ABSTRACT

In recent years, metal complexes have a wide range of applications in medicine, catalysis, analysis, materials, water treatment, corrosion inhibitor and other fields. In this paper, L-phenylalanine nickel metal complex was synthesized with L-phenylalanine and acetate made in alkaline conditions by using solvothermal synthesis method. The black and green single crystal was obtained. Then X-ray diffraction and Infrared spectrum were used to determine the crystal structure. In order to further understand its internal structure and properties, the complex was studied by theoretical calculation using density functional theory at the molecular level. Based on the optimized structure, its balance structure, NBO charge distribution and transfer, and infrared spectrum were analyzed.

Keywords:Metal Complexes, Synthesis, Characterization, L-Phenylalanine

L-苯丙氨酸金属镍配合物的合成、表征及理论研究

徐香，蓝靖，王强，于专妮

青岛农业大学化学与药学院，山东 青岛

收稿日期：2017年11月9日；录用日期：2017年11月22日；发布日期：2017年11月28日

摘 要

近年来，金属配合物在药物、催化、分析、材料、水处理、缓蚀剂等领域有广泛的应用。本文用溶剂热合成法，在碱性条件下，用L-苯丙氨酸与醋酸盐制得L-苯丙氨酸金属镍配合物，得到了黑绿色的单晶。对合成的配合物用X-ray单晶结构衍射确定了其晶体结构，并进行了红外光谱研究。为进一步了解其内在结构和性质，采用密度泛函理论，在分子水平进行了理论计算，对配合物进行了全优化，并在优化构型基础上探讨了其平衡结构、NBO电荷分布和转移以及红外光谱等。

关键词 :金属配合物，合成，表征，L-苯丙氨酸

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1. 前言

从化学角度来讲，氨基酸(amino acids)是一类取代羧酸，可视为羧酸分子中-OH上的一氧原子被氨基酸取代的一类产物。由于氨基酸具有-NH₃和-COOH，即两性化合物 [1] ，使其具有其他有机化合物没有的性能，例如螯合性、缓冲性等。金属离子与氨基酸的键合作用在生物体中有非常重要的地位，电子转移、催化、氧气的运输等众多过程都与液体中结合了生命分子的金属离子有关 [2] [3] 。同时，金属离子在组织生物空间结构方面也起着至关重要的作用。系统研究这些生物无机配合物的中心金属离子的配位化学，有利于我们更深入研究金属离子在生物和化学过程中的作用 [4] [5] [6] [7] [8] 。

氨基酸类配合物由于其特殊的结构和性质，被用于在越来越多的生活生产。在已被广泛使用和研究的领域外，例如：在分析方面、催化方面、光学方面等方面的贡献外，还在医学、农学等领域有更为突出的表现 [9] [10] [11] [12] [13] 。由于氨基酸金属配合物的广谱性、应用性，这类氨基酸金属配合物越来越引起众多学者的兴趣，成为新的科研热点。

本论文主要是在碱性条件下，采用溶剂热合成法将L-苯丙氨酸与二价金属镍离子在高温高压下反应合成L-苯丙氨酸金属镍的配合物。配合物合成后，拟通过X-ray单晶结构衍射、红外光谱等测试手段对实验产物的晶体结构进行表征，以确定产物的晶体结构。在此基础上，采用密度泛函方法，在分子水平上进一步展开理论计算研究。拟对配合物进行结构全优化，并在优化构型基础上探讨其平衡结构、NBO电荷分布和转移以及红外光谱等，进一步了解产物的性质，从而为之后的应用研究打下良好基础。

2. 实验仪器、试剂及方法

2.1. 仪器与试剂

实验采用溶剂热合成法将L-苯丙氨酸与二价金属镍离子在高温高压下反应合成L-苯丙氨酸金属镍的配合物，用到的主要试剂和设备如表1和表2所示。

2.2. 实验方法

称取0.213 g Ni(CH₃COO)₂·2H₂O倒入装有5 mL甲醇溶液的小烧杯中，搅拌均匀得到淡草绿色溶液。

表1. 实验试剂

表2. 实验设备

将称量好的0.3304 g L-苯丙氨酸倒入装有15 mL甲醇溶液的三口瓶中，用已调至1000 r/min的磁力搅拌器进行搅拌至完全溶解。将完全溶解于甲醇的Ni(CH₃COO)₂·2H₂O溶液沿玻璃棒缓慢倒入装L-苯丙氨酸溶液的三口圆底烧瓶内，室温下磁力搅拌至两种溶液完全混合。把溶液倒入聚四氟乙烯水热反应釜中，68℃反应72小时反应结束后可得到聚四氟乙烯内胆底部粘附着黑绿色晶体产物。

3. 结果与分析

3.1. X-射线单晶衍射

选取合适尺寸醋酸镍与L-苯丙氨酸反应生成的配合物的单晶，置于Bruker Smart-10001CCDC型X-ray single crystal diffractometer上，在一定温度下，用石墨单色化的Mo-Kα辐射为光源进行测定。氨基酸金属镍配合物的相关晶体学数据见表3~6。

由晶体结构解析数据得出：氨基酸金属镍配合物b属单斜晶系。晶胞参数a = 4.9155(4) Å，b = 32.976(3) Å，c = 6.0925(5) Å，a = c = 90˚，b = 106.619(2)，V = 946.30(13) Å3，F(000) = 444。最终偏差因子R1 = 0.0448，wR2 = 0.0864和R1 = 0.0547，wR2 = 0.0897。其他数据分别列于表4、表5和表6。

镍金属配合物的晶体如图2(b)所示，晶体解析数据表明，每一个镍原子与两分子的L-苯丙氨酸相结合。如图2(b)所示，在这个结构中，O(2)、O(3)、N(6)及N(20)四原子位于赤道平面，而N(6)和N(20)占据两个极点。C(1)-N(2)的键长为1.480 Å，这与文献报道的C=N键长非常吻合，验证了镍金属配合物中席夫碱亚胺基结构的最终形Ni(1)-O(1)及Ni(1)-O(3)的键长均为2.2027 Å。对于Ni-N键长，Ni(1)-N(1)(2.064 Å)比Ni(1)-N(2)(2.074 Å)短，说明席夫碱亚胺基上氮原子N(2)与金属原子镍Ni的配位能力要明显强于吡啶上的氮原子N(1)。每分子镍金属配合物中都包含两分子配位水分子，其是晶体结构的一部分，但由于键级太小不参与配位。

3.2. 红外光谱(IR)分析

L-苯丙氨酸金属镍配合物的红外光谱是由德国Bruker公司生产地型号为TENSOR 27 FTIR，L-苯丙氨酸金属镍配合物采用最常用的压片法制样，在4000 cm⁻¹~400 cm⁻¹摄谱(图1)。

表3. 氨基酸金属镍配合物晶体学数据和结构修正参数

表4. 氨基酸金属镍配合物的主要键长(Å)

表5. 氨基酸金属镍配合物的主要键角(℃)

表6. 氨基酸镍金属配合物的主要扭转角(℃)

图1. 配合物的红外谱图

根据L-苯丙氨酸金属镍配合物的红外谱图，我们得到如下结论：

1) 金属配合物在3354.37 cm⁻¹处有吸收峰，可归属为υ_O-H振动峰，说明金属配合物中有配位水或者游离水存在。

2) 金属配合物在1634.05 cm⁻¹处有一强的吸收峰，这归属于C=N结构的伸缩振动，表明配体C=N上的N原子在金属配合物中与金属离子发生了配位。

3) 配合物的υ_as(coo-)出现在1597.3 cm⁻¹处，υ_s(coo-)出现在1348.01 cm⁻¹处，且配合物中相应的υ_as(coo-)和υ_s(coo-)的差值 > 200 cm⁻¹，表明了羧酸根参与配位并且羧基的氧原子以单齿形式参与配位。

4) 配合物在751.42 cm⁻¹处特征吸收峰则由于芳环C-H的面外弯曲振动造成的。

3.3. 理论计算

本文用DFT/ B3LYP方法，对L-苯丙氨酸(a)与及其氨基酸金属镍配合物的结构单元进行几何构型全优化和振动频率计算。所得结构参数见表7~10，优化后的分子模型见图2。由于计算所得的频率显示都是正值，不存在虚频，这就表明所得构型为最稳定的构型。

3.3.1. 平衡几何结构

由表7看出，Ni(1)-N(6)的键长为1.9393 Å，Ni(1)-N(20)的键长为1.9451 Å，平均值为1.9422 Å；Ni (1)-O(2)的键长为1.8647 Å，Ni(1)-O(2)的键长为1.8714 Å，平均值为1.8681 Å。配体a中-COOCN结构与Ni(Ⅱ)配位后，该结构中C(11)-O(12)双键键长由1.2075 Å增加到1.2119 Å，C(12)-C(23)单键键长由1.5411 Å增加到1.5440 Å，C(23)-N(6)单键键长由1.4552 Å减少到1.4884 Å，键级减小，双键特征减弱；C(12)-O(3)单键键长由1.3618 Å减少到1.3158 Å，键级增加，双键特征加强。L-苯丙氨酸的-NH₃、-COOH与金属Ni反应，使得L-苯丙氨酸各键角在不同程度上发生变化，其中一个O原子略翘起，一个O原子形成结合水分布在配合物两旁，破坏了配体a的平面结构，降低了配体a的共轭程度。即配体由于共价键和配位键的形成，结构发生了巨大的改变。

表7. 配体a及镍配合物结构单元b的部分键长与键级

表8. L-苯丙氨酸(a)及氨基酸金属镍配合物(b)的相关键角(˚)和二面角(˚)

表9. L-苯丙氨酸(a)及氨基酸金属镍配合物(b)中原子的NBO电荷

表10. a和b中部分频率(cm⁻¹)及光谱强度(km/mole)分析

图2. L-苯丙氨酸(配体a)与氨基酸金属镍配合物(配合物b)结构单元优化构型

同样，配体a其他部分的结构也有较大改变。C和N之间的键长减小，键级减小，双键特征削弱；键角Ð N(6)C(23)C(12)由112.7˚变为108.2˚；二面角O(3)-C(12)-C(23)-N(6)由157.2˚变为19.6˚。

综上所述，L-苯丙氨酸与金属Ni(II)离子发生配位后，L-苯丙氨酸(a)的空间结构发生了很大的变化。

3.3.2. NBO电荷分布和转移

上表为配体a和配合物b中部分原子NBO电荷。可从中得到L-氨基酸金属Ni配合物结构单元中的一些规律：与Ni(II)配位后，所有O原子和N原子均带负电荷，O(3)、O(11)、N(6)形成一个负电荷的空腔，极易与金属离子配位。参与反应的O原子的负电荷都小幅度的增加，O(3)和O(11)的电荷分别由−0.7176、−0.5835变为了−0.7439、−0.6135；参与反应的N原子的负电荷减少，N(6)的电荷由−0.9167变为了−0.7792；而与配位原子相连的各C原子的正电荷均有不同程度的增加，部分电荷向参与配位的O原子和N原子转移，使O原子负电荷增加，与Ni(II)离子间静电相互作用增强，使配合物稳定。

3.3.3. 振动光谱

对配体a和配合物结构单元b分别进行频率测试，得到了以下关于a和b的红外光谱的数据，表10是氨基酸金属Ni配合物的测试数据。

由表10可知，Ni(1)-O(3)，Ni(1)-O(2)，Ni(1)-N(6)，Ni(1)-N(20)，伸缩振动峰为269.89 cm⁻¹，269.89 cm⁻¹，567.81 cm⁻¹，506.11 cm⁻¹振动强度为1.7 km/mole，1.7 km/mole，31.1 km/mole，1.7 km/mole。表明，Ni(1)-O(3)，Ni(1)-O(2)，Ni(1)-N(6)，Ni(1)-N(20)之间形成了配位键。

Ni配合物结构单元中的C=N伸缩振动峰υ(N6=C23)由配体的1123.4 cm⁻¹移至1099.9 cm⁻¹，发生了红移，其振动强度由19.8 km/mole变为4.2 km/mole，使C=N键的强度减小。O(3)-C(12)伸缩振动峰由配体的1123.4 cm⁻¹移至1300.9 cm⁻¹，发生蓝移，说明氧原子参加反应成键，形成了Zn-O键。O(11)-C(12)伸缩振动的振动强度在配位前后变化比较大，由289.5 km/mole变为1132.4 km/mole。C(12)-C(23)伸缩振动峰配位前后变化不大，分别由989.5 cm⁻¹变为1012.2 cm⁻¹，振动强度变化不是很大，分别由原来的28.1 km/mol变为3.3 km/mol，说明配位后配位键对其他的键的强度产生的影响。

4. 结论

本论文进行了实验和理论研究两部分，现总结如下：

1) 本论文主要是在碱性条件下，采用溶剂热合成法将L-苯丙氨酸与二价金属镍离子在高温高压下反应合成L-苯丙氨酸金属镍的配合物单晶。

2) 通过X-ray单晶结构衍射、红外光谱等测试手段对实验产物的晶体结构进行表征，确定了产物的晶体结构。该晶体属单斜晶系，晶胞参数a = 4.9155(4) Å，b = 32.976(3) Å，c = 6.0925(5) Å，a = c = 90˚，b = 106.619(2)。

3) 在实验的基础上，用密度泛函理论(DFT) B3LYP方法对Ni(II)氨基酸金属配合物的结构单元氨基酸配合物的结构单元进行了全优化，并在优化构型基础上探讨了其平衡结构、NBO电荷分布和转移以及红外光谱等。配合物的2个N原子、2个O原子与Ni(II)离子配位，形成4配位化合物。通过对单晶结构、NBO电荷理论、红外光谱的探讨，进一步说明了配位键的形成和配位前后配体结构的变化，可为氨基酸金属配合物的合成、性质及其他方面的一些研究提供理论参考。在后续工作中，我们将进一步合成在医学肿瘤治疗方面有潜在用途的氨基酸席夫碱配合物。

基金项目

国家自然科学基金(41406090)、青岛农业大学高层次人才启动基金(No. 631302)。

文章引用

徐 香,蓝 靖,王 强,于专妮. L-苯丙氨酸金属镍配合物的合成、表征及理论研究
The Synthesis, Characterization and Theoretical Research of L-Phenylalanine Nickel Metal Complexes[J]. 材料科学, 2017, 07(08): 725-734. http://dx.doi.org/10.12677/MS.2017.78095

参考文献 (References)