酰腙类化合物及其稀土金属配合物的研究进展

1、 酰腙类化合物及其稀土金属配合物的研究进展张健,郑长征,张利勤,何小茹(西安工程大学环境与化学工程学院,陕西 西安 710048摘 要 :综述了酰腙类化合物的合成、配位形式以及酰腙类稀土金属配合物的合成、结构表征和应用。酰腙类化合物表 现出具有较好生物活性 , 其稀土配合物在抑菌、抗氧化及功能材料等方面具有潜在的应用前景。关键词 :酰腙;稀土配合物;合成;应用;进展中图分类号:O 623.626 文献标识码:A 文章编号 :1671-9905(201101-0023-05陕西省西安市金花南路 19号西安工程大学 255信箱,邮编:710048收稿日期:2010-09-19 酰腙类化合物是由酰肼

2、类化合物改性而成的 一类 Schiff 碱化合物,它们由醛或酮和酰肼缩合而 成。它不仅延续了酰肼类化合物具有非常好的化学 活性的特点,而且也降低了酰肼结构中因为存在 NH 2基团而对生物机体带来的毒性 1。酰腙作为 一种特殊的 Schiff 碱, 以其很强的配位能力、 多样的 配位形式和良好的生物药理活性,使其在新材料、 农业、 医药、 分析试剂等领域具有广阔的应用前景。 近些年,国内外研究学者对酰腙进行了许多全面研 究, 发现酰腙类化合物具有杀菌、 消炎等生物活性, 一些酰腙类化合物还具有抑制癌症作用 2。随着 20世纪 60年代以来无机药物的快速发展, 从无机药物中筛选活性强的的金属基药物

3、成了无 机化学的一个热门领域。酰腙类化合物本身表现出 较强的生物活性,而且比普通的 Schiff 碱化合物稳 定,所以许多研究者选择其作为研究配体,合成了 它们与过渡元素、稀土元素的金属配合物,并研究 它们的抗菌、抗肿瘤活性,以期寻找出活性更好的 金属基药物 3。除此之外,酰腙类化合物还被应用 于荧光分析试剂、 空穴传输材料、 发光材料、 染料、 金属酶模拟和磁性研究等领域 4。因此对酰腙类化 合物的合成与研究已经成为当代化学界的研究热 点之一。1 酰腙类化合物的研究进展1.1 酰腙的合成酰腙是酰肼与醛酮化合物缩合脱水得到的产 物,如图1。图 1 酰腙的合成合成过程一般在无水的有机溶剂中进行,

4、将酰 肼和醛或酮分别溶解在选定的有机溶剂中,然后在 回流搅拌的条件下,将其中之一缓慢地滴入另一种 物质中,充分反应后,将反应液浓缩至原体积的一 半,冷却至室温,得到大量的沉淀,过滤,洗涤, 真空干燥后即得酰腙类化合物。 1.2 酰腙的配位形式酰腙分子中有酰基氧、亚胺基氮和其他取代基 上的配位原子,它能够与过渡金属、稀土金属等多 种金属元素形成配合物。除了存在酰腙基团上的 氮、氧等强配位点外 , 取代基上可能还存在多个配 位点,在反应的过程中也可能参与配位,从而可见 酰腙类化合物配位形式的多样性。研究发现,酰腙存在 3种配位方式 5:酮式、 烯醇式和脱氢共轭方式配位。当酰腙以中性分子形 式参与配

5、位时,其配位形式为酮式配位;以烯醇式 配位时,一般脱去胺基 NH 上的质子,以负价离子 形式参与配位。如果分子中还存在其他可脱质子的 配位基团,就可能脱去两个或更多的质子,形成二 价负离子或高价负离子参与配位;酰腙也可以第三 种形式配位,即在胺基 NH 脱去质子后,和羰基形 成局部的共轭参与配位。化 工 技 术 与 开 发24 第 40卷一般未配位的酰腙主要以酮式存在,因为烯醇 式是不稳定的。配位以后究竟以哪种形式存在,还 取决于反应溶液的酸碱度、阴离子和溶剂等的影 响。一般,酸性有利于酮式配位,碱性增强有利于 烯醇式配位。在碱性条件下, OH 比 NH 更容易失 去 H ,故碱性有利于烯醇式

6、配位。在一般情况下, 在常见的有机溶剂中如甲醇、乙醇中酰腙配体和金 属盐呈弱酸性,以酸调节 pH 到强酸性时,酰腙以 酮式配位 6; 以强碱如氢氧化钾、 醇钠调节 pH 值至 碱性或弱碱性 , 或以弱碱如氨水调节 pH 值至中性 时 7,酰腙以烯醇式配位。但也有例外,如 2,6-二 乙酰基吡啶二 (缩氨基脲 (L1 与六水合硝酸钻在 1mol·L-1氨 水 中 反 应 得 酮 式 产 物 Co(L1(H2O 2 NO 3·H2O 8。乙酰基丙酮苯甲酰腙 (L2 与 FeCl 3、 KOH 以摩尔比 2:1:3反应得到酮式烯醇式共存的配 合物 FeL 2(L2 9。若不调节溶

7、液的 pH 值,酰腙和金属盐在有机 溶剂中反应,其配位形式受阴离子的控制。通常情 况下,与高氯酸盐、硝酸盐、硫酸盐是以酮式形式 配位,当与醋酸盐配时,烯醇式占主要形式 10。但 也有个别得到酮式产物, 如环己酮异吡啶甲酰腙 (L 3 与醋酸铜反应得到酮式产物 Cu(L3 2 (OAc 211。二 苯基乙二酮二苯酰腙 (L4 与醋酸镍在 DMSO-MeOH 中反应得到酮式产物 Ni(L4 (OAc212。 酰腙与金属 氯化物反应可以以两种方式配位,但难以总结出规 律。如很相似的配体对二甲氨基苯甲醛吡啶甲酰腙 和异吡啶甲酰腙在相同条件下与 cis-Ru(bipy2Cl 2反 应分别得到烯醇式和酮式

8、配合产物 13。2酰腙类稀土金属配合物的研究进展我国稀土资源丰富,随着稀土资源的不断开采 及其应用领域的不断扩大,发现它具有许多奇异的 功能, 被誉为现代工农业生产的 “ 维生素 ” , “ 新材料 宝库 ” 。由于稀土元素 4f 轨道电子填充的特殊性和 d 空轨道的存在,稀土离子具有较强的配位能力。另 外,由于稀土具有凝血、降血糖、消炎杀菌和抗癌 作用,临床上使用了稀土抗血栓药等,使稀土在生 命科学、材料科学以及化学过程中的应用得以扩 展。目前一般多采用分步合成法,如范玉华等就是 先用邻香兰素与邻氨基苯甲酸合成配体后,再用有 机溶剂溶解,然后和稀土离子溶液反应形成配合物 18。有时遇到合成的

9、酰腙配体难溶解时,可以控制 反应条件,先制成新鲜的配体溶液,然后加入金属 盐就可获得预期的配合物。用这种方法合成的酰腙 稀土配合物产率较高,产品也较纯净。但氨基酸类 酰腙在形成配合物时,其羧酸质子往往发生离解而 导致反应体系酸度增加,不利于配合物的形成及稳 定,所以大多数情况下是用一定比例的配体、碱金 属氢氧化物和金属盐,或用配体碱金属盐和金属盐 反应来制备配合物。可是这种方法对合成稀土配合 物不适用,因为稀土离子很容易水解,甚至生成氢 氧化物沉淀。另外,作为产物之一的碱金属盐由于在有机溶 剂中溶解性差而夹杂于配合物产物中,引起分离困 难,导致产品不纯。在氨基酸类酰腙配体与稀土离 子配合反应中

10、,如果使用有机胺即能达到中和质子 的目的,且不会带来提纯上的困难,实验中发现以 叔胺效果为最好 19。张健等:酰腙类化合物及其稀土金属配合物的研究进展 25 第 1期以金属离子为模板,与金属离子配位的同时, 氨基和醛基脱去一个水分子,形成酰腙,如图 2所 示。 图 2模板合成法示意图谷云骊等人则采用模板合成法合成了一系列 水杨醛乙二胺的稀土配合物 20。 先在稀土离子溶液 中边搅拌边加入水杨醛溶液,再缓慢滴加乙二胺溶 液。这是一种比较新的合成方法,它是将金属离子 作为一种 “ 模板剂 ” ,促使小分子有机物定向缩合成 较大分子的有机配体并形成配合物。通常,只要将 金属离子、羰基化合物与胺类按一

11、定的顺序在一定 的条件下混合反应,便可获得预期的产物,方法简 便易行。很多用模板合成法很易得到的产物,若改 用其它方法合成则十分困难,因为配体本身的合成 与分离是十分麻烦的。姚克敏等人在 1993年采用逐滴反应法合成芳 香腙稀土配合物,用于芳香腙配体在有机溶剂中析 出固体但却发生微溶这种情形,先将伯胺类化合物 与金属离子溶液混合,然后逐滴滴入稀的醛或酮类 溶液,剧烈搅拌下,少量配体一旦形成,立即与已 存在的过量金属离子反应形成配合物。制备的酰腙类稀土配合物通常最先进行 C , H , N 和稀土元素含量分析测定,以获得其组成情况。 在表征腙类稀土配合物结构时,电导测量也是 一种常用的方法,用来

12、判断配合物为何种类型的电 解质。对于配合物来说,处于内界的阴离子是难以 离解的,而处于外界的阴离子则容易电离。在红外光谱中 C=N的特征吸收峰会呈现三种 不同的变化趋势。当配体有大的离域共轭体系, C=N双键性质降低, 一旦形成配合物后, 配体会发 生一定程度的扭曲,使其离域共轭结构遭到破坏, 离域共轭效应减弱, C=N双键性质增强, 导致 C=N的特征峰向高波数移动。与此相反,如果配体本身 离域共轭体系较小,在与稀土离子配位后,离域共 轭效应增强, C=N双键性质降低,其 C=N的特征 峰向低波数移动。但是也有 C=N的特征吸收峰在 配位前后变化不大的,这是因为配体中亚甲胺上的 氮原子也参与

13、了分子内氢键的形成,而氢离子和稀 土离子同属于硬酸,对亚甲胺键的影响效应类似, 在和稀土离子配位后, C=N的特征吸收峰就没有太 大的变化。紫外 -可见光谱分析也是表征其结构的手段之 一。由于配体中不饱和双键常要参与成键,吸收峰 相应就会出现红移现象。 如 2-羰基丙酸水杨酰腙 21在 316nm 处有吸收峰, 为 C=N生色基团引起的 -*跃迁,由于 C=N参与配位,这个吸收峰就会迁移, 因此配合物的吸收峰就会红移至 353nm 左右处。 刘世昌、 徐爱菊等人在文献中 22报道了通过核 磁共振来进一步表征水杨醛缩乙二胺稀土配合物 的结构。 他们以氘代 DMSO 作溶剂, TMS 为内标, 测

14、得配体的 1H NMR谱的结果如下:ph 为 6.80 7.50(8H, -N=CH为 8.59(2H, =N-CH2/ph为 3.92(4H, OH 为 13.40(2H。在配合物的谱图中,这些峰位仅 略位移,而在 2.08×10-6附近却出现一新的吸收峰, 他们估计可能是因为稀土离子与配体配位后,配体 构型发生了变化,而使配体中的氮原子与 OH 基的 N···H-O-ph形成分子内氢键之故。 在稀土元素与水 杨醛缩 -丙氨酸 (H2L的双核配合物中,酚羟基质 子信号向低场位移,这是由于羟基氧原子同荷正电 的稀土离子作用,电子云密度降低,产生去屏蔽效

15、应。配位后由于分子共轭作用加强,亚胺基质子信 号均向高场移动。X 射线衍射分析也有研究者用来测定其结构, 但是 X-衍射晶体结构数据偏少 2324。他们在研究 中发现,配合物与配体及稀土盐类的主要衍射峰的 相对强度和衍射角有明显的差异,而且在配合物中 出现了一些新的衍射峰,稀土及配体的一些峰在配 合物中也不会出现,充分说明生成了一种新的化合 物。 配合物之间的 X-衍射结果接近, 从另一个侧面 表明它们的晶体结构相似。差热 -热重分析通过分析物质的热分解行为, 来 推测配合物的组成和结构。对于不同的稀土元素和 同一个配体所形成的配合物,如果它们具有相同的 通式,则热谱曲线的基本特征则常常很类似

16、,说明 其热分解机理是一致的。如果存在水分子和溶剂分 子的话,首先是脱去水分子或溶剂分子。对于稀土 离子来说, 腙类配体的配位能力比 NO 3-的配位能力化 工 技 术 与 开 发26 第 40卷强, 因此会先脱去参与配位的 NO 3-, 然后才是脱去 配体中的醛和胺那一部分,最后剩下稀土氧化物部 分。2.3.1具有生物活性的酰腙类稀土金属配合物 根据酰腙和稀土金属所具有的生物效应,近些 年酰腙类稀土金属配合物在生物活性方面的研究 也日益增多,研究显示酰腙类稀土金属配合物在抑 菌、抗氧化性和抗癌等方面均有很好的生物活性。 何水样等探讨了水杨醛缩水杨酰腙同 13种稀土离 子的金属配合物的合成及其

17、生物活性 , 结果表明 , 该配体及其配合物对辣椒疫霉菌、烟草赤星菌等均 有不同程度的抑制作用;杨正银等利用水溶液法合 成了 6种邻羧基苯甲醛苯甲酰腙稀土配合物 , 并利 用紫外光谱法研究了它们的抗氧化性 , 研究结果表 明, 配合物均有一定的抗氧化活性 , 对 -·自由基的 清除率在 8%25%范围。杨正银、杨汝栋等人 25探讨了 1-苯基 -3-甲基 -5-羟基 -4-吡唑苯酮异烟酰腙 稀土配合物 RE(HL3·3.5H2O(RE=LaGd 所具有的 抗氧化活性,认为该类配合物可作为抗氧化剂和脂 类过氧化物抑制剂。他们还在小白鼠身上将配合物 La(HL3· 3

18、.5H2O 和 Eu(HL3· 3.5H2O 对肝癌细胞 (HCT-8和白血病癌细胞 (L1210的抗癌活性进行了 试验,由此发现,自由配体及稀土盐对这两种癌细 胞均无抑制作用,但两配合物对白血病癌细胞 (L1210的抑制率分别达 87.1%、 78.5%, Eu 配合物 对肝癌细胞 (HCT-8的抑制率为 53.5%26; 另有西安 科技大学课题组研究的酰腙类稀土金属配合物均 有一定的抑菌效果。研究得出 , 大部分酰腙类金属配合物的生物活 性要强于单一酰腙配体本身,小部分配合物的生物 活性与单一配体相当,而极少配合物的生物活性弱 于相应的配体。2.3.2 具有特殊性质的酰腙类稀土金

19、属配合物 酰腙及其配合物在催化领域的应用也很广泛, 概括而言,酰腙作催化剂主要是应用于聚合反应, 不对称催化环丙烷化反应以及烯烃催化氧化方面 和电催化领域。在分析化学中,许多酰腙化合物用 来检测、鉴别金属离子,并可借助色谱分析、荧光 分析、光度分析等手段达到对某些离子的定量分 析。近年来在该领域研究较多的是合成具发光、催 化等特殊性质的功能配合物。杨锐等合成的 2-羰基丙酸水杨酰腙 Dy( 的 多元金属配合物 , 发光性能测试表明,配合物在 614.2 nm,591.9 nm处能发射出很强的荧光 , 这是一 个由配体吸收能量通过分子内共振耦合交换作用 传递给中心 Dy( 来实现的光致发光过程

20、, 在光学 材料领域具有潜在的应用前景 27。3展望酰腙类化合物及其稀土金属配合物因为其强 的配位能力、多样的配位形式和稀土金属的独特性 质以及不断拓展的应用范围现已成为当今的研究 的一个热点领域。未来该领域的研究方向应着重于 以下几个方面:(1通过研究酰腙类化合物和稀土 金属的合成方法和配位方式得出其内在的反应机 理、构效关系与成键规律,为日后的研究提供理论 依据。 (2设计新型具有特殊功能的酰腙,研究新 的合成方法,合成和筛选出更多具有良好生物活性 或其它特殊性质的稀土金属配合物。 (3根据酰腙 稀土金属配合物所具有的特殊光学、电学和磁学性 质研究该类配合物作为功能材料的可行性。参考文献:

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