物相对于母体配合物的稳定性. Zn ( ) (表 3 中数据表明 ,所有温度下三元配合物 ?log K值均比统计值 - 0 . 3, - 0 . 5J i et Zn ) al ,1993高 ,有的甚至为正值 ,这表明三元配合物中存在着额外的稳定化作用 . 这种稳定化作 2 - 2 + 2 - 2 + 2 + () ( ) ( ) ( ) 用部分归因于在 Zn A TP+ Zn N - het = Zn A TPN - het + Zn过程中 , Zn配位层结构从六配位转化为五配位或四配位 ,有配位水分子从配位层释放出来 ,过程熵增加 而导致三元配合物相对稳定性增强 . 另一更有趣的结果是 ,咪唑配合物 ?lo g K值较 3 ,4 - 二甲基吡啶和苯并咪唑的小 , 这 Zn 表明在后二者三元配合物中存在着其它稳定性因素 . 由于咪唑与苯并咪唑及 3 ,4 - 二甲基 10 2 + ( π 吡啶有类似的配位芳氮原子 ,且具有 d电子结构的 Zn是一很弱的电子接受体 即三元 πσ) 配合物中,协同作用很弱, 因此推测后二者三元配合物相对较强的稳定性可能主要与 3 ,4 - 二甲基吡啶或苯并咪唑与分子内 A TP 碱基腺嘌呤芳环间存在着较强的堆积作用有 关 . 2 . 5 三元配合物分子内的堆积作用 () 在溶液中 ,存在着下列分子内平衡 J i et al ,1994: 2 - 2 - () ( ) () ( ) ()Zn A TPN - het= Zn A TPN - het, 7 op cl 其中 op 表示开式异构体 ,cl 表示分子内具有芳环堆积作用的堆积异构体 . 相应的平衡常数 : 2 - 2 - () ( ) () ( ) ()K = Zn A TPN - het/ Zn A TPN - het, 8 cl op I 由此推得堆积异构体的百分率 : ( ) ()cl % = K / K + 1] ×100 , 9 II ( ) 另外 ,平衡常数 K 还可以据下式 Wu et al ,1994进行计算 : I ??log K () 10 K = 10 - 1 ,I ()其中 :??lo g K = ?log K- ?log K.11 () Zn Zn op ?log K值已计算于表 4 中 ,因此要计算 cl %值 ,关键是要获得 ?lo g K值 1 由于咪 () ZnZn op ( ) 唑环堆积作用很弱 Tribotet et al ,1987, 所以可选择咪唑配合物的 ?log K值作为 3 ,4 - Zn () 9二甲基吡啶或苯并咪唑近似的 ?lo g K值 . 由式 ,11计算的 ??log K 和 cl %值列于 () Zn op 表 4 中 . 结果表明 : 3 ,4 - 二甲基吡啶和苯并咪唑三元配合物中都存在着显著的分子内芳环间 堆积作用 ,这种作用使三元配合物稳定性提高了 0 . 05,0 . 65 个对数单位 . 在同一温度下 ,苯 () 并咪唑的堆积作用小于 3 ,4 - 二甲基吡啶 , 这可能归因于 : 1与 3 ,4 - 二甲基吡啶相比 ,苯 ππ ( ) 并咪唑芳环电子云密度较大 , 不利于接收 A TP 腺嘌呤芳环上电子而发生堆积 ; 2苯 并咪唑芳环上亚氨基易与水分子形成氢键而被溶剂化 ,阻碍了苯并咪唑芳环与 A TP 碱基腺 嘌呤芳环之间的堆积作用 . 另外 ,对于同一三元配合物 ,随着温度升高 ,芳环间堆积作用减 ) () () (弱 ,即 cl % 15 ?> cl % 25 ?> cl % 35 ?,这可能源于分子内芳环间堆积作用的本质类似 于分子间的作用力 ,随着溶液温度升高 ,芳环热运动增加 ,因而相互作用即堆积作用减弱. 3 结论 (π 所研究三元配合物均存在着分子内芳环间堆积作用 ,其大小与芳环结构 电子云密度 ) 大小及溶剂化作用等有关 ,且随着溶液温度升高而减弱. 这些结果将有助于我们进一步阐 参 考 文 献 () 日本化学会编 . 1986 . 无机化合物手册 第 2 册. 安家驹 ,陈之川 ,译校 . 北京 :高等教育出版社 ,536 Fisher B E , Sigel H. 1980 . Tenary co mplexes in solutio n 35 int ramolecular hydrop hobic ligand interactio n in () mixed - ligand co mplexes co n taining an alip halic amine acid. J Am Chem Soc ,1029: 2998,3008 J i L N ,Corf u′N A ,Sigel H. 1993 . Stability of tenary metal io n co mplexes formed by imidazole and t he anio n () () (of N ,N - bis 2 - hydro xyet hylglycine Bicine. Observatio n of a relatively high stability of t he Zn Bici2 + ) ( ) nateImidazoleco mplex. Inorg Chim Acta ,206 :215,220 2 - () L e X Y , Wu F H ,So ng F Y ,et al . 1995 . Stability of ternary co mplexes of M A TPand heteroaro matic N () - base ligands. J Mol Sci ,11 3:113,119 ( ) ( ) ( ) ( )L enarici k B , Rzep ka M , Gbowacki J . 1979 . Stability and st ruct ure of Cd ?, Ni ?, Cu ?and Co ? co mplexes of p yridine derivatives : V I co mpariso n of do nor p roperties of al kylp yridines. Polish J Chem , 53 :2199,2208 ( ) L eo nard N J . 1982 . Dimensio nal p robes of enzyme - coenzyme binding sites. Acc Chem Res , 15 5: 128, 135 Tribolet R , Martin R B ,Sigel H. 1987 . Tenary co mplexes in solutio n. int ramolecular equilibria in metal io n 4 - 2 - ) () (co mplexes of adenosine 5’- t rip hosp hate A TP: coordinatio n of ammo nia or imidazole to MA TP releases N - 7 f ro m t he metal io n coordinatio n sp here. Inorg Chem ,26 : 638,643 ( ) Wu F H ,So ng B ,J i L N ,et al . 1994 . St udy o n int ramolecular stacking interactio n of tenary co mplexes M ?2 - () () A TPwit h heteroaro matic N - base ligands. Chem Res in Chin U niv ,10 3:169,174 IN TRAMOL ECUL A R A ROMA T IC - R IN G S TAC KIN G IN T ERAC T ION O F 2 - () ( ) Zn A TPN - het COM PL EXES 1 1 2L e XueyiHe TingyuWu Fuhai (1 College of Sciences ,Sout h China Agric. U niv. , Guangzhou ,510642 ; )2 Dep t . of Hygienics , Guangdo ng Pharmaceutical College Abstract 2 + 2 - ( ) () ( ) The stabilit y co nstant s of binary Zn N - hetand ter nary Zn A TPN - het co mplexes , w here N - het = 3 , 4 - lutidine o r benzimidazole and A TP = Adeno sine 5′- t rip ho sp hate , were ( deter mined by potentio met ric p H tit ratio n in aqueo us solutio n t = 15 ,25 and 35 ?,and I = 0 . 1 - 1 ) mol?L NaClO. The stabilit y of t he ter nary co mplexes in relatio n to t he stability of t heir bi2 4 nary parent co mplexes was characterized by t he equilibrium co nstant s ?log K[ ?log K= Zn Zn ()Zn 2 - Zn A TP ( ) ( -log Kco rres po nding to t he equilibrium Zn A TP+ Zn N - lo g K () () Zn (N - het) Zn A TPN - het2 + 2 - 2 + ) () ( ) het= Zn A TPN - het + Zn. Co mparing t hese data wit h t ho se of t he co rrespo nding co mplexes co ntaining Imidazole instead of t he N - het ligand , it was revealed t hat an in2 t ramolecular aro matic - ring stacking interactio n exist s bet ween t he N - het ligand and t he p urine moiet y of A TP in t he ter nary co mplexes and t he interactio n depended o n t he aro matic - ring st ruct ure of t he ligand and decreased wit h t he rise of temperat ure . Key words stacking interactio n ;A TP ;ter nary co mplexes ; stabilit y co nstant s 2 +() ( ) 质子化 3 ,4 - 二甲基吡啶和苯并咪唑的酸离解常数 p Ka及二元配合物 Zn N - het ()2 - ZnZn A TP ( ) ( ) 和三元配合物 Zn A TPN - het 稳定常数 K 和值的测定均用 1 K Zn ()Zn N - het () ()A TPN - het (mL 01105 0 mol/ L 的标准 NaO H 溶液分别滴定组成如表 1 所示的两组溶液 分别用 ?和 ? ) 表示. A TP 在滴定前最后一步混合 ,且 15 min 内完成滴定 ,以尽量减少 A TP 的去磷酸化() L e et al ,1995. 为了得到可靠的结果 ,至少测定 3 次 1 数据处理在配有 EPSON L Q - 1600 打印机的 IBM 80386 计算机上进行 , 主程序系从瑞士巴塞尔大学引进的非线性回归程序. 表 1 配体酸常数及配合物稳定常数的测定条件( 50 mL , I = 0 . 1) - 1 )( c/ mol?L 常数溶液组分 ) ( Zn ClO HClO NaClO NaHA TP N - het 4 2442 2 H - 3- 1K?( ) H N - het 1 . 89 ×10 9 . 0 ×10 - 3- 3- 1? 1 . 0 ×10 1 . 89 ×10 9 . 0 ×10 - 3Zn- 21 . 89 ×10 ? log K ( )3 . 3 ×10 Zn N - het - 3? - 3- 21 . 89 ×10 1 . 0 ×10 3 . 3 ×10 ? ()Zn A TP - 3 - 2 - 3 - 3 log K() ( )1 . 89 ×107 . 6 ×108 . 3 ×108 . 3 ×10Zn A TPN - het ? - 3- 2- 3- 3- 3 1 . 89 ×10 7 . 6 ×10 1 . 0 ×10 8 . 3 ×10 8 . 3 ×10 2 结果与分析 配体 N - het 的酸常数2 . 1 () 在实验 p H 值范围内 ,配体为一元碱 ,因此酸常数可据下列方程式 Wu et al ,1994进行计算. + + + + H 1 ()( ) ( ) H + N - het = H N - het, = H N - het/ H N - het 1 K()H N - het 通过测定上述两组溶液滴定过程中所消耗的标准 NaO H 溶液体积之差 ,在 N - het 中和 度为 0 . 1,0 . 9 之间的 p H 值范围内用 Newto n - Gauss 非线性最小二乘法程序进行计算 ,结 果列于表 2 中 . H1) 表 2 配体 N - het 酸常数负对数值[ p K ] H( N - het) H - 1 配体t / ?)( p K I/ mol?L ( )H N - het )( 0 . 1 NaClO 二甲吡啶15 6 . 77 ?0 . 013 ,4 - 4 ( )0 . 1 NaClO 6 . 59 ?0 . 01 25 4 )2( )0 . 5 KNO 3 6 . 50( )0 . 1 NaClO 35 4 6 . 49 ?0 . 01 5 . 82 ?0 . 01 )( 0 . 1 NaClO 苯并咪唑15 4 ( )5 . 66 ?0 . 01 0 . 1 NaClO 4 25 )3( )5 . 64 ?0 . 010 . 1 NaClO 4 5 . 32 ?0 . 01 ( )0 . 1 NaClO 35 4 7 . 31 ?0 . 00 )( 0 . 1 NaClO 15 4 咪唑 7 . 09 ?0 . 00 ( )0 . 1 NaClO 25 4 )47 . 05 ?0 . 01 ( )0 . 1 NaNO 3 ) ( 0 . 1 NaClO 35 6 . 97 ?0 . 01 4 ) ) ) ) 1所给误差范围为平均值的标准误差 ;2L enarici k et al ,1979 ;3Wu et al ,1994 ;4J i et al ,1993 ( ) 通常酸 碱 中 和 反 应 是 一 放 热 过 程 , 因 此 随 着 溶 液 温 度 升 高 , 平 衡 1 向 左 移 动 , 故 Hp K 减小 ,配体碱性减弱 . 另外 ,25 ?下的结果与文献值相当一致 ,仅因离子强度的改() H N - het 2 + 2 . 2 二元 Zn( N - het) 配合物的稳定常数 2 + 2 + 测定二元配合物稳定常数时 , Zn ] ?N - het = 33 ?1 ,即 Zn离子大大过量于配体 , Zn+ + 2 + 2 + ( ) ( ) (因此在计算 p K 时 ,仅考虑 H 、N - het 、H N - het、Zn和 Zn N - het 等 J i et ()Zn N - het 2 + 2 + ) ( ) al ,1993物种. 应用溶液中的电荷平衡及物料平衡求出 Zn ] 、Zn N - het ] 和 N - () het , 然后由下列关系式 J i et al ,1993计算二元配合物的稳定常数. 结果列于表 3 中 . 2 + 2 + Zn2 + 2 + ( ) ( ) Zn+ N - het = Zn N - het, K = Zn N - het / Zn 1 N -het ()Zn N - het ()2 1) 及 cl %值( I = 0 . 1) 表 3 配合物稳定常数 、?log K、??log K[ 方程( 11) Zn ()ZnZn A TP ?log Klog K log K 配 体t / ???log Kcl % ( )() ( ) Zn N - het Zn A TPN - het Zn 15 ?0 . 01?0 . 03?0 . 03?0 . 041 . 47 1 . 91 0 . 44 0 . 62 76 3 ,4 - 二甲基吡啶 25 61 1 . 42 ?0 . 03 1 . 73 ?0 . 02 0 . 31 ?0 . 04 0 . 41 ?0 . 04 35 30 1 . 64 ?0 . 02 1 . 60 ?0 . 02 - 0 . 44 ?0 . 02 0 . 16 ?0 . 02 1 . 60 ?0 . 02 1 . 67 ?0 . 03 0 . 07 ?0 . 04 0 . 25 ?0 . 04 苯并咪唑15 44 1 . 58 ?0 . 01 1 . 57 ?0 . 01 - 0 . 01 ?0 . 01 0 . 09 ?0 . 01 25 19 1 . 45 ?0 . 02 1 . 30 ?0 . 01 - 0 . 15 ?0 . 02 0 . 05 ?0 . 02 35 11 2 . 62 ?0 . 01 2 . 44 ?0 . 01 - 0 . 18 ?0 . 02 咪唑15 2 . 51 ?0 . 01 2 . 41 ?0 . 01 - 0 . 10 ?0 . 01 25 2 . 58 ?0 . 01 2 . 38 ?0 . 01 - 0 . 20 ?0 . 01 35 ) 1所给稳定常数误差范围为平均值的标准误差 , ?log K和 ??log K 误差范围按照高斯误差传递计算 Zn 结果表明 :在同一温度下 ,二元配合物稳定性大小是 : 咪唑 > 苯并咪唑 > 3 ,4 - 二甲基 吡啶 , 与碱性大小次序咪唑 > 3 ,4 - 二甲基吡啶 > 苯并咪唑不一致. 这是由于在二元配合物 2 + σσ分子中 , N - het 与 Zn之间的结合主要是 配键 ,而 配键的强弱除与配体碱性大小有关 ππ外 ,还与芳环上电子云密度大小有关 , 电子云密度增大有助于进一步提高配体的配位能 ππ 力 ,因此在二元配合物中 ,具有富电子芳环体系的苯并咪唑比缺电子体系的 3 ,4 - 二甲 基吡啶具有更强的配位能力. 2 . 3 三元配合物的稳定常数 2 - () ( ) 为了研究三元 Zn A TPN - het配合物分子内芳环间的堆积作用 , 本文测定了与下 () 式相关的三元配合物的稳定常数 J i et al ,1993. 2 - ()Zn A TP 2 - 2 -() ( ) Zn A TPN - het] () () ( ) , K= Zn A TP+ N - het = Zn A TPN - het () ()Zn A TPN - het 2 -, () ( ) Zn A TP N - het] () 32 + 2 - ( ) ( ) 在如表 1 所示的实验条件下 ,A TP 与 Zn几乎完全形成了 > 90 %Zn A TP, 故数据处 2 - 2 + () 理类似于二元配合物 ,只需用 Zn A TP代替 Zn,计算结果列于表 3 中 . 对于同一配体 N - het , 三元配合物稳定性随着温度升高而降低 , 但苯并咪唑和 3 ,4 - 二甲基吡啶的降低幅度比咪唑的大 , 这可能归因于前二者配合物分子中存在着较强的分子 内芳环间堆积作用. 2 . 4 二元配合物与三元配合物稳定性的比较 () 三元配合物相对于二元母体配合物的稳定性可通过测定下列平衡式 J i et al ,1993的位 臵来确定 : 2 - 2 + 2 - 2 + () ( ) () ( ) ()Zn A TP+ Zn N - het= Zn A TPN - het+ Zn, 4 :