（有机化学专业论文）新型二茂铁基喹啉衍生物的合成、表征及其性质的研究.pdf

liiiii m in l f llllllm i y 17 6 新型二茂铁基喹啉衍生物的合成、表征及其性质的研究 摘要 专业：有机化学申请者：张海峰导师：杨定乔教授 本文简要介绍了二茂铁化学与喹啉衍生物的研究进展。二茂铁及其衍生物的 独特结构，以及表现出的许多特殊的性质，己使其广泛应用于电化学及光电功能 材料，生化与医药方面，催化等方面。根据文献的查阅，我们设计合成了二茂铁 喹啉衍生物5 a 5 t ，并对其进行了光谱性质与生物活性的研究，设计合成了1 1 二取代二茂铁膦氮化合物3 p a - 3 p d 。 以二茂铁为原料，经过酰化，与邻氨基芳香醛衍生物在乙醇钠催化下发生 f r i e d l f i n d e r 缩合反应，合成了一系列二茂铁基喹啉衍生物5 a 5 t 。二茂铁经过锂 化，单膦化，未取代茂环酰化与邻氨基芳香醛衍生物在乙醇钠催化下发生 f r i e d l f i n d e r 缩合反应合成了l ，l 二取代二茂铁膦氮化合物3 p a - 3 p d 。所合成的目 标化合物5 a 5 t 与3 p a 3 p d 均通过了m s ，i r ，1 hn m r ，1 3 cn m r 和元素分析 测定和结构表征。并对化合物5 e ，5 q , 3 p b 进行了单晶培养，用* 射线衍射确定 了其绝对立体构型。 本文还对二茂铁喹啉衍生物5 a 5 t ，通过紫外吸收光谱与荧光发射光谱进行 了该系列化合物溶液光谱性质的研究，在紫外区域有较好的吸收并且在红光区 有明显的发射；通过紫外滴定光谱法对其与小牛胸腺d n a ( c t d n a ) 的相互作 用进行了初步研究，得含有供电子取代基的二茂铁喹啉衍生物具有良好的减色效 应，减色率高达7 3 。 关键词：二茂铁基喹啉衍生物合成性质研究 s t u d yo ns y n t h e sis ，c h a r a c t e riz a tio na n dp r o p e r tle so f n o v e lf e r r o c e n y l q uln o lin ed e riv a tiv e s m a j o r ：o r g a n i cc h e m i s t r yn a m e ：z h a n gh a i f e n gs u p e r v i s o r ：y a n gd i n g q i a o a b s t r a c t i nt h i s p a p e r , t h er e c e n tp r o g r e s s i nf e r r o c e n e c h e m i s t r ya n dq u i n o l i n e d e r i v a t i v e sw e r er e v i e w e d b e c a u s eo ft h e i ru n i q u es t r u c t u r e s ，t h ef e r r o c e n ea n di t s d e r i v a t i v e sb e h a v e dm a n y s p e c i a lp r o p e r t i e s ，a n dt h e yh a v eb e e nu s e di nm a n ya r e a s ， s u c ha se l e c t r o n i cc h e m i s t r y , n o n l i n e a ro p t i c s ，m e d i c i n e ，c m a l y s tc h e m i s t r y , e ta 1 a c c o r d i n gt o al o to fm a t e r i a l s ，w ed e s i g n e dt h es y n t h e s i so fas e r i e so fn o v e l f e r r o c e n y l q u i n o l i n ed e r i v a t i v e s5 a - 5 t ，a n ds t u d i e dt h ep h o t o p h y s i c a lp r o p e r t i e sa n d t h eb i o l o g i c a la c t i v i t yo ft h ec o m p o u n d s ；m o r e o v e r , w ea l s os y n t h e s i z e df o u rn o v e l f e r r o c e n ep , nl i g a n d3 p a 一3 p d w eu s ef e r r o c e n ea st h es t a r t i n gm a t e r i a lf o l l o w e db ya c y l a t i o n , f r i e d l 孙d e r c o n d e n s a t i o nr e a c t i o nw i md a m i n o a r y l a l d e h y d ei nt h ep r e s e n c eo fs o d i u me t h o x i d e t o p r e p a r eas e r i e so fn o v e lf e r r o c e n y l q u i n o l i n ed e r i v a t i v e s5 a - 5 t w ea l s ou s e d f e r r o c e n ea st h es t a r t i n gm a t e r i a lf o l l o w e db yl i t h i a t i o n ，a c y l a t i o no fu n s u b s t i t u e d c y c l o p e n t a n e n er i n g ，f r i e d l i i n d e rc o n d e n s a t i o nr e a c t i o n 、) i r i t l ld - a m i n o a r y l a l d e h y d et o s y n t h e s i z ef o u rn o v e lf e r r o c e n ep , nl i g a n d3 p a - 3 p d a l lt h ec o m p o u n d so f5 a - 5 ta n d 3 p a - 3 p da r ei d e n t i f i e da n dc h a r a c t e r i z e db ye s i m s ，i r ，n m r ( t ha n d1 3 c ) a n d e l e m e n t a la n a l y s i s f o r t u n a t e l y ，t h r e eo ft h ec o m p o u n d s ( 5 e ，5 qa n d3 p b ) c o u l db e g r o w ni n t os i n g l ec r y s t a l s a n dt h e i ra b s o l u t ec o n f i g u r a t i o n sh a v eb e e nd e t e r m i n e db y i i i nt h i sp a p e r , p h o t o p h y s i c a lp r o p e r t i e so fn o v e lf e r r o c e n y l q u i n o l i n ed e r i v a t i v e s 5 a - 5 tw e r et h o r o u g h l ys t u d i e d u v - v i sa n ds t e a d y - s t a t ef l u o r e s c e n c es p e c t r as h o w t h a tt h e s ec o m p o u n d sh a r v e s te n e r g yi nt h eu l t r a - v i o l e tr e g i o na n dg i v er e de m i s s i o n s i nd i f f e r e n to r g a n i cs o l v e n t f u t h e r m o r e ，t h eb i n d i n ga c t i v i t i e st o w a r dc a l ft h y m u s ( c dd n ao f ( 5 a s ow e r ea l s oi n v e s t i g a t e db ym e a n so fs p e c t r o p h o t o m e t r i ct i t r a t i o n s a n dt h er e s u l ts h o w e dt h a tt h ef e r r o c e n y l q u i n o l i n ed e r i v a t i v e sc o n t a i n i n ge l e c t r o n d o n o rg r o u p sh a v es i g n i f i c a n th y p s o c h r o m i ce f f e c t k e yw o r d s ：f e r r o c e n y l q u i n o l i n ed e r i v a t i v e s s y n t h e s i sp r o p e r t i e ss t u d y i i i i v 目录 摘要i a b s t r a c t i 】 第一章绪论1 第一节二茂铁化学简介1 第二节二茂铁及其衍生物的应用5 第三节喹啉衍生物研究进展1 1 第四节二茂铁及其衍生物的谱学特征1 4 第二章二茂铁基喹啉类衍生物的合成及结构表征l5 第一节研究内容及设计合成路线15 第二节主要仪器及化学试剂16 第三节二茂铁基喹啉衍生物的合成及结构表征l8 第四节结果与讨论3 2 第三章二茂铁基喹啉衍生物性质初探4 3 第一节前言4 3 第二节二茂铁基喹啉衍生物光谱性质研究4 4 第三节二茂铁基喹啉衍生物生物活性研究5 0 第四章二茂铁基膦氮配体的设计与合成5 3 第一节前言5 3弟一节刖吾5 3 第二节合成路线设计5 5 第三节1 ，”二取代二茂铁r n 配体的合成5 6 第四节结果与讨论6 2 v 参考文献6 7 全文总结7 2 攻读硕士学位期间发表的论文7 3 致谢。7 4 附图一m s 谱7 5 附图二ir 谱图8 7 附图三1 hn m r 谱图和1 3 cn m r 谱图1 0 0 新型二茂铁基喹啉衍生物的合成、表征及其性质的研究 1 1 二茂铁的发现 第一章绪论 第一节二茂铁化学简介 1 9 5 1 年，k e m y 和p a u s o n 等【1 】利用格氏试剂环戊烯基溴化镁( c 5 h 5 b r m g ) 与三氯化铁( f e c l 3 ) 反应合成富瓦烯( f u l v m e n e ) 时，意外地发现了双环戊二烯 基铁( c 5 h 5 f e c 5 h 5 ) 。虽然由于当时条件的限制，未能确定其结构，但他们还是 将这一成果发表在1 9 5 1 年底的n a t u r e 杂志上。1 9 5 2 年初，zc h e m s o c 杂志上 也发表了m i l l e r 等【2 】人合成了这种物质的论文。这些报道激发了许多化学家的极 大兴趣。w i l k i n s o n 掣3 】人通过红外光谱、磁化率及偶极距等的测定，判定该物 质具有夹心结构。f i s c h e r 等【4 】通过x 射线衍射的研究，提出该物质具有五角反棱 柱的结构。通过这些研究确定该物质是一个夹心结构( s a n d w i c hs t r u c t u r e ) 的金 属n 络合物，具有芳香性，从而命名为二茂铁( f e r r o c e n e ) 。二茂铁的发现与 键型的夹心结构的阐明，使金属有机化学的发展出现了一个飞跃，从此金属有机 化学逐渐成为一个独立的分支学科，w i l k i n s o n 和f i s c h e r 荣获1 9 7 3 年的诺贝尔 化学奖。经过五十多年的研究，大量新型的二茂铁衍生物在实验室中合成成功， 同时对二茂铁及其衍生物的应用研究也不断深入，使二茂铁化学得以长足发展， 成为金属有机化学的热门领域之一。直至现在，探索二茂铁及其衍生物的新的合 成方法，新的结构类型，新的理化性质，谱学规律和新的化学反应，合成新的二 茂铁衍生物，扩大其应用领域仍是二茂铁化学的基本研究内容。 1 2 二茂铁的制备 从二茂铁被发现以来，二茂铁的制备方法多种多样，但概括起来主要有两类： 化学合成法和电解合成法。 化学合成法主要是将环戊二烯脱质子，然后再与氯化亚铁反应从而合成二茂 铁。如环戊二烯钠法就是用钠或者氢氧化钠先与环戊二烯制成环戊二烯钠与氯化 亚铁在t h f 中反应制得二茂铁【5 】；二乙胺法就是环戊二烯在有机碱- - 7 , 胺的存 新型二茂铁基喹啉衍生物的合成、表征及其性质的研究 在下直接与亚铁盐反应，产率可达8 0 以上，是较好的实验室制法【6 】。 目前工业生产二茂铁主要采用电解合成法，这种方法具有连续操作的优点。 以碘化钠和环戊二烯混合溶液为电解液，在直流电的作用下，在阴极，n a + 得到 电子变成单质n a ，n a 置换出环戊二烯中的氢，使其变成环戊二烯负离子；而在 阳极f e 失去电子氧化为f e 2 + ，f e 2 + 再与环戊二烯基负离子反应便可以得到二茂 铁，生成的二茂铁用石油醚萃取出来，该方法收率高，副反应少，工艺简单能连 续生产，因此适合于大规模工业化生产【7 1 。 1 3 二茂铁的性质 1 3 1 二茂铁的物理性质 二茂铁分子式f e ( c s h 5 ) 2 ，结构式： 分子量1 8 6 0 4 ，外观为橙黄色针状结晶，熔点1 7 3 1 7 4o c ，沸点2 4 9o c ，1 0 0 0 c 以上能升华；具有高度的热稳定性，化学稳定性和耐辐射性；可溶于甲醇，乙醇， 乙醚，石油醚，二氯甲烷，苯等有机溶剂，不溶于水，但随水蒸汽蒸发，可用水 汽蒸馏法提纯【8 1 ，也可用正己烷进行索氏提纯。 1 3 2 二茂铁的化学性质 二茂铁在空气中可稳定存在，4 0 0o c 以下不分解，在碱性介质中稳定，在酸 性介质中易被氧化为蓝绿色二茂铁离子，该离子能以 1 3 ，b f 和f e c l 盐的形式 分离出来。 二茂铁在化学性质上与芳香族化合物相似： ( 1 ) 不易发生加成反应，即使在苯催化加氢的条件下也不被还原； ( 2 ) 易发生二茂铁环上的亲电取代反应，如甲酰化、酰基化反应、烷基化反应、 磺化反应、金属化反应。 二茂铁作为非苯芳香体系能够发生如下的取代反应： 一甲酰化反应 二茂铁与取代的甲酰胺在三氯氧磷存在下发生甲酰化反应，生成二茂铁甲醛 2 髫由 新型二茂铁基喹啉衍生物的合成、表征及其性质的研究 【9 1 。二茂铁甲醛可以发生芳香醛的特征反应而合成许多二茂铁衍生物。 二f r i e d e l c r a i t s 酰基化反应 在催化剂( 路易斯，质子酸) 的作用下，二茂铁与酰氯或酸酐反应得酰基化 的二茂铁。可以一元酰基化，也可以二元酰基化，由于酰基具有拉电子效应，能 钝化环戊二烯环，因而二元酰基化产物主要是l ，l 二酰基二茂铁。 三f r i e d e l c r a t t s 烷基化反应 二茂铁进行烷基化反应，可直接制得烷基二茂铁。由于烷基是推电子基团， 能活化茂环，因此，二茂铁发生f r i e d e l c r a f t s 烷基化反应，在得到单烷基物的 同时，也得到多烷基物。如想得到单烷基化的产物，可以通过f r i e d e l c r a f t s 酰 基化反应，而后再还原制得。 四磺化反应 制备二茂铁磺酸，在醋酸酐中以等摩尔氯磺酸；或在二氯甲烷中用等摩尔三 氧化硫二氧六环与二茂铁反应。当二茂铁与氯磺酸的摩尔比为l ：2 或者与三氧 化硫二氧六环的摩尔比为l ：3 时，可反应得1 ，l 双茂铁磺酸。 五氨甲基化反应 二茂铁与m m 四甲基二氨基甲烷在冰乙酸和少量磷酸中反应，得肛 二甲氨基二茂铁。二甲氨甲基二茂铁分子中的氨基与碘甲烷反应可生成季铵盐， 而季铵盐可与亲核试剂发生取代反应，制备多种二茂铁衍生物。另外，二甲氨基 甲基二茂铁在锂化时，分子中的氮原子由于可与邻位锂形成配位键，稳定邻位锂 化产物。因此，二甲氨基甲基具有定位和助锂化作用。当二甲氨基甲基二茂铁单 锂化时，得到2 锂化二甲氨基甲基二茂铁【1 0 1 ，当在t m e d a 存在下进行双锂化 时，得到2 ，l 二锂化二甲氨基二茂铁。由这两个锂化产物可以合成许多二茂铁 衍生物( 图1 1 ) 。 3 新型二茂铁基喹啉衍生物的合成、表征及其性质的研究 c h 2 ( n m e 2 ) 2 f e 一 专c h 3 c o o h , h 3 p 0 4 六金属化反应 色锂化反应 b u l i ) n m e 2 b u l i 图1 i 二茂铁氨甲基化反应 j c h 2 m e 2 譬彳 c h 2 n m e , 2 坠“ f f c t m e d a 铁l i 二茂铁能被正丁基锂金属化，一般得到二茂铁锂和l ，1 二茂铁双锂。二茂 铁锂是重要的中间体，可合成多种二茂铁衍生物( 图1 2 ) 。 ( i ) n u + b 氯汞化反应 ( 2 ) h 2 0 管b c 、 2 。 一 上c o h 2 0 。f c n h 2 f c c l f c o c o c h 3 - - - - - - - - - f c o h h 2 0 f c - f c 图i - 2 二茂铁锂化反应 9 一 和一 c 需书 繁专 新型二茂铁基喹啉衍生物的合成、表征及其性质的研究 c 钠化反应 令h r e 专 f c 2 h g 图1 3 二茂铁氯汞化反应 二茂铁与苯基钠或戊基钠反应， 它的性质与锂化二茂铁的性质类似， c 生成单和l ，l 一双钠化二茂铁的混合物【1 2 1 。 但反应的活性比锂化二茂铁更高。 第二节二茂铁及其衍生物的应用 二茂铁衍生物具有可逆氧化还原性，热稳定性，富电子性，低毒性，电，光， 磁等性能，同时又具有优良的加工性能，含二茂铁功能材料具有极大的应用前景 1 3 1 。本文仅就二茂铁衍生物在以下几个方面的应用作一简要的概述。 2 1 在电化学及光电功能材料方面的应用 二茂铁衍生物，作为可以通过外部调节来控制氧化还原开关效应或传感体系 的物质，其在光电与分子识别领域的研究一直备受关注【1 4 】。极化的二茂铁衍生 物具有独特的电化学及光学特性，连接吸电子基共轭体系的二茂铁衍生物表现出 很大的二阶非线性光学响应【”】。1 9 8 6 年f r a z i e r 等 1 6 】首次报道有关金属有机化合物 的非线性光学性质以来，金属有机非线性光学材料由于超极化率大，响应快，结 构和品种多样性及易进行分子修饰等优点，近年来引起人们浓厚的兴趣，并正以 惊人的速度向材料科学的各个领域渗透。1 9 8 7 年g r e e n 首次报道了具有较大s h g ( - - 次谐波产生) 系数的二茂铁衍生物( 其代表化合物见图1 4 所示) 。 新型二茂铁基喹啉衍生物的合成、表征及其性质的研究 该类化合物将含有供电子的二茂体基团与吸电子的苯环衍生物联接在共轭体系 的两端，在分子设计层面上，给具有非线性光学性质的化合物建立了结构模型。 之后，一系列的具有相似结构的二茂铁衍生物相继合成，使得二茂铁衍生物成为 金属有机中一个比较活跃的新兴研究领域，在二阶n l o 领域里有巨大的潜在应用 价值【1 1 7 1 。在非线性材料中，电子在特定方向上发生移动，在给体受体共轭分子 中，电子易偏向受体而不是给体，这种对线性极化效率的额外作用称为超极化效 应，它是光学非线性效应的根源。给体受体型二茂铁衍生物在共轭体系的两端 分别连有电子给体和受体，这样更易于发生分子内电荷转移，能有效地诱导体系 的非对称极化，使共轭体系尽可能地得到扩展和延伸，因而分子具有较大的非线 性极化率。a l a i n 等【l8 】合成含有杂环受体的二茂铁衍生物，实验证明与理论设计 相吻合，该类化合物也具较高的非线性极化率。( 图1 5 ) f n r 认纩丫、 f e匕之 b r 东南大学的钱鹰合成了一系列具有电子给体一受体结构的二茂铁衍生物，测定了 这些化合物的二阶非线性极化率，并描述了它们的溶致变色效应，系统地研究了 分子的给体一受体强度，共轭长度及共轭体系的平面性等结构因素与分子二阶非 线性极化率的关系【19 1 。( 图l 一6 ) 拿f e 卅o c h ，拿f e y 铡拿奴- l 、一l u 2 h 1f ef el l 浙江工业大学的宋庆宝通过偶联反应以及蒲忠伟等通过w i t t i n g 缩合反应合成了 一系列二茂铁衍生物，在金属有机非线性光学材料中有着潜在应用价值【2 0 1 。( 图 6 q n 囝h 夕 图 繁专 新型二茂铁基喹啉衍生物的合成、表征及其性质的研究 劬夕n f e 键 o o 图卜7 种兰州) 沪 够 二茂铁与缺电子的富勒烯通过共价键结合所形成的化合物，也可以实现分子 内的电荷转移，在制备二阶非线性光学材料中有着重要的意义。最近报道了，二 茂铁与富勒烯的络合物在一定条件下可制备成六边形纳米片，其也显示出一定的 光学性质，在设计分子器件方面有着潜在的意义【2 。利用二茂铁基团的可逆氧 化还原特性，则有可能通过可逆的电化学来控制其衍生物的光化学特性，实现氧 化还原开关效应，这类氧化还原开关材料在电致变色、光电记忆和光通讯领域具 有较大的应用价值【2 2 1 。二茂铁化合物在阳离子和阴离子识别中也有较好的应用 【2 3 】。w a n g 掣冽报道了，由二茂铁甲酰基丙酮与1 ，2 苯二胺合成的双亚胺化合物， 对c u 2 + 有明显的识别作用，当c u 2 + 浓度高于双亚胺化合物浓度两倍时，化合物 的荧光发射就会萃灭，因而也具有分子开关效应。浙江大学的王丽设计合成的二 茂铁衍生物在二氯甲烷溶液中，利用电化学方法可很好的识别h 2 p 0 4 - 2 5 1 。二茂 铁单元分子树络合物电化学行为及其应用研究表明，具有氧化还原可逆性的二茂 铁及其衍生物是分子树络合物较常见的金属络合物，这些化合物可用作均相的多 电子催化体系和改进电极表面的材料，包含多个与有机核相近的二茂铁单元的化 合物可起到阴离子传感器的作用瞄】。二茂铁酰基衍生物可制成聚合物膜修饰电 极，对矿浓度有很快的电位响应，而且呈直线关系，可作为电位传感器【2 7 1 。二 茂铁甲酸被广泛用于修饰多种氧化还原酶，特别是葡萄糖氧化酶( g o d ) ，二 茂铁甲酸与g o d 生成f c g o d ( f c 表示二茂铁) ，已用于制作安培葡萄糖生物 传感器。二茂铁乙酸以共价键接在葡萄糖酶上，得到介质改良酶，对葡萄糖有很 好的反应性，且酶电极的储存稳定性好【2 8 1 。二茂铁环糊精化合物己成功应用于 电化学基因检测器。2 0 0 9 年，j u a n 掣2 9 1 将二茂铁叠氮化合物与d 环糊精通过链 结反应合成了f c - 1 3 c d ( f c ：f e r r o c e n e ，c d ：c y c l o d e x t r i n e ) ，此物质可进行水溶液中 的电化学性质的研究，这在水溶液中实现电化学分子识别有着特别重要的意义。 2 2 在生化与医药方面的应用 二茂铁衍生物具有疏水性，能顺利通过细胞膜，与细胞内的各种酶、d n a 、 7 新型二茂铁基喹啉衍生物的合成、表征及其性质的研究 r n a 等物质作用，因而有可能作为治疗某些疾病的药物；二茂铁衍生物具有氧化 还原可逆性，在生物酶的作用下，能参与各种代谢作用；二茂铁衍生物具有芳香 性，易于发生取代反应，其夹心结构又具有一定的厚度，能阻止二茂铁衍生物接 近某些酶的活性部位，有选择性；二茂铁衍生物稳定性较好，毒性较低。基于以 上特性，使二茂铁衍生物具有抗肿瘤、杀菌、杀虫、治贫血、抗炎、调节植物生 长、抗溃疡、酶抑制剂等生理活性。 1 9 9 4 年，k a t t i 等【3 0 1 合成了f e ( i i ) p d ( i i ) 杂三金属有机化合物 ( f c c h n n c h 3 ) 2 p ( e ) r p d c l 2 ( r = m e ，e t ，p h ，e = o ；r = o e t ，e = s ) 】；n e u s e 等【3 1 1 由二茂 铁甲醛与乙二胺合成了一种结构类似于顺铂的配合物 f c c h ( c h 3 ) n h 3 】2 p t c l 2 ，它 们均为潜在的抗肿瘤试剂。具有c i s 一【( d p p f ) p t ( x ) ( y ) ( 其中x = o r y ；d p p f = l ，l 双 ( 二苯膦基) 二茂铁) 结构的化合物也有抗癌活性【3 2 】，此外，由二茂铁制得的衍 生物还可用作抗溃疡药物和治疗严重的鼻咽疾病等【3 3 】。r o s e n f e l d 等【3 4 】合成了四 个含二茂铁的二氨基丙二酸合铂的配合物，均具有相当高的抗白血病活性，而且 其肾毒比c i s d d p 低得多。 铁是血红蛋白的一种成分，血红蛋白的机体生命活动的基础。过去采用无机 铁试剂治疗机体中缺铁的病人，效果不佳，并引起一系列副作用。而二茂铁通过 亚甲基同叔烷基、仲烷基和己基相连的同系物具有抗贫血性，是一种非常有效、 毒性较小的药物；二茂铁醇化合物同硫化氢相互作用，生成环硫醚二茂铁，也可 用于治疗贫血，2 硫代 3 】二茂铁环烷治疗贫血症己做了动物实验；还可用于合成 的确良、丙氨酸、谷胱甘肽、二茂铁青霉素、二茂铁头孢等。 二茂铁衍生物可用作杀虫剂和杀菌剂。1 9 7 6 年e d w a r d 在青霉素和头孢菌素 上引入二茂铁酰基后，其杀菌活性大提高；苯甲酰二茂铁是有效的杀微生物剂， ( 3 ，4 二甲基) 苯甲酰基二茂铁可用于杀灭黄瓜霉菌。二茂铁拟除虫菊杀虫剂 是二茂铁硫醚的环烷酸酯；由苯甲酰基二茂铁和l ，l 二苯甲酰基二茂铁炔基锂 合成的二茂铁羟基炔衍生物也具有较强的杀菌活性。此外，含二茂铁甲酰基的硫 脲衍生物均具有一定的植物生长调节活性和杀菌活性。 2 3 在催化方面的应用 随着对二茂铁化学研究的不断深入，二茂铁配体的开发也得到不断的发展， 新型二茂铁基喹啉衍生物的合成、表征及其性质的研究 设计合成出许多优良配体。二茂铁配体可分为，非手性二茂铁配体与手性二茂铁 配体，它们在与有机金属配合所形成的催化剂在各类有机反应中显示出了较优的 催化活性，这也是二茂铁化学快速发展的原因之一。 1 ，1 - b i s ( d i p h e n y i p h o s p h i n o n o c e n e d p p f ，就是一出色的非手性配体，其广 泛应用于有机金属催化的交叉偶联反应，氢甲酰化反应，氢化反应以及硅氢化反 应 3 5 1 。二茂铁j o s i p h o s 型配体的应用己达到工业化水平：该类型配体与r h ( i ) 配合物己作为合成v i t a m i n eh 中间体( + ) - b i o t i n 的催化剂；i r - x y l i p h o s 作为催化 剂催化不对称氢化合成了h i b i c i d e ( 除草剂) 的前体( s ) m e t o l a c h l o r , 并成功的实现了 工业化【3 6 】。( 图1 8 ) 图1 8 二茂铁作为手性配体的骨架有以下优点网： ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) 适度的分子刚性：手性配体的分子骨架要有一定的刚性，以提供相应的手 性环境。因而，具有一定刚性的环状化合物常用作基本架构。二茂铁就是 具有这种刚性的独特环状化合物。 易于衍生化：二茂铁分子中的环戊二烯环是富电子的，易于发生亲电取代 反应。二茂铁反应速率是苯的3 1 0 6 倍。 平面手性：如果一个茂环上同时被两个不同基团取代，那么二茂铁骨架就 9 新型二茂铁基喹啉衍生物的合成、表征及其性质的研究 提供了附加的平面手性。 ( 4 ) 空间位阻：在进行区域选择或对映选择时，合适的空间位阻是非常必要的。 二茂铁骨架就具有这种空间屏蔽作用。 ( 5 ) 区域电子效应：负电荷的茂环富于二茂铁具有供电子的特性。例如：二茂 铁基胺的碱性强于苯胺；而二茂铁基羧酸的酸性却比苯基羧酸弱。另外， 在催化体系中二茂铁中的铁原子可能在某种程度与诱导催化的金属有相 互作用。 ( 6 ) 稳定性：二茂铁具有热稳定性，而且对氧气与湿汽稳定。 ( 7 ) 二茂铁己商业化且便宜。 基于上述的特性，二茂铁配体己成为有机金属不对称催化反应中一类重要的 配体之一。二茂铁配体根据配位原子的不同可分为，单p ，n ，s ，o ，s i 等配 体，双p ，n 等配体，n ，p 和n ，s 等配体；根据手性源不同可分为，中心手 性和面手性配体，但通常二茂铁配体都同时具有中心手性与面手性；根据茂环上 取代基的数目，可将其分为单取代二茂铁配体，双取代二茂铁配体，多取代二茂 铁配体【3 8 】。( 图1 9 ) 二茂铁手性配体在不对称氢化反应、羰基不对称合成反应、 烯丙基反应、交叉偶联反应、不对称a l d o l 反应中应用广泛。随着对二茂铁配体 结构不断修饰、改进，手性二茂铁配体将在不对称合成手性药物、天然产物等许 多领域发挥更大作用。 单取代二茂铁配体 r - r 彰k f e o 、 n 工 f e 孔p ，o r i n e t 2 1 0 1 ，1 i - 二取代二茂铁配体 r n 人r o 、 f e x 洲 哩q r譬 r b ：r 新型二茂铁基喹啉衍生物的合成、表征及其性质的研究 _ - 。pl i g a n d s _ _ - 。 1 2 - 二取代二茂铁配体 p 。pl i g a n d s 签暮拳删k 彩 p ，nl i g a n d s n n 萨1 r蓼蓼n 器夕。r 州吮f e 旷p r 一2 b a r 爹 w a l p h o s b o p h o z p ，ol i g a n d s 多取代二茂铁配体 蓼怕u 犁。，r o 、 霹r 薹2 科h 2 ； o 、 图1 - 9 二茂铁配体结构类型 另外，在添加剂、敏化剂方面，二茂铁具有2 个环戊二烯键结合的层状结 构，兀键结合对称分子所具有的芳环性质，使其有很高的辛烷值及抗爆性，在节 油、消烟、结炭、抗爆、提高辛烷值等方面有着重要的作用。 3 1 喹啉简介删 第三节喹啉衍生物研究进展 喹啉系萘氮杂化合物。即在1 位上n 原子替代了c h ，故又称氮杂萘，也可 以看成纯碳苯环和杂环吡啶并合而成，又称苯并毗啶，其为无色高屈光液体，有 特殊刺激性气味。喹啉在医药染料工业有着重要的应用。喹啉能发生亲电取代反 应，亲核取代反应，季铵化反应，氢化反应，氧化反应。( 图1 1 0 ) 蓼一 新型二茂铁基喹啉衍生物的合成、表征及其性质的研究 季铵化 图1 1 0 喹啉的反应 分子中喹啉结构单元的构建可由多种化学方法合成，传统的方法如诸多的以 人名命名的反应，s k r a u p ，d o e b n e r - m i l l e r , r i e h m ，c o m b e s ，c o n r a d l i m b a c h ，k n o r r , f r i e d l s n d e r , p o v a r o v , c a m p s ，n i e m e n t o w s l ( i ，g o u l d j a c o b s ，a n dp f i t z i n g e r 等【4 0 1 。现 代也出现了新的方法合成喹啉衍生物【4 l 】，如芳香亚胺与醛在酸或碘催化下合成 喹啉环，改进的f r i e d l f i n d e r 反应，利用邻氨基芳基醇与含活泼亚甲基的羰基化 合物在有机金属催化条下合成喹啉衍生物。我们实验室用f r i e d l i i n d e r 方法合成 大量喹啉衍生物4 2 1 ，并进一步做了生物活性探究，取得了良好的结果。 3 2 喹啉衍生物的应用 喹啉衍生物以其特殊的化学活性和生理活性，广泛应用于配位化学、金属有 机化学、材料化学、染料、医药、分子生物学、农药等领域【4 3 1 。 二茂铁膦氮配体( 图1 1 1 ) 在铑催化硼氢化反应以及钯催化烯丙基烷基化反 应中显示出一定催化活性【4 4 1 。手性烷基取代的l ，1 0 菲咯啉衍生物( 图l 一1 2 ) ，它 能与铑和铜络合，作为手性催化剂用于不对称有机合成【4 5 1 。 图1 - 1 1 1 2 图1 - 1 2 $ 新型二茂铁基喹啉衍生物的合成、表征及其性质的研究 喹啉衍生物具有杀菌、抗菌、消炎镇痛、抗高血压、抗抑郁、抗过敏、抗肿 瘤和抗癌等生物活性和药理活性矧。如：人们已经从喜树中提取出具有抗癌作 用的喜树碱( c a m p t o t h e c i n ) 在罂粟中发现的吗啡( m a r p h i n e ) 是异喹啉环类化 合物，其盐酸盐在临床上用作强效镇痛药。( 图1 1 3 ) c a m p t o t h e c i n m o r p h i n e 图1 1 3 医药领域，喹啉衍生物很早就被用作抗疟药物，取得了辉煌成就，成为抗疟 药物史上的一个重大突破，其抗疟作用机制丰要通过：改变疟原虫生长环境；抑 制溶酶体酶的活性；与d n a 双螺旋链相互作用或抑制d n a 和r n a 聚合酶，从 而抑制原虫增殖；对疟原虫产生毒作用等。 部分喹啉类衍生物是重要的有机电致发光材料。电致发光 ( e l e c t r o l u m i n e s c e n c e ，e l ) 也叫场致发光，是一种直接由电能转化为光能的发光 现象，即荧光体在外加电场的作用下的自发光现象。1 9 8 7 年美国柯达公司的邓 青云等人首次以8 羟基喹啉铝( a l q 3 ) 作为发光层，得到了直流低电压驱动下的 高亮度有机电致发光器件。8 羟基喹啉铝( a l q 3 ) ( 图1 1 4 ) 是重要的有机电致 发光材料，它在器件中作为发光层发射绿光，具有荧光效率高、成膜性好、易提 纯、热稳定性优良等特点，广泛用于有机电致发光器件作为发光层或电子传输层 材料【5 】。而8 羟基喹啉与其他金属，如z n 、m g 、b e 、g a 等的配合物也具有较 好的发光性能，并且可以发射不同颜色的光。如8 羟基喹啉锌( z n q 2 ) 的发光 颜色为黄光；8 羟基喹啉铍( b e q 2 ) 与8 一羟基喹啉铝发光相似等6 1 。说明喹啉类 衍生物在发光材料中具有广泛的发展前景。 o ， 5 哿 图1 1 4 新型二茂铁基喹啉衍生物的合成、表征及其性质的研究 第四节二茂铁及其衍生物的谱学特征 红外、紫外一可见光谱 b o s e u b l u m e 4 7 】曾对二茂铁衍生物的红外光谱总结出可作为结构鉴定依据的规则， 它们是： ( 1 ) 1 1 0 0 1 0 0 0 规则：二茂铁在3 0 1 0 ，1 4 2 0 ，1 1 0 0 ，1 0 0 0 和8 2 0c m - 1 处有振动 吸收峰，如果有一个茂环未被取代，就会出现l1 0 0 和1 0 0 0c n l j 特征吸收峰；若 两个茂环均被取代，则两峰消失； ( 2 ) 9 1 7 规则：1 , 2 二取代二茂铁在9 1 7c n l j 处有一个中等强度的吸收峰； ( 3 ) 9 1 7 9 0 5 规则：1 ，3 二取代二茂铁在9 1 0c l n 。附近出现双重峰。 以上第一规则己得到广泛的应用，1 1 0 0 和1 0 0 0c n l 1 峰的位置比较固定，随 取代基的改变无明显变化，但指纹区的吸收峰较多，特征峰不强，因而在用9 1 7 和9 1 7 9 0 5 规则来鉴定二茂铁化合物结构时要特别小心。 二茂铁在低能区的紫外吸收主要有2 条即3 2 5n l i l 和4 4 0n l t l 。如果在茂环上 引入共轭基团，紫外光谱吸收峰的位置将有明显红移。通过扩展的休克尔分子轨 道计算表明：二茂铁衍生物紫外吸收谱带中低能带为金属到配体的轨道的电荷转 移跃迁，高能带为配体的奉的电荷转移跃迁【4 8 1 。 核磁共振氢谱 二茂铁由于取代基的诱导作用，改变了同环质子的化学环境，使它们在不同 的磁场下发生共振。含二茂铁基的金属配合物则因取代和络合的双重作用，更能 在1 hn m r 谱上反映出质子的环境的差别，从而得出取代及络合后的相互影响。 ( 1 ) 如果二茂铁上含有单取代的吸电子基团，则6 ( t 1 5 c 5 i - h ) 6 ( 1 1 5 - c 5 h 5 ) ， 如查联有单取代的给电子基团，则6 ( 1 1 5 一c 5 i - h ) ( r l s - c 5 h 5 ) ； ( 2 ) 如果是同环取代，且综合结果表现为给电子性质，则 i ( r l s - c 5 h 4 ) ( 7 5 - c 5 h 5 ) ； ( 3 ) 如果是异环取代，当取代基相同时，两个t 1 5 c 5 h 4 共振峰重叠； 1 4 新型二茂铁基喹啉衍生物的合成、表征及其性质的研究 ( 4 ) 含有取代基的茂环上的质子有不同的化学环境； ( 5 ) 络合后，环上的质子一般都向低磁场移动。 第二章二茂铁基喹啉类衍生物的合成及结构表征 第一节研究内容及设计合成路线 二茂铁取代基与杂环化合物( 喹啉) 结合，把两种具有广泛化学活性和生物 活性的分子聚集到同一分子中实现其活性的叠加，对于探索并合成一类具有新型 光电性质的材料或低毒和广谱生物活性的新衍生物是很有意义的。我们设计合成 了一系列二茂铁喹啉衍生物。 1 中间体邻氨基芳基醛的合成路线： 新型二茂铁基喹啉衍生物的合成、表征及其性质的研究 2 目标化合物二茂铁喹啉衍生物的合成路线如下： r r c h o 吣每 n h 2 + 妄占瓜 3 a - e4 a c 3 a ：r i = r 2 = r 3 = r 4 = h 3 b ：r i = r 4 = m e o ，r 2 = r 3 = h 3 c ：r i = r 4 = h r 2 = r 3 = m e o 3 d ：r i = r 3 = r 4 = h r 2 = c i 3 e ：r i = r 3 = h ，r 2 = r 4 = b r r r 伽o + 丫篙o u 。 +e n i - 1 2r 酬r 3 a - e 4 d e 3 a ：r i = r 2 = r 3 = r 4 = h 3 b ：r l = r 4 = m e o r 2 = r 3 = h 3 c ：r l _ r 4 = h r 2 = r 3 = m e o 1 1 主要仪器 e t o n a ，( 3 0m m 0 1 ) r e t o h ，r e f l u x r e t o n a ，( 3 0r e t 0 0 1 ) e t o h ，r e f l u x 5 a o 第二节主要仪器及化学试剂 r 1 r 3 r 2 新型二茂铁基喹啉衍生物的合成、表征及