（分析化学专业论文）杂环及希夫碱类化（配）合物的合成及晶体结构表征.pdf

杂环及希夫碱类化( 配) 合物的合成及晶体结构表征 摘要 杂环化合物及其金属配合物因在生物工程、食品香料化学、有机合成和染 料化学等领域内的应用而成为研究的热点。随着结构分析和鉴定技术的进步， 越来越多的杂环化合物被发现，杂环化合物的用途和应用范围也不断的拓展。 含芳环或杂环的希夫碱化合物以及希夫碱与金属离子所形成的配合物具有很高 的生物活性。8 0 年代以来，人们发现含芳环或杂环的希夫碱化合物具有很高的 植物生长激素活性，以及抗菌、抗痉挛、消炎、抗血小板凝聚、调节植物生长 等生物活性。本论文合成了五个杂环化合物或其金属配合物，培养出了单晶， 用x 射线衍射分析对它们的晶体结构进行了表征。 全论文共分为四章： 第一章概述了杂环化合物、配合物以及含苯环的希夫碱类配合物的发展历 史、研究现状，应用领域以及本论文的选题意义等。 第二章合成了三种以苯并咪唑为母体杂环化合物或配合物：6 乙氧羰基1 h 一 苯并眯唑二水合物；c 2 2 h 2 6 c o n 4 0 1 2 2 h 2 0 ；c 】o i lj l n 2 0 2 + n 0 3 0 5 h 2 0 。培养出 了上述三个化合物或配合物的单晶，用x - 射线衍射分析法测定了其晶体结构， 并对结构进行了描述。 第三章合成了c d ( c s h 5 n ) 4 ( c 1 0 4 ) 2 ：这是镉元素的6 配位化合物，分别由4 个吡啶环和2 个高氯酸根组成。该配合物用元素分析、红外光谱及x 射线衍射 分析法对两种配合物的结构进行了表征。结果表明它们均属单斜晶系。 第四章报道了c u o c 6 t - h c n o h 2 的四配位敖合的晶体结构。并用元素分析、 红外光谱、紫外光谱及x 一射线单晶衍射分析法对其结构进行了表征。该水杨醛 肟为配体的配合物实际上是含苯环的希夫碱类配合物，分子沿着c 轴通过 c u l - 0 2 ，c u l h 2 a 和n 1 0 2 连成了一条直线。整个晶胞的堆积由于c h 兀间 的相互作用而变得更加稳定。 关键词杂环化( 配) 合物苯并咪唑水杨醛肟晶体结构 s y n t h e s e sa n dc r y s t a ls t r u c t u r e s o fn ，0c o m p o u n d s a b s t r a c t h e t e r o c y c l i cc o m p o u n d sa n dt h e i rc o o r d i n a t i o nc o m p l e x e sh a v er e c e i v e dm u c h a t t e n t i o nf o rt h e i ra p p l i c a t i o ni nb i o l o g i c a le n g i n e e r i n g f o o dp e r f u m ec h e m i s t r y , o r g a n i cs y n t h e s i sa n dd y e s t u f fc h e m i s t r y w i t ht h ed e v e l o p i n go fs t r u c t u r ea n a l y s i s a n de v a l u a t i o nt e c h n i c ，m o r ea n dm o r eh e t e m c y c l i cc o m p o u n d sh a v eb e e nf o m a d a s ar e s u l t , t h et l s ea n da p p l i e dr a n g e sa r es p r e a d i n gq u i k l y nr e c e n ty e a r s ，m a n ys c h i f f b a s ed e r i v a t i v e sh a v es h o w nh i g hb i o l o g i c a la c t i v i t i e s ，s u c ha si n s e c t i c i d e ，f u n g i c i d e a n dh e r b i c i d e ，e t c i ns e a r c ho fn o v e ll e a dc o m p o u n dc o n t a i n i n gh e t e r o c y c l i c d e r i v a t i v e sw i t l lh i g h e rp o t e n t i a lb i o l o g i c a la c t i v i t i e s f i v es i n g l ec r y s t a l sw e r e s u c c e s s f u l l yp r e p a r e d a nx - m yc r y s t a l l o g r a p h i ca n a l y s i sw a su n d e r t a k e nt o e l u c i d a t et h e i rm o l e c u l a rc o n f i g u r a t i o n i nt h ef i r s tc h a p t e r , w eb r i e f l yi n t r o d u c ea b o u tt h eh i s t o r ya n dd e v e l o p m e n to f t h ec o m p l e x e s a sw e l l 私t h ec u r r e n ts u r v e y , r e s e a r c hs i g n i f i c a n c ea n dt h er e s u l ti n 也i st h e s i s i nt h es e c o n dc h a p t e r ，w ed e s c r i b e dt h es y n t h e s e so ft h r e eh e t e r o c y c l i c c o m p o u n d s a n dt h e i rm e t a l c o m p l e x e s 6 - e t h o x y c a r b o n y l 一1h - b e n z i m i d a z o l e d i h y d r a t e( 1 ) m e t h y l 一2 一m e t h y l - 1 h - b e n z i m i d a z o l e - 6 一c a r b o x y l a t e( 2 ) a n d t e t r a a q u a b i s ( n - a c e t o x y l b e n z i m i d a z o l e - n a c e t o x y l - ko ) c o b a l t ( i i ) d i h y d r a t e ( 3 ) i n1a n d2 ，t h em o l e c u l e so f a r el i n k e di n t ot w o d i m e n s i o n a ll a y e r sb yi n t e r m o l e c u l a r i n t e r a c t i o n sa sw e l la ss o m en - ( 3a n dn - ns h o r tc o n t a c t i n3 也em o l e c u l e sa r e l i n k e db yn i - h 1 a 0 3i n t e r m o l e c u l a ri n t e r a c t i o n si n t oz i g - a z a gc h a i n s t h e p a c k i n gi ss t a b i l i z e db yd i p o l e - d i p o l ea n dv a nd e rw a a l sf o r c e s t h ec r y s t a la n dm o l e c u l a rs t r u c t u r e so fc u o c 6 n 4 c n o h 2h a v eb e e nd e t e r m i n e d b yx r a yc r y s t a l l o g r a p h y i tc r y s t a l l i z e si n t h em o n o c l i n i c s y s t e m ，s p a c eg r o u p i i p 2 ( 1 ) c ，w i t hl a t t i c ep a r a m e t e r sa = 1 3 9 4 6 ( 3 ) ，b = 6 0 4 5 7 ( 1 2 ) ，c 2 7 9 8 5 3 ( 1 6 ) a ，2 9 0 0 0 ，昏= 9 7 7 3 ( 3 ) ，1 = 9 0 0 0 。，v = 6 6 7 1 ( 2 ) a j ，a n dz 2 2 t h ec r y s t a ts t b a e t u r eo f t h et i t l ec o m p o u n di s b u i l t u pb y d i s c r c t em o n o m e r i cm o l e c u l e so f c u o c 6 i - h c n o h 2 ，a n dt h ec o o r d i n a t i o ne n v i r o n m e n t o f t h ec u ( i i ) i sal e a s t - s q u a r e s p l a n e t h em o l e c u l e sa r el i n k e di n t oo n e - d i m e n s i o n a lc h a i n sa l o n gt h eca x i s t h e p a c k i n g i sf u r t h e rs t a b i l i z e db yc h 冗i n t e r a c t i o n s t h ec r y s t a ls t r u c t u r eo fc d ( c s h 5 n ) 4 ( c i o & h a sb e e nd e t e r m i n e db ys i n g l e c r y s t a lx r a yd i f f r a c t i o nm e t h o d t h ec r y s t a lb e l o n g s t oo r t h o r h o m b i cs y s t e m ，s p a c e g r o u pp 2 1 2 1 2 1w i t hu n i tc e l lc o n s t a n t s 口= 1 0 3 6 8 ( 2 ) ，b 。1 4 4 0 3 ( 3 ) ，c21 6 6 4 7 ( 3 ) a ， v = 2 4 8 5 9 ( 8 ) a 3 ，z = 4 ，d 。= 1 6 7 7g c m 。，a = 1 1 4 5n l m ，f ( 0 0 0 ) 21 2 5 6 ，ra n d w ra r co 0 4 4 7a n do 1 3 0 4r e s p e c t i v e l yf o r4 8 6 7u n i q u er e f l e c t i o n sw i t h4 4 5 0 o b s e r v e dr e f l e c f i 0 1 1 8 ( ， 2 盯f = ( ) ) t h ec e n t r a lc d ( i i ) a t o mi sc o o r d i n a t e db yf o u rn a t o m sf r o mf o u rp y r i d i n el i g a n d sa n dt w ooa t o m sf r o mt w op e m h l o m t ec o u n t e r - i o n s t h ec o o r d i n a t i o ng e o m e t r yi ss l i g h t l yd i s t o r t e do c t a h e d r a l w i mt h ef o u rna t o m s o c c u p y i n gt h ee q u a t o r i a lp o s i t i o n s ，w h i l et w oo a t o m sb e i n gi nt h ea x i a lp o s i t o n s t h ep a c k i n gi ss t a b i l i z e db yc h oi n t e r m o l e c u l a ri n t e m c t i o n s k e yw o r d s ：h e t e r o c y c l i cc o m p o u n d s c o m p l e x e s ；b e n z i m i d a z o l ed e r i v a t i v e s ； s a l i c y l a l d o x i m e ；c r y s t a ls t r u c t u r e i 王i 青岛科技大学研究生学位论文 第一章前言 1 1 杂环化合物 杂环化合物及其金属配合物因在生物工程、食品香料化学、有机合成和染料化学 等领域内的应用而成为研究的热点。杂环化合物自发现以来，已经有一个多世纪的历 史了，近年来随着结构分析和鉴定技术的进步，越来越多的杂环化合物被发现，杂环 化合物的用途和应用范围也不断的拓展。 杂环化合物是以含有一个或多个杂原子( 0 、n 或s ) 的五元或六元环系或稠环系 为主的一类化合物。自从1 8 5 7 年a n d e r s o n 从骨焦油中分离出毗咯，1 8 7 0 年s c b e e l e 制出呋喃和1 8 8 2 年m e y e r 戏剧性地发现噻吩至今也不过一个多世纪，被研究的杂环 化合物已发展到惊人的数字。本世纪三十年代拜耳斯坦有机化学手册记载的杂环化合 物数目，约占当时已知的数十万种有机化合物的l 3 。到】9 7 1 年，已知的数百万种 有机化合物中，有一半以上是杂环化合物。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0 、s 、n 扩展到许多金属和非金属元素。杂环类化合物的应用范围也 不断扩张。由于金属有机化学的发展，杂原子包括金属在内的环状化合物也受到世人 的瞩目。它们的种类繁多，范围很广，无疑是有机化学发展中方兴未艾的一类化合物。 从环的构成来看，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。 自杂环化合物发现以来，已经有近1 5 0 年的历史了。在过去的1 5 0 年里，杂环 化合物为人类做出了很大的贡献。由于各方面的原因，杂环类化合物的作用还没有被 完全发挥出来。随着人们对于杂环化合物的关注和现代仪器分析的发展，杂环化合物 的其他功能会被进一步挖掘出来，为人类的健康和发展作出更大的贡献。 1 2 杂环配合物 杂环配合物是以杂环及杂环衍生物为配体的金属配合物，是配位化合物中的一 种。配位化合物( c o o r d i n a t i o nc o m p o u n d s ) 旧称络合物( c o m p l e xc o m p o u n d ) ，是指独 立存在的稳定化合物进一步结合而成的复杂化合物i ”。从组成上看，配合物是由可以 给出孤电子对或多个不定域电子的一定数目的离子或分子( 称为配体) 和具有接受孤 电子对或多个不定域电子的空位的原子或离子( 称为中心原予) 按一定的组成和空间 构型所形成的化合物。 近些年，配合物的研究和进展速度很快。某些种类的配合物由于其结构和性质的 杂环及希夫碱类化( 配) 合物的合成及晶体结构表征 特性，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，其新奇的特殊性能在生产实际中获得了重 大的应用，花样繁多的价键理论及空间结构引起了结构化学和理论化学家的深切关 注，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 2 1 。 目前本领域的研究工作侧重于合成具有分子基导电、磁性、非线性光学性能和光 电转换等功能配合物体系，应用现代谱学方法研究它们的结构和性能。现在的主要工 作是合成具有明确结构的功能化合物，培养单晶，利用x 射线衍射分析方法测定出 化合物的结构，从而根据微观结构来推断宏观性质，寻找分子结构与功能之间的关系。 并结合配合物的成键理论，研究其中的电子给体一受体问的电子传递、能量转移、自 旋交换等机理。研究和总结分子结构、晶体结构和功能间的关系，进一步开展分子工 程学研究，开发具有应用前景的光电功能材料。 在杂环配合物的合成、反应和应用的研究中，经常要求我们从理论上研究其物理 和化学规律，借以解释其各种谱图，总结基元反应的规律，预测分子的稳定性和反应 活性，为实际应用提供理论信息。现代各种结构分析方法对杂环化学的发展起着重要 作用【3 j 。 1 3 杂环化( 配) 合物的应用 1 3 1 杂环化( 配) 合物在分予生物学和生物工程中的应用 分子生物学的主要课题是研究生物体内新陈代谢，细胞的复制和物种遗传等。新 陈代谢起主导作用的是酶，细胞复制和物种遗传中起主要作用的是核酸，两者都与杂 环有密切的关系。 核酸是分子生物学另个重要研究对象。核酸是生物高分子，分子量可达4 0 亿。 它的结构单元是核苷酸，核苷酸由三部分组成，即核糖或去氧核糖、磷酸及杂环。由 核苷酸水解得到的杂环化合物是胞嘧啶、胸腺嘧啶、尿嘧啶、腺嘌呤。核酸一方面保 证了地球上各种生物存在和进化，而另一方面引起动植物的疾病的一些病毒微生物也 正是靠它们细胞内部的遗传信息来感染动植物。所以深入研究杂环化合物的生物化学 性质，不仅能促进深刻理解生命遗传过程中的奥妙，还对研制新型的病毒蛋白酶抑制 剂有所启发。 主要的杂环类植物病毒抑制剂主要有以下几类： 生物碱类：在人和动物的病毒病防治药物中，生物碱类衍生物一直占有重要地位。 2 青岛科技大学研究生学位论文 近年来，这方面的研究仍然十分活跃，但把生物碱衍生物作为植物病毒抑制剂的报导 则相对较少。 h u b e r , s 研究了1 7 个嘌呤和嘧啶衍生物抑制马铃薯x 病毒的活性，发现8 氮杂 腺嘌呤、8 氮杂鸟嘌呤和6 丙基一2 一硫代尿嘧啶具有明显的抑制p v x 活性。s c h u l z e ，s 则发现6 一氨基尿嘧啶、6 一氨基胸腺嘧啶和9 一( 2 ，3 一二羟基丙基) 腺嘌呤能够抑制 t m v 和p v x 的复制酶活性，从而抑制病毒复制。k l u g e ，s 合成了硫代尿嘧啶类化 合物作为植物病毒抑制剂，能使豌豆植株上的红三叶草斑驳病毒明显减少。 三唑衍生物：在所有含三唑杂环的抗植物病毒剂中，研究最深入的是病毒唑，它 最初是作为人和动物病毒防治药物被研究开发的。后来，s c h _ 1 1 s t e r t ，g 等发现病毒唑 具有抑制植物病毒能力，掀起了将病毒唑作为植物病毒抑制剂的研究热潮。迄今为止， 人们已发现病毒唑对十几种植物病毒有抗病毒活性。这些病毒包括p v x 、t m v 、 c m v 、p v y 、烟草坏死病毒( t n v ) 等多种常见植物病毒。病毒唑对这些病毒的大 田防效一般在3 0 一6 0 之间。除病毒唑以外，还有些其它三唑类化合物也具有抗 植物病毒活性。 噻二唑衍生物：日本的n o g u c l l i ，t e r u h i s a 最早报道噻二唑衍生物具有抗病毒活 性。后来，s e h u s t c r , g 合成并测试了一系列1 ，3 ，4 一噻二唑衍生物。g u p t a ，a k s e n 则 把噻唑啉结构引入到噻二唑的取代基中，合成了具有抑制植物病毒活性的杂环化合 物。 咪唑衍生物和三嚷类衍生物：7 0 年代初，就有文章报道了某些咪唑衍生物和三 囔类衍生物具有抗病毒活性。杂环类的动物病毒抑制剂的研究相对较少，2 0 0 2 年， 北京大学药学院药物化学系徐萍在国内借助计算机辅助药物设计和分子对接等手段 首先合成了杂环类的人巨细胞病毒( h c m v ) 蛋白酶抑制剂。在未来的几十年内有望 研究出新型的动物病毒抑制剂，为解除人类的顽症作出应有的贡献。 1 3 2 杂环化( 配) 合物在食品香料化学中的应用 杂环香料是近几十年来才发展起来的新型香料，由于他们的一些优异性能，引起 了香料界的高度重视。这些杂环化合物主要包括呋喃、吡咯、吡啶、噻吩、噻唑、吡 唪等，它们广泛存在于自然界中，目前人们己从各种食品中鉴定出了上万种杂环香味 化合物，获美国食用香料和萃取物制造者协会( f l a v o u ra n de x t r a c tm a n u f a c t u r e r s ， a s s o c i a f i o n ) 批准，可安全使用的香味物质近二千种，其中，含氧、硫、氮的杂环化 合物占有突出的地位，这主要有以下几个原因。 它们大多数存在于天然香料或天然食品中，本身就是食品香味的微量化学成分， 给予人们一种安全感。 杂环及希夫碱类化( 配) 合物的合成及晶体结构表征 大多数杂环化台物有极高的气味强度和极低的察觉阈值，一般为p p m 级和p p b 级，所以用量很少就能取得很好的增香效果，被认为是特效化合物，在食品化学中是 理想的配料成分。 香气特征突出，它们具有强烈的肉香、咖啡香、坚果香、焙烤香和蔬菜香，可以 调制成具有特殊风味的食品香精，也可以作为食品增香剂直接应用于食品中。杂环香 味化台物在焙烤、油炸等食品中的存在很广泛，但存在的浓度低，化学性质不稳定， 加上多种香味物质混存于食品之中，因此食品中的检测到的杂环香味化合物受到分离 与分析技术的限制。 但近3 0 年来，色谱分离技术的发展和计算机在( m a i l l a r d 反应) 非交互程序模拟 中的应用，很多新的杂环香味化合物被发现和确定。2 0 0 1 年f e m a 批准的5 7 7 种“通 常认为安全”化合物，其中杂环类的香味化合物就有2 3 0 种，占将近4 0 ，形成了 一个很大的系列。 1 3 3 杂环化( 配) 合物在有机合成中的应用 在经典的有机合成方法中，很少甚至不考虑应用杂环化合物。这可能是由于杂环 常常要用链状化合物合成，通过杂环再合成链状化合物步骤要多些。但实际上杂环中 有许多是较易合成的，并且操作简单而收率高，有些化合物应用经典方法难以合成。 而应用杂环却可以容易实现。例如：利用杂环增长碳链。格氏试剂与环氧乙烷反应， 可使其增长两个碳原子，一些亲电试剂与噻吩反应，可使其碳链增长4 个或其倍数 的碳原子。利用杂环保护官能团，保护羟基：羟基与二氢吡喃在温和条件下可转变为 缩醛，分于其他部位改造后，可用h o a c 使其水解复原。杂环类化合物是一类具有 药理活性的小分子化台物。许多研究人员以杂环类的小分子化合物及其衍生物为母 体，筛选具有抗菌活性的药物。特别是最近几十年来药物筛选模型的发展，合成了许 多新的化合物。而液相组合化学的应用，为解决这个问题开辟了广阔的前景。 杂环在有机合成中，除了用来增长碳链和保护官能团外，用途还很多。其中有些 是经典方法无法实现的，有些虽然可以实现，但操作、收率等不如杂环方法。例如将 醚直接转变为酯，将苯赢接氧化为酚，经典方法很难做到。从呋喃、毗咯制各较复杂 的稠环芳烃，从酮制备炔烃，杂环方法比用经典方法操作简单。此外有些反应，杂环 方法的立体选择性比经典方法高的多。 杂环化合物在有机合成中的应用已逐渐引起化学家的重视。精细有机合成中利用 杂环来保护官能团已取得很大成功。随着人工合成天然物研究的深入，利用杂环来保 护官能团将得到发展，更多更有效的官能团保护法将出现。利用杂环使有机物官能团 反应性能逆转的方法也将越来越多。 4 青岛科技大学研究生学位论文 1 3 4 杂环化( 配) 合物在染料化学中的应用 目前通用的各种染料，几乎全是人工合成的。用合成染料来做食用色素或化妆品 染料对人体健康显然是有害的。因此近年来开始重视天然色素的研究。这些天然色素 中多是杂环化合物。例如可以作为红色、紫色染料的花色素，可作为黄色、橙色的黄 酮色素都是苯并毗哺盐或苯并呋喃酮的衍生物。人工合成的染料中，除偶氮染料、三 苯甲烷染料和少数其他类型外，多数也是杂环化合物。例如，二苯并噻唑染料、二蒽 醌并吡嗪染料、吲哚染料、酞青染料、均三嗪活性染料等。 1 3 5 杂环化( 配) 合物在医药化学中的应用 医药分天然的和人工合成的，无论哪种，杂环化合物都在其中占有举足轻重的地 位。药物中所含杂环、以氮杂环为最多，其次是氧杂环，而硫、磷等杂环较少。杂环 化合物在医药、生物农药等方面具有重要的地位，其中炔胺与异氖酸酯( 盐) 经2 + 2 环 加成反应生成烯酮亚胺4 哇喏酮的反应历来都倍受化学工作者的关注m j ，e l e n m g 等 【7 l 对其反应途径也曾作过多种推测，但对其反应途经的量子化学研究还未见报道。徐 建华掣8 l 采用半经验a m l 量子化学方法对其推测中的2 - n ( 乙基) 亚胺基n ，n - 二甲基一 氧杂环丁烯异构化反应机理进行研究，得到了该反应的反应机理，并对其反应机理进 行了分析讨论，从而论证了其推测的可靠性。 生物碱是中草药的主要有效成分，绝大多数生物碱都含有杂环。如颠茄碱含四氢 吡咯和六氢毗啶环、马钱子碱、利血平含吲哚环，黄莲素、罂粟碱、吗啡含异喹啉环， 喹宁含喹啉环，阿的平含丫啶环，其他如强心甙的洋地黄毒甙，蟾蜍毒素等甾体生物 碱除含甾环外还含有杂环。抗菌素的研究在我国很受重视。据报道被研究过的抗生素 达七、八千种，但被筛选采用者屈指可数。其中较重要的有青霉素、土霉素、四环素、 金霉素、红霉素等。青霉素含氮杂环丁酮和氢化噻唑环。此外退烧药呋喃西林含呋哺 环，抗疟药大部分含有喹啉环，软化血管和降血压的芦丁含苯并y 一吡喃酮环，消毒 用的红汞含二苯并毗喃环。 医药历来和杂环化学关系密切。随着医学的发展，新发现的疾病也将愈来愈多。 作为医药主要来源之一的杂环化合物，在人类疾病的预防和治疗中，将继续起巨大作 用。更多有效的杂环新药肯定会不断出现。 中草药与杂环化学的关系极为密切。我国中草药药源丰富，品种繁多。虽然对某 些中草药的生物碱等有效成分作了比较深入的研究，但与数目庞大的中草药相比，显 然是很不够的。有许多中草药品种，我们的研究无论深度或是广度常常不如日本、美 国等国家【9 ”l 。中草药的有效成分很多都是杂环化合物。研究杂环化合物的药理作用 无意会促进中草药的研究。含芳环或杂环的s c h i 蹴化合物以及s c h i 舒碱与金属离子所 杂环及希夫碱类化( 配) 合物的合成及晶体结构表征 形成的配合物具有很高的生物活性，特别是过渡金属的含氦配合物，8 0 年代以来，人 们发现含芳环或杂环的s c h i 嘲化合物具有很高的植物生长激素活性，人们又发现含 三氦唑( 简称三唑) 环的一些化合物具有很高的生物活性。此后研究和开发了多种含三 唑环的杀菌剂与植物生长调节剂，其中植物生长调节剂如多效唑、特效唑、抑芽唑和 b a s l l l 0 4 等，通过将三唑环引入芳杂环的s c h i 脚晓分子中，发现其中一些化合物具有 明显的植物生长激素活性，有的还具有高的细胞分裂素活性。由于其在生物体中具有 重要的生理作用，因此成为人们最感兴趣的研究领域之一。 1 3 6 杂环化( 配) 合物在农药领域中的应用 新型杂环类化合物的研究已成为农药研究的重要领域之一。因而，开发出含吡唑 基新型结构的先导化合物潜力很大。探索眯唑并噻二唑的合成机理，得到该类化合物 的单晶，利用x 射线衍射分析方法确定正确的产物结构，提出该反应的合成路线及 正确的反应机理。对构效关系进行研究，无疑是设计、合成高活性稠( 杂) 环类化合物 的最有效途径。稠( 杂) 环化合物的合成，日益趋向于同一分子中含多种杂环核，由于 其生物活性多样，作用机制独特，活性高，残留低而引起人们的极大兴趣，已成为新 农药创制的主流方向。世界化学农药研究开发的热点与发展趋势是大量的杂环化台 物，其在新品种的研究开发中已占据十分重要的地位。杂环化合物的结构变化多，开 发的潜力很大，在世界农药的专利中，大约有9 0 是杂环化合物，其中不乏高效低毒 农药。大量的杀菌剂、除草剂、杀虫杀螨剂及植物生长调节剂均含有杂环核这无疑 给农药的研究和开发带来了极其广阔的发展前景。近年来含有杂环的新高效杀虫剂也 相继问世，特别是毗虫啉及其类似物以其优越的杀虫活性令世人瞩目，形成了杂环农 药发展的高潮。大量文献表明，含吡唑、三唑和噻二唑类的杂环化合物，大都具有优 异的除草、杀虫和杀菌活性，而且因其高效、低毒以及杂环上取代基多方位的变换， 在农药中已得到广泛的应用。因而，开发出含吡唑基新型结构的先导化合物潜力很大。 新型杂环类化合物的研究已成为农药研究的重要领域之一。 当代有机化学联系着许多前沿领域，诸如农药、医药、生命科学、材料学及分子 生物学等，而这些领域很多都与杂环化合物紧密相连。杂环化合物应用性极强，发展 极为迅速，深受人们的青睐，已成为当代有机合成中最为活跃的研究领域之一。杂环 化合物在农药领域中首先是应用予杀菌荆中，如目前最负盛名的麦角甾醇生物合成抑 制剂。此后，自从磺酰脲类除草剂出现以后，陆续出现了多种类型含有杂环的超高效 除草剂。新申请的新农药专利中，杂环化合物占9 9 以上。在本世纪将会出现更多新 杂环结构、稠杂环结构的新农药，杂环农药将是2 l 世纪合成农药的主流。 新型杂环类化合物的研究已成为农药研究的重要领域之一。本课题的目的是寻找 6 青岛科技大学研究生学位论文 高活性杂环类化合物，在确定其结构的基础上，对所合成的化合物进行生物活性测试， 旨在能发现较高活性的先导化合物，并通过结构与活性关系的研究为进一步优化配合 物打下基础。 1 4 希夫碱类金属配合物 s c h i 卿盛主要是指含有亚胺或甲亚胺基的一类有机化合物。1 8 6 4 年h s c h i f f 首次 报道了伯胺与羰基化合物发生的缩合反应，生成具有甲亚胺基( a z o m e t h i n e ) 的产物 挈；。，马 耐。“ ( r l ，r 2 及r 3 分别为烷基、h 、环已基、芳香基或杂环) 。1 9 3 1 年p f e i f f e r i l 3 】 等人首次报道t s c h i 厕晓的配合物。s c h i 脚睫在文献中以不同的名称出现，除s c h i 册囊， 还有h n i n e s ( 亚胺) ，a z o m t h i n e s ( 1 甲亚胺) 等。s c h i f t 碱按配体的不同可分为以下几类： 缩胺类、腙类、缩酮类、缩氨基脲类、缩喹啉类、胍类、氨基酸类及氨基酸酯类、 其他缩酯氮杂环类。 s c h i a 碱的合成是一种缩合反应，涉及加成、重排、消去等过程，反应物立体结 构及电子效应起着重要作用。s c h i 蹶缩合反应机理删可以下式示意： r 1 r 2 c 2 0 + h 2 n r 3 消去 塑刚c o r 1 r 2j c ：n r 3 堡r 1 _ 。h r 2 n h 2 r 3 r 2 n h r a - 上述亲核进攻反应步骤决定反应速度，醛或酮上羰基的c 原子由s p 2 杂化转为s 矿 杂化，键角由1 2 0 。变为1 0 9 5 。因此宜选择体积小的r 1 及r 2 基团有利于反应进行。 过渡态中r 1 ，r 2 若为烷基。其推电子作用会使o 一上负电荷更加集中，引起过渡态不 稳定。如r 1 ，r 2 中之一为h 原子，它会减小推电子作用，使过渡态稳定，反应易进行。 此外，过渡态中若含芳基，其吸电子作用会分散0 广负电荷，芳基形成的共振结构更 有利于过渡态稳定丽加快反应。由此也可看出芳香族s c h i 锄夷稳定性高于脂肪族s c h i f f 碱。从伯胺一n h 2 对结构来分析，作为进攻基团，诱导或共振效应会影响进攻效果。 如一为推电子基团n n 负电荷较集中，其碱性增强，使其较易发生亲核加成反应。可 见反应过程中电子效应与空问立体作用均起着明显作用，脂肪族类s c k 蹴配合物由 于配体的不稳定性及脂肪醛的相对不活泼性而少有报道i ”】。酮亚胺类s c h i 罔喊较醛亚 杂环及希夫碱类化( 配) 合物的合成及晶体结构表征 胺类s c h i 删盛难合成。有时需强制条件，如：合适的p h ；高的反应温度；非化学计量 试剂；加催化剂以及延长反应时间等等。目前几种常见的合成方法有：丸直接合成 法i i6 】是将醛、胺与金属离子按一定的物质量比，直接混合反应而得s c h i 卿蠹配合物。 此法产率较高，并简便快速，但容易发生副反应而使产品中混有杂质，给产品的纯 化带来了一定的困难。b 分步合成法i t 将直接合成法分成两步进行。第一步先由醛 与胶缩合得s c h i 羽藏；第二步s c h i 卿囊与金属离子配合。用这种方法合成的s c h i 硼壶配 合物，产率一般都较高，产品也较纯净，所以目前多采用该方法。c 模板合成法由 于二羰基化合物和多胺很难直接缩舍得到产率高、选择性好的大环s c h i 翻藏，用分步 合成法无法得到所需的大环s c h i 绷真配合物，所以目前合成大环s c h i 蹶配合物多采用 模板合成法。通过模板反应合成大环s c h i 霸黄稀土配合物的突出优点是产率高、选择 性好、操作简便、反应时问短。d 逐滴反应法1 1 q 对于在一般有机溶剂中仅微溶的s c h i f f 碱适用。对于氨基化台物与羰基化合物的反应，大凡经历氨基的亲核加成和水分子消 除亚胺化合物形成的过程，以上述产物为主体再与一系列金属离子或有机分子为客 体，可以合成花样繁多的配合物或超分子化合物。对这些化合物结果和性能的研究， 在生命科学、能源科学、材料科学和环境科学上都有很大的实际意义，也有很好的应 用前景【1 9 1 。 s e h i 羽哦及其配合物长期受到重视，有其内在因素。其合成相对容易，能灵活地 选择备种胺类或肼类及带有羰基的不同醛或酮反应物进行反应。改变连接的取代基， 变化给予体原子本性及其位置，便可开拓出许多从链状到环合，从单齿到多齿，性 能迥异、结构多变的s c h i 踊曦配体，它们可与周期表中大部分金属离子形成稳定性不 ， 一的配合物。从结构上分析，r i ，r 2 及r 3 均可被各种基团取代。最核心的应是产” 基团，其n 原子的杂化轨道上具有孤对电子，赋予它重要的化学与生物学上的意义。 s c h i 硐吱虽是以含n 为特点的配体，但实际上它还常含有高电负性的o 及s 等原子，也 可引入具有功能性的给予体原子，故它的配位齿数将是多变的，最低单齿、多齿的 可高达6 齿或7 齿，但一般以4 、6 齿最常见。 有关s c h 珂碱及其配合物应用的报道较多，主要源自它们所含基团的功能性可能 发生的反应、中心离子的作用、成键以及电子效应等因素。多种研究表明歹 基团具有重要生物学意义。如其中平面正三角形杂化轨道的n 原子具有孤对电子， 连同杂化轨道角度的易变性等等，使与其形成的分子，具有各类生命现象所需要的 物理化学性质。主要有：( 1 ) 基于生物活性在药物方面的应用与药物分子设计： 青岛科技大学研究生学位论文 h o d n e t t l 2 0 1 等试验了结构为r c 6 h 4 c h = n c 6 h 4 r 2 4 种s c l l i f r 碱用于抵抗老鼠白血病及 肉瘤，活体研究认为r = 2 m e 及r = 2 o h 基的s c h i f f 碱最具活性，可减慢肿瘤生长， 并表明醛取代基抗瘤效应优于胺取代基，尤以水杨醛类s c h i f f 碱优于其他醛类。( 2 ) 基于化学反应在催化剂、稳定剂等方面的应用：芳香族s c h i f f 碱及其相应配合物对许 多化学反应如聚合、氧化及分解反应具有催化作用， 1 9 8 6 年k o c h i 报道了中心金属 离子是m n ( i i i ) 的s a l e n 型配合物，以p h l o 为氧源，室温下催化烯烃环氧化反应的结 果【2 “。我国的奚祖威【2 习也作了这方面的研究并取得了有意义的结果。( 3 ) 基于功能 基团、立体构型等在螯合剂、聚合物改性方面的应用f 2 3 j ：s c h i f f 碱若要成为高选择性 一 化合物，除必须有芦”键外，还应有合适的功能基团，如在产一基团附近存在 o h ，一s h 基就可成为螯合剂，并能与许多金属离子反应，形成五元或六元螯合 环。含硫s c h i f f 碱不仅是很好的螯合剂，而且几乎所有的含硫s c h i f f 碱都有抑菌和杀 菌活性。此外，s c h i f f 碱结合在一些聚合物中可使产物产生诸如抗热、抗光、抗氧化， 增强荧光、可塑性，甚至改善超导材料、橡胶硫化加速剂性能等。有些线性聚合物 是由亚甲基双水杨醛或磺酰基双水杨醛与邻苯二胺形成的金属配合物制成。有些芳 香甲亚胺作为丁烯丙烯共聚物的热稳定剂，即以s c h 衙碱处理聚合物可改进工业用 途聚合物的热稳定性。( 4 ) 基于物理性质的新用谢堋：如s c h i f f 碱光致变色化合物， 具有良好的化学稳定性，光照下不易降解，其光致变色过程属于光诱导质子转移反 应。具有邻羟基结构的席夫碱的热色材料也得到了广泛的研究。从含邻羟基的苯环、 萘、菲的席夫碱到双席夫碱、席夫碱聚合物，具有热色性的席夫碱及络合物的数目 不断增多。一般认为邻羟基基团的存在对于热致变色的产生是必要的和关键的【2 5 1 。 此外，氨基酸水杨醛希夫碱与金属离子形成配合物后荧光强度变化显著，可作为荧光 探针研究与dn a 的相互作用1 2 “。 含芳环或杂环的希夫碱化合物以及希夫碱与金属离子所形成的配合物具有很高 的生物活性【2 7 j ，特别是过渡金属的含氮配合物【2 引，8 0 年代以来，人们发现含芳环或 杂环的希夫碱化合物具有很高的植物生长激素活性【2 9 1 ，人们又发现1 ，2 ，4 三唑类杂 环化合物具有抗菌，抗痉挛，消炎，抗血小板凝聚及调节植物生长等生物活性【3 0 _ 3 2 】。 其中，带芳环或杂环的希夫碱衍生物也表现出很强的生物活性i ”“j 。 此后研究和开发了多种含杂环的杀菌剂与植物生长调节剂，其中植物生长调节 剂如多效唑、特效唑、抑芽唑和b a s l l l 0 4 等【3 5 _ 硒l ，通过将杂环引入芳杂环的s e h i f f 碱分子中，发现某些三唑类s c h i 蹴化合物具有除草、消炎 3 7 - 3 8 1 、抗高血压p 9 j 、植物 生长调节m 】、细胞分裂4 1 1 等活性，也可应用润滑油添加荆【4 2 1 及电子照相光敏材料等 9 杂环及希夫碱类化( 配j 合物的合成及晶体结构表征 方面。 1 5 杂环及希夫碱类化( 配) 合物晶体解析 在杂环及s c l l i f f 碱化( 配) 合物的合成、反应和应用的研究中，现代各种结构分析 方法对其发展其着重要作用。如红外光谱、电子顺磁共振波谱( e p r ) 及核磁共振光谱 等。目前，除了可以用各种光谱、波谱、自2 谱和质谱技术获得有关结构的很多信息外， x - 射线衍射分析法在晶体结构测定中仍然是非常直接而且有效的方法，起着关键性的 作用。 晶体是由原子或分子在空间以一定规律周期重复地排列构成的固体物质。若一整 块固体基本上为一个空间点阵所贯穿，便称之为单晶体。晶体最基本的特点是晶体结 构具有空间点阵式的结构。正是由于这一特点，在描述和表达一个晶体结构时，只要 了解晶胞的大小、形状、晶体的对称性以及晶胞内部原子的坐标参数即可。利用金属 与含杂原子有机配体形成配合物，培养单晶，利用x 射线衍射分析进行结构表征， 把对晶体结构的表达方式和晶体学语言( 晶系、空间群、晶胞参数、原子坐标参数等) 转变为化学语言来表达，利用晶体学数据解决化学问题，这在结构分析中有着远大的 意义。 x 射线衍射分析可以提供最准确、直观的配位化合物的结构及构像信息，可以准 确清楚地描述化合物空间环境，从其数据可以得到精确的原子键合信息，如键长、键 角、扭曲角等，从而根据微观结构来推断化合物的宏观性质，来进一步指导科研工作 的开展。结合分子动力学与晶体结构还可以褥到相关原子间力场等作用信息。尽管 x 射线衍射分析方法所测得的结构环境与生物环境本身有所区别，但是它目前仍然是 取得分子模型最理想的方法【4 3 】。 1 6 本论文主要工作及预期目标 目前对于杂环及希夫碱类化合物的研究工作主要侧重于合成具有分子基导电、 磁性、非线性光学性能和光电转换等功能配合物体系，应用现代谱学方法研究它们 的结构和性能。现在的主要工作是合成具有明确结构的功能化台物，培养单晶，利 用x 一射线衍射分析方法测定出化合物的结构，从而根据微观结构来推断宏观性质， 寻找分子结构与功能之间的关系。并结合配合物的成键理论，研究其中的电子给体 一受体间的电子传递、能量转移、自旋交换等机理。 本论文分别合成了四个杂环化( 配) 合物、一个含杂环的希夫碱类金属配合物 ，培养出了单晶，并进行了元素分析，而且用x 射线衍射分析对它们的晶体结构进 行了解析。拟在以后的工作中研究和总结分子结构、晶体结构和功能间的关系，进 一步开展分子工程学研究，开发具有应用前景的各种光电和生物功能材料。 1 0 青岛科技大学研究生学位论文 参考文献 1 】戴安邦，“配位化学”，北京：科学出版社，1 9 8 7 4 【2