植根深遠的希夫堿化學*

，

(寶雞文理學院化學化工學院，陜西寶雞 721013)

植根深遠的希夫堿化學*

張來新，陳琦

(寶雞文理學院化學化工學院，陜西寶雞 721013)

簡要介紹了希夫堿的產生、發展、性能、應用及結構特征。詳細綜述了：(1)新型希夫堿化合物的合成及在傳感器科學中的應用；(2)新型希夫堿化合物的合成及在分析分離科學中的應用；(3)新型希夫堿化合物的合成及與甲醇不對稱加成機理研究。并對希夫堿化學的發展進行了展望。

希夫堿，合成，應用

希夫堿主要是指含有亞胺特性基團(-RC=N-)的一類含氮有機化合物。希夫堿通常是由胺和活性羰基通過縮水作用而形成的，這類化合物最初由H.Schiff于1864年首先發現并命名的。由于希夫堿分子中氮原子上有未成鍵孤對電子，故在一定條件下可與大多數金屬元素形成金屬配合物，而這些配體和配合物在立體化學、結構化學、立體異構、磁學、光譜學、配位化學、催化科學、分析化學、攝影、電光顯示、工業、農業、國防及醫藥學等領域均彰顯出廣闊的應用前景。由于希夫堿是一類重要的生物配體，許多希夫堿及其過渡金屬配合物被證明具有抗細胞毒素、抗癌、抑菌、與DNA相互作用等生物活性，故近年來引起了世界科技工作者的廣泛關注。人們通過對其配合物的深入研究，有助于了解生物體中氨基酸與金屬離子間的相互作用，對于揭示金屬離子在生物體內的生理活性和生化功能、化學行為及作用機理，對于合理設計、目標合成和篩選高效、低毒、高選擇性的抗病菌、抗病毒、抗癌藥物具有重要的理論價值。而希夫堿金屬配合物抗腫瘤活性是其作為蛋白質抑制體進而導致腫瘤細胞凋亡。即在醫藥學方面，一些希夫堿具有抑菌、殺菌、抗腫瘤、抗病毒活性，故希夫堿及其配合物可作為抑菌、殺菌、抗腫瘤、抗病毒類藥物。在催化科學方面，希夫堿可作為聚合反應、不對稱催化環丙烷化反應及烯烴催化氧化和電催化等有機反應的催化劑。在分析化學中，許多希夫堿用來檢測、鑒別金屬離子，并可借助色譜分析、熒光分析、光度分析等手段達到對某些金屬離子的定量分析。在防腐蝕方面，希夫堿可阻止許多金屬及合金用于工業、軍事、民用等各個領域內，在大氣中和海水中的腐蝕及銹蝕。在光致變色方面，許多共軛聚合物主鏈可擴展到生色團，表現出類似燃料的光物理性質，如光致變色、光電導等。不僅如此，希夫堿在21世紀的新興熱門邊緣學科如生命科學、材料科學、能源科學、環境科學、信息科學、仿生學、納米科學等領域也凸顯出重要的應用價值，它們之間相互促進，相得益彰。目前，其已形成為一門新興的熱門邊緣學科——希夫堿化學。

1 新型希夫堿化合物的合成及在傳感器科學中的應用

1.1 新型席夫堿化合物的合成及作為比色傳感器在銅離子識別方面的應用

銅離子是人體所必需的一種微量元素，其大多以有機復合物的形式存在于生物組織中，比如含有銅蛋白的酶有重要的生理作用。其生物系統中涉及氧的電子傳遞和氧化還原反應都是由含銅酶催化的，而這些含有銅蛋白的酶在生命過程中起著重要作用，因此研究和開發新型銅離子傳感器有著重要的應用價值[1]。為此，青島科技大學金志輝等人通過8-氨基喹啉衍生物與4-二乙氨基水楊醛反應合成了一種新型席夫堿比色傳感器[2]。該席夫堿的碳氮雙鍵以及水楊醛的羥基都能和銅離子配位，形成穩定的配合物，從而實現了對銅離子的選擇性識別[3]。該研究將在傳感器科學、分析分離科學、主客體化學及超分子化學的研究中得到應用。

1.2 含亞甲基連接雙呋喃間隔基 schiff 堿大環化合物的合成及應用

由非共價相互作用驅動的超分子組裝的構筑，具有動態屬性及自修復能力，其組裝體結構及性質對外界環境刺激具有理想的響應性能，故在生物探針、化學傳感器及電磁材料研究等方面具有重要價值[4-5]。為此，貴州省大環化學及超分子化學重點實驗室的鄧雅欣等人設計合成了含2，6-酰亞胺吡啶骨架的有機大環及含共軛π體系或含氫供(授)體原子的具有2D結構的新型大環希夫堿化合物，并通過分子間非共價相互作用進行超分子組裝，研究了其超分子組裝行為。即他們在適當稀的溶液中，將前體二胺[N，N′-(3-胺基苯基)-2，6-二甲酰亞胺吡啶]和含sp3-C連接基的前體二醛縮合分別得到[1+1] Schiff 堿大環，其晶體結構解析表明，該2D結構的大環希夫堿化合物呈具有剛性的拉撐平面骨架結構，有水分子位于其結構的孔道中[6]。該研究將在生物探針、化學傳感器、電磁材料、主客體化學及超分子化學的研究中得到應用。

1.3 基于 4-(二乙氨基)水楊醛 1，5-二氨基萘雙希夫堿金屬配合物的合成及在傳感器科學中的應用

近年來，希夫堿在傳感器科學中的應用已成為希夫堿化學研究的一個熱點[7]。為此，西北師范大學的蘇軍霞等人設計合成了一個新穎的熒光傳感器，即由4-(二乙氨基)水楊醛和1，5-二氨基萘通過反應得到一個雙希夫堿分子，在含水體系中，它對銅離子具備熒光“開-關”響應的功能，在沒有銅離子加入時，溶液具有強烈的綠色熒光；當加入銅離子后，溶液熒光猝滅，并產生明顯的顏色變化，該熒光檢測限量可達1.609×10-8M。此外，他們還將該傳感器與銅離子的配合物應用于對陰離子的檢測識別，并發現該金屬配合物可以高選擇性和高靈敏度的對H2PO4-的單一選擇識別，其熒光最低檢測限可達0.994×10-7M[8]。該研究將在分析分離科學、生物探針、化學傳感器、電磁材料、主客體化學及超分子化學的研究中得到應用。

2 新型希夫堿化合物的合成及在分析分離科學中的應用

2.1 含亞甲基連接雙吡咯間隔基[1+1]Schiff堿的合成及在分析分離科學中的應用

近年來，有關含2，6-酰亞胺吡啶單元結構的大環對陰離子的選擇性識別作用一直是希夫堿化學研究的熱點。基于含2，6-酰亞胺吡啶單元結構中亞胺基容易同陰離子之間發生氫鍵作用，貴州省大環化學及超分子化學重點實驗室的湯正河等人的研究表明，類似大環在對陰離子的選擇性識別作用過程中，大環結構的剛柔性，環緣上所含氫鍵供授體原子數量及取向等因素具有重要影響。為此，他們設計合成了同時含2，6-酰亞胺吡啶單元和亞甲基連接雙吡咯間隔基的希夫堿有機大環化合物，其結構中同時含有2個可同陰離子進行氫鍵作用的亞單元，很適合進行雙中心同時識別作用的考察。即他們在適當稀釋的溶液中，將前體二胺 [N，N′-(3-胺基苯基)-2，6-二甲酰亞胺吡啶]和含亞甲基連接雙吡咯間隔基的前體二醛縮合得到[1+1] Schiff 堿大環化合物。其結構解析表明，2D 大環呈具有剛性的拉撐平面骨架結構。通過大環骨架中雙吡咯間隔基與水分子間氫鍵作用形成準1D結構，水分子位于1D 孔道中[9]。該研究將在分析分離科學、主客體化學及超分子化學的研究中得到應用。

2.2 含酚羥基功能基[1+1]Schiff堿大環化合物的合成及在分析分離科學中的應用

基于含2，6-酰亞胺吡啶單元結構中亞胺基容易同陰離子之間發生氫鍵作用，若將含亞甲基中所連接的雙酚結構單元引入大環中，一方面可得具有剛性結構的大環，同時酚羥基容易同陰離子或小分子發生氫鍵作用，從而便于進行氫鍵誘導的超分子組裝或分子識別作用的考察。為此，貴州省大環化學及超分子化學重點實驗室的鄧雅欣等人將前體為二胺[N，N′-(3-胺基苯基)-2，6-二甲酰亞胺吡啶]和含亞甲基連接雙水楊醛的前體二醛縮合分別得到[1+1] Schiff 堿大環化合物，其晶體結構解析表明，2D大環呈具有剛性的拉撐平面骨架結構。通過大環中羥基功能基與水分子之間形成的分子間氫鍵作用，將2D結構的希夫堿大環組裝得到線型超分子組裝結構[10]。該研究將在分析分離科學、主客體化學及超分子化學的研究中得到應用。

2.3 含脲基Schiff堿大環化合物的合成及對陰離子的識別作用

希夫堿大環化合物在陰離子的識別與分離方面的研究是近年來科技工作者研究的熱點。為此，貴州省大環化學及超分子化學重點實驗室的張文龍等人采用前體二胺1，3-二(3-胺基苯基)脲和二醛1，3-二(2-甲酰基苯氧基)-2-丙醇進行縮合作用得到[1+1]Schiff 堿大環化合物。他們采用 UV-vis 光譜滴定技術對大環與系列陰離子(F-、Cl-、Br-、I-、NO3-、HSO4-、H2PO4-、ClO4-、AcO-)的鍵合作用進行初步考察，結果表明Schiff 堿大環僅對AcO-離子有明顯的選擇性識別作用，并用紫外-可見吸收光譜、核磁和等溫量熱滴定等技術分別對大環與AcO-陰離子的識別反應進行了全面考察[11]。該研究將在分析分離科學、主客體化學及超分子化學的研究中得到應用。

2.4 新型希夫堿化合物的合成及在主客體識別方面的應用

利用席夫堿可逆形成來進行的主體分子自組裝是目前超分子領域的一個研究熱點[12-13]。為此，浙江大學的焦天宇等人們利用剛性的三角形三醛和柔性的三胺分子反應，獲得了一系列正四面體分子和三棱柱分子。他們通過核磁、質譜、單晶衍射等表征手段，證明了這些分子的形成。在研究中他們還發現，三角形三醛的構象及反應物的摩爾比等因素，能影響甚至決定產物的種類以及產率。他們同時發現四面體分子由于席夫堿基團的協同作用[12]，獲得了相當大的動力學穩定性[13]。他們認為這類多面體分子最終能用于主體-客體識別等領域[14]。該研究將在分析分離科學、主客體化學及超分子化學的研究中得到應用。

3 新型希夫堿化合物的合成及與甲醇不對稱加成機理研究

通過前體二胺和二醛縮合制備得到的Schiff 堿大環結構中，常包含2個或 2個以上的 C=N雙鍵，其結構中C=N 鍵通常具有類似的結構環境，它們在立體化學中可能會發生不對稱加成反應。為此，貴州省大環化學及超分子化學重點實驗室的吳娟等人的研究表明：類似大環在進一步發生還原、氧化或加成作用的過程中，通常表現為同樣的作用性質。于是他們將二胺和二醛縮合制得淡黃色的Schiff 堿大環固體化合物，其晶體結構解析表明該大環具有很好的平面骨架結構。將該希夫堿大環化合物與甲醇進行加成作用，則不能得到2 個C=N 鍵同時加成的產物，而是僅得到其中1個 C=N鍵與甲醇分子發生不對稱加成產物，他們利用波譜分析還解析了其晶體結構，并進一步闡釋了該大環與甲醇的不對稱加成機理[15]。該研究將在有機合成、立體化學、不對稱合成及有機反應機理的研究中得到應用。

4 結語

綜上所述，希夫堿化學作為一門植根深遠的新興熱門邊緣學科，在上述眾多學科中的應用無處不有，其實例難以盡舉。由于希夫堿具有顯著的殺菌、抗癌、抗病毒等作用，故在藥物、生物生理活性、模擬生物體系等領域進行開發研究，將具有很大的發展前景。盡管科技工作者對希夫堿化學的研究已取得了可喜的成果，但它依舊是方興未艾、充滿活力的領域。我們堅信，隨著世界科技工作者對希夫堿化學研究的不斷深入，希夫堿化學這朵艷麗之花必將在促進人類健康長壽、促進人類生產生活、可持續發展及社會文明進步中結出更豐碩的成果。

[1] Kowser Z，Jin C C，Jiang X，et al. Fluorescent turn-on sensors based on pyrene-containing Schiff base derivatives for Cu2+recognition：spectroscopic and DFT computational studies[J]. Tetrahedron，2016，72(20)：4575-4581.

[2] Kumawat L K，Mergu N，Asif M，et al. Novel synthesized antipyrine derivative based “Naked eye” colorimetric chemosensors for Al3+and Cr3+[J]. Sensors and Actuators B，2016，231：847-859.

[3] 金志輝，尚會師，張思婕，等.新型席夫堿比色傳感器識別銅離子[C]∥中國化學會.全國第十八屆大環化學暨第十屆超分子化學學術討論會論文集.長沙：湖南師范大學，2016：301-302.

[4] Feng H T，Zheng Y S. Highly Sensitive and Selective Detection of Nitrophenolic Explosives by Using Nanospheres of a Tetraphenylethylene Macrocycle Displaying Aggregation-Induced Emission [J]. Chem. Eur. J.，2014，20(1)：195-201.

[5] Malakoutikhah M，Peyralans J J P，Colomb-Delsuc M. Uncovering the Selection Criteria for the Emergence of Multi-Building-Block Replicators from Dynamic Combinatorial Libraries[J]. J. Am. Chem. Soc.，2013，135(49)：18406-18417.

[6] 鄧雅欣，黃超，朱必學. 含亞甲基連接雙呋喃間隔基Schiff堿大環化合物合成與組裝[C]∥中國化學會.全國第十八屆大環化學暨第十屆超分子化學學術討論會論文集.長沙：湖南師范大學，2016：278-279.

[7] Wu G，Hu B，Shi B，et al. Sensitive and selective chemosensor for instantdetecting fluorine ion via different channels[J]. Supramolecular Chemistry，2015，27：201-211.

[8] 蘇軍霞，王海明，張有明. 基于 4-(二乙氨基)水楊醛 1，5-二氨基萘雙希夫堿金屬配合物的高選擇可逆離子傳感器[C]∥中國化學會.全國第十八屆大環化學暨第十屆超分子化學學術討論會論文集.長沙：湖南師范大學，2016：316-317.

[9] 湯正河，黃超，朱必學.含亞甲基連接雙吡咯間隔基[1+1]Schiff堿大環合成與組裝[C]∥中國化學會.全國第十八屆大環化學暨第十屆超分子化學學術討論會論文集.長沙：湖南師范大學，2016：280-281.

[10] 鄧雅欣，王芳芳，朱必學. 含酚羥基功能基[1+1]Schiff堿大環合成與組裝[C]∥中國化學會.全國第十八屆大環化學暨第十屆超分子化學學術討論會論文集.長沙：湖南師范大學，2016：282-283.

[11] 張文龍，黃超，朱必學. 含脲基 Schiff堿大環合成、結構及其對陰離子的識別研究[C]∥中國化學會.全國第十八屆大環化學暨第十屆超分子化學學術討論會論文集.長沙：湖南師范大學，2016：286-287.

[12] Dale E J，Ferris D P，Vermeulen N A，et al. Cooperative Reactivity in an Extended-Viologen-Based Cyclophane[J]. J. Am. Chem. Soc.，2016，138(11)：3667-3670.

[13] Lee S，Yang A，MoneypennyII T P，et al. Kinetically Trapped Tetrahedral Cages via Alkyne Metathesis[J]. J. Am. Chem. Soc.，2016，138(7)：2182-2185.

[14] 焦天宇，陳亮，吳廣成，等. 基于席夫堿的超分子自組裝基于席夫堿的超分子自組裝[C]∥中國化學會.全國第十八屆大環化學暨第十屆超分子化學學術討論會論文集.長沙：湖南師范大學，2016：37-38.

[15] 吳娟，朱純，朱必學. 含鄰菲啰啉基團的[1+1] Schiff 堿大環與甲醇的不對稱加成[C]∥中國化學會.全國第十八屆大環化學暨第十屆超分子化學學術討論會論文集.長沙：湖南師范大學，2016：284-285.

TheFar-ReachingSchiffBaseChemistry

ZHANG Lai-xin，CHEN Qi

(Chemistry & Chemical Engineering Department，Baoji University of Arts and Sciences，Baoji 721013，Shaanxi，China)

The generation，development，properties，applications，and structure features of Schiff base were briefly introduced in this paper. Emphases were put on from three parts：① syntheses of new Schiff base compounds and their applications in sensor technology；② syntheses of new Schiff base compounds and their applications in analysis and separation science；③ study on asymmetric addition of Schiff base compounds to methanol. Future developments of Schiff base chemistry were prospected in the end.

Schiff base，synthesis，application

陜西省重點實驗室科研計劃項目(2010JS067)；陜西省教育廳自然科學基金資助課題(04JK147)；寶雞文理學院自然科學基金資助課題(zk12014)

TQ 621；O 623.54