DOTA与二价锌、镉和汞形成的复合物：X射线和固态核磁共振研究及溶液异构性

《Dalton Transactions》：DOTA complexes with divalent zinc, cadmium and mercury: X-ray and solid-state NMR studies and solution isomerism

研究DOTA大环配体与Zn2?、Cd2?和Hg2?的配合物，发现金属离子尺寸影响配位数动态变化。X射线晶体学显示Zn2?为六配位八面体，Cd2?和Hg2?为六配位+二配位或七配位，形成扭曲方反棱柱结构。固体核磁共振（ss-NMR）证实配位模式与X射线结构一致。溶液中通过变温13C NMR发现Zn2?配合物动态性最强，Cd2?和Hg2?次之，表明配位臂的快速协调-解离平衡。研究揭示了二价金属离子与DOTA的配位行为差异及其动态特性，为开发医用大环配合物提供依据。

　　DOTA，即1,4,7,10-四氮杂十二烷，是一种在配位化学领域中被广泛认为是“原型螯合剂”的大环配体。它的大环腔室能够适应多种金属离子的尺寸和配位需求，这使得DOTA在医学应用中具有广泛的适用性。然而，与三价金属离子（如镧系元素）形成的配合物相比，DOTA与二价金属离子（如Zn2?、Cd2?和Hg2?）形成的配合物研究相对较少。本研究聚焦于DOTA与这三种化学性质相似但离子半径不同、具有不同配位数（CN）的二价金属离子的配合物，以探讨其配位行为的尺寸依赖性，并进一步揭示其在结构和动态特性方面的表现。此外，研究还评估了固体态核磁共振（ss-NMR）在研究此类分子配合物结构中的潜力。

在固体态结构中，[M(dota)]2?阴离子表现出不同的配位模式。从Zn2?的八面体结构（CN 6）到Cd2?的扭曲方反棱柱（TSA）结构（CN 6 + 2），再到Hg2?的更复杂的配位模式（CN 6 + 1或6 + 2），这些结构显示出不同的配位几何。配位球室的结构因金属离子的尺寸差异而出现显著变化，这表明大环螯合剂的配位行为具有高度的可调性。同时，这些配体的羧酸基团也可能与Ba2?或Ca2?等反离子通过桥接模式进行配位，这进一步增加了结构的复杂性。固体态13C和1?N核磁共振数据与X射线衍射确定的结构相吻合，表明了配位模式的可靠性。

在溶液中，通过变温13C核磁共振光谱研究了配位球室的流动性。测量结果表明，与桥接配体相比，大环螯合剂的配位结构具有更高的刚性，而配体的悬挂臂由于配位模式的易变性表现出高度的流动性。这表明，尽管大环配体的主结构较为稳定，但悬挂臂的配位行为仍存在显著的动态变化。研究结果确认了DOTA类大环配体内部腔室的尺寸依赖性，这一特性与三价金属离子配合物中的观察结果有显著差异。

研究还发现，不同金属离子的配位行为对配合物的结构产生了重要影响。例如，Zn2?离子通常以六配位的八面体结构存在，而Cd2?和Hg2?离子则表现出更复杂的配位模式。在某些情况下，这些金属离子的配位数甚至可以达到七或八，这取决于悬挂臂的配位方式和反离子的参与。此外，Zn2?离子的配位结构与已知的某些其他大环配体的结构相似，而Cd2?和Hg2?离子的配位行为则表现出更大的差异性。这可能与金属离子的尺寸差异以及它们对悬挂臂的配位能力有关。

在固体态结构中，X射线衍射数据揭示了多种配位模式的共存。例如，在Ca[Hg(dota)]·9.5H?O中，Hg2?离子的配位模式呈现出一定的对称性，而在Ba[Hg(dota)]·8.5H?O中，Hg2?离子的配位模式更加多样化。这些结构表明，Hg2?离子在配位过程中表现出更高的灵活性，而Cd2?离子则相对稳定。此外，研究还发现，Hg2?离子的配位行为可能受到相对论性自旋-轨道效应的影响，这在13C和1?N核磁共振数据中得到了体现。

在溶液动力学方面，通过变温13C核磁共振光谱研究了这些配合物的动态行为。结果表明，所有配合物在低温下表现出高度的流动性，而在较高温度下则趋于稳定。这种流动性可能与配体悬挂臂的快速配位和脱配有关，而这种动态过程在固体态中则通过不同的配位数变化得以体现。研究还发现，不同金属离子的配位行为对13C和1?N核磁共振信号产生了不同的影响。例如，Hg2?离子的1?N信号显著高于Zn2?和Cd2?离子，这可能与Hg2?的相对论性效应有关。

此外，研究还探讨了ss-NMR在解析复杂配合物结构中的潜力。在某些情况下，当缺乏高质量的单晶X射线数据时，ss-NMR可以提供关键的结构信息。例如，通过13C CP-MAS ss-NMR，可以确定不同配合物中非等效的碳原子，而1?N ss-NMR则有助于识别非等效的氮原子。然而，在某些情况下，如Cd2?配合物中，1?N信号的重叠使得解析变得困难。因此，研究建议通过结合X射线衍射和ss-NMR，可以更全面地解析配合物的结构。

在合成过程中，研究采用了一种特定的合成策略，以确保获得所需的配合物。例如，通过将DOTA的两性离子与新鲜制备的金属氧化物/氢氧化物反应，可以避免引入额外的阴离子。这些中性配合物被隔离为微晶材料，并用于合成盐类。研究发现，某些配合物的单晶生长较为困难，但通过乙醇与水的蒸气扩散法，可以成功获得单晶样品。这些样品随后被用于ss-NMR测量，以进一步解析其结构。

研究还发现，不同金属离子的配位行为对配合物的结构产生了显著影响。例如，Zn2?离子的配位结构表现出一定的扭曲性，而Cd2?和Hg2?离子的配位结构则更加接近理想的TSA模式。此外，研究还发现，不同反离子的参与对配位结构产生了不同的影响。例如，Ba2?反离子的参与导致了更复杂的配位模式，而Ca2?反离子则对配位结构的影响较小。这些发现表明，金属离子的尺寸和反离子的性质在决定配合物结构方面具有重要作用。

研究进一步探讨了这些配合物的动态特性。通过变温13C核磁共振光谱，研究发现这些配合物在溶液中表现出高度的流动性，而在固体态中则呈现出不同的配位模式。这种流动性可能与配体悬挂臂的快速配位和脱配有关，而这种动态过程在固体态中则通过不同的配位数变化得以体现。研究还发现，不同金属离子的配位行为对13C和1?N核磁共振信号产生了不同的影响。例如，Hg2?离子的1?N信号显著高于Zn2?和Cd2?离子，这可能与Hg2?的相对论性效应有关。

最后，研究还探讨了这些配合物在生物材料中的潜在应用。例如，DOTA类大环配体的配位特性可能被用于设计具有精确结构的过渡金属离子交联生物聚合物，如藻酸盐和果胶。这些材料在材料科学中引起了广泛关注。此外，研究还建议通过系统研究其他重要的二价金属离子（如Fe2?、Mn2?和Cu2?）及其悬挂臂修饰的DOTA类似物，进一步完善当前研究中揭示的结构-性质关系。

综上所述，本研究揭示了DOTA类大环配体与不同金属离子的配位行为，以及这些行为如何影响配合物的结构和动态特性。通过结合X射线衍射和ss-NMR技术，研究为解析复杂配合物的结构提供了新的方法。此外，研究还强调了ss-NMR在解析难以获得单晶结构的配合物中的重要性。这些发现不仅有助于理解DOTA类大环配体的配位行为，还可能为未来设计新型生物材料和药物载体提供理论依据。