金属多胺配合物的合成及其与环糊精的包合作用

1、金属多胺配合物的合成及其与环糊精的包合作用陈卫麟 付 衡 毛宗万* 基金项目 中山大学化学与化工学院创新化学实验基金项目（批准号：01026）资助 第一作者 陈卫麟（1979年出生），男，中山大学化学与化工学院98基地班 联系人 毛宗万 Email：（中山大学化学与化工学院，广州 ）摘要 将含有疏水基团的锌配合物与能模拟碳酸酐酶Zn(II)中心的生物配位环境的b-环糊精进行包合可组装成一种超分子体系作为碳酸酐酶模型。为此，我们设计并合成了带疏水基团的二丙烯三胺配体，并将此类配体与金属做成配合物，尝试将此类配合物与b-环糊精包合，探索了配体与配合物合成的条件，并将

2、含有疏水基团的金属配合物与b-环糊精包合，发现了此类金属配合物和环糊精的包合与具有相似结构的二乙烯三胺的金属配合物和环糊精包合的不同，文中尝试从配合物的结构分析其原因。关键词 疏水基团；金属配合物；环糊精；碳酸酐酶模拟由碳酸酐酶可逆催化的二氧化碳(CO2)水合过程已成为许多生物化学家、无机化学家、理论化学家以及有机化学家感兴趣的研究课题之一1-7。这不仅是碳酸酐酶在动物代谢组织和肺部间、许多分泌过程中、鸟外壳钙化及植物光合作用中的CO2传输起有重要作用，其转换数高达106，是已知金属酶中最高的之一8，而且CO2的活化有重要的实际意义，通过对大气中CO2的高效活化，催化CO2与环氧烷烃的聚合反应

3、9，所得产物碳酸树脂具有易降解等特性。晶体结构研究显示在人碳酸酐酶B的活性中心由三个组氨酸残基（His-94, His-96和His-119）和一个水分子与一个锌原子配位所形成的一个畸变四面体结构所组成11-13，附近有一个由Val-143, Val-121, Trp-209和Leu-198所构成的疏水口袋和由Thr-199和His-64所组成的一个质子转移通道，如下图1所示。图1 碳酸酐酶活性中心结构研究表明与Zn(II)离子配位的OH-作为亲核试剂进攻键合的底物分子1-4，即结合的水分子被锌离子活化，在催化二氧化碳的水合过程中酶的His3Zn-OH形式是活性物质，而在催化碳酸氢根的脱水过程

4、中His3Zn-OH2是活性物质，来自模型化合物的动力学研究为此提供了强有力的证据。由于环糊精内部空腔是疏水性的，我们拟合成带疏水基团的三胺化合物，然后和Zn()配位，生成Zn()的三胺配合物，把此类带疏水基团的配合物装入环糊精的空腔内来模拟碳酸酐酶的结构，探索碳酸酐酶活性中心的催化活性和其结构的关系。有关环糊精和金属配合物的包合作用模拟碳酸酐酶的研究，本课题组已经做了大量的工作，一系列含有不同疏水基团的二乙烯三胺金属配合物被合成，并进一步与b-环糊精进行包合并组装成超分子体系，它们已通过元素分析、光谱表征和电位滴定分析，其中部分超分子化合物正在进行单晶结构分析。因此，本文在此基础上，拟合成带

5、疏水基团的二丙稀三胺的金属配合物,再把此类配合物装入环糊精的空腔内，以达到模拟碳酸酐酶活性中心的结构的目的，探索其结构与功能之间的关系。1. 实验部分1.1 仪器与试剂数字熔点仪；德国Elenebtar Vario EL元素分析仪；质谱仪（H.K）；紫外可见分光光度计（美国VARLAN公司，型号CAY100）；傅立叶变换红外光谱仪（德国BRUKER公司，型号VERTOR22）主要试剂有二丙烯三胺(A.P)是从ACROS ORGANICS公司进口的，其它试剂包括异丙基苯(A.P)，多聚甲醛(C.P)，对硝基苄氯(C.P)，邻苯二甲酸酐(A.P)，浓盐酸(A.P)，甲苯(A.P)，乙醇(A.P)，

6、冰醋酸(A.P)等，都是广州试剂厂生产。1.2 5-对异丙基苄基-二丙稀三胺配体（L1）的制备1. 异丙基苄氯的制备往1000ml圆底烧瓶中加入冰醋酸157ml，异丙基苯184.5ml，85%磷酸88ml，浓盐酸256ml，多聚甲醛92.5克，在80+5搅拌回流下反应6小时，取上层油层在分液漏斗中用水洗，振摇，分去液体水，直至下层水层PH=34， 把油层从分液漏斗上面倾入到装有20克无水K2CO3的250ml锥形瓶中，振摇1.0小时，再过滤把油层倾入到另一份装有20克无水K2CO3的250ml锥形瓶中，静置10小时，过滤，减压蒸馏（用油泵抽到极限）前组分蒸出t=4547 ，第二组分蒸出t=11

7、5119，最后仍有少量黄褐色液体未蒸出。得第一组分（异丙基苯）71.4克。第二组分（对异丙基苄氯）96.5克(产率86.7%)。2. 1,9-二邻苯二甲酰-二丙稀三胺的制备称取邻苯二甲酸酐148克(1.0mol)搅碎溶于1.5升甲苯中，在2升的三颈瓶中加热至沸，缓慢滴入65.6克(0.5mol)二丙烯三胺(溶于100ml甲苯中)，在沸腾的条件下，用电动搅拌约4.5小时，直至收集到18ml水为止，蒸出500ml甲苯，剩余的溶液趁热倾入到2000ml大烧杯中，并用少量热甲苯溶液把三颈瓶壁周围的物质及底部的大块物质洗3次，合并倾入大烧杯中，密封放置在冰箱中两天，底部析出大量白色沉淀，用沙芯漏斗抽滤，

8、再用甲苯洗3次，晾干，称重124克（产率为63.4），m.p=130.5132。（元素分析结果：N,10.59; C, 67.40; H, 5.291。对于C22H21N3O2来说，N, 10.74; C, 67.51; H, 5.41）3. 1, 9-二邻苯二甲酰-5-对异丙基苄基-二丙稀三胺的制备称取化合物39.14克（0.1mol），对异丙基苄氯16.87克（0.1mol）, 溶于500ml乙醇，再加无水碳酸钠10.6克，碘化钾1.0克，在1000ml的圆底烧瓶中回流反应24小时后，趁热把溶液倾倒到2000ml的烧杯中，放置室温中自然冷却2天，底部有白色不溶物产生。抽滤后分离后，白色固体

9、用少量冷乙醇洗三次。得产品36.12克（产率为68.9），测熔点m.p=143144。（元素分析结果：N, 7.954; C, 72.93; H, 6.323。对于C32H33N3O4来说，N, 8.021; C, 73.34; H, 6.303）进一步纯化产品可以用乙酸乙酯与乙醇的混合溶剂来重结晶。4. 5-对异丙基苄基-二丙稀三胺三盐酸盐的制备称取重结晶后的化合物5.24克（0.01mol），搅碎，逐步加入到30ml浓盐酸和10ml蒸馏水的混合溶液中，在1005中加热回流6小时，冷却后溶液有白色片状晶体产生。过滤，除去固体物，把滤液旋转蒸干，用少量蒸馏水溶后，再次旋转蒸发到尚剩余少量液体。

10、在烧瓶中加约100ml无水乙醇，把少量液体溶解，振荡几分钟后放置于冰箱中冷却。放置两天后乙醇中有白色细晶状产物生成。抽滤得到白色晶体，用少量冷的无水乙醇洗涤后迅速把产物放置在小烧杯内，在放有五氧化二磷的干燥器内真空中抽干。称重，得产品3.517克（产率为94），其熔点高于170。（元素分析结果：N, 11.06; C, 51.60; H, 9.077。对于C16H32N3Cl3来说，N, 11.27; C, 51.55, H, 8.65）1.3 5-对硝基苄基-二乙烯三胺配体（L2）的制备1. 1, 9-二邻苯二甲酰-二丙稀三胺的制备（见1.2.2）2. 1, 9-二邻苯二甲酰-5-对硝基苄基

11、-二丙稀三胺的制备称取化合物39.14克（0.1mol），对硝基苄氯17.2克（0.1mol）, 溶于500ml乙醇，再加无水碳酸钠10.6克，碘化钾1.0克，在1000ml的圆底烧瓶中回流反应24小时后，趁热把溶液倾倒到2000ml的烧杯中，放置室温中自然冷却2天，底部有黄色不溶物产生。抽滤后分离后，黄色固体用少量冷乙醇洗三次。得产品22.2克（产率为84.4），测熔点m.p=136138。（元素分析结果：N, 10.42; C, 65.34; H, 5.003。对于C29H26N4O6来说，N, 10.64; C, 66.15; H, 4.97） 5-对硝基苄基-二丙稀三胺三盐酸盐的制备称

12、取重结晶后的化合物5.30克（0.01mol），搅碎，逐步加入到30ml浓盐酸和10ml蒸馏水的混合溶液中，在1005中加热回流6小时，固体不溶。加入约20ml乙酸，再回流12小时，固体溶解。冷却后溶液有白色片状晶体产生。过滤，除去固体物，把滤液旋转蒸干，用少量蒸馏水溶后，再次旋转蒸发到尚剩余少量液体。在烧瓶中加约100ml无水乙醇，把少量液体溶解，振荡几分钟后放置于冰箱中冷却。放置两天后乙醇中有浅黄色固体产物生成。抽滤得到浅黄色固体，用少量冷的无水乙醇洗涤后迅速把产物放置在小烧杯内，在放有五氧化二磷的干燥器内真空中抽干。称重，得产品3.66克（产率为97.4），其熔点高于170。（元素分析结

13、果：N, 13.60; C, 40.94; H, 7.381。对于C13H25N4O2Cl3来说，N, 14.91; C, 41.56, H, 6.71）1.4 配体L1和Cu(II)配位物的合成 称取Cu(ClO4)26H2O干燥的晶体0.1853g（0.5mmol），溶于少量的双蒸水。称取配体L1的盐酸盐L13HCl固体0.1864g（0.5mmol），在搅拌的情况下加入到Cu(ClO4)2的水溶液中，再搅拌1小时。在不断搅拌的情况下慢慢滴加0.1mol/L的NaOH溶液至上述溶液。滴加到刚刚好开始产生沉淀时，换成滴加1mol/L的NaOH溶液。在pH分别为6.7，9.2和11.5的时候，

14、收集到三种不同颜色的沉淀，它们颜色分别是绿色(1)，墨绿色(2)和蓝紫色(3)。把三种沉淀分别用乙腈，乙腈:乙醇1:1，乙腈:水:1:1重结晶，分别得到三种晶体，元素分析如下：晶体(1)：N, 9.006; C, 41.64; H, 6.241对于CuL1ClClO4来说，N, 9.10; C, 41.61; H, 6.33）红外吸收峰值（cm-1）（见附图1.4.1）：3319.16（NH），3272.51（NH2），2957.56（苯环），2884.31（苯环），1587.47，1513.07，1459.77，1360.27，1264.32，1245.46，1080.10（ClO4-1），

15、981.89，948.68，850.54，817.05，744.46，621.88，547.28晶体(2)：N, 9.035; C, 41.58; H, 6.263对于CuL1ClClO4来说，N, 9.10; C, 41.61; H, 6.33）红外吸收峰值（cm-1）(见附图1.4.2)：3319.74（NH），3273.05（NH2），2957.98（苯环），2884.59（苯环），1587.07，1513.55，1459.71，1384.89，1360.27，1264.63，1245.70，1079.72（ClO4-1），981.30，948.47，904.65，850.38，817.

16、07，744.27，699.48，669.46，621.47，547.10，507.59晶体(3)：N, 8.683; C, 41.49; H, 7.007对于CuL1 OHClO4H2O来说，N, 8.683; C, 41.49; H, 7.007）红外吸收峰值（cm-1）(见附图1.4.3)：3529.09，3322.06（NH），3277.59（NH2），3162.64，2960.35（苯环），1610.33，1463.07，1388.23，1093.96(ClO4-1)，910.55，845.42，817.40，746.91，700.60，623.54，512.421.5 配体L1和Z

17、n()配合物的合成探索称取Zn(ClO4)26H2O干燥的晶体0.1870g（0.5mmol），溶于少量的双蒸水。称取配体L1的盐酸盐L13HCl固体0.1864g（0.5mmol），在搅拌的情况下加入到Zn(ClO4)2的水溶液中，再搅拌1小时。在搅拌的情况下慢慢滴加0.1mol/L的NaOH溶液至上述溶液。滴加到刚刚好开始产生沉淀时，换成滴加1mol/L的NaOH溶液。继续滴加NaOH溶液至pH值约为7的时候，有大量的白色絮状沉淀产生。过滤，得到白色沉淀。此沉淀不溶于水，不溶于乙腈，不溶于DMSO。（沉淀元素分析结果如下：N, 1.682; C, 9.578; H, 3.015）1.6 配

18、体L2与Cu()配合物的合成称取配体L2的盐酸盐L23HCl固体0.1879g（0.5mmol），溶于少量的双蒸水，加入NaOH固体0.06g（0.15mmol），搅拌30分钟，配成溶液（二）在不断搅拌的情况下，把溶液（二）慢慢滴加到溶液（一）中，溶液开始产生浑浊。继续滴加，沉淀增多，溶液变成深蓝色，沉淀为浅绿色。滴加完毕后，继续搅拌1个小时。过滤得到浅绿色粉末状沉淀，滤液为深蓝色。沉淀用少量双蒸水搅拌溶解，溶液变成天蓝色。过滤，合并滤液，少量浅绿色沉淀不溶于水，也不溶于乙腈，溶于稀盐酸。滤液放置室温中自然挥发。20天后有深蓝色针状晶体析出。（元素分析结果如下：N, 11.74; C, 33.

19、46; H, 5.029对于CuL2ClClO4H2O来说，N, 11.60; C, 32.34; H, 5.01）1.7 Cu()与L1的配合物与环糊精的包合称取pH6.7时析出的铜配合物晶体A 0.055g（1.1910-4mol），CD为0.135g。先把CD溶于少量的双蒸水，搅拌加热溶解，然后加入晶体A，继续加热搅拌至晶体完全溶解。停止加热，继续搅拌1小时，溶液为深蓝色。待溶液冷却后过滤，滤液用小烧杯装着放入装有P2O5的干燥器中。放置20天，有少量的浅蓝色细晶和绿色的晶体生成。选择浅蓝色晶体作元素分析，结果如下：N, 1.501; C, 39.29; H, 7.249。将晶体放置于装

20、有P2O5的干燥器中重结晶。2. 结果与讨论2.1 合成的两个配体如下：配体一（L1）:（C16 H29 N3 ） 配体二（L2）:（C13 H22 N4 O2） L1和L2的红外图谱分别见附图2.1.1和2.1.2L1和L2的紫外图谱比较见附图2.1.3合成配体的文献上介绍的是二乙烯三胺，而本实验用的是二丙稀三胺，因此在合成的过程中碰到不少与文献有不同的地方。在本实验中已经就具体的合成步骤进行改进。比如在合成配体L2（C13H22N4O2）的时候，实验1.3.3合成5-对硝基苄基-二丙稀三胺三盐酸盐的时候，文献上是用浓盐酸和水3：1的比例回流8小时可以水解，而对于在本实验中是行不通的，需要加

21、入一定量的冰醋酸，回流时间也要增加到24小时才能水解得比较完全，产率比较高。2.2 配合物的合成结果如下：1. 不同pH值下Cu()与配体L1形成的配合物的情况如下：从元素分析的结果可知，A和B中形成的晶体元素分析结果非常相近，而且晶体的颜色和形态都比较接近，因此估计其结构应该相差不大。而C中形成的晶体明显和A，B中析出的晶体不同。可见在pH较大的情况下Cu()和配体L1形成的晶体形态变化较大，见表1。配体L1与Cu()配合物的紫外吸收比较见附图2.2.1 表1 L1与Cu()不同pH下析出的晶体比较样品pH值沉淀颜色溶解沉淀的溶剂晶体颜色分子式16.7深绿色乙腈绿色CuL1ClClO429.

22、2墨绿色乙腈：乙醇1：1深绿色CuL1ClClO4311.5蓝紫色乙腈：水1：1蓝紫色CuL1OHClO4H2O2. 配体L1和Zn()的配位结果及讨论从元素分析的结果可知，C与N的百分含量都偏少，很明显白色沉淀里有机配体L1的含量很少。可见生成的沉淀中Zn()与L1形成配合物的量很少，甚至没有形成配合物，沉淀大部分为Zn(OH)2。可见不能用与Cu()的方法来合成Zn()的L1配合物。在pH较小的情况下，Zn()溶液不水解，因此可以考虑在pH较小的情况下合成配合物。目前具体合成条件尚在摸索之中。3. 配体L2与Cu()的配位结果可见L2与Cu()在水溶液的溶解度相对L1来说较大，可以在水中析

23、出晶体。晶体结构和L1与Cu()的配合物相近。因此，L2与Cu()的配合物可以考虑在水溶液中重结晶增加晶体的纯度，利于配合物与环糊精在水溶液中的包合。 Cu()与L1的配合物与环糊精的包合结果与讨论元素分析的结果N的含量较小，C的含量较大，显示有CD的包合物生成，但是包合物中CD和配合物的比例是3：2，显示出CD包合的效果并不好，而且晶体析出比较困难，时间较久。而本课题组合成的Cu(II)和二乙烯三胺的配合物，和CD能容易的包合。这就提出了一个问题，为什么二丙烯三胺的Cu(II)的配合物和CD的包合那么困难？本人尝试从配合物的结构着手寻找原因。Cu与L1在不同pH下形成的配合物主要有两种，Cu

24、L1ClClO4和CuL1OHClO4H2O。由于Cl与OH都能与金属形成双核的结构，导致配合物的分子过大，双核结构造成的空间位阻。两个配合物的可能结构图如下： CuL1ClClO4 CuL1OHClO4H2O很明显，如果配合物是双核结构会使环糊精的包合受到空间的不利影响。这就解释了为什么环糊精不能很好的包合Cu与L1生成的配合物的原因了。Cu与L1形成的配合物单晶已经送去做结构分析了，如果结构分析出来的结构和上述推测吻合，也就解释了包合不好的原因了。因此，要环糊精把配合物包合得好，配合物不能为双核结构，因此合成配合物的时候，就尽量不能有氯离子，同时pH不能太高。在配合物CuL1OHClO4H

25、2O与环糊精的包合中，可以滴加高氯酸，使pH降低到中性，这样包合的结果可能好一点。Cu与L1生成的配合物和CD的包合的实验条件还在探索之中，争取改变实验条件可以合成更好的包合物。参考文献1 Kimura E, Acc. Chem. Res., 2001, 34: 171.2 Kimura E, Koike K, Shionoya M. Structure and Bonding, 1997, 89: 1.3 Lipscomb W N, Strater N, Chem. Rev., 1996, 96: 2375. 4 Christianson D W, Fierke C A, Acc. Chem

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