综合化学实验（化学类21世纪高等院校教材）

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内容简介

专题1 配位化学与化学生物学
　　实验1 切割DNA的金属配合物
　　Experiment 1 Metal Complex Used for DNA Cleavage
　　（本实验需10学时）
　　【关键词】
　　模板合成（template sysnthesis），金属配合物（metal complex），红外光谱（IR spectrum），紫外-可见光谱（UV-vis spectrum）
　　【实验目的】
　　1.了解具有DNA切割能力的金属配合物特征；
　　2.掌握制备大环化合物的模板合成方法；
　　3.掌握IR光谱技术表征配合物结构；
　　4.了解UV-vis光谱检测氢氧自由基方法。
　　【实验原理】
　　在病理学上，DNA链的断裂可导致活体组织的死亡，因此无论是在研究DNA的修复机理，还是寻求新的化疗药物，对DNA断裂的研究都是非常重要的。在天然物质中，博来霉素（bleomycins）可导致DNA链的断裂，这是由于博来霉素分子的一部分是铁或铜的配合物，这类配合物能够产生导致DNA链断裂的自由基，其作用过程为：①配合物与未受损的DNA表面结合并诱导其断裂；②进一步在新的断裂处结合；③断裂反应；④互补链的断裂。
　　由于博来霉素能够有效地使DNA双链断裂，人们一直试图合成一种与之类似且更为简单的化合物。到目前为止，已成功合成许多化合物，其中如图1-1所示的两个氨基酸的铜配合物引起了人们的关注，特别是配合物2能使DNA双链非随机地断裂。从结构上看：两个化合物是通过叔丁基胺的桥联作用将两分子苯丙氨酸的氨基联结起来形成配体与铜配位的化合物。在酸性环境中，“桥”上的氨基能形成铵离子，与负电性的DNA链有静电吸引作用；而在配合物2中，作为疏水基团的苯环，可以跟双螺旋DNA的疏水沟或碱基对通过疏水作用和堆积作用相结合；在H2O2和还原剂存在下，可产生HO 自由基，HO 可与DNA中糖环部分的H原子进一步反应从而使DNA双链断裂。该配合物这些结构特点对其与DNA的结合和断裂起着决定性的作用。由于配合物1没有疏水基团，所以其作用的范围不能深入到链内，只能使DNA单链断裂。通过比较配合物1和2与DNA的作用，可以更加清楚DNA的断裂机理。当然，双链断裂的DNA比单链断裂的DNA更难修复。因为单链断裂的DNA其互补链仍存在，可以通过还原互补的碱基对的方法来修复，而双链断裂将使碱基顺序无法恢复。所以，对那些可以使DNA双链断裂的化合物的研究比那些可以使DNA单链断裂的化合物的研究具有更深远的意义。
　　图1-1合成配合物结构示意图
　　自由基HO 如何产生可以用两种机理来解释，即Fenton机理和Haber-Weiss机理。在Fenton机理中，Cu（Ⅱ）被还原成Cu（Ⅰ），再与H2O2反应生成在Haber-Weiss机理中，Cu（Ⅰ）先与分子氧（O2）生成超氧离子O2-，O2-再与在上述两种机理中我们发现都有Cu（Ⅱ）/Cu（Ⅰ）出现。研究表明，当L为苯丙氨酸时为Haber-Weiss机理。有证据显示，生物活体自身可产生H2O2，由Haber-Weiss机理可以看出：O2可与活体中的一些金属配合物作用产生O2-，O2-易歧化生成H2O2：2O2-+2H+→O2+H2O2因此反应中加入H2O2并不是实验者的凭空想像，而是基于实验事实。
　　实验中加入的抗坏血酸也叫维生素C，是一种抗氧化剂，它可以防止Cu（Ⅰ）转化为Cu（Ⅱ），还可以作为催化剂，加速超氧离子转化为过氧化氢的反应：由于罗丹明B可与HO 迅速反应，并在553nm有强吸收，因此我们可以利用此反应采用分光光度法检验HO 的生成。
　　【仪器与试剂】
　　仪器：100mL圆底烧瓶，恒温磁力搅拌器，玻璃棒，布氏漏斗，抽滤瓶，移液管，冷凝管，250mL圆底烧瓶，pH试纸，紫外分光光度仪，比色皿。
　　试剂：硝酸铜，氨基乙酸，苯丙氨酸，三乙胺，硝基乙烷，甲醛（35%），甲醇，锌粉，浓HCl，罗丹明B，抗坏血酸钠（可用抗坏血酸与NaOH制备），过氧化氢（3%），DMF，氢氧化钠。
　　【实验步骤】
　　1.配合物1的制备和表征
　　（1）5-硝基-5-甲基-3，7-二氨基乙酸合铜
　　称取1.16g（5mmol）Cu（NO3）2 2.5H2O和0.75g（10mmol）氨基乙酸加入到有30mL甲醇溶液的100mL圆底烧瓶中，并在60℃搅拌下回流10min。用吸量管或移液器取2.1mL（15mmol）三乙胺从回流冷凝管加入，待溶液变成浅紫色后，再加入0.36mL（5mmol）硝基乙烷，回流5min后暂停回流，在热溶液中缓慢滴加甲醛-甲醇混合溶液（0.80mL35%的甲醛+5mL甲醇），再继续回流2h。停止反应，将反应液抽滤，用少量甲醇洗涤固体产物，干燥后得蓝色粉末，称量，计算产率，用红外光谱对所得配合物进行表征。
　　（2）氯化-5-铵基-5-甲基-3，7-二氨基乙酸合铜
　　将步骤（1）所得产物放入一个250mL圆底烧瓶中，加入10mL10%（体积分数）的盐酸和15mL水。再加入3.27g（50mmol）锌粉，轻轻搅动烧瓶使固体完全浸湿，水浴加热（60～65℃）30min后，过滤除去固体。用浓NaOH将滤液的pH调节到12，过滤除去氢氧化锌。再用少量浓HCl将滤液pH调节到9，随后加入计算量（2.32g，10mmol）的Cu（NO3）2 2.5H2O，搅拌下用浓HCl将pH调到3，此时溶液变为蓝紫色，静置直到析出蓝色沉淀或晶体（如果溶液过多可通过旋转蒸发除去部分溶剂或将溶液静置过夜等待晶体析出），抽滤，称量，计算产率，用红外光谱对所得配合物进行表征。
　　2.配合物2的制备和表征
　　（1）5-硝基-5-甲基-2，8-二苄基-3，7-二氨基乙酸合铜
　　称取1.16g（5mmol）Cu（NO3）2 2.5H2O和1.654g（10mmol）苯丙氨酸加入到30mL的甲醇溶液中，并在60℃下回流0.5min后，再加入2.10mL（15mmol）三乙胺？0.36mL（5mmol）硝基乙烷？甲醛G甲醇混合溶液（0.80mL35%的甲醛+5mL甲醇），继续回流2h，有浅蓝色沉淀生成，溶液为蓝紫色。反应结束后，将反应液冷却，抽滤，用少量甲醇洗涤固体产物，干燥后得浅蓝色粉末，称量，计算产率，用红