（物理化学专业论文）新型邻菲罗啉桥联杂环多胺配合物的合成与性质研究.pdf

南开大学硕士研究生毕业学位论文摘要 摘要 几十年来，1 ，1 0 一菲罗啉作为重要的配体在配位化学中占据了相当重要的 地位，相应的许多衍生物在很多领域内起重要作用。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 1 ，l o 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研究需要进 行。本文中合成了1 ，1 0 一菲罗啉桥联苯并咪唑多齿配体并对其配合物的可能结 构、热力学性质及其催化磷酸二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l ，1 0 一菲罗啉一2 ，9 一二醛的合成出发，合成了两 个新的配体：2 ，9 一二一 1 一( 2 ”一苯并咪唑基) 一2 氮杂丙烷基 一1 ，1 0 一菲罗 啉( l 。) 和2 ，9 一二一 2 一( 2 ”一苯并咪唑基) 一3 一氮杂正丁基卜1 ，l o 一菲罗啉( l ：) 。 并对合成的配体做了元素分析、1 h n m r 谱的表征。 i 2 运用p h 电位滴定测定了配体l 。、l ：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6 个镧系金属离子l a ( i i i ) 、n d ( i i i ) 、 s ( i i i ) 、e u ( i i i ) 、g d ( i i i ) 和t b ( 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、配体结构等对配合 物的稳定性( 累积稳定常数) 的影响，并为进一步进行动力学研究打下基础。 3 利用d u 一8 b 紫外二可见分光光度计和起始浓度法，进行了l 1 、l ：的 s m ( i i i ) 、g d ( i i i )配合物催化o 一2 一羟丙基一07 47 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。 关键词：l ，l o 一菲罗啉，配合物，热力学，动力学，磷酸二酯。 南开大学硕士研究生毕业学位论文 a b s t r a c t i i nt h ec o o r d i n a t i o nc h 啪i s 仃yf i e l d1 ，1 0 - p h e n a n t h r o l i i l e 弱i m p o n a n tl i g a n d h a s v e r yi m p o n a n ts t a t i o ni nr e c c n td e c a d e sy 邑泌，m a n yc 0 矗e s p o d i n 奎d e r i v a t i v e so f 1 ，1 m p h e n 柚t h 】l i n ec x e ni m p o n 加tm l ei nm e n yf i e l d s e v e nt h o u g hm a n y s y s t 锄sa b o u tl ，1 m p h e n a i l ( h r o l i n e h a da h a d yb e e ns t l l d i c d ，b c c a u s et h e p r o p e n i e so f 也ef l l n c t i q n a lc o m p l 专x e s a b o u t1 ，1 0 - p h e n a n t h m l i n eh a v eb e e n s t u d i e dl a t e r m 卸ys t u m e so ft h i s 丘e l da l s oh a v eb e e nd o n e h 也i st h e s i s ，t w o m u l t i d e n 上a t e 1 ，1 0 _ p h e n a n t h r o l i n el i g 如d sw e r cs y n t l l e s i z e da n d 也ep o s s i b l e s 仃u c n l r eo ft h e m p l e x e so ft 、】l ，o l i a n g d s w i t hm ( i i ) a n dl n ( ) ， c h e 斌o d y n 绷i 镐o ft h e m p l e x c s ，k i n e t i 岱o fm n ph y d m l y s i sc a c a l y z e db y t h ec 0 i n p l e x e s 弱c a t a l y s t sw e r cs t u d i e d ，s o m en e wd i s c o v e r s 触ds i g i l i 丘c a i l t r e s l l l t sh a v e b e e nf o u n d t h em a i n n t r i b u t i o n sa r ea sf o l l o w s 1 1 w on o v e l1 ，1 m p h e n 如t h r o l i n em d g c dp o l y a m i n el i g a n d s ( h ，k ) h a v c b e e ns y n 1 c s i z e d a t h el i g a i l d sw e r ec h a r a d e r i z e db ye l e m e n t a la n a i y s i s ，1 h n m r s p e c t 姗e t 哆 2 b yp ht i n a t i o nm e t h o d t h cp m t o n a t i o nc o n s t a n t so ft h el i 昏m dl 1 a n dk ， t h es t a b 丑i t yc o n s t a n t so ft h er e s p 髓t i v em ( m = c o ( 毋，n i ( 玛，c u ( ) ，z i l ( 毋) a i l dl 丑 ( h = 叫呻，n d ( i i d ，s m ( i i d ，e u ( 四，g d ( d ，t e ( 四) b i n a r y m p l e x e s ( 1 ：1 ) h a v e b e e nd e t e 珊i i l e da n dp r o b 曲l es t n l c t l l r e so ft h ec 0 e s p o n d i n gc o m p l e x e sw e r e p m p o s e d 3 n eh y d r o l y t i cl 【i n e t i c so f2 h y d r o x y p r o p y l 一4 捌t i d p h 如y lp b o s p h a t e ( h p n p ) 单t a l y z e db y 面m p l c x e so fl 1a n dk w i t hs m ( i 毋，g j ( i ) h a v eb e e ns t u d i e d b o m m la n dm l h lh a v ec a t a l y t i ca c t i v i f y ，b u tm u 臣li sm o r er e a c t i v et h a nm li nh p n p h y d i y s i sr e a c t i o n n e wm e c h a i l j s mw 嬲p r o p o s e df o rh p n ph y d m i y s i sr e a c f j o ni n w h i c hc a t a l y z e db ym la i l dm u l 1 i 【e y w o r d s ：1 ，1 0 - p h e n a n t h m l i n e ，c o m p i e x ，t h e 衄o d y l l a m i c s ，虹n e t i c s ，h p n p 1 1 南开大学硕士研究生毕业学位论文绪论 第一章绪论 人们对具有重要生命意义的底物的配位与转化一直有着浓厚的兴趣。酶是生 物体内最重要的物质之一。为了从根本上认识和理解酶的结构、性质和功能之 间的内在关系，出现了人工酶或模拟酶研究这一新兴课题。 配位化学在生命科学中的应用之一是创造在不同程度上再现生命现象的模 拟体系，以加深对生命过程的认识。采用模拟方法是以配位化学理论和方法为 基础的生命科学研究的个显著特点，即用大小相近、配位类型相似的金属离 子作为生物探针取代生物体系中的金属离子，或用一些简单的金属配合物作为 生物原型的模型化合物，在一定程度上反映生物原型的某些特征( 例如对卟啉 的铁化合物等人工氧载体的研究，大大加深了对血红蛋白载氧机制的认识) ，或 用化学方法再现生物体系的某些功能( 例如目前广泛研究的光合作用分解水制 氢的各种模拟体系) 。酶在生物体的新陈代谢及其它生理机能方面起着不可替代 的作用，因为许多酶是金属配合物，它们在生物催化、信息传递、物质运输、 炭素固定、细胞调节等生物过程中充当重要角色。鉴于金属酶在生命过程中的 这种重要地位，人们设计合成了大量的配合物来模拟酶在生物体内的各种功能 “j ，从而推动并深化了人类对生命的认识。 第一节模拟水解酶的研究现状 在自然界的发展和生命进化中，动植物为了生存，进化出了酶的高效催化、 激素的精密调控等无数绝妙的生物机能。通过自然的启发引导，科学工作者探索 实现化学反应、产品检测及反应后处理等“绿色化”的可能。由于生物体内进 行的生命活动恰是一个完整绿色化的过程，其中酶和激素扮演着极其重要的角 色，这就为人们实现绿色化学提供了开展工作的切入点模拟酶研究与开发 ”。酶是类生物催化剂，是具有催化功能的蛋白质。它有着所有催化剂的共性： 如少量酶存在即可大大加速反应速度：有时也参与反应，但反应前后本身无变 化。另外酶还有其自身特性”1 ：更高的催化效率、更高的反应专一性、温和的反 应条件。有些酶( 如脱氢酶) 需要辅酶或辅基，有奇特的酶活性调节能力。然而， 天然酶易变性失活、提纯困难、价格昂贵，给储藏及使用带来不便，实际需要同 南开大学硕士研究生毕业学位论文绪论 i 样促使人们开发具有酶功能的模拟酶体系用于实际生产。 生物无机化学中，有关生物活性配合物的模拟大致分为三个层次。1 ：( 1 ) 模 拟物只含有与生物活性酶相同的金属离子第一级近似。如超氧化物歧化酶 ( s o d ) 是以铜为辅基的蛋白质配合物，而铜的某些氨基酸或羟基配合物，可用 作模拟物，它们具有一定程度的s 0 d 活性。尽管模拟物的作用机理、选择性及 反应效率不同于原来的酶，但因可大量合成，仍有实用价值：( 2 ) 模拟活性中心一 结构。人们用三乙撑四胺合成铁( ) 配合物来模拟过氧化氢酶。用该化合物- 来进行如催化机理的研究显得很方便。结果证明该铁( ) 配合物催化分解过 氧化氢的速度相当接近过氧化氢酶的速度：( 3 ) 整体模拟。活性中性必须处在 一个特定的微环境和整体结构之中，所以高级模拟是包括微环境在内的整个活 性部分。诺贝尔奖获得者c r a m 、p e d e e s o 与k h n 相互发展了对方的经验，提出 了主2 客体化学“1 和超分子化学“1 ，奠定了模拟酶的重要理论基础。根据酶催化 反应机理，若合成出能识别底物又具有酶活性部位催化基团的主体分子，同时底 物能与主体分子发生多种分子相互作用，就能有效模拟酶分子的催化过程。 随着生命科学与化学的相互交叉和渗透，模拟酶的研究成果己在生化分析 中得到广泛应用。李早英等。1 合成了一系列的水溶性和非水溶性金属卟啉，作为 超氧化物岐化酶和过氧化氢酶的模拟物催化岐化0 2 - 6 和催化分解h 2 0 2 。含有 毗啶溴化盐的水溶性金属卟啉的仿酶活性明显大于含羧基或酯基的非水溶性金 属卟啉。c r e s t i n i 等“1 将锰金属卟啉固载于蒙脱土上，作为木质素过氧化物酶仿 生催化剂催化木质素模型化合物的氧化。克服了天然卟啉由于自毁或形成f 2 0 络合物带来的稳定性差的问题。u g 等o 以血红蛋白为模拟酶、l ：酪氨酸为底 物。开发了一种新颖的荧光光谱方法测定过氧亚硝酸盐，认为反应过程中形成了 一种新的对活体有害的指示物质：o n o o - 。对过氧亚硝酸盐响应的浓度范围为： 5 1 6 0 1 0 一2 1 1 0 1 0 m 0 1 d - 3 ，相关系数为0 9 9 8 3 ，检测限为5 1 0 。9 m 0 1 d m - 3 ，。通过合成具有不同取代基的金属卧啉和使中心金属离子具有不同的 轴向配体，已实现了对过氧化物酶、过氧化氢酶、细胞色素c 氧化酶、核酸酶等 的模拟0 1 。通过选择不同底物以及和其它酶催化反应联合可分析葡萄糖、氨基酸、 抗坏血酸、肾上腺索及核酸等许多重要的生物物质“”。 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。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 2 南开大学硕士研究生毕业学位论文 度专一性，催化活性可被调节控制，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“”。 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。“”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 i 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 根据酶所催化的反应类型，可以将酶分为七大类，其中包括氧化还原酶， 转移酶，裂合酶，异构酶，合成酶，核酸酶以及水解酶。 3 南开大学硕士研究生毕业学位论文绪论 就其化学本质来说，绝大多数的酶是蛋白质，根据酶蛋白分子的组成，可 将酶分为简单酶类和结合酶类( 全酶) ，全酶中的非蛋白部分，称为酶的辅助因 子，辅酶或辅基。按照现代意义，辅助因子一般是指金属离子，金属离子和酶 的关系比较复杂，有的金属离子与酶的催化活性直接相关，也有的金属离子主 要是维持酶的空间构象。酶蛋白和辅酶是酶表现催化活性不可缺少的两部分， 酶蛋白决定反应的专一性，辅酶则参与和底物分子作用，并对酶蛋白的稳定起 保护作用。 有将近三分之一的酶需要金属离子作为辅助成分。根据金属离子与酶蛋白 结合程度，可以分为两类：金属酶和金属激酶。在金属酶中，酶蛋白与金属离 子结合紧密。这类酶中的金属离予主要是一些过渡金属离子。这些金属离子通 常以配价键的形式与氨基酸残基的侧联基团相连，有时也与酶蛋白中的辅基， 如血红素的卧啉环相连。金属酶中的金属离子作为酶的辅助因子，在酶促反应 中传递电子，原子或官能团。而在金属激酶中的金属离子与酶的结合一般较松 散。在溶液中，酶与这类离子结合而被激活，这类金属只要是碱金属离子或碱 土金属离子。金属离子对酶有一定的选择性，某种金属只对某一种或者几种酶 有激活作用i 金属离子参与酶促反应主要有如下几种形式： l _ 提高水的亲核性能 金属离子可以和水分子的o r 结合，使水显示出更大的亲核催化性 ，一 能。 2 电荷屏蔽作用 电荷屏蔽作用是酶中金属离子的一个重要功能，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 电子传递中间体 许多氧化还原酶中都含有铜或铁离子，它们作为酶的辅助因子起着 传递电子的功能。“5 1 酶模型是人工合成的一类具有酶的某些属性的有机化合物，虽然它的分子 比较小，结构比较简单，但是含有酶所具有的主要活性基团以及与酶的活性中 心相似的空间结构，能够模拟酶的某些关键性功能。酶模型的分子设计以及所 合成的酶模型的性能，在很大程度上反映了对某种酶的结构与反应机制的认识。 应用酶模型模拟酶的催化作用行为，可以比较直观地研究与酶的催化作用相关 4 南开大学硕士研究生毕业学位论文绪论 的各种因素，如活性基团的组成及其作用，反应中心的空间结构特点，催化过 程中与底物过渡态结构的结合性状，以及酶催化反应的动力学性质。 水解酶( h y d r o l a s e ) 是六大酶类之中研究的最多并应用最广泛的一类。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 “”，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“ 。 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，一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 1 a ) ，以 c d 本身为催化剂可使酶水解加速1 0 5 1 0 6 倍“”。组氨酸昧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 锄a 等“”将睬唑在 n 上直接与b c d 的c 一3 相连，所得的配体( 图l _ l b ) 催化卜- n p a c 的水解比 天然酶快个数量级。 图1 1 一些金属水解酶的模拟配合物 b 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) 配合物和开链杂环多胺配合物。”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，以开链配体作为水解酶的模型有： 争a 南开大学硕士研究生毕业学位论文 a 、凡r 图1 2 一些金属水解酶模型的开链配体 b h 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 广泛的研究恤1 。，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1 。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 o ”合成的水杨醛衍生物h l x 与m n ( i 叼的性质 较为有趣，而邻菲罗啉脂肪胺含有醇羟基的衍生物”1 和一些开链含有醇羟基嘟1 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 1 3 ) ： r 、r 2 图1 3 一些金属水解酶的开链配合物 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 ) 南开大学硕士研究生毕业学位论文绪论 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。，一就模拟水解酶体系而言， 研究较多的是c u ( i d 、c o ( i d 、z n ( i d 等金属离子的配合物。”。例如含有单核z n ( 田 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 9 2 + _ 盯p 复合物。m g z + 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。 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，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 d 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汹侧( 图1 4 ) 。 张毅等人。“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 j ( a 。2 1 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。”等人合成了两 一 种杂氮冠醚化单s c h j f f 碱钴( i i ) 配合物( 图1 5 ) 。在底物浓度远大于催化剂浓 南开大学硕士研究生毕业学位论文绪论 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 n | l ；c o l | 啦 图1 5 i r a n z o 等1 合成了两个中环多胺配体，研究了它们的z n ( ) 配合物 ( 图1 6 ) 模拟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。 印h 9 命h z n 皿1 0 哪 z n 2 a l 2 0 ) 图1 6 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。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。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侧( 图1 7 ) 。 图1 7 双核锰离子催化酶 ， 2十 对于稀土金属配合物的催化活性，目前也有很多相关报道。蒋维东“”等人 为了更好地阐释金属离子在磷酸酯催化水解的过程中所起的作用，他们研究了 单核镧配合物和异双核铜镧配合物催化磷酸二酯( b n p p ) 的水解反应。得出结论 单核铜( i i ) 配合物对于磷酸酯的水解几乎没有任何催化作用，而其它两个含有 镧离子的配合物都能有效地催化磷酸酯的水解。 s c h n e i d e r 等“”发现p r ”，e u ”等一些大环配体组成的双核配合物可使p b r 3 2 2 质粒d n a 发生单股水解断裂的速度有大幅度的提高，使其半衰期从2 0 0 0 年缩短 到只需5 0 m i n ，快了2 1 0 0 万倍。朱兵等研究了另一种含氮大环配体的双核稀土 配合物对p c a t 及p u c l 9 质粒的断裂作用，发现断裂p c a t 质粒的半衰期仅为2 5 m i n 可能是目前断裂质粒d n a 的最快催化体系 目前的人工酶的研究工作已从以往的仅以结构简单、功能单一、只注重对 活性中心进行模拟，逐渐向结构复杂、设计精美、注重多点催化和多点协同作用 的高级模型物发展。设计合成具有高催化活性和选择性、条件温和、适用范围 广和物美价廉的催化剂是对化学家们提出的有力挑战。在未来的研究工作中，以 有机或天然高分子为载体的大分子人工酶将成为发展的重要方向之一：对酶的 催化与协同作用的模拟也将更深入更全面，为药物设计、基因工具、环境保护等 发展提供坚实的理论和实验基础。 第二节1 1 0 _ 菲罗啉衍生物研究现状 几十年来，1 ，1 0 一菲罗啉作为重要的配体在超分子配位化学中占据了相当 重要的地位，相应的许多衍生物在很多领域内起重要作用，例如在分析化学、均 相催化中作为重要的螯合剂，不少配合物在生命科学研究中作为胡子学核酸酶和 重要的电子传递剂。而咀，1 ，l o 一菲罗啉与联吡啶一样，在超分子配位化学中也 南开大学硕士研究生毕业学位论文 绪论 占据了相当重要的地位，因而极大地刺激了不同位置带不同取代基的l ，l o 一菲 罗啉的合成。 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，两个氮原子处于相邻的位置，是很好的矿电子受体，与金 属离子配位时能够形成反馈矿键，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 ，l o - 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。由于l ，1 0 一菲罗 啉结构的特殊性，2 、9 一二甲基一1 、1 0 一菲罗啉是l 、1 0 一菲罗啉进行功能化最重 要的原料之一，如1 ，t1 0 一菲罗啉结构的甲基单功能化和双功能化。近年来，人 们合成了大量的1 ，l o 一菲罗啉衍生物及其配合物：主要有如下几类：( 1 ) 、l ， l o 一菲罗啉的普通开链衍生物及其配合物。( 2 ) 、l ，l 沪菲罗啉参与形成的大环 衍生物及其配合物。( 3 ) 、含1 ，1 0 一菲罗啉的多毗啶衍生物。( 4 ) 、l ，1 0 一菲罗 啉的杯芳烃衍生物。( 5 ) 、1 ，1 0 一菲罗啉的环糊精衍生物。( 6 ) 、l ，1 0 一菲罗啉 的衍生物。( 7 ) 、l ，1 0 一菲罗啉的笼形衍生物。( 8 ) 、l ，1 0 一菲罗啉的超分子 衍生物及其配合物。 1 ，1 0 一菲罗啉的普通开链衍生物及其配合物从结构上看起来一般很简单， 但往往表现出新奇的性质。z a c h a r i a s 等人合成了l ，1 0 一菲罗啉一2 、9 一二醛的 钳式席夫碱配体及其配合物“，并研究了配体选择性输送p b “离子穿过液膜的 能力。n e w k o m e 合成了平面四方形的c p b 配合物，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 一二氮一毗唑甲基一1 、 1 0 一菲罗啉配体，研究了其c u ( i i ) 配合物的晶体结构及电化学性质。e n g b e r s o n 等合成了邻菲罗啉开链多胺配体( 包括手性配体) 及其配合物，并进行了模拟 酶酯水解动力学的研究“”。m e u n i e r 等以1 、1 0 一菲罗啉为元件，合成了一种钳 式配体，电泳实验结果表明该配体与c u ( i i ) 配合物对d n a 表现出切割活性“。 1 0 南开大学硕士研究生毕业学位论文绪论 文献报道了1 、1 0 一菲罗啉的2 、9 位的不对称合成，经研究发现它们与z n ( i i ) 、 c o ( i i ) 、c u ( i i ) 、n i ( i i ) 、c d ( i i ) 等的配合物能对对硝基苯酚、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，并研究了相应的催化动力学， 提出了相应的机理。 一目前，对1 ，1 0 一菲罗啉的修饰主要集中在2 ，9 位，对4 ，7 位、5 ，6 位和3 ，8 位的修饰也有所报道，对1 ，1 0 一菲罗啉的单功能修饰也有所报道，但相对较少。 下面对1 ，l o - 菲罗啉衍生物作一简要的综述。 1 2 11 1 0 _ 菲罗啉功能化的典型方案 1 2 1 1c h a n d i e r 方案 由于l ，1 0 一菲罗啉结构的特殊性，2 ，9 一二甲基一l ，1 0 一菲罗啉是1 ，1 0 一菲罗 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 及其合作者呻1 以2 ，9 一二甲基一1 ，1 0 一菲罗啉为初始原 料，合成了一系列的2 ，9 一二取代一1 ，1 0 一菲罗啉衍生物，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 一菲罗啉功能化的重要中间物，l ，l o 一菲 罗啉一2 ，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，已形成比较全面的合成路线和方法。 1 2 1 2n e w k o m 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 一二甲基一1 ，1 0 _ 菲罗啉 的甲基双功能化吼1 和单功能化”1 进行了研究( 图1 8 1 9 ) 。由于此类工作的重 要性，至1 9 9 3 年还有新方法合成报道删。 甍败：舷呐 南开大学硕士研究生毕业学位论文 绪论 ( n c s ：删o r o s u c c i n 加i d c ) 图1 8n e w k o m e 的2 ，9 一= 甲基l ，1 0 菲罗啉双功能化合成路线 a 如峨 图1 9n e w k o m e 的2 ，9 一二甲基1 ，1 0 菲罗啉单功能化合成路线( x - b r c 1 ) r = c h 3 r 羽o r 苯基 图1 1 0 1 2 1 3s a u v a g e 方案 随着超分子化学的发展，1 ，l o 一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 1 2 南开大学硕士研究生毕业毕位论文绪论 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璐们( 图1 1 0 ) ，然后进步 合成大环化合物和结构新颖的超分子化合物。 1 2 一，1 ，1 0 - 菲罗啉功能化的其它方案 l ，1 0 一菲罗啉可供功能化的位置很多，除以上三种方式外，还有另外的方案。 主要有：1 ) 、除1 ，l o 位外的其它位置直接卤化；2 ) 、在5 位和6 位氧化。 -。 1 2 2 1 直接卤化 r 图1 1 2 x = c l ，b r ：r - p h ，4 一t b u c 6 i i ，e t ，n - b u ，n - h e x ，h s c h m i t t e l 等嘲在1 9 9 8 年报道了一系列的1 ，l o 一菲罗啉的卤代物的合成( 图 1 1 2 ) ，为进一步功能化提供了又一方向。 t o r 等以l ，1 0 一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( 图1 1 3 ) “” 一 ab 一+ c 图1 1 3 1 2 2 25 6 位氧化成酮 一 、 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。较典型的有以下三种路线( 图 1 1 4 一1 6 ) 1 2 6 显示的三步法中呻1 ，当2 ，9 位取代基为c 1 时，反应不成功”1 。 另外，g i l l a r d 等发展了一步法( 图1 1 4 ) ”6 ”，但是该法仅适用于l ，1 0 一菲罗啉 的配合物。y 锄a d a 等”3 在g i l l a r d 的基础上，进一步发展了步法，达到了几 南开大学硕士研究生毕业学位论文 绪论 乎是定量的产率( 图1 1 6 ) ，这可能是迄今为止所见到的最好的方法。 ) ，删。婚 图1 1 5 。x = l l c i 图1 1 6 1 2 3 1 ，1o _ 菲罗啉衍生物及其配合物的合成及性质 1 2 3 1 1 ，1 0 - 菲罗啉的普通开链衍生物及配合物 l ，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。 n e w k o m e 合成了平面四方形的c p d 配合物( 图1 1 7 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 一二n 一 毗唑甲基一l ，l o 菲罗啉配体( 图1 1 7 b ) ，研究了c u ( i i ) 配合物的单晶及电化学 性质”1 。 淹x5 h 尝帆 南开大学硕士研究生毕业学位论文 绪论 b 图。1 1 7 功能化1 ，1 0 一菲罗啉配体及配合物 z i e s s e l 等合成了l ，1 0 菲罗啉的另一类衍生物( 图1 1 8 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 8 b ) ，并 将其运用在膜电极中对a g + 的传感器研究呻1 。p a r k e r 等合成了含p 的衍生物( 图 1 1 8 c ) 叫。 。受。鼢 多2 。r r 孑删 图1 1 8 扬恐 图1 1 9 ， l ，l o 一菲罗啉的2 ，9 位的不对称合成也被报道( 图1 1 9 ) ，它们与z i l ( i i ) 、 c 0 ( 田、c u ( i i ) 、n i o i ) 、c d ( 田的配合物能对对硝基苯酚分别与毗啶一2 一甲酸租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。 南开大学硕士研究生毕业学位论文 r = m = 矿z n “一一 图1 2 0 s a u v a g e 等“”合成了l il o 。菲罗啉的2 ，9 位双卟啉衍生物( 图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。 林华宽等。”由合成重要中间物1 ，1 0 一菲罗啉2 ，9 一二醛出发，合成了十三个 新的1 ，1 0 一菲罗啉2 ，9 二甲胺衍生配体以及l ，l o 菲罗啉2 ，9 一桥联双二氧四胺十 三元大环配体。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常数 以及它们与m n ( 田，c 0 ( 田，c u ( 毋，z n ( i d ，p d ( 玛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，为进步进 行动力学等研究打下了基础。采用s t o p p e d - n o w 技术，全面系统地进行了 l a l l a 6 的c l l ( 田，c b 和z n ( ) 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，全面进行了办，c o ( 田，c u ( 田，n i ( i d 的l a l 一u 镉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 0 ( 田，c i l ( ) ，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。 1 2 3 21 0 - 菲罗啉的大环衍生物及配合物 在合成了大量l ，1 0 一菲罗啉的普通开链衍生物及配合物的同时，l ，1 0 一菲罗 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 ，l o 一菲罗 啉为母体的单环结构发展到1 ，l o 一菲罗啉双环、多环配合物，乃至其它超大环衍 生物等。 1 2 3 3 1 1 0 一菲罗啉的单环衍生物 南开大学硕士研究生毕业学位论文绪论 图1 2 1 。 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。o g a w a 采用热双聚法合成了大环配体( 图1 2 1 ) ，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n 1 “。 裔脚以乏“一p 叫脚以r 芦，一 ab l s l cd 圈1 2 2 u e a u y 等合成了多醚二酯大环配体“”( 图1 2 2 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”( 图1 2 2 b ) ；b 1 a k e 等合成了含有1 ，1 0 一菲罗啉的含 硫大环配体( 图1 2 2 c 和d ) ，研究了它们对n i “，p a ”，p t 2 + 和r h 3 + 的配位性质“”1 ，一 进一步测定了相应的n i ? 的配合物的晶体结构和电化学性质m 1 。 1 2 3 4 1 1 0 _ 菲罗啉的穴醚衍生物 在合成l ，1 0 一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 南开大学硕士研究生毕业学位论文绪论 是基于这类配体对酶反应有高的选择性，h n i g 等合成了双大环配体( 图1 2 3 ) ，研究了配体的碱性和与金属离子的配位能力。 x = - o k 陋b 0 c 刚归培 一y 备【a 虹h ” ) 【_ c 喊【c h r 0 a 翻再啦c by 叫c i 功l p 聒- c 嘲c 盱o a 址a b y 叫d r m c 嘲i r 图1 2 3 1 2 3 5 1 1 0 - 菲罗啉的超大环衍生物 c 妇a 憾令成了更为复杂的超大环配合物溉”；k c m 和s a u v a g e 等合作合成了包 含l ，1 0 i 菲罗啉的5 6 员的超大环，并研究- 亍相应的电化学和光物理性质。 1 2 3 6 含1 1 0 - 菲罗啉的多吡啶衍生物 近年来，对含1 ，l o 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 。删而受到广泛的关注嘲，合成了各式各样的多毗啶衍生物。目前所研究的几乎 都集中在这些衍生物与r u “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。计亮年 等合成了不同形状的钌( i i ) 多吡啶配合物，考察了相应钌配合物与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 嘲。计亮年等也报道过这类配合物的非线性光学性质嘲。 1 2 3 71 ，1 0 一菲罗啉的杯芳烃衍生物 。 杯芳烃( c a l i 】【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