雙(8-乙氧羰甲氧基-2-亞甲喹啉基)縮連氮的合成及其選擇傳感性能

劉利平 張 強

(1內蒙古農業大學理學院，呼和浩特 010018)

(2內蒙古師范大學化學與環境科學學院，呼和浩特 010022)

由胺和活性羰基縮合而成的希夫堿是一類具有重要應用價值的化合物，其結構中所含的C=N基團具有良好的配位性能和光譜活性，目前已發現有多種希夫堿及其配合物具備特定的功能，如生物藥理活性[1-2]，抗癌、消炎、殺菌抑毒活性[3-6]，催化活性[7-8]，光致或電致發光活性[9-11]等。因此，該類化合物在生物化學、臨床醫學、分析化學、光、電、磁功能材料及酶催化等方面已有了不同程度的應用，并繼續吸引著眾多學者進行廣泛、系統、深入的理論和應用研究[12-15]。

喹啉是一種萘狀含氮化合物，其中8-羥基喹啉由于其配位原子N和O在分子中的恰當位置以及自身良好的共軛結構，已表現出了良好的螯合性能和光譜活性；但由于配位的普適性，8-羥基喹啉對金屬離子的選擇性較差，通常將喹啉環的2位和7位引入輔助配位基團以改善其選擇性[16-20]，對8位羥基進行結構修飾是近年來的一種新的嘗試[21-23]。本文采取對8-羥基喹啉的2位和8位羥基分別進行雙重修飾，將2-甲酰基-8-乙氧羰甲氧基喹啉鍵連到水合肼分子兩端，合成了一種新型含喹啉環的希夫堿雙(8-乙氧羰甲氧基-2-亞甲喹啉基)縮連氮(BEQA)(圖式1)，并采用紫外可見光譜法初步研究了在乙醇-水混合溶劑中該化合物對H+及其他10種金屬離子的光譜敏感性和選擇性傳感機理。

1 實驗部分

1.1 主要試劑與儀器

2-甲酰基-8-乙氧羰甲氧基喹啉由本實驗室合成；水合肼(80%)、無水乙醇、苯、鹽酸、鄰苯二甲酸氫 鉀 等 均 為 市 售 分 析 純 試 劑 ；CaCl2、MgCl2、SrCl2、MnCl2、CoCl2、NiCl2、CuCl2、ZnCl2、CdCl2及 HgCl2均為國藥集團化學試劑有限公司產品，部分金屬鹽在使用前經EDTA標定。

元素分析數據用德國產Vario MICRO元素分析儀測定；核磁共振氫譜在瑞士Bruker公司產AdvanceⅢ500核磁共振儀上獲得；質譜測定在美國Thermo LCQ Advantage-MAX LC-MS質譜儀上完成；熔點用微電腦控溫的XT5型顯微熔點測定儀測定 (溫度計未經校正)；紫外可見光譜用U-2900型UV-Vis分光光度計(日本Hitachi公司)測定；pHS-3C數字酸度計(配E-201-C型復合電極)測定體系pH值。

1.2 雙(8-乙氧羰甲氧基-2-亞甲喹啉基)縮連氮(BEQA)的合成

在 50 mL 單口燒瓶中加入 0.388 7 g(1.5 mmol)2-甲酰基-8-乙氧羰甲氧基喹啉和8 mL無水乙醇，室溫下攪拌 35 min 后加入 46 μL(0.75 mmol)水合肼(80%)，繼續攪拌約0.5 h即出現黃色固體，在磁力攪拌下加熱回流4 h，停止反應，冷卻。將反應混合物抽濾得到黃色固體，用苯重結晶，得到黃色晶體，干燥后稱量， 得 297.6 mg， 產率為 77%，m.p.158.1～159.2 ℃。

1H NMR(500 MHz,TMS,CDCl3)δ值：1.30(t，J=7.0 Hz，6H，2CH3)，4.30(q，J=7.0 Hz，4H，2COOCH2-)，5.03(s，4H，2OCH2COO)，7.06(dd，J1=2.0 Hz，J2=7.0 Hz,2H,2QL-6-H)，7.48～7.52(m，4H，2QL-5-H，2QL-7-H)，8.22(d，J=9.0 Hz，2H，2QL-4-H)，8.37(d，J=9.0 Hz，2H,2QL-3-H)，8.90(s，2H，2N=CH-QL)。

ESI-MS，m/z：515.07[M+H]+，537.07[M+Na]+。

分析計算化合物C28H26N4O6(514.54)的元素含量為：C 65.37%，H 5.06%，N 10.89%；元素分析測定結果為：C 65.47%，H 5.07%，N 10.88%。

1.3 光譜測定

通過條件實驗確定全部光譜測定均使用體積比4∶1的乙醇-水混合物為溶劑；BEQA對金屬離子的選擇性測定采用鹽酸-鄰苯二甲酸氫鉀緩沖體系(0.02 mol·L-1，pH=3.1)以恒定其 pH 值；測定 pH 值對BEQA光譜影響時，采用混合溶劑的KCl溶液(I=0.02)來恒定體系的離子強度，用混合溶劑的鹽酸和氫氧化鉀稀溶液調節體系的pH值；配制濃度由高到低遞變的系列BEQA溶液，試驗其在紫外可見光譜上能夠被檢測的最低極限濃度，由此確定BEQA的適宜光譜測試濃度為6 μmol·L-1；為了保證實驗的一致性，配制系列溶液均在相同的環境及時間內平衡后進行紫外可見光譜測定。

2 結果與討論

2.1 BEQA對H+的傳感

由圖1可以看出，隨著體系pH值的逐漸增大，化合物BEQA的紫外可見光譜發生了顯著的變化。當pH值由2.90逐漸增大到約7.50時，光譜變化非常規律：開始在380 nm處的吸收峰逐漸降低，最終消失；而在338 nm處逐漸產生了新的吸收峰，且強度隨pH值增大而增大，這可以被認為是380 nm處的吸收峰發生了藍移；位于305 nm和260 nm兩處的吸收峰基本不受酸度的影響，但隨著pH值增大引起280 nm及288 nm的鄰近雙峰迅速產生并升高，淹沒了305 nm和260 nm兩處的吸收峰；240 nm處的吸收峰隨pH值增大在逐漸減小，但沒有發生位移。

從圖2可見，當體系pH值從7.50繼續增大時，BEQA的吸收光譜仍然受酸度顯著影響，雖然吸收峰位沒有發生變化，但三處峰位 (位于240 nm、280 nm和288 nm的雙峰及338 nm)的吸收強度與pH值在2.90到7.50的變化趨勢相比逐漸發生了逆轉，尤其在pH值從8.1增加到9.0之間，光譜吸收強度發生了急劇的變化，使338 nm處的吸收峰迅速降低并趨于消失，280 nm和288 nm處的雙峰也有顯著降低過程，240 nm處的吸收峰反而急劇地增大。

通過體系酸度對化合物BEQA吸收光譜的影響實驗表明，BEQA對H+離子具有特殊的敏感性，當體系的pH值小于7.5時，酸度對BEQA吸收光譜的影響是規律的，說明分子結構中的氮原子鍵合氫離子而被質子化，改變了分子內電荷的分布，從而引起光譜的變化。在圖1中約355 nm、305 nm和260 nm處出現了近似的等吸收點，說明隨著pH值的降低過程，BEQA被單質子化以致多質子化，在體系中存在著多種質子化產物的平衡。從結構上看，BEQA分子中喹啉環上含有電子親和性的氮原子而使其具有拉電子性質，2個喹啉環間有2個C=N自由雙鍵與之共軛，因此BEQA形成了分子內共軛的電荷轉移(ICT)化合物，但2個喹啉環間的N-N鍵和C-C鍵均有可能會發生旋轉，致使喹啉環與C=N以及整個分子不完全在同一平面上，這在一定程度上影響分子的共軛程度。對于BEQA的這種結構特征，當體系中酸度增大時，分子中喹啉環上的氮原子將結合質子而帶正電荷，表現出更強的電子親和性，從而產生強拉電子效應而形成分子內電荷轉移(ICT)，導致體系338 nm處的吸收峰紅移到380 nm。隨著pH值增大，質子化程度逐漸降低，ICT效應隨之減弱[24-26]，380 nm處的吸收峰強度逐漸下降以致消失。當體系pH值從7.50繼續增大時，BEQA的多處質子相繼被中和，因而導致338 nm和280 nm處的雙峰強度降低。

文獻實驗結果也表明[27-28]，質子對該類化合物吸收光譜的影響具有一定的規律：當縮連氮分子兩端的芳香環上含有氮原子時 (比如是吡啶環或喹啉環)，氫離子濃度增大將導致吸收峰紅移；當芳香環上連有酚羥基時，氫離子濃度的極度減小可以導致吸收峰的紅移。這說明增大氫離子濃度可以增強含氮芳環中氮原子的拉電子效應，促使ICT的形成；而極度減小氫離子濃度可以使后者的酚羥基氫電離，使其共軛體系增大。

2.2 BEQA對金屬離子的選擇性傳感

為了研究乙醇-水體系中BEQA對金屬離子的選擇性識別性能，考慮到大多數二價金屬離子的水解特性，并參考不同pH值對BEQA紫外可見光譜影響的測定結果(見圖2)，確定實驗中采用酸性的鹽酸-鄰苯二甲酸氫鉀緩沖體系 (pH=3.1)來恒定pH值。圖3給出了BEQA及其與80倍濃度的金屬離子共存下的紫外可見光譜圖。

從圖3可以看出，在pH值為3.1的乙醇-水緩沖溶液中，雙(8-乙氧羰甲氧基-2-亞甲喹啉基)縮連氮 (BEQA)的紫外可見光譜對堿土金屬離子Ca2+、Mg2+、Sr2+以及過渡金屬離子 Mn2+、Co2+、Ni2+、Zn2+和Hg2+均無明顯的敏感響應，而只對Cu2+和Cd2+有特殊的識別能力。在80倍于BEQA的Cu2+和Cd2+存在下，BEQA的紫外可見光譜在380 nm處的吸收峰已基本消失或顯著降低，并且伴隨有顯著的藍移。由于BEQA在380 nm處的吸收峰是分子中氮原子結合H+后產生的，所以此峰的降低或消失說明Cu2+和Cd2+能夠有效地與BEQA分子中的氮原子鍵合，改變了BEQA分子內電荷轉移(ICT)的性質，使化合物的ICT吸收峰發生移動。可能的機理是BEQA分子中兩喹啉基團之間的縮連氮原子與金屬Cu2+或Cd2+進行了配位，導致了喹啉環的拉電子效應減弱，從而減小了分子內電荷轉移的程度，使380 nm處的吸收峰強度降低且發生藍移。

2.3 Cuギ、Cdギ對BEQA光譜的影響

在固定BEQA濃度及體系pH值的情況下，逐漸增大Cu2+或Cd2+離子的濃度，分別進行紫外可見光譜的系列測定，圖4、圖5給出兩種離子分別對BEQA吸收光譜影響的系列光譜。

由圖4、圖5可見，在Cu2+離子或Cd2+離子濃度逐漸增大的過程中，BEQA分子在380 nm處的吸收峰均有規律地以不同程度的降低，當Cu2+離子、Cd2+離子的濃度分別增大到BEQA濃度約8倍和21倍以上時，均伴隨出現藍移現象，這說明BEQA分子中的鍵合質子有相當份額已被Cu2+或Cd2+離子所取代，使BEQA的質子化結構逐漸解體；由于較小濃度的Cu2+離子即可引起BEQA分子吸收光譜的藍移，所以，相比之下Cu2+取代質子的能力較強，Cu2+-BEQA配合物的穩定性也相對更高。

為了考察BEQA分子與Cu2+、Cd2+離子形成配合物的組成情況，本文采用等摩爾連續遞變法(Job′s方法)測定了Cu2+、Cd2+與BEQA鍵合的化學計量比，圖6繪制了BEQA/Cu2+體系的Job′s曲線。可以看出，相同實驗條件下單一BEQA體系與配合物體系的光吸收差ΔA極大值位于金屬離子組分占0.2的摩爾比處，因此Cu2+-BEQA配合物的化學計量比為1:4；同樣方法測定的Cd2+-BEQA配合物也具有1∶4的計量比。

3 結 論

紫外可見光譜法測定合成主體BEQA對客體H+及10種金屬離子選擇傳感性能的結果表明，H+離子能顯著地影響BEQA主體化合物的光譜特征，隨著體系中H+離子濃度的增大，BEQA分子在338 nm處的特征吸收峰強度逐漸降低，并紅移到380 nm處。此現象表明，BEQA分子中的氮原子隨著酸度的增加質子化程度增大，使分子中喹啉環上的氮原子具有更強的拉電子效應，明顯地增強了BEQA的分子內電荷轉移。此外，BEQA僅對10種金屬中的Cu2+和Cd2+有特殊的傳感作用，這2種金屬離子可以不同程度地降低并藍移BEQA在380 nm處的吸收峰，說明Cu2+和Cd2+離子能夠競爭性地取代BEQA分子中鍵合的H+；BEQA與Cu2+離子的鍵合穩定性大于 Cd2+離子，Job′s法測定其形成 M2+-BEQA配合物的化學計量比為1∶4。

[1]Kumar S,Dhar D N,Saxena P N.Sci.Indust.Res.,2009,68:181-187

[2]Lü J,Liu T T,Cai S L,et al.J.Inorg.Biochem.,2006,100(11):1888-1896

[3]Hodnett M E,Mooney P D.J.Med.Chem.,1970,13(4):786-786

[4]Ren S J,Wang R B,Komatsu K,et al.J.Med.Chem.,2002,45(2):410-419

[5]Chohan Z H,Arif M,Sarfraz M.Appl.Organomet.Chem.,2007,21(4):294-302

[6]Sinha D,Tiwari A K,Singh S,et al.Eur.J.Med.Chem.,2008,43(1):160-165

[7]Wang Q,Zhang B Z,Hu G W,et al.Org.Biomol.Chem.,2007,5:1161-1163

[8]Pier G C.Chem.Soc.Rev.,2004,33:410-421

[9]ZHAO Jian-Zhang(趙建章),ZHAO Bing(趙冰),XU Wei-Qing(徐蔚青),et al.Chem.J.Chinese Universities(Gaodeng Xuexiao Huaxue Xuebao),2003,24(2):141-145

[10]CHEN Xiao-Xia(陳曉霞),SHAO Hui-Bo(邵會波).J.Instrum.Anal.(Fenxi Ceshi Xuebao),2006,25(z1):68-70

[11]Sun Z Y,Yuan R,Chai Y Q,et al.Anal.Bioanal.Chem.,2004,378:490-494

[12]Gholivand M B,Rahimi-Nasrabadi M,Ganjali M R,et al.Talanta,2007,73(3):553-560

[13]Fakhari A R,Khorrami A R,Naeimi H.Talanta,2005,66(4):813-817

[14]Lü X Q,Bi W Y,Chai W L,et al.New J.Chem.,2008,32:127-131

[15]CAI Tie-Jun(蔡鐵軍),PENG Zhen-Shan(彭振山),DENG Qian(鄧謙),et al.Chinese J.Inorg.Chem.(Wuji Huaxue Xuebao),2004,20(6):731-733

[16]Prodi L,Bargossi C,Kontalti M,et al.J.Am.Chem.Soc.,2000,122(28):6769-6770

[17]Bronson R T,Bradshaw J S,Savage P B,et al.J.Org.Chem.,2001,66(14):4752-4758

[18]Royzen M,Durandin A,Young V G,et al.J.Am.Chem.Soc.,2006,128(12):3854-3855

[19]Song K C,Kim J S,Park S M,et al.Org.Lett.,2006,8(16):3413-3416

[20]Xue L,Liu Q,Jiang H.Org.Lett.,2009,11(15):3454-3457

[21]Zhang H,Han L F,Zachariasse K A,et al.Org.Lett.,2005,7(19):4217-4220

[22]YANG Dong-Rui(楊東瑞),ZHANG Zhi-Jun(張志君),ZHANG Heng-Yi(張衡益),etal.Chem.J.ChineseUniversities(Gaodeng Xuexiao Huaxue Xuebao),2011,32(9):2169-2174

[23]ZHANG Qiang(張 強),XU Juan(許 娟 ).Acta Chim.Sin.(Huaxue Xuebao),2011,69(19):2287-2292

[24]Yasutake M,Koga T,Sakamoto Y,et al.J.Am.Chem.Soc.,2002,124:10136-10145

[25]Zhu Q Y,Liu Y,Lu W,et al.Inorg.Chem.,2007,46(24):10065-10070

[26]Seo J,Kim S,Park S Y.J.Am.Chem.Soc.,2004,126:11154-11155

[27]De Torre A G,Valcarcel M,Pino F.Talanta,1973,20(9):919-922

[28]Zió?ek M,Gil M,Organero J A,et al.Phys.Chem.Chem.Phys.,2010,12:2107-2115