（物理化学专业论文）新型邻菲罗啉桥联长链多胺配合物.pdf

摘要 功能化多胺配体及其金属配合物的性质研究是配位化学中的一个重要的研究 领域。1 ，l o 一菲罗啉作为被人们广泛关注的配体，其金属配合物表现出了很好的 氧化还原、光氧化还原和催化性质，其在生物活性方面也具有一定的应用前景。 本文中合成了1 ，1 0 一菲罗啉桥联长链多胺配体并对其结构、热力学性质、催化磷 酸二酯及单酯水解动力学性质等方面进行了研究，取得了一些有意义的结果，具 体内容如下： 1 本文的合成由重要中间物1 ，1 0 一菲罗啉- 2 ，9 - - - 醛的合成出发，合成了两个 新的2 , 9 - - ( 1 ，1 一二取代一n 1 ，4 ，7 - 三氮杂辛烷基) 1 ，1 0 一菲罗啉配体l 1 、l 2 ( 甲 基、丙基) 。并对合成的配体做了元素分析、1 h _ n m r 谱的表征。 2 运用p h 电位滴定测定了配体l 1 、l 2 的质子化常数及其与过渡金属离子 z n ( i i ) 、c u ( i i ) 、n i ( i i ) 、c o ( i i ) 以及5 个镧系元素l a ( i i i ) 、n d ( i i i ) 、s m ( i i i ) 、e u ( i i i ) 、 g d ( i i i ) 形成配合物的稳定常数，解释其稳定性的差异，讨论配体与金属离子的相 互作用、不同金属离子、配体结构等的影响和配合物的稳定性，积累热力学数据， 并为进一步进行动力学等研究打下基础。 3 利用d u 一8 b 紫t b - 可见分光光度计和起始浓度法，进行了l l 、l 2 的l a ( i i i ) 、 g d ( i i i ) 配合物催化0 2 一羟丙基一07 4 一硝基苯酚磷酸二酯( h p n p ) 水解动力学 的研究，求出了催化速率常数，比较了不同金属离子和取代基的影响，提出了催 化机理。 4 利用模拟磷酸二酯水解酶相同的研究方法，进行了l 1 、l 2 的l a ( i i i ) 、g d ( i i l l 配合物催化0 一( 对一硝基苯酚基) 一磷酸单酯水解动力学的研究，求出了催化速率常 数，比较了不同金属离子和取代基的影响，合理的解释了实验结果并提出了相应 的催化机理。 关键词：1 ，1 0 一菲罗啉，配合物，热力学，动力学，磷酸二酯，磷酸单酯 a b s t r a c t m u c hc o n s i d e r a t i o nh a sb e e ni n t e r e s t e di nt h ef u n c t i o n a lp o l y a m i n e sa n d 也e i r c o m p l e x e s i n c o o r d i n a t i o nc h e m i s t r y t h e r ee x i t sc o n s i d e r a b l ei n t e r e s ti n 1 ，1 0 - p h e n a n t h r o l i n e a n di t s d e r i v a t i v e s ( e s p e c i a l l yn e o c u p r o i n e ) b e c a u s eo f t h e c a t a l y t i c ，r e d o x ，p h o t o r e d o x ，b i o l o g i c a la c t i v i t yp r o p e r t i e so ft h e s el i g a n d sw i t h t r a n s i t i o nm e t a l s i nt h i st h e s i s ，t w om u l t i d e n t a t e1 ，1 0 一p h e n a n t h r o l i n el i g a n d sw e r e s y n t h e s i z e da n dt h ep r o p e r t i e so fs t r u c t u r e ，t h e r m o d y n a m i c s ，k i n e t i c so fc a t a l y z i n g h p n p h y d r o l y s i sa n dn p ph y d r o l y s i sw e r es t u d i e d ，s o m en e wd i s c o v e r sa n ds i g n i f i c a n t r e s u k sh a v eb e e nf o a n d t h em a i nc o n t r i b u t i o n sa r ea sf o l l o w s 1 s t a r t i n g f r o m 2 , 9 一d i c a r b o x a l d e l ，1 0 一p h e n a n t h r o l i n e ，t w o n e w 1 ，1 0 一p h e n a n t h r o l i n eb r i d g e dp o l y a m i n el i g a n d s ( l 1 l 2 ) h a v eb e e ns y n t h e s i z e d a l lt h e n e wl i g a n d sw e r ec h a r a c t e r i z e db ye l e m e n t a la n a l y s i s hn m r s p e c t r o m e t r y 2 b yp o t e n t i o m e t r i cp ht i t r a t i o n ，t h ep r o t o n a t i o nc o n s t a n t so f t h el i g a n d sl 1a n d l 2 ，a sw e l la st h es t a b i l i t yc o n s t a n t so fc o m p l e x e so fc o ( i i ) ，n i ( i i ) ，c u ( i i ) ，z n ( i i ) a n d l a ( i i i ) 、n d ( i i i ) 、s m ( i i i ) 、e u ( i i i ) 、g d ( i i l lh a v eb e e nd e t e r m i n e d t h es t r u c t u r e so f t h e c o r r e s p o n d i n gc o m p l e x e sw e r ep r o p o s e da n dt h ea f f e c t i o no ft h es u b s t i t u e n t sa n dm e t a l i o n st ot h es t a b i t i t yo ft h ec o m p l e x e sw e r ed i s c u s s e d 3 t h eh y d r o l y t i ck i n e t i c so f2 - h y d r o x y p r o p y l 一4 一n i t r o p h e n y lp h o s p h a t e ( h p n p ) c a t a l y z e db yc o m p l e x e so fl ia n dl 2w i t hl a ( i i i ) ，g d ( i i i ) h a v eb e e ns t u d i e d b o t hl n l a n dl n l h ih a v ec a t a l y t i ca c t i v i t y , b u tl n l h 1i sm o r er e a c t i v et h a nl n li nh p n p h y d r o l y s i sr e a c t i o n n e wm e c h a n i s mw a sp r o p o s e df o rh p n ph y d r o l y s i sr e a c t i o ni n w h i c hc a t a l y z e db yl n la n dl n l h i ， 4 t h eh y d r o l y f i ck i n e t i c so f 4 - n i t r o p h e n y lp h o s p h a t ef n p p ) c a t a l y z e db y c o m p l e x e so f l1a n dl 2w i t hl a ( i i i ) ，g d ( i i i ) h a v eb e e ns t u d i e d t h es a m em e t h o dw i t h h p n pi su s e di n t h i s c h a p t e r n e wm e c h a n i s mw a sp r o p o s e df o rn p ph y d r o l y s i s r e a c t i o ni nw h i c hc a t a l y z e db yl n la n dl n l h 1 k e y w o r d s ：1 ，10 一p h e n a n t h r o l i n e ，c o m p l e x ，t h e r m o d y n a m i c s ，k i n e t i c s ，h p n p , n p p 南开大学硕士研究生毕业( 学位) 论文 第一章绪论 随着配位化学的发展，为了进一步深入研究配位化学，许多研究者合成了大 量新型配体，特别是近年来，出现了具有配位多样性的配体，可以形成不同空间 结构的配合物，极大丰富了配位化学的内容。由于生命体系的复杂多样性，许多 生命现象仍难以得到满意的解释。通过对新型功能性配合物的研究，可以对生命 过程中的一些现象加以认证和说明。新型功能性配合物的研究是具有重要理论意 义、应用范围广泛的基础研究。随着配位化学的发展和人们对生命科学研究越来 越大的兴趣，近些年来，涌现出了种类繁多、功能各异的新型功能性配合物。这 些新型功能性配合物多以开链或大环配体为母体，结合金属离子形成。 配位化学的飞速发展使得它在许多科学领域有着越来越广泛的应用。由于配 位化合物是无机和有机材料巧妙结合的物种，中心离子的多变( 配位数多变、半 径多变和价态多变) 和配体的可剪裁性使其在功能材料中发挥着越来越多的作用。 例如，电致发光中的八羟基喹啉铝和光电转化中的顺二( 异硫氰酸根) 二( 4 ，4 一 二羧酸一2 ，2 - 联吡啶) 合钌( i i ) 都是相应领域中的明星分子，对它们的研究经久 不衰 1 】。另外，在生命科学领域，无机化学的概念、理论和技术被应用到复杂的 生命过程1 2 , 3 , 4 】，配位化学所起的作用就更为突出。2 0 世纪后半叶，配位化学发 展到分子水平，可以用分子和电子观点解释生命过程中的一些现象。生物大分子 的分离、纯化和分析越来越成为困难不大的常规工作。各种先进物理实验技术的 广泛应用，也使得生物大分子结构的研究在多层次上取得进展。高度发展的无机 化学，特别是理论和方法日臻完善的配位化学己成为研究生物体内的金属元素状 态与功能的有力武器【5 i 。 1 11 ，1 0 一菲罗啉衍生物研究现状 1 ，1 0 一菲罗啉由于其结构上的特殊性在化学的各个领域有着广泛的应用，它的 结构是刚性的，两个氮原予处于相邻的位置，是很好的n 一电子受体，与金属离子 配位时能够形成反馈7 c 一键，特别可以稳定低价态的金属离子，对于过渡金属及镧 系金属离子都有好的配位能力。而且将1 ，1 0 一菲罗啉作为第二配体引入到多元配 合物中，既可以改善配合物的稳定性，同时又可能得到结构和性能新颖的新型材 南开大学硕士研究生毕业( 学位) 论文 料；通过在l ，1 0 一菲罗啉不同位置上引入取代基和官能团，改变l ，1 0 一菲罗啉的配 位结构，进而引入到冠醚、杯芳烃、环糊精和富勒烯等超分子体系中，发现了许 多具有新颖结构和性能的化合物，其中许多配合物表现出良好的光化学、电化学 和催化性质，其在生物活性方面也具有一定的应用前景。因此，近年来，对l ，1 0 一 菲罗啉及其衍生物的研究一直是化学家研究的热点；而且，对此领域的大量研究 工作刺激了合成工作的发展，1 ，1 0 一菲罗啉及其衍生物的合成方法也不断改善，使 其成为一大类方便易得的重要螯合配体。现将1 ，1 0 一菲罗琳及其衍生物作一简要 的综述。 1 ，1 0 一菲罗啉的功能化有三个典型的方案：( 一) c h a n d l e r 方案：2 , 9 二甲基 一1 ，1 0 一菲罗啉是1 ，l o - 菲罗啉进行功能化最重要的原料之一，这是由1 ，1 0 _ 菲罗啉结 构的特殊性决定的。早在1 9 8 1 年，c h a n d l e r 等人【6 】以2 , 9 二甲基1 ，1 0 菲罗啉为初 始原料，合成了一系列的2 ，9 _ 二取代一1 ，1 睢菲罗啉衍生物。作为2 , 9 一二甲基一1 ，1 0 菲罗啉功能化的重要中间物，1 ，1 0 _ 菲罗啉- 2 ，9 一二醛的合成就有数次改进。从8 0 年代初期至今，这个领域的合成工作一直在不断地发展着，己形成比较全面的合 成路线和方法。( 二) n e w k o m e 方案：n e w k o m e 等采用与c h a n d l e r 不同的两条路 线对2 , 9 二甲基一l ，l o 菲罗啉的甲基双功能化【7 j 和单功能化 8 进行了研究。由于此 类【：作的重要性，至1 9 9 3 年还有新方法合成报道【9 l 。( - - ) s a u v a g e 方案：随着超 分子化学的发展，l ，1 0 菲罗啉作为一种重要的“建筑模块”，其重要性日益受到重 视。许多结构新颖的超分子化合物都包含有1 ，1 0 一菲罗啉结构单元。s a u v a g e 等在 其2 位和9 位引入不同的酚基醚【1 0 1 ，然后进一步合成大环化合物和结构新颖的超 分子化合物。 另外，1 ，1 0 一菲罗啉可供功能化的位置很多，除以上三种方式外，还有其他的 方案。主要有：( 一) 5 位和6 位的氧化：1 ，1 0 一菲罗啉的5 , 6 位氧化成酮的产物是 合成多吡啶衍生物的重要原料，多年来人们通过各种方法以试图获得较好的产率。 产率较高的有三步法，但是这种方法当2 ，9 位取代基为c 1 时，反应不成功1 2 l 。 另外，g i l l a r d 等发展了一步法1 1 3 , 1 4 1 ，但是该法仅适用于1 ，1 0 一菲罗啉的配合物。 y a m a d a 等【12 j 在g i l l a r d 的基础上，进一步发展了一步法，达n t 几乎是定量的产 率，这可能是迄今为止所见到的最好的方法。( 二) 除l ，1 0 位外的其它位置上直 接卤化：s c h m i t t e l 等【i5 l 在1 9 9 8 年报道了一系列的1 ，1 0 一菲罗啉的卤代物的合成， 为进一步功能化提供了又一方向。t o r 等以1 ，l o - 菲罗啉为初始原料用一步法合成 南开大学硕士研究生毕业( 学位) 论文 了3 位和8 位的溴代物，且产率有较大提高，未反应的1 ，1 0 一菲罗啉可以回收。 s i e g e l 等进一步合成了非对称的2 ，8 位和2 ，9 位的卤代物。 近年来，人们合成了大量具有新颖结构和性能的1 ，1 0 一菲罗啉衍生物及其配合 物。主要分为以下几类：1 ) 、1 ，1 0 菲罗啉的普通开链衍生物及配合物；2 ) 、l ，1 0 一 菲罗啉参与形成的大环衍生物及配合物；3 ) 、含1 ，1 0 一菲罗啉的多吡啶衍生物；4 ) 、 1 ，1 0 菲罗啉的杯芳烃衍生物；5 ) 、1 ，1 0 一菲罗啉的c 6 0 衍生物；6 ) 、1 ，1 0 菲罗啉的环 糊精衍生物；7 ) 、1 ，1 0 菲罗啉的笼形衍生物；8 ) 、1 ，1 0 一菲罗啉的超分子衍生物及 配合物。 一、1 ，1 0 菲罗啉的普通开链衍生物及配合物 1 ，1 0 菲罗啉的普通开链衍生物及配合物结构上一般很简单，但能表现出很新 奇的性质。z a c h a r i a s 合成了l ，1 0 菲罗啉2 , 9 二醛的钳式席夫碱配体及其配合物 1 7 , 1 8 ( 图1 1 1 ) ，并研究了配体选择性输送离子p b 2 + 穿过液膜的能力。 国国 双。囝d ! r = f c 1 ，b r , c h 3 r = o h ，o c h 3 ，s c h 3 图1 1 11 ，1 0 - 菲罗啉钳式席夫碱配合物 e n g b e r s o n 等合成了1 ，1 0 一菲罗啉开链多胺配体( 包括手性配体) 及配合物( 图 1 12 ) ，并进行了模拟酶酯水解动力学的研究眇2 ”。 r 、r r 、r ， 1 i 图1 1 2 功能化1 ，1 0 - 菲罗啉配体 。”。 1 l l 、 n r l 南开大学硕士研究生毕业( 学位) 论文 z i e s s e l 等合成了1 ，1 0 一菲罗啉的2 , 9 位的含金属有机配合物的s c h i f f 碱衍生物 ( 图1 1 3 a ) ，使之与 c u ( c f 3 s 0 3 ) 2 c 6 h 6 反应，生成了另一类杂多核的金属有机化 合物( 图1 1 4 ) 1 2 2 】。z i e s s e l 等还合成了1 ，1 0 菲罗啉的2 , 9 位的另一个s c h i f f 碱衍生 物( 图1 1 3 b ) ，使之与【c u ( c h 3 c n ) 4 】c 1 0 4 反应，生成了结构新奇的双螺旋配合物， 并研究了相应的晶体结构1 2 。最近含有1 ，1 0 一菲罗啉和2 ，2 一联吡啶的非环配体被合 成( 图1 1 5 ) 肛，如此多的配位位置，为进一步合成新的超分子配合物提供了保证。 。：羔，c o 八健n 睁 殴i啦nnii。文, 髂 a 图1 1 3 c o b 图1 1 4 幽1 1 5 4 b 南开大学硕士研究生毕业( 学位) 论文 以l ，l o 菲罗啉为元件，一种钳式配体( 图1 1 6 ) 【2 5 j 被m e u n i e r 等合成。该配体 与c u ( i i ) 的配合物对d n a 表现出切割活性。尤其是在1 ，1 0 菲罗啉3 位相连的钳 式配合物( 图1 1 6 b ) ，活性显著提高。为能选择性地键合z n ( i i ) ，p a r k e r 等合成了 2 , 9 位苄酸的衍生物( 图1 1 7 a ) 【2 6 1 ，该配体与z n ( i i ) 呈四面体配位。s a m m e s 等合成 了含1 ，1 0 菲罗啉的类似e d t a 的衍生物( 图1 1 7 b ) 1 2 7 j ，该配体与e u ( i i i ) 的配合物 有望在生物学和医学上作为一种重要的诊断剂。1 9 8 8 年，e v a n g e l i s t a 等合成了4 ，7 一 二氯磺基苯一1 ，1 0 - 菲罗啉一2 ，9 一二羧酸( b c p d a ) 口。该配体最大的特点就是两个磺 酰氯基团可在温和的条件下与核酸或蛋白质的氨基共价结合，两个杂芳香氮和两 个羧基可与e u ( i i i ) 螯合形成稳定的螯合物。该螫合剂稳定性好，标记核酸或蛋白 质后不需要增强溶液，可固相测量，避免了聚羧酸类螯合剂的一些弱点。并且有 关的研究表明b c p d a 是一种很有前途的e u ( i i i ) 螯合剂【2 9 。3 1 】。 。丈。 图1 1 6 图1 1 7 b b 林华宽等由合成重要中间物1 ，1 0 菲罗啉2 , 9 一二醛出发，合成了大量l ，1 0 一菲 罗啉2 , 9 桥联长链多胺配体以及1 ，1 0 菲罗啉2 , 9 一桥联双二氧四胺十三元大环配体 ( 图1 1 8 ) 。用p h 电位滴定法测定了部分配体的质子化常数以及它们与m n ( i i ) ， c o o i ) ，c u ( i i ) ，z n ( i i ) ，p d ( i i ) 等过渡金属离子和l a ( 1 1 1 ) ，e u ( i i i ) ，g d ( i i i ) ，s m ( i i i ) ， 0厂_ n 廿 厂0厂_ | 南开大学硕士研究生毕业( 学位) 论文 n d ( i i l ) 等稀土金属所形成的配合物的稳定常数，通过取代基的影响解释了各配体 碱性的差异及配合物稳定性的差异，为进一步进行动力学等研究打下了基础。采 用s t o p p e d f l o w 技术，进行了部分配合物的酸分解动力学研究，并对其酸分解过 程提出了适用的机理，合理地解释了不同取代基、不同金属离子、不同温度及酸 度等因素对配合物分解速率的影响。利用u v - 2 4 0 和用起始浓度法，进行了部分配 合物催化对硝基苯酚醋酸酯( n a ) ，磷酸二酯( h p n p ) 水解动力学的研究，提出了催 化机理，求出催化速率常数，并比较了不同金属离子的影响和取代基影响，并对 配合物催化n a 酯，a t p ，磷酸二酯水解提出了新的机理。合成了五个a 配体p d 的配合物。对这五个钯配合物进行了体外抗肿瘤活性实验，从中发现了三个活性 比较好的配合物。 rr bc d 0 雾 o o 幽1 1 8 二、1 ，1 0 菲罗啉的大环衍生物及配合物 1 ，1 0 菲罗啉的大环衍生物及配合物的研究由以1 ，1 0 菲罗啉为母体的单环结构 发展到1 ，1 0 - 菲罗啉双环、多环配合物，甚至超大环衍生物等。 ( 一) 、1 ，1 0 一菲罗啉的单环衍生物 早期合成的1 ，1 0 菲罗啉为母体的配合物主要为研究晶体结构和电子结构等。 l e w i s 等合成了几个取代1 ，1 0 一菲罗啉联吡啶与取代吡啶形成的席夫碱大环配体 南开大学硕士研究生毕业( 学位) 论文 ( 图1 1 9 ) ，并分别研究了其n i ( i i ) ，m n ( i i ) ，c r ( i i i ) 酉己物的晶体结构【 j 。 n e w k o m e 合成了1 ，1 0 菲罗啉多醚大环和含有1 ，1 0 一菲罗啉与联吡啶的大环【3 5 ，3 6 】( 图 1 1 1 0 a b ) ；f a b b r i z z i 用巧妙的方法合成了c y c l a m 功能化的1 ，l o 菲罗啉配合物1 3 7 i ， s a b b a t i n i 等合成了具有磷光性质的大环配体( 图1 1 1 0 c ) 及其e u 3 + ，t b 3 + 的配合物 【3 8 ，并研究了其光物理性质。b e n c i n i 与p a o l e t t i 等合成了含有1 ，1 0 一菲罗啉的含氮 大环配体( 图1 1 1 1 a ) ，测定了相应的c u 2 + 的单核和双核配合物的晶体结构，以 及配体的质子化常数和配合物的稳定常数。f a b b r i z z i 等合成了含有1 ，1 0 一菲罗啉的 五氮含c u 2 + 大环配合物( 图1 1 1 1d ) ，研究了它们对c u + 的配位性质4 0 1 ，进一步研 究了相应的配合物的电化学性质。 a c h 3 ab 幽1 1 9 r r r = c c 2 c h 3 图1 1 1 0 r r 弋g鼹 liil 7 幽 南开大学硕士研究生毕业( 学位) 论文 ( 二) 、1 ，1 0 一菲罗啉的穴醚衍生物 考虑到含有金属茂单元的穴醚在电化学上可能作为定量测定金属离子的探针 【4 ”、在许多反应中能作为催化剂f 4 2 】以及在一些生物体系中作为电子转移的模型化 合物【4 3 1 ，h a l l 等结合二茂铁和1 ，1 0 菲罗啉的优点，合成了含有二茂铁桥联的l ，l o 一 菲罗啉穴醚衍生物( 图1 1 1 2 ，图1 | 2 ，1 3 a ) ，研究了相应的晶体结构和电化学性质 【4 4 ，45 1 图1 1 1 2 ( 三) 、1 ，1 0 一菲罗啉的超大环衍生物 k e r n 和s a u v a g e 等合作合成了包含1 ，l o - 菲罗啉的5 6 员的超大环( 图1 1 1 3 b ) 并研究了相应的电化学和光物理性质h 6 1 。 图1 1 1 3 b 三、含1 ，1 0 菲罗啉的多吡啶衍生物 b a r t o n 科研组的出色工作 4 7 - 5 5 1 对含l ，1 0 菲罗啉的多吡啶衍生物的发展起到了 很大的推动作用，近年来，人们合成了各式各样的多毗啶衍生物，其中较为典型 的一些衍生物结构如图1 1 1 4 所示。目前所研究的几乎都集中在这些衍生物与 八 、。哕 南开大学硕士研究生毕业( 学位) 论文 r u 2 + 形成的配合物同d n a 相互作用上，因为相应的钌配合物易于构造一个既为刚 性又带手性的八面体构型，热力学稳定性好，光化学信息丰富，非常适合于研究 它们与同样带有手性的d n a 的相互作用5 6 1 。 譬黟x ：n 黔x 。n 甥n 昏：堰uuu ju u abcd 图1 1 1 4 四、1 ，1 0 菲罗啉的杯芳烃衍生物 杯芳烃( c a l i x a r e n e ) 是由酚单体通过亚甲基在酚羟基邻位连接而成的大环化合 物，因其分子状似杯子或花瓶而得名 5 7 , 5 8 1 。因其疏水空腔大小可调，构象可变， 选择性良好，能和离子与中性分子形成主客体包结物，这是兼环糊精和冠醚两者 之长，故被称为继环糊精和冠醚之后的第三代主体化合物【5 9 l ，作为模拟酶研究的对 象，杯芳烃特别受到重视。杯芳烃的分子内有强的分子内氢键，因而可溶性较差， 通过衍生化后，可获得溶解性较好的衍生物，进一步研究有关性质。目前，合成 的1 ，1 0 一菲罗啉的杯芳烃衍生物很少，性质研究也很少，目前仅见两篇这方面的文 献 6 0 t6 ”，r o s s 等 6 1 合成了l ，1 0 一菲罗啉的杯 6 】芳烃的a d 桥联的衍生物( 如图1 1 1 5 所示) ，研究了有关与c u + 的配位性质和平衡常数。总之，1 ，1 0 菲罗啉的杯芳烃衍 生物方面还有很多工作要做。 南开大学硕士研究生毕业( 学位) 论文 五、1 ，1 0 菲罗啉的c 6 0 衍生物 c 6 0 具有特殊的缺电子结构，化学的可修饰性很强，使得c 6 0 及其衍生物在化 学、物理、材料科学、生命及医药等领域的潜在应用前景，c 6 0 及其相关研究一直 相当活跃，尤其是在化学反应方面。氧化反应、还原反应、自由基反应、电荷转 移复合物的制各和加成反应，尤其是环加成反应已成为c 6 0 化学修饰的强有力工 具 6 2 - 6 4 。d i e d e r i c h 等与s a u v a g e 合作陋6 6 1 制备了含有c 6 0 和1 ，1 0 菲罗啉的轮烷 ( r o t a x a n ) ( 如图1 1 1 6 所示) ，该配合物表现出不一般的电化学性质和有趣的光学物 理性质。 图1 1 1 6 h 六、1 ，1 0 一菲罗啉的环糊精衍生物 目前，大量人工合成的化合物作为生物模拟主体分子 6 7 - 6 9 】，但是只有少数化 合物具有生物酶的活性。在这个领域，环糊精的衍生物是一类重要的化合物。 m a r s u r a 及其合作者 7 0 , 7 1 1 设计并用“一锅煮”法合成了以l ，1 0 一菲罗啉桥联b 环糊 精的衍生物，并研究了它们与c u ( i i ) ，l a ( i i i ) ，z n ( i i ) 配合物水解磷酸二( 4 硝基) 苯酯( b n p p ) 的速率常数，发现速率常数至少提高1 0 个数量级，表现出良好的水 解性能。 七、1 ，1 0 菲罗啉的笼形衍生物 1 ，1 0 一菲罗啉的笼形衍生物在合成上难度相当大，而且产率很低。在1 9 8 4 年， 南开大学硕士研究生毕业( 学位) 论文 l e h n 等合成了首例含有l ，1 0 一菲罗啉单元的笼形化合物( 如图1 1 1 7 a 所示) ，并 合成了相应的n a ( i ) 的配合物。这类化合物被认为拥有良好的离子选择性和其它有 趣的化学、物理性质，如光化学、光物理性质等。 a p h e n p h e n p h e n 图1 1 1 7 一o 厂卜 b v o g t l e 等【7 3 ，7 4 1 进一步拓展了l e h n 的工作，扩大了笼的空腔尺寸( 如图1 1 1 7 b 所示) ，改变连接1 ，l o 一菲罗啉单元的s p a c e r ，用一步法( c s 2 c 0 3 作模板) 合成了一系 列的笼形化合物，有的还得到了晶体结构。他们还迸一步将c u ( i i ) 与2 位和9 位 带有不同的取代基的l ，1 0 。菲罗啉的二元配合物( 1 ：1 ) 和笼形化合物配位，发现c u ( i i ) 与取代基的l ，1 0 菲罗啉的二元配合物( 1 ：1 ) 均在笼形化合物的内部，属于用配位键 连接的三核包结物。 八、1 ，1 0 菲罗啉的超分子衍生物及配合物 近年来，超分子化学的发展越来越受到人们的关注，成为化学合成的热点之 一【7 5 。但是许多合成方法产率极低，步骤复杂。s a u v a g e 等发现新颖简单和更有 效的合成是用芳香环来增加刚性，通过相应的模板效应合成了一大类超分子化合 物7 7 1 。1 ，1 0 一菲罗啉便是这样的理想芳香化合物，s w a g e r 等合成了1 ，1 0 一菲罗啉 的轮式超分子大环配合物( 如图1 1 1 8 所示，两端的“塞子”为体积较大的杂环 基) ：s a u v a g e 等合成了1 ，1 0 菲罗啉的更为复杂的多轮式超分子大环配合物( 如图 1 1 1 8 所示，两端的“寨子”为体积更大的带有取代基的卟啉基) 。 l e h n 等合成了l ，1 0 菲罗啉的柱状配合物( 如图1 1 1 9 所示) ；他们还合成了 1 ，1 0 菲罗啉的索烃配合物，并得到了相应的晶体结构( 如图1 1 2 0 和2 l 所示) 。 南开大学硕士研究生毕业( 学位) 论文 r 乙。、? u m = z n ( i i ) ，c u ( i ) 固1 1 1 8 图1 1 2 0 图1 1 1 9 幽1 1 2 1 1 2 模拟水解酶的研究现状 酶是一类具有催化活性的特殊蛋白质，其催化的专一性和高效性使其成为人们 关注的焦点。近三十年来，人们直在寻找模拟酶催化行为的简单化学体系，对 于新型功能性配合物在酶催化的效果、催化过程中的控制因素及催化机理的研究 兴趣长盛不衰，以期通过对化学体系的研究解开自然界中的天然酶具有高效催化 性和专一选择性特点的神秘面纱。为了能更好地理解自然界的各种酶的性质和作 用机制，人们设计大量的模型化合物来进行此方面的研究【7 s j 。 一酶的分类及催化机理 1 9 6 1 年，国际生物化学联合会酶学委员会制定推荐了酶的分类命名法酶按其 催化类型分为六大类：氧化还原酶类，转移酶类，水解酶类，裂解酶类，异构酶 类和合成酶类。 酶与一般催化剂一样，能加速化学反应，但不改变化学反应的平衡点，反应 前后也不发生变化，酶是生物大分子，它具有催化效率高，高度专一性，催化活 性可被训节控制，催化活性易受环境变化的影响等特点。酶的催化反应机制类型 一缒一 南开大学硕士研究生毕业( 学位) 论文 有：酸碱催化，共价催化，金属离子催化作用 对于酶的催化机制目前的解释是酶先对底物结合，进而选择性地稳定某一特定 反应的过渡态( t s ) ，降低反应的活化能，从而加快反应速度。在酶催化过程中， 酶与底物首先形成酶一底物中间复合物，当底物分子在酶作用下发生化学变化后， 中间复合物再分解成产物和酶。其中复合物的形成就是此过程的决速步骤，而复 合物形成的速率与酶和底物的性质有关。酶和底物之间的结合作用力主要是：静 电引力、氢键和疏水键p 。 模拟酶是基于对某种酶的结构与反应机制的认识人工合成的一类具有某些属 性的有机化合物，特点是分子小，结构简单，但含有酶所具有的主要活性基团和 与酶的活性中心相似的空间结构。【8 0 1 广义上讲，模拟酶就是用各种方法人为制 造的具有酶性质的催化剂。模拟酶研究吸收了酶中那些起主导作用的因素，利用 有机化学、生物化学等方法，设计和合成一些比天然酶简单的非蛋白分子或蛋白 质分子，以这些分子作为模型来模拟酶对其作用底物的结合和催化过程也就是 说，在分子水平上模拟酶活性部位的形状、大小及其微环境等结构特征，以及酶 的作用机制和立体化学等特性，模拟酶对人类研究生命体系做出了巨大贡献。 设计模拟酶一方面要基于酶的作用机制，另一方面则基于对简化的人工体系 中识别、结合和催化的研究。要想得到一个真正有效的合成酶，这两个方面就必 须统一结合。在设计合成酶时除具备催化基团之外，还要考虑到与底物定向结合 的能力。合成酶要和酶一样，能够在底物结合中，通过底物的定向化、键的扭曲 及变形来降低反应的活化能。此外，酶模型的催化基团和底物之间必须具有相互 匹配的立体化学特征，这对形成良好的反应特异性和催化效力是相当重要的。 理想的合成酶模型应具备如下品质：1 ) 因为非共价键相互作用是生物酶柔 韧性、可变性和专一性的基础，故酶模型应为底物提供良好的疏水洞穴。2 ) 模型应提供形成离子键、氢键的可能性，以利于它以适当方式同底物结合。3 ) 精心挑选的催化基团必须相对于结合点尽可能同底物的功能团相接近，以促使反 应定向发生。4 ) 模型应具有足够的水溶性，并在接近生理条件下保持其催化 活性 二模拟水解酶的发展概况 在生物演化过程中产生了许多水解酶，如碳酸酐酶( c a r b o n i ca n h y d r a s e ) ( 图 1 2 1 a ) 、羧肽酶( c a r b o x y p e p t i d a s e ) ( 图1 2 1 b ) 和碱性磷酸酯酶( a 1 k a l l j i l e 南开大学硕士研究生毕业( 学位) 论文 p h o s p h a t a s e ) ( 图1 2 1 c ) 等，它们参与一些最重要的生命分子( 如蛋白质、磷脂和 d n a 等) 的水解，可催化水解断裂诸如磷脂，蛋白质和d n a 这类生物体内的大分子， 在生命过程中起着十分重要的作用【8 “。 随着遗传和蛋白质工程，分子生物学和分析生物化学不断发展，这类水解酶 无论从品种上和数量上远不能满足要求，而且这类生化试剂制备困难，价格昂贵。 因此，探索金属配合物作为人工限制性内切酶以替代天然限制性内切酶成为当前 无机生物化学十分活跃的前沿领域之一。模拟水解酶作为基础研究内容之一，一 直受到人们的广泛关注。1 9 9 6 年8 月在佛罗里达州o r l a n d o 召开的美国2 1 2 届化 学年会上第一次组织了题目为“m e c h a n i s mo fm e t a l - - m e d i a t e db i o p o l y m e r c h e a v a g e ”专题报告会( 简称切割会议) 。 9 2 l 世界各国从事该领域研究的科学家 几乎都参加了这一会议。会议集中讨论了金属促进的d n a 等磷酸二酯键，以及多 肽和蛋白质肽键选择性断裂的机理。 a 碳酸酐酶b 羧肽酶c 碱性磷酸酯酶 图1 2 1 一些金属水解酶的活性中心结构 水解酶的作用机理和金属离子在活性中心的作用一直是生物无机化学的热点 问题【8 3 1 ，近年来人们设计并合成了一系列金属水解酶的模拟物( 金属配合物) ，通 过对模型分子巧妙设计和对实验结果的细致分析，深化人们对金属酶的了解【8 4 1 。 美国著名科学家b r e s l o w 在环糊精仿酶领域做了大量而出色的工作。他认为 模拟酶增加催化效率的关键是要增加环糊精对底物过渡态的结合能力。最简单的 方法是通过修饰底物来增加底物同c d 的结合，从而可能增加对过渡态的结合。他 们设计了一系列以二茂铁、金刚烷为结合位点的硝基苯酯( 图1 2 2 a ) ，以c d 本身 为催化剂可使酶水解加速1 0 3 1 0 6 倍1 8 5 1 。组氨酸咪唑基在酶催化中起着重要作用， 将咪唑与环糊精相联结会获得更理想的模拟酶。r a m a 等1 8 6 j 将咪哗在n 上直接与1 3 一c d 的c 一3 相连，所得的配体( 图122 b ) 催化p n p a c 的水解比天然酶快一个 p 一 o沁，旧归西ic、晰 v 厶 p 一 南开大学硕士研究生毕业( 学位) 论文 数量级。 蛾c 0 0 p n p f e a b 图1 2 2 一些金属水解酶的模拟配合物 近年来在此领域的研究主要集中在两种类型配体的配合物，即含n 大环( 包 括带醇羟基侧臂) 配合物 盯i 和开链杂环多胺配合物【8 8 i 等，对催化磷酸酯和羧酸酯水 解的机理及金属离子的作用作了大量研究。关于生物模拟化学和模拟酶设计有人 作过综述。其中金属大环配合物的催化作用原理基本是通过大环的配位改变金属 离子与水分子之间的相互作用而降低配位水的p k 。，以期达到近似中性条件来模拟 生命体系环境。最近大环配合物在催化磷酸酯及核酸的水解方面发展很快。而开 链配体的研究同样是热点， 开链配体除了在配位化学理论上有较重要的研究价值以外，在生命过程中的 应用也得到了广泛的研究。二世纪五十年代以来，先后出现了生物有机、生物无 机、仿生化学等边缘科学。它们的宗旨和内容都是在分子水平上，从化学角度研 究生物现象、理解生物过程和模拟生物功能，其主要内容有模拟酶研究，生物体 中的化学反应与金属元素关系的研究，仿生膜等，尤其是酶模拟得到了广泛的研 弹8 9 l 。众多的金属配合物被用作金属模拟酶，其中研究最多的是水解酶。结果 发现，与金属离子配位的醇羟基作为新的亲核体对催化底物的水解反应有重要贡 献。a c h a k r a v o r t y 9 1 i 合成的水杨醛衍生物h l l 与m n ( i v ) 的性质较为有趣，而邻 菲罗啉脂肪胺含有醇羟基的衍生物和一些开链含有醇羟基【9 3 的配合物有催化一 些酯水解的作用。下面是一些典例含有醇羟基的配体( 图i 2 3 ) ： h h1 2 3些金属水解酶的开链配合物 1 南开大学硕士研究生毕业( 学位) 论文 由许多研究结果可以发现，含有醇羟基的活性基团修饰的开链配体具有一些 好的配位能力和生物活性。在配位化学研究中，人们发现二氧四胺含有四个氮原 子，它有强的配位能力，基于这一点，许多化学家已经合成了含有芳香基团等修 饰的二氧四胺配体，希望进一步研究它们的生物活性，但是这些配体不是在合成 中产率太低就是在水中的溶解度不是很好，而许多生物过程特别是生命中的酶催 化都是发生在水中，随着酶催化研究的展开，迫切需要设计并合成有效而且经济 的模型物( 金属配合物) ，所以，合成配位能力强、有活性而且在水中有较好溶解 度的配体有重要的社会、化学和生物学意义。 在人们设计的比较成功的金属酶模型配合物中，就模拟水解酶体系而言，研 究较多的是c u ( i i ) 、c o ( i i ) 、z n ( i i ) 等金属离子的配合物 9 4 o 例如含有单核z n ( i i ) 的金属酶可以有效地催化碳酸酐和磷酸酯的水解。锌酶在生物体内分布很广，其 类型几乎包含了金属酶的各种功能范畴，对锌酶的结构特征和作用机制已经有了 许多研究，人们已经获得了一些锌酶的晶体结构，对其活性中心也有了深刻的了 解。一般来说，金属酶中金属离子的催化作用如下：( 1 ) 提高水的亲核性能：金 属离子可以和水分子的氢氧根结合，使水显示出更大的亲核催化性能。( 2 ) 电子 屏蔽作用：电子屏蔽作用是酶中金属离子的一个重要功能。多种激酶( 如磷酸转 移酶) 的底物是m g ”一a t p 复合物。m g ”的作用是静电屏蔽磷酸基的负电荷。否则 这些负电荷将会对亲核试剂、特别是负离子的亲核进攻产生排斥作用。( 3 ) 电子 转移中间体：许多氧化还原酶中都含有铜或锌离子，它们作为酶的辅助因子起着 传递电子的功能。 自然界中存在许多能够催化水解磷酸酯的含有两个或更多金属离子为活性 中心的金属酶。这些金属酶包括核苷酶、单磷酸酯酶、二磷酸酯酶、三磷酸酯酶 等。它们能将相应的磷酸酯断裂为强的或是弱的离去基团 9 5 1 。近些年来，研究工 作者己设计并合成了许多含有两个或多个金属离子的金属酶模拟物，相对于单金 属离子，如果模型物的活性中心含有两个或三个z n ( i i ) 离子，则能够大大提高磷 酸酯水解反应的速率，并能能够很好地阐明多金属中心是如何来提高反应速率的 9 7 】( 图1 2 ，4 ) 。 南开大学硕士研究生毕业( 学位) 论文 幽1 2 4 张毅等人【9 8 】利用磷酸酯水解模拟酶的催化作用定位剪切磷酸二酯键在生物学 上具有重要意义，r o i g k a l 9 9 l 的研究发现在冠醚环的亲水内腔中结合了过渡金属离 子的冠醚配合物以及某些s c h i f f 碱过渡金属配合物对磷酸二酯键裂解具有较高 的催化活性。为了寻找理想的磷酸酯水解酶模型体系，胡伟m 1 等人合成了两种杂 氮冠醚化单s c h i f f 碱钴( 1 i ) 配合物( 图1 2 5 ) 。在底物浓度远大于催化剂浓度条 件下，研究了两种配合物在缓冲溶液中催化b n p p 的水解反应的机理：用光谱数据 证明了动力学模型的合理性：依据动力学模型建立了相应的数学模型：讨论了溶液 酸度、胶束介质和反应温度对催化反应速率的影响。 c o l an = 】：c o l dn = 2 图1 2 5 i r a n z o 等1 合成了两个中环多胺配体，研究了