行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
多核配子引發金屬中心合作效應之研究
計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC93-2113-M-110-018- 執行期間： 93 年 08 月 01 日至 94 年 07 月 31 日 執行單位： 國立中山大學化學系(所) 計畫主持人： 蔣燕南 計畫參與人員： 林敬洪, 郭誌光, 宋勇毅, 王筱婷 報告類型： 精簡報告 處理方式： 本計畫可公開查詢中 華 民 國 94 年 8 月 24 日
行政院國家科學委員會補助專題研究計劃成果報告
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多核配子引發金屬中心合作效應之研究
Cooperativity Among Metal Centers via Multi-nucleating Ligands
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計畫類別：■個別型計畫□整合型計畫
計劃編號：NSC93-2113-M-110-018
執行期限：93 年8 月1 日至94 年7 月31 日
主持人：蔣燕南(Michael Yen-Nan Chiang)
執行單位：國立中山大學化學系
行政院國家科學委員會專題研究計劃成果報告
計劃編號：NSC93-2113-M-110-018
執行期限：93 年8 月1 日至94 年7 月31 日
主持人：蔣燕南(Michael Yen-Nan Chiang) 國立中山大學化學系
計劃參與人員：林敬洪(Jing-Hon Lin) 國立中山大學化學研究所
郭誌光(Chi-Guon Kao) 國立中山大學化學研究所
宋勇毅(Yong-Yi Song) 國立中山大學化學研究所
王筱婷(Hsiao-Ting Wang) 國立中山大學化學研究所
一、中文摘要
本計畫目標係利用含氮多牙配位 基合成多核金屬錯合物以研究金屬中 心合作之效應，進以模擬超氧歧化酵 素活化中心。配位基計畫由平面配位 之三連吡啶配位基與含咪及雙吡啶 取代之四牙胺基偶合而成。本年度成 果涵蓋該四牙胺基及其衍生物與溴化 三連啶之合成，並將四牙胺基推廣 至其與鋅、銅、鎳與鐵鹽類反應之錯 合物合成與鑑定。本計畫重要結果包 含(i)四牙胺基與鋅離子在不同溶劑下 分別產生單體錯合物及鏈狀聚合物的 兩種決然不同產物(ii)成功地在四牙胺 基上的咪進行烷基取代反應(iii)利 用電位滴定法測得四牙胺基之質子化 常數與金屬錯合物之穩定常數，並藉 以了解四牙胺基中各胺基對金屬離子 結合之強弱順序。故本計畫完成目標 配子之左右兩部份之合成與鑑定並與 鋅、銅、鋅與鐵金屬離子形成錯合物， 奠定了解超氧歧化酵素(SOD)中心之 銅鋅金屬的反應性及本質之基礎。 關鍵字：超氧歧化酶，四牙基，鋅錯合 物，銅錯合物，質子化常數， 穩定常數。Abstract：
Late transition metal complexes bearing nitrogen-containing ligands have many applications in biotechnology or industrial catalysis. Imidazole is one of the most common biofunctional ligands to play critical roles in meta1loenzymes, since the imidazole moiety of the histidyl residues often constitutes all or part of the binding sites of various transition metal ions.
In this project we synthesized a tetradentate ligand containing the imidazolyl and two pyridyl functional groups to react with zinc, copper, nickel,
and iron ions in order to carry out biomimetic studies. We have obtained two crystal structures via different methods of crystallization. One of them is a mononuclear complex while the other is a polymeric structure. The polymeric structure has demonstrated the spontaneous deprotonation on the imidazolyl nitrogen on binding to the metal ion followed by the intermolecular self-assembly process. We believe that the imidazolate-bridged complexes resulted from the pH-dependent inter- conversions between mononuclear (protonated ligand) and self-assembled oligomer (deprotonated ligand). To verify this hypothesis, we have determined the PKa values by measuring the titration curves of the tetradentate ligand and its corresponding metal complexes to determine the preferential binding sites at varying pH. From the titration processes, we got the protonation constant of ligand and stability constants of its corresponding metal complexes.
二、緣由與目的
目前非常熱門的抗氧化劑，超 氧歧化酶（superoxide dismutase，簡稱 SOD）可催化自由基陰離子（O2．-） 轉變為過氧化氫及氧氣之自身氧化還 原反應(1)。O 2．-是生物體中代謝氧之 副產物，因具有自由基性質，對組織 的破壞力很強，需快速予以消除，而 SOD 正是扮演去除 O2．-之角色，可當 作生物體內之抗氧化劑。在過去幾年 模擬 Cu-Zn –SOD 是很重要的領域，由 Lippard(2)-(4)實驗室其所用之配位基首 開研究 Cu-Zn –SOD 模擬的風氣，後來 由 Fukuzumi(5)-(7)實驗室所合成出來的 銅鋅錯合物比其他文獻模擬的 SOD 模 擬化合物具更高活性。他們比較雙銅 錯合物和銅鋅錯合物的研究，發現銅 鋅錯合物的活性都比雙銅錯合物活性 高，也可證實鋅在 SOD 中有存在的必 要性。直到現在被合成出的銅鋅錯合 物還是很少，而且其活性與天然 SOD 的活性還有很大的差距，所以在合成 銅鋅錯合物來模擬 SOD 方面，仍然還 有很大的研究空間。牛的紅血球中所 取得之超氧歧化酶(8)，經 X-ray 結構分 析顯示，其藉由 imidazolate 橋接兩個 不 同 的 金 屬 活 性 中 心 ， 分 別 是 銅 和 鋅，其中銅與四個組氨酸(histidine)和 水鍵結形成歪曲的平面四邊形，而鋅 和一個天門冬氨酸鹽(aspartate)，三個 組氨酸(histidine)形成四面體結構。控 制 SOD 活性最主要的因素是其金屬中 心的配位模式，故為了模擬 SOD，本 計畫設計以 imidazole 橋接兩種不同幾 何構型的配位基，期望能與銅、鋅鍵 結，其中鋅金屬與氨基和啶鍵結形 成四面體的配位模式，而銅金屬與三 啶配位基鍵結形成平面四邊形的配 位模式，進而模擬 SOD 的活性。三、結果與討論
本計畫希望在第一階段先分別合 成三種不同種類的配位基(如圖一)，在 第二階段則將三種不同種類的配位基 分別接起來(如圖二)。N NH N N N Br N NH N N N 圖一、三種不同種類的配位基 圖二、本計畫設計的配位基 最後第三階段將合成出的配位基 與銅、鋅金屬反應，進而模擬 SOD 的 活性。而在第一階段中，將含醛基的 imidazole 溴化得到(A)(9)，將胺基啶 與 醛 基 啶 進 行 縮 合 反 應 可 得 到 (B)(10)- (11)，最後合成含溴的三連啶 配位基(C)(12)。此配位基已成功合成初 期前趨物[A+B](L1)(如圖三)以及另一 前趨物(C)，但是 L1 與(C)的偶合反應 有 所 困 難 ， 因 此 使 得 本 計 畫 停 滯 不 前。所以先將合成出的部分配位基與 不同的金屬鹽類反應，又因(A)的溴化 產率不高且成本不貲，所以選擇未溴 化的(A)與(B)進行縮合反應得到配位 基 L2(如圖三)，並與鋅、銅、鎳與鐵 金屬鹽類反應。 L1 L2 圖三、L1 和 L2 配位基 由 L2 與鋅金屬鹽類反應得到單 核錯合物的晶體結構(如圖四)。 與錯合物 1 不同的養晶方法，將 L2 與鋅金屬鹽類利用緩慢多層擴散 法，所得到的晶體結構是以聚合物形 式存在(如圖五)。 圖四、錯合物[Zn(L2)NO3]NO3 (1) 之晶體結構 N NH CHO Br linker (A) function moeity 1 (B) N N N Br function moeity 2 (C) N N N H N NH N N N N N N
N N N N N Me 圖五、錯合物 2 之陽離子 [Zn(L2)]nn+ 單體結構 其中錯合物 2 之配位基是以去質 子化形式存在，而中心金屬鋅與另一 分子咪上的氮原子產生鍵結，造成 錯合物 2 以聚合物形式呈現，其聚合 方向延 b 軸做延伸，並呈 zig-zag 排列 (如圖六)。 圖六、錯合物 2 陽離子聚合側面圖 造成錯合物 1 與錯合物 2 產生差 異在於養晶溶劑之 pKa 不同，進而影 響了配位基去質子化與否，因此利用 電位滴定法(13)觀察不同 pH 值下配位 基 L2 之滴定曲線，進而測得配位基之 質子化常數。其滴定曲線如圖七。 圖七、配位基 L2 滴定曲線 而後也是利用電位滴定法測量配 位基與鋅及銅金屬離子之滴定曲線， 進而求得金屬錯合物之穩定常數。其 滴定曲線如圖八、圖九。 圖八、配位基 L2 與鋅金屬離子之滴定 曲線 圖九、配位基 L2 與銅金屬離子之滴定 曲線 最 後 將 配 位 基 L2 進 行 烷 基 化 (14-15)，其烷基化位置在咪上的氮原 子，利用不同的烷基得到了配位基 L3 與 L4(如圖十)，並與鋅金屬鹽類形成 金屬錯合物。 L3 0 2 4 6 8 10 12 0 1 2 3 4 5 6 a ([base]/ [ligand]) pH 0 2 4 6 8 10 12 0 2 4 6 8 10 a ([base]/ [ligand]) pH 0 2 4 6 8 10 12 0 2 4 6 8 a ([base]/ [ligand]) pH
N N N N N L4 圖十、L3 與 L4 配位基 截至目前為止，本實驗室成功的 合成出十數個含四牙配位基(L1、L2、 L3、L4)之金屬錯合物，雖然在合成同 時具兩種不同幾何構型的配位基方面 的成果不如預期，但是藉由這些配位 基和其他後過渡金屬鹽類(鋅、銅、鎳 與鐵金屬鹽類)反應所得到的近十數個 錯合物之單晶結構，可以讓本實驗室 在下ㄧ步研究雙核金屬相關性上奠定 了基礎。
四、計劃成果自評
本計畫主要的目的是希望能合成 出含不同配位環境的銅、鋅雙核金屬 錯 合 物 ， 進 而 去 模 擬 生 物 體 內 一 些 SOD的活性，研究其金屬中心合作之 效應。目前已成功合成出部分的配位 基，同時也與鋅、銅、鎳與鐵金屬鹽 類反應形成金屬錯合物，這些含咪 及雙吡啶胺基的四牙配位基在與後過 渡金屬鹽類反應成果方面，除了得到 了兩個鋅錯合物的晶體結構，還有相 當多的錯合物也經光譜證據鑑定。 雖然並沒有合成主要目標之配位 基，但溴化三連啶(C)與溴化四牙胺 基(L1)皆已成功合成，目前只差臨門一 腳，只需進行偶合反應即可得到目標 之配位基。 本年度主要成果為(i)與目標之配 位基即將完成(ii)了解不同化學劑量比 與長晶方式下結構變異之控因(iii)利 用 電 位 滴 定 法 測 量 配 子 之 質 子 化 常 數，證明鹼性溶劑有利於咪去氫產 生聚合物2(iv)測得金屬錯合物之穩定 常數值相當高，應可用於生化上之模 擬。故目標近在咫尺，對合成雙核目 標物模擬雙金屬協同作用上之研究指 日可待。五、參考文獻
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