（物理化学专业论文）新型邻菲罗啉桥联多胺配体的合成、表征与性质研究.pdf

摘要 l ，1 0 一菲罗啉对过渡金属离子的配位已被广泛研究，这类配体的金属配合物表现出 好的氧化还原、光氯化还原和催化性质，其在生物活性方面也具有一定的应用前景。虽 然对邻菲罗啉体系已进行了许多研究，但邻菲罗啉功能配合物的研究起步较晚，有关2 , 9 一二甲基一l ，1 0 菲罗啉衍生物的研究报道还不是很多，在这个领域还有大量的工作可 作。本文中合成了一系列1 ，1 0 一菲罗啉桥联多齿配体并对其结构、热力学性质、催化磷 酸二酯水解动力学性质和模拟s o d 活性等方面进行了研究，取得了一些有意义的结果， 具体内容如下： 1 本文的合成工作由合成重要中间物1 ，1 0 一菲罗啉一2 ，9 一二醛出发，合成了四个 新的2 ，9 一二( 6 - - ( 3 ”，5 ”一二取代一2 ”一羟基苯基) - - 2 ，57 一二氮杂己基) 一1 ，1 0 一菲罗啉配体l a l d ( 甲氧基、氢、一溴、二溴) 。对所合成的配体均进行了元素分析、 红外和核磁氢谱的表征，对其中的l b 还进行了核磁碳谱和质谱表征。 2 用p h 电位滴定法测定了配体l a 、l b 的质子化常数和它们与c u ( i i ) 、z n ( i i ) 、 c o ( i i ) 、n i ( i i ) 等金属离子形成的1 ：1 、1 ：3 二元配合物的稳定常数，解释了其稳定性的 差异，积累了热力学数据，并为进一步进行动力学等研究打下了基础。 3 利用b a c k m a nd u 一8 b 紫外一可见分光光度计和起始浓度法，进行了l a 、l b 的c u ( i i ) 、z n ( i i ) 配合物催化o 一2 一羟丙基一o7 4 一硝基苯酚磷酸二酯( h p n p ) 水 解动力学的研究，提出了催化机理，求出了催化速率常数，比较了取代基的影响和金属 离子的影响，并与文献配合物进行了比较。 4 采用邻苯三酚自氧化法，研究了配体l a 、l b 、l c 及其c u ( i i ) 、z n ( i i ) 、c o ( i i ) 、 n i ( 1 i ) 等金属离子配合物模拟s o d 催化超氧阴离子自由基歧化反应的效果，取出并比较 了它们的活性，从中找出了一个效果较好的配合物并与文献作了比较，对该反应的机理 提出了新的看法。 关键词：1 ，1 0 一菲罗啉。配合物，热力学，动力学，磷酸二酯，s o d a b s t r a c t 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 n1 ，1 0 - p h e n a n t h r o l i n ea n di t sd e r i v a t i v e s ( e s p e c i a l l y n e o c u p r o i n e ) b e c a u s eo ft h ec 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 s o f t h e s e l i g a n d sw i t ht r a n s i t i o nm e t a l s 。m o r e o v e r ，t h e r e a r eo n l yaf e wl i t e r a t u r er e p o r t so f h m c t i o n a l i z e dd e r i v a t i v eo f 2 , 9 一d i m e t h y l 一1 1 0 - p h e n a n t h r o l i n e i n t h i s t h e s i s ，f o u r m u l t i d e n t a t e 1 ，1 0 - p h e n a n t h r o l i n el i g a n d sw e r es y n t h e s i z e da n dt h ep r o p e r t i e s o fs t r u c t u r e ， t h e n n 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 gh p n ph y d r o l y s i sa n do f s o d a c t i v i t yw 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 tr e s u l t sh a v eb e e nf o u n d t h em a i nc o n t r i b u t i o n sa r ea s f o l l o w s 1 f o u rn 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 a l b ) h a v e b e e n s y n t h e s i z e d a l lt h en 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 ，i r ，1 hn m r s p e c t r o m e t r y o n el i g a n dw a s a l s oc h a r a c t e r i z e db y “cn m ra n de s i - m ss p e c t r o m e t r y 2 ，b yp h t i u a t i o nm e t h o d ，t h ep r o t o n a t i o nc o n s t a n t so ft h el i g a n dl aa n dl ba n dt h e s t a b i l i t yc o n s t a n t so f t h er e s p e c t i v e c o ( t o ，n i ( i i ) ，c u ( i i ) ，z n ( i i ) b i n a r yc o m p l e x e s ( 1 ：1a n dl ：3 ) h a v eb e e nd e t e r m i n e da n d p r o b a b l es t r u c t u r e so f t h ec o r r e s p o n d i n gc o m p l e x e s w e r e p r o p o s e d 3 t h e h y d r o l y t i c k i n e t i c so f 2 - h y d r o x y p r o p y l - 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 a a n dl bw i t hc u ( i i ) ，z n ( i oh a v eb e e ns t u d i e d b o t hm 3 la n d m 3 l h 1h a v ec a t a 【y t i ca c t i v i t y , b u tm 3 l h 1i sm o r er e a c t i v et h a nm 3 l i nh p n p h y d r o l y s i s r e a c t i o n n e wm e c h a n i s mw a s p 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 nw h i c hc a t a l y z e db y m 3 l a n dm 3 l h 1 4 t h es o d a c t i v i t yo f t h el a ，l b ，l bc o m p l e x e s 、v i t hc o ( i i ) ，n i ( i i ) ，c u ( i i ) ，z n ( i i ) a r e d e t e r m i n e d b yp y r o g a l l o l a u t o o x i d a t i o nm e t h o d t h er e s u l t ss h o w e dt h a ta l lt h e1 ：1 c o m p l e x e sc a nr e s t r a i n t h ev e l o c i t yo fp y r o g a l l o la u t o o x i d a t i o na n dd i f f e r e n tc o m p l e x e s d i s p l a yd i f f e r e n ta c t i v i t y , i nw h i c hz n ( i i ) c o m p l e x e s a r eh i g h e s t n e wo p t i o nw b s p r o p o s e d f o rt h em e c h a n i s mo f t h ec a t a l y t i cr e a c t i o n k e y w o r d s ：1 ，1 0 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 , s o d i i 第一章绪论 1 1l ，1 0 菲罗啉衍生物研究现状 1 。1 0 一菲罗啉自从人工合成出以来，一直在化学的各个领域有着广泛的应用。其 结构为刚性，两个氮原子处于相邻的位置，1 ，1 0 一菲罗啉环是很好的兀一电子受体，与金 属离子配位时能够形成反馈7 【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。将l ，l o 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料；通过在1 ，1 0 一 菲罗啉不同位置上引入取代基和官能团，改变1 ，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1 ，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 - 菲罗啉及其衍生物作一简要的综述。 1 1 1l ，1 0 菲罗啉功能化的典型方案 一、c h a n d l e r 方案 由于1 ，1 0 - 菲罗啉结构的特殊性，2 , 9 二甲基 一1 ，l o 菲罗啉是l ，1 0 菲罗啉进行功能化最重要的原 料之一。 在1 9 8 1 年，c h a n d l e r 及其合作者 1 1 以2 , 9 二甲基 一l ，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 0 _ 菲罗啉衍生物( 见图1 1 1 ) ，这是迄今为止所 见到的最早的文献。作为2 , 9 二甲基一1 ，1 0 一菲罗啉功 x = y = c h o ：x = y = c 0 2 h ： x = y = c n ；x = y = c h n o h ： x = y = c h 2 n h 2 ：x = y = c h ，o h ； x = y = c h 2 b r ；x = y = c b r 3 ； x = y = c c l ， 图1 1 1 能化的重要中间物，1 ，1 肚菲罗啉- 2 ，9 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，已形成比较全面的合成路线和方法。 二、n e w k o m e 方案 与此同时，n e w k o m e 等采用另外的两条路线对2 , 9 ，二甲基1 ，1 0 菲罗啉的甲基双功 能化 2 】和单功能化 3 1 进行了研究( 图1 1 _ 2 ，图1 1 3 ) 。由于此类工作的重要性，至1 9 9 3 l 第一章绪论 年还有新方法合成报道f 4 】0 。，融纛敲。之乒毁唧地 麓。：败i c 鼐 ( n c s ：n - c h l o r o s u c c i n i m i d e ) 图1 1 2n e w k o m e 的2 , 9 二甲基l ，l o 菲罗啉双功能化合成路线 。，融纛a c o h 散。觳。 翌地败。旦2 0 h c 鼐c 眦 h r = c h 3 ，r = ho r 苯基 图1 1 4 三、s a u v a g e 方案 随着超分子化学的发展，1 ，l o - 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 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5 】( 图1 1 4 ) ，然后进一步合成大环化合物和结构新颖的 超分子化合物。 四、其它方案 第一章绪论 1 ，1 0 菲罗啉可供功能化的位置很多，除以上三种方式外，还有另外的方案。主要有： 1 ) 、除1 ，1 0 位外的其它位置直接卤化；2 ) 、在5 位和6 位氧化。 ( 一) 、直接卤化 r 苗苕。 s c h m i t t e l 等嘲在1 9 9 8 年报道了一系列的l ，1 0 一菲罗啉的卤代物的合成( 图1 1 5 ) ，为 进一步功能化提供了又一方向。 t o r 等以l ，1 0 菲罗啉为初始原料用一步法合成了3 位和8 位的溴代物，且产率有较 大提高，未反应的l ，1 0 菲罗啉可以回收7 1 。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( 图1 1 6 1 【8 】。 e ，肌最 ( 二) 、5 ，6 位氧化成酮 1 ，1 0 一菲罗啉的5 , 6 位氧化成酮的产物是合成多毗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。较典型的有以下三种路线( 图1 1 7 - 9 ) 。在图1 1 7 所示的三步法中( 9 j 当2 ，9 位取代基为c i 时，反应不成功。另外，g i l l a r d 等发展了 一步法( 图i i 8 ) “4 1 ”，但是该法仅适用于l ，1 0 菲罗啉的配合物。y a m a d a 等f i 2 j 在g i i l a r d 的基础上，迸一步发展了一步法，达到了几乎是定量的产率( 图1 i 9 ) ，这可能是迄今为 止所见到的最好的方法。 x = h c l 图1 i 7 煳& 删尝帆 罂 艘 第一章绪论 图1 1 8 h n 0 3 ，h 2 s 0 4 ，k b r x = h c l 图1 1 9 1 1 2 1 ，1 0 菲罗啉衍生物及其配合物的合成及性质 近年来，人们合成了大量的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 一菲罗啉的普通开链衍生物及配合物；2 ) 、1 ，1 0 - 菲罗啉参与形成的大环衍生物及配合 物；3 ) 、含l ，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 ) 、l ，1 0 一 菲罗啉的环糊精衍生物；6 ) 、1 ，1 0 - 菲罗啉的c 6 0 衍生物；7 ) 、1 ，1 0 一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 一菲罗啉的普通开链衍生物及配合物从结构上看起来一般很简单，但往往表现出 很新奇的性质。 r = f c l ，b r , c h 3 r = o h ，o c h 3 ，s c h 3 图1 1 1 0 1 ，1 0 一菲罗啉钳式席夫碱配合物 z a c h 撕a s 合成了1 ，1 0 - 菲罗啉2 ，9 一二醛的钳式席夫碱配体及其配合物峪1 4 1 ( 图1 1 1 0 1 ， 并研究了配体选择性输送离子p b 2 + 穿过液膜的能力；n e w k o m e 合成了平面四方形的 一 州 ， n 叫 。 食v 食 ( 。 第一章绪论 c - p d 配合物【1 5 ( 图1 1 1 l a ) ，并且对其中的部分衍生物进行了晶体结构研究和对d n a 的 作用研究；h o d s o n 合成了2 , 9 一z n 一吡唑甲基一1 ，l o 菲罗啉配体( 图1 1 1 l b ) ，研究了c u o i ) 配合物的单晶及电化学性质【1 6 】；e n g b e r s o n 等合成了1 ，1 0 - 菲罗啉开链多胺配体( 包括手 性配体) 及配合物( 图1 1 1 2 ) ，并进行了模拟酶酯水解动力学的研究眇1 9 1 。 b 广” ab 图1 1 1 1 功能化i 1 肛菲罗啉配体及配合物 i ii i i 图1 1 1 2 功能化1 ，1 0 _ 菲罗啉配体 z i e s s e l 等合成了1 ，1 0 菲罗啉的另一类衍生物( 图1 1 1 3 a ) ，该化合物最大的特点就是 在温和的条件下能氧化成双自由基，为磁性材料的寻找开辟了一个新方向】。c a t t r a l l 等合成了1 ，1 0 菲罗啉的含硫的酰化衍生物( 图1 1 1 3 b ) ，并将其运用在膜电极中对a r 的传感器研究口”。p a r k e r 等合成了含p 的衍生物( 图1 1 1 3 c ) 1 2 2 1 。 a 。墨，c o 伴。窜 禽“ 丫1 ”蠢 c 0 7 轻o dc 图1 1 1 3 n 囝f ”n 。 q = 飞孓。， 禽一 乒， q _ q 一 第一章绪论 图1 1 1 4 b ab 图1 1 1 5 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f 图 1 1 1 4 a ) ，使之与 c u ( c f s 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f 图 1 1 1 5 ) 2 3 】。z i e s s e l 等还合成了1 ，1 0 一菲罗啉的2 , 9 位的另一个s c h i f f 碱衍生物( 图1 1 1 4 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t s h 应的晶体 结构 2 4 】。最近含有1 ，1 0 一菲罗啉和2 , 2 联吡啶的非环配体被合成( 图1 1 1 6 ) 1 2 s l ，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。 a 。犬。 乔轧 广“”气 图1 1 1 6 图1 1 1 7 b 第一章绪论 a ( n - 1 c 0 2 hc 0 2 h b 图1 1 1 8 以1 ，1 0 一菲罗啉为元件，一种钳式配体( 图1 1 1 7 ) 2 6 】被m e t m 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f 图 1 1 1 7 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 1 8 a ) ”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l ，1 0 菲罗啉的类 似e d t a 的衍生物( 图1 1 1 8 b ) 2 8 1 ，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 - 二氯磺基苯1 ，1 0 一菲罗啉2 ，9 二羧酸( b c p d a ) 1 2 9 1 。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。 该螯合剂稳定性好，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 3 0 。3 2 1 榻恐 图1 1 1 9 l ，1 0 - 菲罗啉的2 , 9 位的不对称合成也被报道( 图1 1 1 9 ) ，它们与z n ( i i ) 、c o ( i i ) 、c u ( i i ) 、 n i ( i i ) 、c d ( i i ) 的配合物能对对硝基苯酚分别与毗啶一2 一甲酸和n 端被保护的氨基酸酯的水 解有催化活性，相应的催化动力学也被研究，提出了相应的机理【3 3 1 。 m = h + z n 2 + 厂_ n 廿 r 者x 多￥ 又。支b 囊 如i图 ， 第一章错论 s a u v a g e 等【3 4 1 合成了1 , 1 0 一菲罗啉的2 , 9 位双卟啉衍生物( 图1 1 2 0 ) ，该衍生物的锌离 子单配合物( 锌离子与卟啉环配位) 具有分子内能量转移的功能。 l dl h l l h 4 o 芸 o d l c l 3 o j o 幽1 1 2 1 林华宽等p ”由合成重要中间物1 ，1 0 菲罗啉2 , 9 二醛出发，合成了十三个新的1 ，1 0 菲罗啉2 , 9 一二甲胺衍生配体以及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 2 1 ) 。用p h 电位滴定法测定了l a 系列，l d 系列等配体的质子化繁数以及它们与 m n ( i i ) ，c o ( i i ) ，c u ( i i ) ，z n ( i i ) ，p d ( i i ) 等金属离子配合物的稳定常数，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，全面系统地进行了l a l l a 6 的c u ( i i ) ，c o ( i i ) 和z n ( i i ) 配合 物的酸分解动力学研究，并对这新的一类配合物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，全面进行了z n ( i i ) ，c o ( i i ) ，c u ( i i ) ，n i ( i i ) 的l a l l a 6 配合 物催化对硝基苯酚醋酸酯( n a ) 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c o ( i i ) ，c u ( i i ) ，n i ( i i ) 配合物催化n a 酯水解提出了新的机理。合成了五个l 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。 二、1 ，1 0 菲罗啉的大环衍生物及配合物 在合成了大量l ，1 0 * 菲罗啉的普通开链衍生物及配合物的同时，1 ，1 0 菲罗啉的大环衍 生物及配合物的研究也得到了发展。且相应的研究也由以l ，1 0 菲罗啉为母体的单环结 第一章绪论 构发展到1 ，1 0 菲罗啉双环、多环配合物，乃至其它超大环衍生物等。 ( 一) 、1 ，1 0 一菲罗啉的单环衍生物 国“昂 认划 abo 图1 1 2 2 早期合成的t , 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。o g a w a 采用热双聚法合成了大环配体( 图1 1 2 2 a ) ；并用x - r a y 光电子能谱研究了配体和配合物 的电子结构【3 6 - 3 8 。l e w i s 等合成了几个取代1 ，1 0 菲罗啉联吡啶与取代吡啶形成的席夫 碱大环配体( 图1 1 2 2 b ，c ) ，并分别研究了其n i ( h ) ，m n ( n ) ，c r ( i i i ) 配合物的晶体结构盼们1 。 a a 1 1 = l 3 r = c 0 2 c i - 1 3 b a b b c d 图1 1 , 2 5 9 n = 0 3 骚 ) n 芍 厂l 第一章绪论 d e a d y 等合成了多醚二酯大环配体【4 1 1 ( 图1 1 2 3 a ) ；b r a d s h a w 等合成了双1 ，1 0 一菲罗啉 席夫碱大环 4 2 j ( 匿j1 1 2 3 b ) ；n e w k o m e 合成了1 ，1 0 一菲罗啉多醚大环和含有1 ，1 0 一菲罗啉与 联吡啶的大环 4 3 ，4 4 1 ( 图1 1 2 4 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 ，1 0 - 菲罗啉配合物”1 ，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 2 4 c ) 及其e u 3 + , t b ” 的配合物【4 “，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【4 7 1 配体f 图1 ：1 2 5 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。b l a k e 等合成了含有1 ，1 0 菲罗啉的含硫大环配 体( 图1 1 2 5 b 和c ) ，研究了它们对n i 2 十，p d + ，p t 2 + 和r h 3 + 的配位性质眦49 1 ，进一步测定 了相应的n i 2 + 的配合物的晶体结构和电化学性质5 0 1 。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 2 5 d ) ，研究了它们对c u + 的配位性质剐，进一步研究 了相应的配合物的电化学性质。 ( - - - ) 、1 。1 0 菲罗啉的穴醚衍生物 在合成l ，1 0 菲罗啉的大环配体的基础上，不少穴醚衍生物被合成，这主要是基于这 类配体对酶反应有高的选择性，l u n i n g 等合成了双大环配体( 图1 1 2 6 ) 1 4 3 1 ，研究了配体 的碱性和与金属离子的配位能力。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【铋、在许多反应中能作为催化剂以及在一些生物体系中作为电 子转移的模型化合物【s 4 】，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1 ，1 0 - 菲罗啉穴醚衍生物( 图1 1 2 7 ，图1 1 2 8 a ) ，研究了相应的晶体结构和电化学 性质f 5 5 5 6 1 。 罾x 鬻= - c h 一1 | | c t t 2 - o - c h d x c 羚h r 啦撼菱蚓。 孕搿 1 0 第一章绪论 图1 1 2 s ( a )图1 1 2 8 ( b ) ( 三) 、1 ，1 0 菲罗啉的超大环衍生物 c a z a u x 合成了更为复杂的超大环配合物阢5 8 】；k e r n 和s a u v a g e 等合作合成了包含 1 ，1 0 菲罗啉的5 6 员的超大环，并研究了相应的电化学和光物理性质【5 9 】。 三、含l ，1 0 菲罗啉的多吡啶衍生物 近年来，对含1 ，1 0 菲罗啉的多吡啶衍生物由于b a r t o n 科研组的出色工作 6 0 - 6 8 而受 到广泛的关注 硎。合成了各式各样的多吡啶衍生物，其中较为典型的一些衍生物结构如 图1 1 2 9 所示。目前所研究的几乎都集中在这些衍生物与r u 2 + 形成的配合物同d n a 相 互作用上，因为相应的钉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 7 7 1 。计亮年等合成了不同形状的钉( i i ) 多吡啶配合物，考察了相应钉配合物与d n a 的键 合模式及其结合力大小的影响因素、与d n a 键合的异构选择性及不同键合速率等【7 7 1 。 计亮年等也报道过这类配合物的非线性光学性质【7 2 】。 a t 7 0 1 b 7 1 翼： d 1 7 6 】e 1 7 7 图1 1 2 9 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 塑二垦堕笙 其分子状似杯子或花瓶而得名刊1 。作为模拟酶研究的对象，杯芳烃特别受到重视，又 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 【鲫。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。 r = h t b u 图1 1 3 0图1 1 3 1 目前，合成的1 ，1 0 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 8 l ，8 埘，c a s n a t i 等【8 1 1 合成了如图1 1 3 0 所示的衍生物，研究了相应的荧光性 质。r o s s 等i s 2 合成了1 ，1 0 菲罗啉的杯 6 】芳烃的a d 桥联的衍生物( 如图1 1 3 1 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。 五、l ，1 0 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 8 3 - 9 5 】，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 作割8 6 ，8 7 1 设计并用“一锅煮”法合成了以l ，1 0 菲罗啉桥联p 环糊精的衍生物( 如图1 1 3 2 所示) ，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 5 个数量级，表现出良好的水解性能。 r = h 或c h 3 也 。删；乳氍咄锐 _三丫。 o 儿 删 州 n 。 嚣髫 ， 一 v 。j、。取。 第一章绪论 a b 图1 1 3 2 六、1 1 0 菲罗啉的c 6 0 衍生物 1 9 8 5 年c 6 0 的发现使人类对碳的认识进入新阶段，这是科学上的重要发现【船】。从1 9 9 0 年克量级制备c 6 0 获得成功以来8 9 1 ，由于c 6 0 特殊的缺电子结构，化学的可修饰性及其 本身和衍生物在化学、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，尤其是它的化学反应备受关注。氧化反应、还原反应、自由基 反应、电荷转移复合物的制备和加成反应，尤其是环加成反应已成为c 6 0 化学修饰的强 有力工具1 9 0 - 9 2 】。d i e d e r i c h 掣9 即将1 ，1 0 菲罗啉的丙二酸二乙酯衍生物与c 6 0 进行反应， 制得了相应的衍生物( 如图1 1 3 3 所示) ，预言了其在生命及医药等领域的潜在应用前景。 d i e d e r i c h 等【9 4 ，9 5 与s a u v a g e 合作，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 3 4 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 3 3 圈1 1 3 4 七、1 ，1 0 一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，l e l l l l 等 9 6 1 合成了首例含有1 ，1 0 菲罗啉单元的笼形化合物( 如图1 1 3 5 a 所示) ，并合成了相应 的n a ( 1 ) 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 l3 第一章绪论 性质，如光化学、光物理性质等。v o g t w 等阢9 8 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 3 5 b 所示) ，改变连接1 ，1 0 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。他们还进一步将c u ( i i ) 与2 位和9 位带有不同的取代基的1 ，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1 ，1 0 一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。 a 【p h e n ，p h e n p h e n = 0 ，厂卜 图1 1 3 5 八、1 ，1 0 菲罗啉的超分子衍生物及配合物 超分子化学是近年来化学合成的热点之一【吲。目前，运用不同方法，已合成了各式 各样的超分子化合物。但是许多方法是烦琐的，且产率极低。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【1 0 0 ，1 0 ”。1 ，1 0 菲罗琳便是这样的理想芳香化合物，w a l b a 等合成了1 ，1 0 。菲罗啉的结式 超分子大环配合物 1 0 2 1 ( 如图1 1 3 6 所示) ；s w a g e r 等合成了1 , 1 0 菲罗啉的轮式超分子 大环配合物1 0 习( 如图1 1 3 7 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l ，1 0 - 菲罗啉的更为复杂的多轮式超分子大环配合物【1 0 4 1 ( 如图1 1 3 7 所示，两端的 “塞子”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 1 0 5 1 ( 如图1 1 3 8 所示) ；s a u v a g e 等合成了1 ，1 0 菲罗啉的双螺旋节式超分子大环配合物 ”1 ( 如图1 1 3 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1 0 6 枷9 】( 如图1 1 4 0 和4 1 所示1 。 第一章绪论 r 图l ，1 3 6 图1 1 3 7 嘲l 1 3 8 图1 1 4 0 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。人们一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 第章绗论 期通过对化学体系的研究解丌自然界t i j 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”i o l o 水解酶( h y d r o l a s e ) 是穴大酶类之中研究的最多并应用最j 泛的一类。自然界有许 多种水解酶，如碳酸酐酶( c a r b o n i ca n h y d r a s e ) ( 图6 1 a ) 、羧肽酶( c a r b o x y p e p t i d a s e ) ( 图 6 - l b l 和碱性磷酸酯酶( a l k a l l i n ep h o s p h a t a s e ) ( 图6 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) 的水解在牛命过程中起着十分重要的作用“。水解酶 的作用机理和会属离子在活性l l i 心的作用一直是生物无机化学的热点问题2 1 ，近年来 人们设计并合成了系列余梢水解酶的模拟物( 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3 1 。 a s p 3 2 7 ，o h 2 h i s 3 ，- 掣：、 叫叭n l ih 甑矽 患a 。彩o h i s s 丫 s 0 r 1 0 2 7 一 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- i 一心结构 9 h 2 图1 2 2 一些会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( 图6 - 2 ) ，即含n 大环( 包 括带醇羟基侧臂) 配合物【”7 】和开链杂环多胺配合物8 1 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人量研究。 关丁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会属离了与水分了之问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。最近大环配合物存催化磷酸酯及核酸的水 解方面发展很快。i n 丌链配体的研究同样是热点，以开链配体作为水解酶的模型有： 1 1 7 。1 9 】 r 、r 2 1 7 】 【1 8 【1 9 】 6 h p 第一章绪论 【1 1 9 j 图1 2 3 一些金属水解酶模型的开链配体 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。例如含有单核z n ( i i ) 的金属酶可 以有效地催化水解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，金属离子在 金属水解酶的活性中心有以下几种作用：1 ) 通过模板功能将催化基团和底物相连接， 2 ) 活化底物上的羰基或磷酯基，3 ) 活化亲核体( 配体上的醇羟基或与金属离子键合的氢 氧根离子) 。 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剧1 2 们。近些年来，研究工作者已设计并合成 了许多含有两个或多个金属离子的金属酶模拟物，例如双核锰离子催化酶引起了人们很 大的兴趣3 ，1 2 0 。1 2 4 j ( 图1 2 4 ) 。 图1 2 4 研究发现，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1 2 5 , 1 2 6 ( 医 1 2 5 1 。 图1 , 2 5 i r a n z o 等1 2 7 1 备成了两个中环多胺配体，研究了它们的z n ( i i ) 配合物( 图1 2 6 ) 模拟 甲lij 釜二里塑丝 磷酸二酯水解酶催化h p n p 水解的效果，并提出了催化机理。研究表明，双核配体比单 核配体的催化活性有很大提高，研究人员将此归因于：a ，双核的协同作用使分子中的 配位水更易失去质子成为氢氧根离子，从而更易进攻配位的磷酸二酯底物；b ，双核配 合物能为决速步过渡态提供更大的稳定性。 h o 八1 h 寸z 1 2 l 一 l h z n ( l 1 0 h )z n 2 ( l 2 0 ) 图1 2 6 1 3 模拟s o d 的研究现状 h o l m 等1 1 2 司指出：模拟的方法是对生物分子的一种补充研究，它可以对酶的活性 中心结构和功能提供有价值的信息，研究的最终目的是选择适当的体系，用于生产。在 众多的生物酶中，超氧化物歧化酶( s o d ) 是被广泛研究和模拟的一种。 人体内的活性氧物种( r e a c t i v e o x y g e ns p e c i e s ，r o s ) 包括超氧阴离子自由基0 2 一、 羟基自由基o h 、过氧化氢、脂质过氧化物等，是生物体内正常新陈代谢的副产物，其 中超氧阴离子自由基0 2 一是生物在利用氧的过程中由噬菌细胞产生的一种最典型的活性 氧自由基，它在体内形成最早，可以通过歧化反应或f e n t o n 反应生成o h ，o h 对细胞 的破坏作用最强，它同时也是脂质过氧化的引发剂。f 常情况下，超氧阴离子自由基 0 2 1 能参与生物体内的某些生理生化过程，如可调节花生四烯酸代谢，刺激吞噬细胞的 杀菌功能以及免疫过程，但它同时对细胞也是有毒的，尤其是在高浓度情况下，如当其 产生过多或消除受阻时就会在生物体内聚集，并能够进攻生物大分予，如脂类、蛋白质、 酶、d n a 、r n a 等，导致细胞或组织损伤，进而引起多种疾病，如衰老、炎症、癌症、 糖尿病