（分析化学专业论文）含氮杂环化（配）合物的合成、表征及与dna作用机理的电化学研究.pdf

含氮杂环化( 配) 合物的合成、表征及与d n a 作用机理 的电化学研究 摘要 含氮杂环化合物和以含氮杂环化合物为配体合成的金属配合物以其新颖的 结构、独特的功能在配位化学、生物化学、医药科学以及材料科学领域引起了广 泛的重视，得到了深入的研究。本论文的主要工作有以下几个方面： 1 苯并咪唑类化合物及其金属配合物的设计合成、表征及性能研究 设计合成了1 ，l 一双( 1 苯并咪唑) 乙烷( l a l ) ，1 ，1 一双( 1 一苯并咪唑) 丙烷( l a 2 ) ， 1 ，l 双( 1 一苯并眯唑) 丁烷( l a 3 ) ，1 ，1 双( 1 苯并咪唑) 乙醚( l a 4 ) ，2 ，2 一双( 1 一苯并咪 唑) ( l b l ) ，2 ，2 一双( 1 - 苯并咪唑) 甲烷( l b 2 ) 六个苯并咪唑类化合物，并用元素分析、 红外光谱和核磁共振光谱对其结构进行了表征，其中l a l 、l a 3 和l a 4 经溶液法培 养得到了单晶；用配体l a l 与不同的过渡金属盐制备了系列配合物并用元素分析 和红外光谱进行了初步表征。并用紫外光谱法对l a 和l b 系列进行表征。对l a 系列化合物进行了生物活性测定，发现l a l 和l a 4 具有很好的生物活性。 2 2 ，9 二甲基一1 ，1 0 菲咯啉类配合物的合成、表征及电化学性能研究 以2 ，9 二甲基1 ，1 0 一菲咯啉( c 1 4 h 1 2 n 2 ) 和反丁烯二酸( c 4 0 4 h 4 ) 为配体合成了 c u 2 ( c 1 4 h 1 2 n 2 ) 2 ( c 4 0 4 h 2 ) c 1 2 ( h 2 0 ) 4 ( l d l ) 、 【1 1 2 ( c 1 4 h 1 2 n 2 ) 2 ( c 4 0 4 h 2 ) ( c h 3 c o o ) 2 ( h 2 0 ) 2 ( l d 2 ) 、 f e 2 ( c 1 4 h 1 2 n 2 ) 2 ( c 4 0 4 h 2 ) ( n 0 3 ) 4 ( h 2 0 ) 2 】( l d 3 ) 、 n i 2 ( c 1 4 h 1 2 n 2 ) 2 ( c 4 0 4 h 2 ) c 1 2 ( h 2 0 ) 2 】( l d 4 ) 四个反丁烯二酸桥联的双核配合物及【州0 3 ) ( c 1 4 h 1 3 n 2 ) 】( l e l ) 、 a g ( c1 4 h 1 2 n 2 ) 2 ( n 0 3 ) 】( l e 2 ) 、 c o ( c1 4 h 1 2 n 2 ) ( n 0 3 ) 2 ( h 2 0 ) 】( l e 3 ) 、 f e ( c1 4 h 1 2 n 2 ) ( n 0 3 ) 2 ( h 2 0 ) 】( l e 4 ) 四个单核配合物，其中l d l 、l d 2 、l e l 、l e 2 、l e 3 、l e 4 培养得到了单 晶。l d 3 、l d 4 用元素分析和红外光谱进行了初步表征。分别研究了配合物l d i 、 l d 3 、l e 3 与d n a 的相互作用，证明了这三种配合物是很好的生物传感器指示剂。 3 化( 配) 合物的热性能研究 对配合物l d 3 、l d 4 和化合物l a l 及其金属配合物进行了热重量分析，给出了 它们的热分析曲线，并分析了它们的热稳定性。 关键词：含氮杂环化( 配) 合物苯并咪唑菲咯啉单晶d n a s y n t h e s i s ，c h a r a c t e r i z a t i o na n dw 1 t hd n a a c t i o n 匝c h a n i s m sr e s e a r c ho fc o 咿o i ) n d s c o n 口l e x e sc o n t a i n i n gng r o u p a bs t r a c t m e t a l l i cc o m p l e xf o m l e db yh e t e r o c y c l i cc o m p o u n d so rh e t e r o c y c l i cc o m p o u n d s c o 删n gng r o u pa s1 i g 龇1 d sh a v e 撇t e de x t e n s i v ea t t e n t i o n s i nt h ef i e l d so f c o o r d i n a t i o nc h e m i s 咄b i o c h e m i s t 哪d e s i g no fm e d i c i n e sa n dm a t e r i a ls c i e n c e ，d u et o t h e i rn 0 v e ls 觚蛐l r e sa n du m q u e c t i o n s m yw o r ki sd e s 嘶b e di nb e l l o w 1 t h ed e s i g i l ，s y l l m e s i sa 1 1 dc h a r a c t e r i z a t i o no fn o v e ld e r i v a t i v e so f b e n z i m i d a z o l ea j l d c o m p l e x e s s i xn o v e ld e r i v a t i v e so fb e n z i m i d a z o l e1 ，1 _ b i ( 1 - b e t l z i m i d a z 0 1 e ) e t h a n e ( l a l ) ， l ，1 - b i ( 1 - b e n z i m i d a z o l e ) p r o p a l l e ( l a 2 ) ，1 ，1 - b i ( 1 - b e n z i m i d a z o l e ) b u t a n e ( l a 3 ) ，1 ，l _ b i ( 1 b e n z i m i d a z o l e ) e m e r ( l a 4 ) ，2 ，2 b i ( 1 - b e n z i m i d a z o l e ) ( l b l ) ，2 ，2 b i ( 1 - b e n z i m i d a z o 一 1 e ) m e t h 锄e ( l b 2 ) w 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 db ye l e m e n t a r ya n a l y s i s ，i ra 1 1 d n m r a n dl a a l l dl ba r ec h 缸a c t e r i z e db yu vl a l ，l a 3a n dl a 4a r ec h 黜a c t e r i z e db y x - r a ys i n g l ec 巧s t a ld i 衢a c t i o na 1 1 a l y s i s s e r i e so f 也m s i t i o nm e t a lc o i n p l e x e sw e r e s y n t h e s i z e d 舶ml i g a n d sl a 卜a n dc o m p o u n d sl a la n dl a 4a r ef - o u i l dh a v eg o o d b i o l o g i c a la c t i v i t i e s 2 t h ed e s i g n ，s y n t h e s i so fn o v e l2 ，9 一d i m e m y l 一1 ，l0 一p h e n 锄t h r o l i n ec o m p l e x e s e i g h tn o v e lc o m p l e x e so b t a j n e d 加m2 ，9 一d i 血e t h y l 一1 ，1o - p h e n a n - t h r o l i n ea n d a d i p i c a c i d c u 2 ( c1 4 h 1 2 n 2 ) 2 ( c 4 0 4 h 2 ) c 1 2 ( h 2 0 ) 4 】( l d l ) ， 1 1 1 2 ( c1 4 h 1 2 n 2 ) 2 ( c 4 0 4 h 2 ) ( c h 3 c o o ) 2 ( h 2 0 ) 2 】( l d 2 ) ， f e 2 ( c1 4 h 1 2 n 2 ) 2 ( c 4 0 4 h 2 ) ( n 0 3 ) 4 ( h 2 0 ) 2 】( l d 3 ) ， n i 2 ( c 1 4 h 1 2 n 2 ) 2 ( c 4 0 4 h 2 ) c 1 2 ( h 2 0 ) 2 ( l d 4 ) ， ( n 0 3 ) ( c 1 4 h 1 3 n 2 ) 】( l e l ) ， a g ( c 1 4 h 1 2 n 2 ) 2 ( n 0 3 ) 】( l e 2 ) ， c o ( c 1 4 h 1 2 n 2 ) ( n 0 3 ) 2 ( h 2 0 ) 】( l e 3 ) a n d f e ( c 1 4 h 1 2 n 2 ) ( n 0 3 ) 2 ( h 2 0 ) 】( l e 4 ) w e r ep r e p a r e d a n dt h ec r y s t a ls t m c t u r eo fl d l ，l d 2 ，l e l ，l e 2 ，l e 3a n dl e 4w e r ec h a r a c t e r i z e db yx - r a y d i m a c t i o n t h ec o m p l e x e so fl d 3a n dl d 4 、v e r ec h a r a c t e d z e db ye l e m e n t a r ya i l a l y s i s i i a n di r 1h em t e r a c t l o nb e t w e e nc o m p l e x e sl d l ，l d 3 ，l e 3 a n dd n a w a ss t u d i e db vc v c h c v o l t 锄m e 时( c v ) a n dd i 疗e r e n t i a lp u l s ev o l t 猢e 姆( d p v ) 1 1 1 ee l e c t r o c h e m i c a l e x p e n m e m a jr e s u l t si n d i c a t et h a tt h e s ec o m p l e x e sc o u l di m e r a c tw i t hd n a a 1 1 dt 1 1 e v a r eg o o di n d i c a t o rf o rd n ab i o s e n s o r 3 s t u d i e so nt l l et h e m l a ip r o s p e r i t i e so fc o m p o u n d s i 、h e n n o 伊a v i m e t r i c( t g )a n a l y s i sa n dd i 航r e m i a l t l ：屺h n o g r a v i m e t r i c( d t g ) a n a l y s l s 、e r ep e r f o 册e do nl d 3 ，l d 4a n dl a 卜t h e 协e 锄a ls t a b i l i t yo fm ef i v e c o m p o u n d sc a nb eo b s e r v e s 丘o mt h ea n a l v s i sc u n r e k e y w o r d s ： h e t e r o c y c l i c c o m p l e x e s ( c o m p o u n d s ) ； b e n z i m i d a z o l e ； p h e n a n t h r 0 1 i n e ；s i n g l ec 巧s t a l ；d n a i i i 青岛科技大学研究生学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请 的论文或成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了 明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：玳幸饭日期： 讪 年d 月r 乏日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解青岛科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人离校后发表或 使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为青岛科 技大学。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密口 ( 请在以上方框内打“”) 本人签名：认爰玲 日期：曲，年z 月f 乙日 导师签名：了釉l 虱 日期：年月日 青岛科技大学研究生学位论文 第一章前言 杂环化合物是以含有一个或多个杂原子( 非c 原子) 的五元、六元环系或稠 环系为主的一类化合物，是有机化合物的重要组成部分。它们的种类繁多，应用 范围广泛，无疑是有机化学发展中方兴未艾的一类化合物。 杂环化合物广泛存在于自然界中，石油、页岩油、煤焦油中有含硫、含氧及 含氮的杂环化合物。在动植物体内起着重要生理作用的血红素、叶绿素、核酸的 碱基都是含氮杂环化合物。中草药中的有效成分生物碱：如抗疟疾的奎宁、镇痛 的吗啡、抗癌的喜树碱、野百合碱、治高血压的利血平、抗菌消炎的黄连素、镇 痛催眠的东莨菪碱以及兴奋中枢神经的咖啡碱等等，也都是含氮的杂环化合物。 为数不少的维生素、抗菌素以及一些植物色素和植物染料的结构中也含有杂环。 不仅天然的杂环化合物具有分布，“、功用多的特点；目前合成的杂环化合物也是 为数众多，功能各异。合成染料中的活性染料、阳离子染料、增感染料以及彩色 照相中的成色剂等都是天然染料望尘莫及的。近年来出现的耐高温聚合物如聚苯 并嗯唑、聚苯基喹喔啉等新型高分子材料也含有杂环结构。因此，杂环化合物无 论在理论研究还是实际应用方面都有非常重要的意义。 近几十年来，杂环化合物在有机物中所占的比例仍是有增无减。随着杂环化 合物数目的迅速增加，其种类也越来越复杂。杂原子已由当初的o 、s 、n 扩展 到许多其它非金属和金属元素。环的构成也越来越复杂，有小环和大环，有不同 的杂原子参与成环，有多核的同类元素和异类元素构建的骨架，更有直接相连和 非直接成键的多核化合物。它们的结构新颖键型各异，从结构化学来说也颇有 深入研究的价值。 杂环类化合物是具有广谱生物活性的化合物，是大多数药物的基础，新型杂 环类化合物的研究已成为农药和医药研究的重要领域之一。杂环化合物在已商品 化的药物中占有很大的比例，许多生物源化合物都含有杂环结构。在新药结构的 设计、寻找先导化合物中，杂环化合物己被认为是最有前景的化合物之一【l j 。 杂环配合物是以杂环及杂环衍生物为配体的金属配合物，是配位化合物的一 种。自l8 9 3 年维尔纳创立配位化学以来，配位化学从深度和广度上都得到了迅速 发展，现己成为无机化学研究的主流。因其花样繁多的键价形式、空间结构和独 特的物理、化学性质，配合物受到人们的极大关注。随着配合物应用领域的不断 扩大，对配合物组成、性质和应用的研究与日俱增。配位化学已成为当代化学的 含氮杂环化( 配) 合物的合成、表征及与d n a 作用机理的电化学研究 前沿领域之一。它的发展打破了传统的有机化学和无机化学之间的界线，它和物 理化学、有机化学、生物化学、固体化学和环境化学相互渗透，使其成为贯通众 多学科的交叉点l 2 l 。 杂环配合物可以有效的用作抗癌药物、杀菌剂和抗生素；金属酶化学、微量 金属元素对植物生长与抑制的关系，以及微量金属在人体生命过程中的重要作 用，实际上是自然界金属有机化学的过程。研究表明，含杂坏的药物与d n a 作 用时，平面芳香配体部分嵌插入到d n a 相邻碱基对之间。这一插入作用是药物 与d n a 结合的一个重要模式。而且有实验证明金属插入试剂是这种结合模式极 有用的探针。对插入剂本身而言，系列的研究工作引起了科学界的广泛重视，推 动了金属配合物与d n a 的作用机理研究的进一步深入。 近年来，杂环金属配合物与d n a 的键合之所以引起人们的日益重视是因为 这类化合物具有以下诱人的应用前景：( 1 ) 用作核酸的光裂解试剂和足迹试剂， 从而实现对d n a 的某些位点的特异性剪切，即化学核酸酶；( 2 ) 作为核酸非放 射性的发光或电化学发光标记物；( 3 ) 可望帮助人们了解d n a 损伤和修复的机 理，从而合成出对某些与基因突变有关疾病的治疗药物；( 4 ) 用作核酸二级或 三级结构的探针。b a m n 在研究金属配合物与d n a 作用时发现z n 2 + 、c 0 3 + 、r u 2 + 等配位饱和的八面体手性配合物具有识别d n a 二级结构的能力，从而发展了能 识别a 、b 和z 型d n a 的手性配合物探针。其识别机理在于当具有稳定构型的 手性配合物与不同构象的d n a 作用时，由于手性匹配或微环境的差异，配合物 的光谱特征及其它性质会出现不同程度的扰动，据此判断其识别情况。 随着配位化学的飞速发展，一些杂环配合物不仅能手性区分d n a ，还在其它 方面如催化、太阳能转换、比色分析、自组装、抗肿瘤药物等领域有着独特的性 能和实际应用。因此，有着独特结构和功能的杂环配合物的微观结构及微观结构 与性能之间的关系也得到了广泛的研究和应用，其中研究较为深入的有眯唑类、 菲咯啉类杂环配合物。 l 。l 苯并咪唑类衍生物及其性能研究 咪唑环具有优良的酸碱共轭性、质子接受性和配位选择性，所以有“生命之 配体”的美誉。然而，咪唑环制备困难，目前还没有普遍适用的关环反应制备方 法，使咪唑类化合物在作为生物酶配体的研究中受到了很大限制，相对而言，苯 并咪唑环制备比较容易，因此，常用苯并眯唑类化合物代替咪唑类化合物进行仿 生酶的研究。苯并咪唑( 如图1 1 所示) 及其衍生物以出色的稳定性而著称。它 们耐强酸强碱，耐氧化，有很高的熔点并且在高温下稳定。 2 青岛科技大学研究生学位论文 苯并咪唑衍生物应用范围广泛，在高性能复合材料、电子化学品、金属防腐 蚀、感光材料、生物、医药等诸多领域显示出独特的性能。例如，用于生产抗癌 药、抗真菌药、低血糖治疗药、治疗生理紊乱【3 】，模拟天然超氧化物歧化酶( s o d ) 图1 一l 苯并咪唑的结构 f i g 1 一ls t n j c 仃eo f b e n z 妇i d a z o l e 的活性部位研究生物活性【4 】，作为环氧树脂新型固化剂及催化剂【5 】，某些金属的 表面处理剂【6 】以及很多其它生物活性和药理作用【。这类化合物还可用来生产工 业染料和颜料。以苯并咪唑为母体的化合物还用于润滑油防锈剂、抗氧化剂和防 腐蚀剂，有些衍生物还具有良好的抗压抗磨性能。由于它们毒性较小，所以国内 外学者从8 0 年代初开始就对它们进行广泛的研究。 此外苯并咪唑衍生物是许多新型药物的有效成分，如：克敏唑( c l e m i z o l e 抗 组织胺药) 、乙硝静( e t o n i t a z e n e 强镇痛药) 、氯苄甲咪唑( c 1 1 l o r o m i d a z o l e 解痉剂 和抗真菌药) 等都属于这类衍生物【8 】，其合成具有一定的理论意义和较高的实用 价值。 1 1 1 苯并咪唑类衍生物及其配合物的研究进展 自h o b r e c k e r 通过还原2 硝基4 甲基乙酰苯胺得到2 ，5 二甲基苯并咪唑后， 苯并咪唑化合物一直被人们关注。 近年来，随着人类对生物体内各种生理过程认识的不断加深，制造仿生制品 已越来越受到重视，利用过渡金属配合物模拟金属蛋白酶的活性中心，从而研究 其生物作用机制，一直是生物无机化学的研究热点之一。在自然界中苯并眯唑作 为许多酶的活性中心功能基，参与了不少重要的生物化学反应，对生命活动起着 十分重要的作用。同时，由于它具有较强的配位能力和配位构型的多样性，受到 化学家的青睐。苯并咪唑是一类具有多种生物生理活性的杂环，利用它可模拟天 然超氧化物歧化酶( s o d ) 、碳酸酐水解酶及酸陛磷酸酯酶的活性部位研究生物 活性1 9 j ，苯并咪唑类化合物可作为药物中间体制备人、畜的药物，可作为柑桔苹 果类的杀真菌剂以及果品保鲜剂，它的某些金属配合物具有杀菌、抗癌等活性【l o 】， 而且其铜锌等金属配合物具有特殊的催化性质，在金属酶的模拟方面具有重要的 意义。苯并咪唑作为螯合剂也有广泛的应用。由于其结构特性、生理活性、反应 活性及其它优良特性应用极为广泛，带咪唑、苯并咪唑等配位的基团的过渡金属 配合物也是一类很重要的物质【1 1 】，因而，几十年来对苯并咪唑类化合物及其衍生 3 唧 含氮杂环化( 配) 合物的合成、表征及与d n a 作用机理的电化学研究 物的合成及应用研究十分活跃【1 2 川。 几乎8 0 以上的重要有机药物分子中含有氮原子，这些氮原子常以不同的形 式和多种结构存在，尤其是环外氨基邻近含有环上氮原子结构即氨基氮杂环类 ( a m i n o a - z a h e t e r o c v c l e s ) 化合物，具有各种各样的药理性质，临床上广泛用作治 疗药物，如氨苯唑、乙酸嘧啶、头孢氨噻、t m p 、环氯胍、氨苯蝶啶等，化学和 食品工业产品如色素、染料、防腐剂、香精等，还有很多药物经生物转化、代谢 生成氨基氮杂环结构如氯胍、毗咯酸等，这类化合物也广泛作为天然产物存在， 如鸟嘌呤、叶酸、胞嘧啶、维生素等。而药物的生物活性与药物中氮的氧化代谢 有着密切的关系。苯并咪唑类衍生物是现在药学研究领域引起广泛关注的一类杂 环胺化合物，它是一类具有广泛生物活性的物质，包括抗菌性【1 4 1 5 1 ，抗肿瘤【1 6 ，17 1 ， 抗焦虑【1 8 】等效应，还是一类新的组胺h 受体拮抗剂【1 9 】，某些苯并咪唑衍生物还可 以作为抗h i v 药物【2 0 j 。 苯并咪唑衍生物及其金属配合物具有很好的生物活性，所以一直都是研究热 点【2 m 引，它们被广泛地应用于医药类，用来镇痛、抑菌、消炎、抗癌、抗氧化等。 苯并咪唑是一个有趣的杂环化合物，许多药物是苯并咪唑衍生物或其配合物 【3 0 珀j 。其中最重要的两类是抗寄生虫药核质子泵抑制剂。1 9 6 1 年人们发现噻并达 唑具有抗肠道线虫作用，由此导致苯并咪唑类驱虫药的发展。在苯并咪哗的2 位 和5 位引入各种取代基可以提高驱虫作用。甲苯达唑为苯并咪唑5 位苯甲酰取代 的衍生物，驱虫效果良好。氟苯达唑与甲苯达唑类似，也是一种广普驱虫药。奥 苯达唑为苯并咪唑分子中的5 位丙氧取代衍生物，其特点是对十二指肠钩虫和澳 洲钩虫的驱虫效果较好。将奥苯达唑分子中的丙氧基的氧用硫置换，便得到高效 广普驱虫新药阿苯达唑( 又名肠虫清) ，它在体内迅速代谢为亚砜和砜的衍生物， 阻断虫体对多种营养成分和葡萄糖的吸收，从而使虫体的糖源耗竭，起到杀虫效 果。苯并咪唑衍生物还可作为质子泵抑制剂，而且是一类非竞争性酶抑制剂，可 起到抑制胃酸分泌的作用。 国外关于苯并咪唑类化合物及其衍生物的研究很多，如德国b o e 晡n g e r i n g e l h e i m 公司研制的降压药，瑞典a s t r a 公司研制的新型胃质子泵抑制剂奥咪拉畔 等药物均为苯并咪唑类化合物及其衍生物。 国内苯并咪唑类化合物及其衍生物研究也很多，主要用于医药、农药等方面， 但关于氟取代苯并咪唑的研究很少，只有一些5 氟取代苯并咪唑用于农药方面， 作为植物病毒抑制剂，是高效、广普的抗植物病毒药物。 含有苯并咪唑环的化合物被认为不仅具有一定的抑菌作用，而且也是模拟超 氧化物歧化酶活性中心与金属配位的组氨酸的模拟配体。分析超氧化物歧化酶的 活性中心结构可知，其中心是以组氨酸n 、天冬氨酸o 以及水分子o 与金属离子 4 青岛科技大学研究生学位论文 配位的金属配合物结构。含苯并咪唑基团的化合物由于其易于制取、拥有较咪唑 基更大的化学惰性以及能够提供较为合适的空间位阻，是组氨酸残基较为理想的 模拟物。现在已有含有多个苯并咪唑基团的多齿配体被合成，因而又可用来合成 s o d 的模型配合物。除了在仿生酶和医药方面的应用外，苯并咪唑衍生物还可用 作铜铝等金属防腐剂、光敏剂、无银照相、表面活性剂、荧光增白剂及光敏染料 等。苯并咪唑用作抗辐射剂，效果达9 0 。聚苯并咪唑由于高热稳定性，化学稳 定性，低温稳定性及粘绪胜好，又具不燃性及抗吸湿性，已广泛应用于太空服装 等空间材料。 1 1 2 苯并咪唑类衍生物的合成方法 近年来，苯并咪唑类杂环化合物的合成及其生物活性研究日益成为杂环化学 研究的热点。而文献报道的苯并咪唑类化合物的合成方法一般用邻苯二胺及其衍 生物与羧酸经多步反应或添加催化剂反应而得。通常，其具体合成主要通过在 h c l 、p p a 、h 3 8 0 3 、对甲苯磺酸1 3 7 1 等催化剂作用下，用有机酸与邻苯二胺加热回 流，也可通过还原邻硝基苯胺衍生物或邻苯二胺衍生物3 8 1 。然而这些方法通常需 要较高的压力或较长的反应时间。因此，寻找反应条件温和、方便实用的合成方 法引起了人们的重视。最近，一些新的合成方法不断被报道，如以f e ( i i i ) f e ( i i ) 为催化剂，通过循环氧化还原稠杂环化合物来合成苯并咪唑类化合物【3 9 1 。 1 1 e m i n 【4 0 1 和l o u p y l 4 1 1 报道在无溶剂条件下或以吸附k s f 的粘土作介质，通过邻 苯二胺和原酸酯在微波照射下得到了苯并咪唑衍生物。g u i l l e m o 【4 2 】用红外光照射 也得到了目标物。此外，利用固相合成法 4 3 】制备苯并咪唑及其衍生物也有了一定 的进展。但这些方法中仍存在合成步骤较长、操作复杂等问题，使这些方法的应 用受到了一定的限制。聚苯并咪唑的合成方法主要有以下两种： ( 1 ) 本体聚合法： ( a ) 应用界面缩聚的方法将d a b 和间苯二酰氯进行反应，得到芳香型的聚苯并 咪唑： 三p 琊一一星l 。 h 一水吒玲吐 ( b ) 用熔融的方法合成了一系列芳香性聚苯并咪唑： 含氮杂环化( 配) 合物的合成、表征及与d n a 作用机理的电化学研究 ：囝识三一号水9 r n 兰二取三一馨代题_ 肿 r ：咿廿册动命芋 职怛黏x = o 哪啪叫s ( 2 ) 溶液聚合法 ( a ) 利用二醛与d b a 在n ，n 二甲基乙酞胺( d m a c ) 中5 0 1 5 0 。c 下直接生成 聚苯并咪唑或者在2 0 5 0 0 c 下反应先生成偶氮前聚物然后氧化形成聚苯并咪 ：嗽眦匆c k 阴 水d u 魁 ( b ) 把间苯二甲酸单体和d b a 单体溶于多聚磷酸( p p a ) 反应先在较低的温度 下生成酰胺键的聚合物，然后提高温度到2 0 0 。c 关环得到了分子量很大的p b i 。 ：嗽u 唧挚求d q 一门一日： 吲 i l+ 0ii li 二盐坚l p b i oo人弋从 h ，n n h l 弋 。 卜 。 。 。乇 1 21 ，1 0 菲咯啉衍生物的发展、性能研究及其应用 l ，1 0 一菲咯啉是一种非常重要的杂环化合物，在化学的各个领域有着广泛的应 用。由于菲咯啉环是很好的兀电子受体，与金属离子配位时能够形成反馈兀一键， 几乎能与所有过渡金属及部分稀土金属形成配位化合物。所以1 ，1 0 菲咯啉及其相 6 青岛科技大学研究生学位论文 应的衍生物在很多领域内起到了重要作用【4 4 1 。例如在分析化学【45 。、均相催化 4 6 】 中可作为重要的螯合剂，其配合物在生命科学研究中作为化学核酸酶【4 7 】重要的电 子传递剂【4 8 1 。与联吡啶一样，1 ，1 0 菲咯啉在超分子配位化学【4 9 5 0 j 中也占据了相当 重要的地位。许多菲咯啉的配合物表现出良好的光化学、电化学和催化性质，并 在抗肿瘤方面也具有一定的应用前景。例如1 ，1 0 菲咯啉及其衍生物的r u ( i i ) 配合 物因其独特的稳定性、氧化还原性、荧光激发的寿命以及与d n a 很好的作用等， 在生物化学f 5 1 】和生物物理【5 2 】中受到特别的关注，成为研究核酸二级结构和设计以 核酸为靶的抗癌药物的一类重要化合物【5 引。 1 2 11 ，1 0 一菲咯啉衍生物的合成及研究现状 早在1 9 8 1 年，c h a i l d l e r 及其合作者酬就以2 ，9 二甲基1 ，1 0 菲咯啉为初始原 料，合成了一系列的2 ，9 二取代一1 ，1 0 一菲咯啉衍生物( 见图1 2 ) 。 xy x = y = c h 2 b r ；x = y = c b r 3 ；x = y = c c l 3 ；x = y = c h o ；x = y = c 0 2 h ； x = y = c h 2 0 h ；x = y = c n ；x = y = c h n o h ；x = y = c h j n h 2 ； 图1 22 ，9 二取代1 ，1 0 菲咯啉衍生物 f i g 1 - 2s t u c t r eo f2 ，9 一d i m e t l l y l 一1 ，10 - p h e n a i 】t b r o l i n e 近年来，人们合成了大量的l ，l o 菲咯啉衍生物，通过在不同位置上引入取代 基和官能团，改变菲咯啉的配位结构，并弓 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。 1 2 21 ，1 0 菲咯啉衍生物及其配合物在电化学方面的应用 近年来，对含菲咯啉的多吡啶衍生物由于b a r t o n 课题组【5 5 石l 】的出色工作而受 到广泛的关注。目前所有的研究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【6 2 6 3 1 。计亮年等“。6 9 】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。 以1 ，1 0 菲咯啉为元件，m e w l i e r 等7 0 】合成了一种钳式配体。电泳表明该配体 与c u ( i i ) 的配合物对d n a 表现出切割活性。尤其是与l ，1 0 菲咯啉的3 位相连的 7 含氮杂环化( 配) 合物的合成、表征及与d n a 作用机理的电化学研究 钳式配合物，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1 7i j 合成了2 ，9 一 位苄酸的衍生物，该配体与z n ( i i ) 呈四面体配位。s a m m e s 掣7 2 j 合成了含1 ，l o 一菲 咯啉的类似e d t a 的衍生物，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 菲咯啉 一2 。9 一二羧酸( b c p d a ) 。该配体最大的特点就是两个磺酰氯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【7 3 。 b l a k e 等【7 4 ，7 5 】合成了含有菲咯啉的含硫大环配体，研究了它们对n i 2 + 、p a 2 + 、 p 矿和姘+ 的配位性质，进一步测定了相应的n i 2 + 配合物的晶体结构和电化学性 质【7 6 1 。f a b b r i z z i 等 7 7 1 合成了含有菲咯啉的五氮含c u 2 + 大环配合物，研究了它们对 c u 2 + 的配位性质，进一步研究了相应的配合物的电化学性质。 在合成菲咯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 l l i n g + 等1 7 8 1 对合成的穴醚衍生物进行了配体的 碱性和与金属离子的配位能力研究。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，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，h a n 等【7 9 8 0 】结合二茂铁和菲咯啉的优点，合成 了含有二茂铁桥联的菲咯啉穴醚衍生物，研究了相应的晶体结构和电化学性质。 c a z a u x 【8 l ，跚合成了更为复杂的超大环配合物；k e m 和s a u v a g e 等【8 3 】合作合成了包 含菲咯啉的5 6 元的超大环，并研究了相应的电化学和光物理性质。 1 2 31 ，1 0 菲咯啉配合物作为d n a 结构探针指示剂的研究 d n a 电化学生物传感器是9 0 年代的一个新的研究热点。它是将有反应活性 的一单股寡核苷酸固定在某种支持物( 感受器) 上作为探针，它可以在含有复杂 成分的环境下特异地识别出某一靶子底物，并通过换能装置把非电量生物信号转 换为电信号。d n a 电化学传感器是一种全新的基因检测技术，它不仅具有分子识 别及传感功能，而且还具有良好的分离纯化基因功能，因此在分子生物学和生物 医学工程领域有很大的实际意义。 d n a 电化学生物传感器主要由两个部分组成，一是由d n a 探针构成的感应 器，二是换能器。d n a 探针一般是人工合成的单链d n a ( s s d n a ) 片段，其碱 基序列与靶基因的碱基序列互补。换能器的功能是将d n a 杂交信息转换为可测 定的电信号，根据信号差异可以定性定量检测靶基因。 d n a 电化学传感器因其具有受环境干扰小，电信号测量比较简单，不需要激 8 青岛科技大学研究生学位论文 光诱导或精密的分光器件等装置和仪器成本低等优点，是最有发展前景的一类 d n a 分析方法。 d n a 传感器对目标基因的选择性识别是靠核酸的杂交来完成的。一般有两种 方法对所发生的杂交信息进行电化学表征。电化学d n a 生物传感器，根据是否 标记电活性物质可分为标记型和非标记型两类。非标记型电化学d n a 生物传感 器是利用d n a 杂交前后d n a 本身碱基的电化学信号( 如电流、电容、电阻或频 率等) 的变化而进行检测的传感器。标记型电化学d n a 生物传感器是利用具有 电化学活性的物质指示d n a 杂交前后电化学信号的变化而进行检测的传感器。 标记型电化学d n a 生物传感器以其高灵敏度备受人们关注，根据电化学活性物 质的不同，标记型电化学d n a 生物传感器可以分为以下几类： ( 1 ) 嵌入剂( i n t e r c a l a t o r ) 。通常是具有电活性的小分子物质，他们能选择性 的与电极表面的d s d n a 结合。通常是将杂交反应后的电极浸入含有嵌入剂的溶 液中反应一定时间，或在杂交反应之前，先加入一种电活性分子再进行杂交，然 后进行电化学检测，所得信号的大小或变化值可以反映电极表面d s d n a 的多少， 从而测定被测溶液中目标d n a 片段的含量。嵌入剂与d n a 分子的作用一般有( 1 ) 与d n a 分子的带负电荷的核糖磷酸骨架之间的静电作用( e l e c 仃o s t a t i cb i n d i n g ) ； ( 2 ) 嵌入d s d n a 双螺旋结构的碱基对之间的嵌入作用( i n t e r c a l 撕o n ) 。w a l l gj 等 【8 4 ，8 5 1 以 c o ( p h e n ) 3 2 + 作为杂交指示剂采用计时电位法检测杂交前后 c o ( p h e n ) 3 】2 + 的 峰面积变化，从而测得特定序列d n a 的含量。由于这些嵌入剂与d n a 分子之间 存在两种作用，因此，它们往往同时与s s d n a 和d s d n a 相结合，只是结合力大 小不同。另外，它们通常很容易从双链d n a 分子上分开，不利于电化学信号的 检测，使灵敏度受到一定影响。 ( 2 ) d n a 分子小沟结合剂( d n am i n o rg r o o v eb i o n d e r ) 。这类物质的作用 与嵌入剂相类似，他们与d n a 分子结合的方式是与d n a 分子扭曲区的小沟的碱 基对边缘发生相互作用的小沟结合；这种小沟只存在于d s d n a 分子中，s s d n a 并不具备，因此，这种结合剂对d s d n a 的选择性优于上述嵌入剂。这类物质大 多是类平面结构的药物分子，如纺锤素、偏端霉素等，或是二苯丙酰亚胺类染料 如h o e c h s t3 3 2 5 9 【8 6 ，8 7 1 。 ( 3 ) 电活性d n a 标记物( e l e c 怕a c t i v ed n al a b 耐n gt a g ) 。即直接在d n a 链上引入具有电化学活性的分子作为标记物。合成的带有电化学活性基团的单链 d n a 与电极表面的靶d n a 进行选择性杂交反应，杂交反应结束后会在电极表面 上形成带有电活性官能团的杂交分子，通过测定其电信号可以识别和测定d n a 分子。寡核苷酸携带电活性指示剂分子如二茂铁和葸醌类的标记物，被广泛用于 电化学方法检测表面杂交情况。t a k e n k a 等人【8 8 】成功地在寡聚核苷酸的5 端磷酸 9 含氮杂环化( 配) 合物的合成、表征及与d n a 作用机理的电化学研究 基上标记羧酸二茂铁，制成二茂铁寡聚核苷酸。合成的二茂铁寡聚核苷酸选择性 的与互补单链d n a 或包含互补序列的变形基因形成复合物，这些复合物通过高 效液相色谱分离和电化学检测，其响应与复合物的量呈线性关系，检测范围2 0 一1 0 0 曲0 1 。 ( 4 ) 生物酶作为标记物即用生物酶作为识别元素标记在d n a 分子上。当标 记了生物酶的d s d n a 与电极表面的互补s s d n a 发生杂交反应后，在电极表面上 修饰了一层酶，酶具有很强的催化功能，通过测定反应生成物的变化量可以间接 测定d n a 。c a r d o s i 等【8 9 】均利用d n a 上标记的碱性磷酸酯酶( a p ) 催化n a d h 的氧化还原反应，利用电化学方法或光化学方法分别测定氧化还原电流或生成的 有色产物，达到检测d n a 的目的。 杂交指示剂是一类能与s s d n a 和d s d n a 以不同方式相互作用的电活性化合 物，且其氧化还原电位处于d n a 的电化学窗口范围内( + 1 2v 一o 9v ，v s s c e ) 。当它与d n a 结合后，发生可逆的氧化还原反应时，可与d n a 发生电子 交换，d n a 通过远程电子传递而使指示剂与电极发生电子交换完成电化学反应过 程，因此杂交指示剂的选用对传感器灵敏度的影响甚大。一段长度为1 7 个碱基 的寡聚核苷酸( d n a 探针) 在人类全基因3 0 亿碱基对中只存在一个与之完全互 补的序列，这样的特异性可以说是最高的生物选择性。各种生物的核酸，序列相 同的几率很小，所以用d n a 分子杂交的技术作为d n a 生物传感器的识别原理， 在理论上讲是有很大发展前景的。d n a 生物传感器中的识别分子大部分是采用化 学合成而得到的单链d n a ( s s d n a ) 探针，其通过直接吸附或5 端经过巯基、氨 基或生物素等偶联基团与传感器探头表面进行特定的结合。杂交时，固定的探针 与其互补序列( 靶d n a ) 之间通过w a s t o n c r i c k 氢键形成双螺旋结构，由于这 种双螺旋结构的形成具有很强的选择性，因此d n a 探针能在含有多种非互补序 列的混合物中识别出靶序列，从而实现传感器的特异性识别功能。 根据杂交指示剂与d n a 的作用方式的不同可将其分为两类：即内部指示剂 和外部指示剂。1 ，1 0 一菲咯啉配合物属于外部杂交指示剂，它与d n a 分子的作用， 一是通过指示剂分子专一性地嵌入d s d n a 分子双螺旋结构的碱基对之间，且仍 然保持电活性；二是通过指示剂分子与d n a 骨架上的磷酸基之间的静电作用。 由于其在d n a 修饰电极上富集程度不同，电流响应也就不一样。一般将杂交反 应后的电极浸入含有嵌入剂的溶液中反应一定时间，或将嵌入剂直接加入杂交反 应溶液中，让杂交反应和嵌入作用同时进行，然后再进行电化学检测，根据所得 信号的大小或变化值来判断电极表面所形成d s d n a 的多少，从而对溶液中靶 d n a 进行识别和测定。 2 0 世纪8 0 年代初期，美国科学家b a r t o nj k 发现了配合物 z n ( p h e n ) 3 1 2 + 的不 1 0 青岛科技大学研究生学位论文 同异构体与d n a 作用时存在选择性，开辟了用金属配合物作为d n a 结构探针的 新的研究领域。由平面多吡啶(