（物理化学专业论文）基于唑类衍生物为配体的功能配合物研究.pdf

中文摘要 中文摘要 唑类化合物及其金属配合物因具有生物活性、磁性、催化活性等而受到广泛 的关注。本论文设计并合成了3 个唑类衍生物，用这些化合物作为配体与过渡金 属离子配位自组装，得到了5 个具有单核、一维结构的新颖配合物，解析了这5 个配合物的单晶结构，利用元素分析、红外光谱、核磁等手段对这些配合物进行 了表征，并对部分化合物的清除自由基活性和抗菌活性进行了研究。论文的主要 工作如下： 第一章，简要介绍了配合物超分子体系中非配位键的相关概念和研究情况， 并对唑类衍生物的配位化学和生物活性进行了简要总结。在此基础上阐明了论文 的选题依据和工作设想。， 第二章至第四章，合成并表征了3 个唑类衍生物配体，解析了5 个金属配合 物的晶体结构。 1 合成了新型非对称性3 甲基5 吡唑羧酸配体( l 1 ) 及其金属配合物： c o ( m u l ) 2 ( h 2 0 h ( 1 ) c u ( h l l h i ( h 2 0 ) 1 。( 2 ) ，其中( 1 ) 中单核分子通过分子间氢 键形成一个准六核结构，进而堆积成为一个三维结构的配合物；配合物( 2 ) 是一 个一维链状配位聚合物。同时研究了吡唑羧酸类配体的配位性质。 2 合成了配体2 ( 咪唑1 甲基) 苯并三氮唑( l 2 ) 及其单核配合物( 3 ) 和 ( 4 ) ，并研究了两种配合物中存在的分子间氢键、加兀堆积作用、c - h 兀作用和 a g o 弱作用等非配位键在超分子组装方面的性能； 3 合成了配体3 - ( 3 ，5 二甲基吡唑1 ) 6 酚氧基哒嗪( l 3 ) 及其单核配合物 c u ( l 3 h i ( c 1 0 4 ) ( 5 ) ，该配合物中存在的兀兀堆积作用将其连接成为一维链状超分 子体系。 第五章，研究了部分化合物的清除自由基活性和杀菌活性。结果表明配体 l 2 和配合物( 3 ) 具有一定的清除自由基活性，i c 5 0 值分别为3 4 4 2 b t g m l 和 4 2 6 0 肛g m l 。配合物( 3 ) 对苹果轮纹病菌和芦笋茎枯病菌的抑制作用非常显著， 中文摘要 相对抑菌率分别高达8 8 0 0 和7 4 5 0 ，具有潜在的应用价值。 关键词：唑类衍生物晶体结构生物活性清除自由基抗菌活性 a b s t r a c t a b s t r a c t , a z o l ed e r i v a t i v e sa n dt h e i rt r a n s i t i o nm e t a lc o m p l e x e sa t t r a c t em u c ha t t e n t i o n d u et ot h e i rb i o l o g i c a la c t i v i t y , c a t a l y s i sa n dm a g n e t i s m i nt h i st h e s i s ，t h r e ea z o l e d e r i v a t i v e sh a v eb e e ns y n t h e s i z e d u s i n gt h e s el i g a n d st or e a c t 、) i ，i 也t r a n s i t i o nm e t a l s ， f i v en o v e lc o m p l e x e sw i t hm o n o n u e l e a ra n do n e - d i m e n s i o n a lc h a i ns t r u c t u r e sh a v e b e e no b t a i n e da n ds t r u c t u r a l l yc 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 ，r1 h n m i l e s i m sa n dx - r a yc r y s t a l l o g r a p h y t h er a d i c a l - s c a v e n g i n ga c t i v i t ya n df u n g i c i d a l a c t i v i t yo fs o m ec o m p o u n d sh a v eb e e ns t u d i e d t h ec o n c r e t ec o n t e n t sc o n s i s t i n go f f i v ec h a p t e r sa r ea sf o l l o w s ： i nc h a p t e r1 ，ab r i e fi n t r o d u c t i o no fn o n - c o o r d i n a t i o nb o n d si nm e t a l - o r g a n i c c o o r d i n a t i o nc o m p l e x e si sp r e s e n t e d t h ec o o r d i n a t i o nc h e m i s t r ya n db i o l o g i c a l a c t i v i t yo fa z o l ed e r i v a t i v e si sc o n c i s e l yr e v i e w e d ，a n dt h er e s e a r c hs i g n i f i c a n c eo f t h e t h e s i si ss u m m a r i z e d i nc h a p t e r2t oc h a p t e r4 ，t h r e ea z o l ed e r i v a t i v e sh a v eb e e ns y n t h e s i z e d ，a n du s e d t or e a c t 、) l ，i n ls o m et r a n s i t i o nm e t a ls a l t st oo b t a i nf i v en o v e lc o m p l e x e s ，w h i c hw e r e c h a r a c t e r i z e d b yx - r a y d i f f r a c t i o n a n a l y s i s 1 t h e a s y m m e t r i cl i g a n d 3 - m e t h y l 5 一p y r a z o l e c a r b o x y l i ca c i d ( l 1 ) a n di t sc o m p l e x e s 1a n d2h a v eb e e n s y n t h e s i z e da n dc h a r a c t e r i z e d ，r e s u l s s h o wt h a tc o m p l e x1c o n t a i n sar e p e a t e d q u s i h e x n u c l e a ru n i tw h i c hi sl i n k e dt oa3 一ds t r u c t u r eb yi n t e r m o l e c u l a rh y d r o g e n b o n d sa n d7 【- 7 cs t a c k i n g , 2a d o p t sal - dc h a i ns t r u c t u r e t h ec o o r d i n a t i o np r o p e r t yo f l 1h a sb e e nd i s c u s s e d 2 l i g a n d2 - ( i m i d a z o l 1y lm e t h y l ) - b e n z o t r i a z o l e ( l 2 ) a n d i t sm o n o n u c l e a rc o m p l e x e s3a n d4h a v eb e e ns y n t h e s i z e da n dc h a r a c t e r i z e d ，a n d c o m p l e x e s3a n d 4a r eb o t hl i n k e dt o3 - ds t r u c t u r e sb yn o n - c o o r d i n a t i o nb o n d s ，s u c h a si n t e r m o l e c u l a rh y d r o g e nb o n d s ，m 尢s t a c k i n g ，c h 兀i n t e r a c t i o na n da g o i n t e r a c t i o ne t a l 3 l i g a n d3 - ( 3 ，5 - d i m e t h y l p y r a z o l e - 1 ) - 6 - p e n o l i c - p y r i d a z i n e ( la n d i t sc o m p l e x5w e r es y n t h e s i z e da n dc h a r a c t e r i z e d ，a n dt h em o n o n u c l e a rc o m p l e x5i s a s s e m b l e dt oa1 - dc h a i nb y 兀呵s t a c k i n g i nc h a p t e r5 ，t h er a d i c a l - s c a v e n g i n ga c t i v i ya n df u n g i c i d a la c t i v i t yo fs o m e c o m p o u n d sh a v eb e e nd e t e r m i n e d r e s u l t ss h o wt h a tl 2a n dc o m p l e x3p r e s e n t i n h i b i t i o nt oa u t o x i d a t i o no fp y r o g a l l o l ，a n dc o m p l e x3h a se x c e l l e n ta c t i v i t i e sa g a i n s t m a c r o p h o m ak u w a t s u k a ia n da l t e r n a r i a s o l a n iw i t ht h ev a l u e so f8 8 0 0 a n d 7 4 5 0 ，r e s p e c t i v e l y , w h i c hi n d i c a t e sp o t e n t i a la p p l i c a t i o n so f t h e s ec o m p o u n d s 1 1 1 a b s t r a c t k e y w o r d ： a z o l e d e r i v a t i v e s ，c r y s t a l s t r u c t u r e ， b i o l o g i c a la c t i v i t i e s ， r a d i c a l s c a v e n g i n g ，r m g i c i d a la c t i v i t y i v 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含 任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉 及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本学 位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 年月日 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文：学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年月 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间：年月 日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 第一章前言 第一章前言 第一节超分子配合物中非配位键的研究进展 配合物分子间的相互作用是架设在配位化学与超分子化学间的一座很好的 桥梁d - 3 i 。配合物分子间的相互作用形式除了金属离子和配体的配位键外，还包 括各种非配位键作用，它们的强度比配位键要小，一般称之为分子间弱相互作用。 近年来，在生命现象和各种晶体材料的研究中，各种类型的分子间弱相互作用的 重要性已引起人们的广泛关注 4 - 1 2 1 ，它们在晶体工程、分子识别、超分子自组装 等研究领域显示了重要的作用。 金属配合物中非配位键作用主要包括各种氢键，g = t g 堆积作用、c h 尢作用 及范德华力，还有弱的金属金属作用【1 3 】等非共价作用形式，这些非配位键在控 制金属配合物晶体的结构与性质上有着非常重要的贡献。虽然这些作用力大多较 弱，但是它们可以通过合适的协同作用，使分子达到高度有序、互相配合的结构， 表现出单个分子或无序分子状态下所不具备的性质【l 纠6 1 。1 9 5 0 年，p a u l i n g 首先揭 示了蛋白质分子中的螺旋结构。多肽链可以按右手方向或左手方向盘绕形成螺 旋，相邻螺旋圈之间形成链内氢键，氢键的取向几乎与中心轴平行，氢键是内肽 链上的n - h 氢和它后面( n 端) 第四个残基上的c = o 氧之间形成的，是维系螺旋 的主力。1 9 5 3 年，w a t s o n c r i c k 发表了d n a 分子的螺旋模型，揭开了分子生物学 的帷幕，就链上的每一对核苷酸残基来说，一个链上的嘧啶及与另一个链上的嘌 呤基之间有氢键生成。分子的这些非配位键对于聚集体的功能、性质起到了重要 的影响。下面我们以氢键和兀- 7 c 堆积作用为例，简单介绍超分子金属配合物体系 中非配位键研究进展。 m o o r e 和g r m m i l l 于1 9 1 2 年最早提出氢键的概念。随着原子价的量子力学 理论的发展以及现代测定技术的应用，人们对氢键的本质及特性有了全面深刻的 认识：1 氢键具有饱和性：氢键是两个原子间由氢原子生成的键，氢原子的配 位数不超过2 ，表示如下：d h a ；2 键能的适宜性：氢键键能( 4 4 0 k j m 0 1 ) 与平均热能数量级相同，即不太强，也不太弱，这对于功能配合物的性质的发挥 是很重要的；3 成键对象的有限性：只有少数几个电负性较强的原子( o 、f 、n 、 c l 等) 才能生成氢键，而且两个成键原子的电负性越大，氢键的强度应该越大； 4 氢键具有不对称性：在几乎所有的氢键中，氢原子总是比较靠近两个毗连的 电负性原子中的一个：5 氢键的方向性：氢键d h a 大致可以看成是直线， 当实际上偏离直线时键能就会大大消弱，氢键的角度e 的下限值一般认为以1 1 0 0 第一章前言 为宜；6 氢键的可塑性：氢键可以发生弯曲、拉长和压缩；7 氢键键长的超长 性：氢键键长通常二倍于普通共价键键长；8 氢键的交换性：即氢键的主键部 分可以与次键部分发生翻转，d h a d h a ；9 氢键的协同性，氢键 群在生物体内往往表现出某种“社会性 协同关系。 氢键的形成可以通过多种手段检测出来：红外光谱表现为d h 伸缩振动峰 发生了红移：核磁谱上的信号峰向低场移动；量子计算可以通过计算机模拟来计 算氢键的能量：x 射线单晶衍射扫描氢原子的电子云能更有效的研究氢的位置以 及氢键的键长、键角。 s h a n eg t e l f e r 【1 7 】报道了( r ) 一l - ( 6 - m e t h y l p y r i d i n - 2 一y 1 ) e 1 a l l o l 的c u ( i i ) 配合物， 其晶体结构中，通过( c 1 h o h c l h 0 m 形成的一维链状超分子配合物 c u ( r ) - 1 ( 6 m e t h y l p y r i d i n - 2 - y 1 ) e t h a n 0 1 2 c 1 c l ，在结构单元中c u u 与两个配体分 子和一个氯离子及一个水分子配位，由于配合物中水分子的存在，使得 ( c l h 0 h c l h 0 h ) 。这一氢键链无限延伸，从而将配合物单元沿b 轴连成 一维链状超分子结构( 图1 1 ) 。 竹 铲 图1 1 配合物 c u 【皿) - 1 - ( 6 - m e t h y i p y r i d i n - 2 - y 1 ) e t h a n 0 1 2 c l c ! d p 通过氢键 ( c 1 h - o - h c l h - o - h k 形成的一维链状结构图 m i c h a e l ej h a r d i e t l 8 】等人报道了镱配合物 y b ( h 2 0 ) 8 4 ( b p y ) 9 5 c 1 1 2 2 4 5 0 - 1 2 0 ) ， 晶体结构中存在的大量水分子使得分子间氢键( b p y ) ( i - 1 2 0 ) ( h 2 0 ) ( b p y ) ( 其 中n o 距离分别为2 8 2 3 和2 8 6 0a ，o o 间距分别为2 7 5 7 和2 7 2 3 a ) 将配合物结 构单元连接成为一个三维网状结构。 2 第一章前言 图1 2 配合物 y b ( h 2 0 ) 8 】4 ( b p y ) 9 5 c 1 1 2 2 4 5 ( h 2 0 ) 通过氢键连接的三维结构图 s i g e l 等人研究混配配合物c u ( b i p y ) ( a t p ) q b 的电荷转移作用时，首次发现配 合物中存在有联吡啶环和嘌呤环间的重叠，称为芳环堆砌作用【1 9 】。正是这种芳 香环间的重叠作用给三元配合物带来相当大的稳定性。芳香堆砌作用是指离域兀 系统之间的非共价相互作用，它分为面对面平行的兀兀堆积作用和边对面( t 型) 的兀吨堆积作用( 图1 4 兀7 c 堆积作用的类型) 。其中研究居多的是面对面的冗冗 堆积作用，在结构描述中，我们经常通过一些数值来说明芳环之间的兀冗堆积相 互作用程度( 图1 5 ) 。如果芳环完全平行，只要给出芳环中心到中心之间的距离 以及两个面之间的距离就可以了；对于一对几乎平行的芳环，需要给出的数值是 两个平面之间的夹角、芳环中心到中心之间的距离、芳环法线与芳环中心到中心 连线的夹角。j a n i a k 依据c s d 统计结果认为中心到中心的距离小于3 8 a 可认为 存在兀- 兀相互作用【2 m 引。 a 图1 4 芳环间一丌堆积作用的类型 a 面对面；b 边对面( t 型) 图1 5 芳环之间一堆积作用( 1 ，芳环中心到中心的距离；2 ，芳环两个面之间的距离；3 和4 ，芳环法线与芳环中心到中心连线的夹角) 配合物9 ，1 0 b i s 3 ，4 b i s m e t h y l t h i o ) p h e n y l e t h y n y l a n t h r a c e n e 2 c u c ne 2 7 j q 了c u ( c n ) 链同侧的配体分子之间存在的兀一兀堆积作用和c h 兀作用将配合物结构单元 l 2 c u c n 连接成为二维结构配合物( 图1 5 ) 。 一j甲： 第一章前言 圄15 ( a ) 配台物9 ，1 0 一b l s l 3 4 - b i s - ( m e t h y l t h i c ) p h e n y l e t h y n y i a n t h r a c e n e2 c u ( c n ) 中在c u ( c n ) 链的同侧所有配体分子参与一, 1 堆积作用，从而将其连成二雏结构( b ) 配台物的二维结构 的拓扑结构幽。 陈小明小组利用v 型二羧酸与双齿封端基团邻菲罗啉组装得到一个无限双 螺旋链( 图16 ) 【2 8 1 ，其中链与链之间通过氢键和矿堆积作用自我识别。 图16 氢键和咀堆积作用力组装的无限双股螺旋体 采用多功能配体和金属离子通过配位键和非配位键共同组装成具有一维或 多维的分子聚集体在非线性光学、磁性、催化等方面有着潜在的用途。怎样选择 利用化合物分子的空间几何因素和基团的空间取向，特别是如何在分子问相互识 别的过程中协同发挥多种弱相互作用力，构筑具有预定结构和性质的超分子体系 是一项极具挑战性的问题。 第一章前言 第二节唑类衍生物配体的配位化学研究进展 在功能配位化学的研究中，配体中给体基团的性质很大程度上决定或影响着 整个配体的性质。以各种芳杂环化合物作为端基，设计不同的配体来研究它们配 合物的组装规律是当今配位化学的一大主流，其中以n 原子为配位原子的各类芳 烃倍受青睐。一方面是由于n 原子与过渡金属原子具有较强的配位能力，极易在 常规条件下组装出各种目标分子；另一方面，它们的配合物不仅结构新颖，而且 部分配合物在光学、电学和磁学等方面也具有一定的应用价值和发展潜力【2 9 - 3 7 】。 因此，这类配体配合物的研究成为化学、物理学、生命科学、材料科学、信息科 学等多种学科交叉的研究热点。在含n 杂环中，吡唑、咪唑和苯并三氮唑是比较 常见的几种，而且这几种配体或衍生物的金属配合物与人类生活及生命科学研究 都有着紧密的联系，因此，它们的配位化学有着重要的研究价值。在这些研究中， 人们不仅探讨了试验结果中配合物的精美结构和有趣的性质，而且更多关注了配 合物的结构和性能间的关系，寻找着这些配合物构筑过程中的影响因素，并试图 通过合理的设计和调控组装出预期结构和性能的配合物，以下简单综述一下近年 来这方面的相关报道。 1 2 1吡唑类配体在超分子自组装中的应用 毗唑类配体是一类较为复杂的多功能有机配体：一方面吡唑配体上的氮氢键 使体系中存在复杂的氢键，且氢键存在位置异构产生几种不同的构象另一方面， 呈弱酸性的氮氢键在一定条件下会离解释放出质子，从而使该氮原子也能够参与 配位，具有双配位点。因此，吡唑类配体是一类多功能配体比单齿配体( 如人们 普遍使用的吡啶类配体) 可以带来更加丰富的自组装化学。 吡唑类配体在超分子自组装中可以形成3 种配位形式：单齿配位、双齿桥 联和双齿螫合( 图1 7 ) 。吡唑超分子组装体在催化、仿生、磁性、电子转移和光 物理性质等方面具有潜在的应用价值，近年来受到广泛的关注。 q臼 h 广n mv n n n mm 图1 7 单齿配体双齿鳌合双齿桥联 1 2 1 1简单的单吡唑配体在超分子自组装中的应用 5 第一章前言 由单吡唑配体与过渡金属组装形成多核配合物具有丰富的结构和性质，已引 起广泛的关注【3 8 删。反应条件与中心金属离子的性质以及参加配位的吡唑为质 子化或去质子形式有直接关系。当吡唑以质子化形式参加配位时，组装体内通常 产生分子内或分子间氢键【4 l 】；而当吡唑以去质子形式参加配位时，吡唑通常作 为桥基配体，相关的吡唑桥联配合物的报道正逐渐增加【4 2 4 5 1 。利用吡唑的双齿 桥联能力可以构筑环形多核配合物，研究最多的是由直线型的a g ( i ) t 4 6 - 4 8 j 、 a u ( 1 ) 4 9 。5 3 】、c o ( d e 5 4 】和c u ( 1 ) t 5 5 。5 9 】与桥基吡唑构筑 m 1 3 ( p i 呻z ) 3 】型环形三核结 构( 图1 8 ) 。 r i r ， r 】 r i r i 图1 8 m s ( p - r s p z ) s 】型三核环形结构 由于该类结构为平面构型，通过金属金属间相互作用可以形成柱状堆积结 构唧】，荧光明显增强。此外，增加吡唑上烷基链的长度，则形成六角形的柱状 液引6 1 ，6 2 】。d i a s 等还发现，该体系还有催化反应活性，加入其他含氮配体可组 装成新颖的大环结构【6 3 ，硎。m a s p c r o 等将3 ，5 二取代吡唑与 c u ( c h 3 c n ) 4 ( b f 4 ) 在碱性条件下反应组装成一类吡唑双齿桥联的四核c u ( t ) 大环超分子，并证 明对烯烃环丙烷化反应有很好的催化活性1 6 引。 1 2 1 2 双吡唑及多吡唑在超分子自组装中的应用 双吡唑和多吡唑由于其结构的可设计性，最近在超分子自组装中受到重视。 双吡唑和多吡唑具有很多优点，其中包括：双吡唑和多吡唑配体可以组装成中 性、单阳离子、双阳离子及多阳离子和单阴离子、双阴离子及多阴离子形式的超 分子组装体，因而可以设计各式各样的中性、阴离子或阳离子型的有限、无限结 构：双毗唑和多吡唑配体同时具有氢键的给体d m ) 和受体性质，可以形成 有效的氢键形式：由双吡唑和多吡唑配体组装的m ( l ) n ( 阴离子) 客体体系， n h ( 吡唑) 0 ，n ( 阴离子) 氢键可以起到稳定组装网络结构，防止客体分子去除后 多孔组装结构的塌陷：双吡唑和多吡唑配体的构型可以通过改变取代基和间隔 6 第一章前言 基来控制。 关于双吡唑及多毗唑配体在超分子自组装中的应用研究，文献报道不多，国 外的研究主要集中在单齿配位和氢键组装上。d o m a s e v i t c h 等研究了两种联吡 唑( 4 ，4 ，联吡唑和3 ，3 ，5 ，5 ，四甲基4 ，4 联吡唑) 的氢键组装【6 6 6 刀及同n i ( i i ) 、 c u ( 1 1 ) 、c o ( i i ) 、z n ( i i ) 和c d ( i i ) 形成的配位网络结构【6 8 - 7 0 1 ，可以组装成具有多 种形式的新颖的网络结构( 图1 9 和图1 1 0 ) 。 图1 93 , 3 ，5 ，5 四甲基- 4 ，4 - 联吡唑 的氢键组装 图1 1 03 ，3 ，5 ，5 四甲基- 4 ，4 联吡唑 和c d ( n 0 3 ) 2 组装的两种二维网络结构 ( a ) 4 4 网络：c o ) 3 2 6 2 网络 1 2 1 3 吡唑羧酸在超分子自组装中的应用 近年来，对杂环羧酸类配体配合物的研究引起了众多的关注和兴趣。利用吡 唑羧酸类配体进行配位聚合物的构筑，主要是基于它们的分子结构中不仅含有吡 唑环氮配位原子，而且含有羧基氧配位原子，从而使得其配位模式具有多样化的 特点，例如图1 1 1 所示，3 ，5 毗唑二酸的配位模式比较多样。由于其结构中含有 w m 万谢x 潞 e f 澍m蜊m 磷mm w 7 k 碍d 洽c m 户v 冷b冷l 第一章前言 图1 ii 3 , 5 - 吡唑二酸的配位模式 酸碱度不同的配位原子和配体自身的不对称性，使得这类配体具有独特的配位能 力、完美的几何构型。 l ij i n g 等人利用3 ，5 吡唑二酸和金属盐合成了一系列的c u ( i f ) 、c o ( i f ) 、 u n ( n ) 、z n ( i i ) 等过渡金属配合物和l a ( i i i ) 、c e ( i i i ) 、e r ( i i i ) 、l u ( i i i ) 等稀土金属配 合物【7 1 ，7 2 】；在形成的编织篮状二氢键网络结构中有着丰富的氢键，形成的空隙 中还包含着两个溶剂水分子。竖直方向的配体水分子和相邻层的配体离子以氢键 构成三维网络。用脱水后的 c o ( i - 1 2 p d c ) 2 】和吡啶反应，以甲醇作溶剂得到一独特 开盒分子，是一个由四个钴离子c o ( i i ) 形成的平面四方形( 图1 1 2 ) ；我们组首次 合成了一个3 ，5 一吡唑二酸的k ( i ) 配合物( 图1 1 3 ) 【7 列；程鹏等人利用3 ，5 吡唑二 酸在水热条件下也合成了多个稀土金属配合物，并研究了其磁学性质【7 4 】。 xx 图1 1 2 c o ( h 2 p d c ) 2 ( p y ) 】的开盒结构 8 第一章前言 图1 1 3 钾配合物【l ( ( h 2 l 2 ) 】n 的分子结构图 综上所述，吡唑类配体在超分子自组装中的应用研究己成为当代超分子化学 的重要分支。特别是发展的吡唑体系的协同自组装，不仅给吡唑类配体的超分子 化学的发展注入了新的活力，而且为具有实用意义的功能超分子的研究展示了诱 人的前景。 1 2 2 苯并三氮唑类化合物的研究进展 1 2 2 1 苯并三氮唑类化合物在配位化学中的研究 苯并三氮唑是含有不同配位齿数的简单唑类配体，它在不同条件下与金属离 子配位时，采取多种不同的配位方式，且n 原子容易与各种过渡金属离子形成 稳定的配位键；中性或酸性条件下的n i - i 键可以与其它电负性较强的原子形成 n h x 氢键，碱性条件下的n h 键可以去质子形成n m ( 金属离子) 配位键；配 体中的苯环单元在配合物中可以通过兀吼相互作用进一步稳定整个配合物体系。 此外，苯并三氮唑可以利用n h 上活泼的h 原子与卤代烃发生亲核取代反应制 各出各种衍生物配体。同样它们的衍生物可以通过配位键、氢键【_ 7 5 】和芳香体系 的i g - g 堆积作用【7 6 】与各种过渡金属离子组装出各种超分子体系。这些配合物有 的不仅结构新颖，还可能具有不寻常的光【7 刀、电【7 8 1 和磁【7 9 1 等性质，有些配合 物还表现出明显的抗腐蚀性能【8 0 l 。 1 2 2 2 苯并三氮唑类化合物的应用 苯并三氮唑是一类重要的有机合成中间体，主要应用于水质稳定剂【8 l 】、防 腐剂吲和光稳定剂【8 3 1 等领域中。近年来，随着大量具有生物活性的含苯并三氦 唑类化合物的发现，可以预测在未来的几年内，含苯并三氮唑类化合物的合成必 将成为有机合成领域的研究热点。目前，苯并三氮唑化学已经发展到有广泛的应 第一章前言 用和有通用的合成方法【8 4 1 。苯并三氮唑阴离子是个很容易离去的基团，有好的 反应性和稳定性嘲。例如在图1 1 4 所示的反应中，苯并三氮唑先与醛和胺发生 一个缩合反应，得到一个含苯并三氮唑的胺，随后，苯并三氮唑基被其他的烷基 所取代生成相应的胺【8 6 1 。 n 知 n h n 备 n r d b r _ - - r l n r 3 r l h n 、 r ， 图1 1 4 1 9 9 4 年，波兰的j e r z yl m o k r o s z 等人合成了化学名为4 【3 ( 苯并三氮唑1 - 基) 丙基】- l - ( 2 一甲氧基苯基) 哌嗪( 4 3 ( b e n z o t r i a z o l - 1 y d p r o p y l - l - ( 2 - m e t h o x y p h e n y l ) p i p e r a z i n e ) 化合物( 图1 1 5 ) ，并发现此物质对中枢神经系统 疾病具有较好的治疗作用【8 7 1 。 图1 1 5 1 9 9 7 年，意大利的a n n as p a r a t o r e 等人合成了化学名为2 4 【( 二乙基氨基) 乙氧基】苯基】二苯并三氮唑( 2 【4 ( d i a l k y l a m i n o a l k o x y ) p h e n y l b e n z o t d a z o l e ) ( 匿 1 1 6 ) 的物质及其衍生物，发现此类物具有很好抗动脉硬化症的功效【鲫。 2 c h 3 图1 1 6 2 0 0 0 年，意大利的g i u l i a n ab i a g i 等人将取代的邻硝基苯胺与芳酰氯缩合， 得到的中间体经还原后再在亚硝酸钠的存在下合环生成了5 取代一1 ( 2 羟基苯甲 酰基) 一苯并三氮唑( 5 - s u b s t i t u t e d - 1 - ( 2 - h y d r o x y b e n z o y l ) - b e n z o t r i a z o l e s ) 类化合物， 发现此系列物质对开启人体内钾离子通道有较好的作用。其合成路线如图1 1 7 l o 。 r r，弋r 鼬广助 驭 卜码 第一章前言 所示【8 9 】。 r 以三+ r c i 鱼坠 同年，乌克兰的l e vm y a g u p o l s k i i 等人首次合成了在医药、农药及染料领 域中有重要应用的中间体：1 位被三氟甲基取代的苯并三氮唑。他们的合成路线 如图1 1 8 所示【9 0 j 。 q 盏旺三 矿吣c h 3 o 一q ， c o t s c i f 3 图1 1 8 近年来，在生物化学领域，苯并三氮唑类化合物也得到了应用。2 0 0 3 年， 美国的g i o v a n n as c a p i n 等人发现具有如下结构的化合物对p t p l b ( 一种磷酸酯酶) 具有较强的抑制作用p 。 综上所述，苯并三氮唑衍生物在有机合成及生物制药领域都有着广泛的应 用，对其在超分子自组装领域的研究也有所报道。 1 2 3 咪唑类化合物的研究进展 1 2 3 1咪唑类化合物在配位化学中的研究 咪唑类化合物作为一种重要配体在超分子配合物构筑中具有重要的作用。 为了丰富咪唑与金属离子作用是构筑结构的多样性，人们利用咪唑环上的n 原 子上h 原子的较高活性，分别与不同的卤代烃发生反应引入不同的间隔基团或 官能团，生成一系列以咪唑为端基的衍生物配体，从而改变了其配位能力，并与 过渡金属组装得到了具有不同结构和性能的配位聚合物。卜显和课题组合成了系 第一章前言 列柔性烷基双咪唑配体( 图1 1 8 ) 及配合物，探讨了金属离子的配位几何构型、配 体的链长、阴离子对配合物的结构影响 9 2 9 3 1 。 ：= q 9 o 飞o 图1 1 8 一些柔性烷基双咪唑配体 孙为银课题组在咪唑衍生物配体的设计以及金属组装方面开展了较为系统 的工作，通过改变咪唑基团与中心苯环之间的连接方式得到刚柔性不同的有机配 体( 图1 1 9 ) 【9 4 蜥】。在l 1 配体中，三个咪唑基团与中心苯环直接相连成刚性配体， 该配体与金属离子作用时构象变化较小；配体l 3 中咪唑基团与中心苯环之间通 过一个亚甲基连接在一起，柔性较大，当该配体与金属离子作用时，可以采用 c i s ，c i s ，c i s 和c i s , t r a n s , t r a i l s 等多种不同构象；配体l 2 中一个侧臂为柔性，另外两 个为刚性，因此称为类刚性配体。利用这些刚柔性不同的有机配体与相同的金属 盐反应，考察了配体的刚柔性对自组装反应所形成超分子化合物结构的影响。 l 1l 2 l 3 图1 1 9 苯环为中心的咪唑类配体 1 2 3 2 咪唑类化合物的应用 含咪唑环的物质广泛存在于自然界中，例如组氨酸中的咪唑桥联c u n 和z n 离子，形成具有重要生物功能的超氧化歧化酶( s o d ) 和细胞色素。由于天然s o d 自身存在的缺点，因此寻找和合成一类既能避免天然s o d 不具有s o d 催化活性的 物质一s o d 模型化合物的研究非常活跃。s o d 模型物具有相对分子质量小、稳定 性高、在体内半衰期长及脂溶性好的优点。近年来国内外学者对基于咪唑配体的 1 2 第一章前言 s o d 模型配合物进行了广泛探讨。南京大学罗勤慧、毛宗万等人研究了具有 c u z n - s o d 酶活性中心类似结构的模型化合物，深入地讨论了不同的咪唑桥联方 式和不同配位构型对模型化合物催化0 。2 活性的影响【9 7 - 0 9 1 。 综上所述咪唑类化合物在配合物超分子结构的构筑中起到重要的作用，同时 由于它们的生物活性，在药物合成、农药等领域有着广泛的应用，当前以咪唑类 化合物为配体合成s o d 模拟化合物的研究也说明了这一点。 第三节其他含氮杂环化合物及其金属配合物的研究概况 配合物的很多功能是由配体决定的，如在光电化学研究中，配合物需要牢固 吸附于半导体电极或胶体颗粒表面，这就需要配体带有氨基、羧基或羟基等强吸 附性的基团：在用作生物探针如核酸探针的配合物中，多吡啶配体需要具有大的 平面芳香结构，用作发光离子传感器；在用作p h 传感器时，配体应带有p h 敏 感的基团。因此，不同结构不同功能的含氮配体是这些配合物在这些领域中应用 的关键【1 0 0 1 。 哒嗪、2 巯基吡啶等杂环化合物及其衍生物能与多种金属离子形成稳定的配 合物，且大都具有生物活性，是现代配位化学中应用很广的含氮配体。它们的配 合物在分子催化、分子识别、模拟酶化合物、除草剂、抗肿瘤药物、发光材料等 方面的研究是近年来化学研究中非常热门的课题之一【1 0 1 - 1 洲。我们这里以哒嗪为 例介绍该类配合物的研究状况。 哒嗪是含有2 个氮原子的芳香性杂环，其衍生物具有极强的生物活性和药理 活性，已经被广泛应用于农药、医药、生命科学及化工材料等方面。 例如，在农药方面，这类化合物具有除草、杀菌、杀虫、抗病毒、植物生长 调节等诸多活性，一直是农药研究的热点之一【1 0 5 1 。最早商品化的除草剂抑芽丹 ( m a l e i e h y d r o a z i d e ，m h ) 【1 0 6 】，具有除草和植物生长调节活性，至今仍在许多国家 使用。杨华铮课题组以3 ，6 - - 卤哒嗪为原料合成了一系列芳氧基哒嗪醚和芳氧基 哒嗪胺 取一命静a 9 命f 殳p 。口f 挚p 。q r 第一章前言 图1 1 4 芳氧基哒唼醚和芳氧基哒嗪胺类化合物合成路线 类化合物【1 0 7 】，结果表明这类化合物具有很好的除草活性，合成路线如图1 1 4 所 示。 2 巯基吡啶是重要的农药、医药中间体。近年来国外一些化学公司以2 巯基 吡啶为原料，合成了具有高活性的农药，如日本住友公司以2 一巯基吡啶合成了可 用于稻瘟病防治的杀菌剂。同时2 巯基吡啶也是潜在的多齿配体，其环外的s 原子和杂环n 原子都是潜在的配位点，经常被用来研究与软酸( 如c u 和a 9 1 ) i 拘 配位特性，其配位形式多种多样，灵活易变( 图1 1 5 ) 1 1 0 8 】。 昼q 吼以跌 图1 1 52 巯基吡啶的配位模式 第四节论文选题依据及工作设想 杂环化合物具有较强的生物活性和抗菌活性，唑类衍生物是其中的一类，它 们若能与一些金属结合，可能会起到生物活性增强的作用，也必将具有更加广泛 的应用，同时我们发现文献中报道的关于唑类配合物中大多采用对称性唑类配 体，而非对称性配体及其过渡金属配合物的研究相对较少。为了更加全面得研究 唑类衍生物配体的配位性质及其配合物的结构与性质之间的关系，寻找结构简单 抗菌和抗氧化性能强的化合物，我们设想利用唑环上活泼氢原子在唑环上引入另 外的活性基团，使一个分子中含有两个或多个活性基团，达到不同的活性基团在 同一个分子中聚集，以实现生物活性叠加、增强的效果，然后进一步合成它们的 配合物，试图找出抗菌和抗氧化活性更强的配合物；同时由于芳香杂环的引入使 得兀- 兀堆积作用和c h 7 c 作用等非配位键的形成更加便利，从而为考察配合物 结构中非配位键对其结构的影响提供了条件。为此，我们设计进行以下工作： 1 通过在唑环上引入羧基、芳氧基及其他唑环，合成三个非对称型唑类衍 生物作为功能配体。 2 以合成的非对称型唑类衍生物为配体与过渡金属离子配位，希望得到单 晶结构，对非对称型唑类衍生物配体的配位化学进行研究。 3 对得到的配体及配合物进行抗氧化活性和抗菌活性研究。 1 4 第一章前言 参考文献 【l 】l e h njm ，a n g e w c h e m i n t e d ，1 9 8 9 ，2 7 ，8 9 2 】l e l l njm ，s c i e n c e ，1 9 9 3 ，2 6 0 ，7 6 2 【3 】j e a n - m a r i el e h n 著，沈兴海等译，危盼子纪学一衢忿莉愿塑北京大学出版社。2 0 0 2 【4 】q m i a o ，m l e f e n f e l d , t q n g u y e n , t s i e g r i s t , c k l o e ，c n u e k o u s ，a d v m a t e r 2 0 0 5 ，17 ， 4 0 7 【5 】a f a e e h e t t i ，m h y o o r t , c l s t e r n , h e k a t z , t m a r k s ，j a n g e w c h e m ，i n t e d 2 0 0 3 ， 4 2 【6 】洪茂椿，陈荣，梁文平，2 ，趔毙能僦纪钱科学出版社，2 0 0 5 【7 】k k o b a y a s h i ，s h i m a o k a , m k a w a h a t a , m y a m a n a k a , k y a m a g u e h