Fe(C5H4-CH2-Trp-OM e)2的合成、晶體結構及金屬離子識別性能

劉偉 李霞＊, 李銀峰 趙金安 吳本來 宋毛平

(1河南城建學院材料與化工學院，平頂山467044)(2鄭州大學化學與分子工程學院，鄭州450001)

Fe(C5H4-CH2-Trp-OM e)2的合成、晶體結構及金屬離子識別性能

劉偉1李霞＊,1李銀峰1趙金安1吳本來2宋毛平2

(1河南城建學院材料與化工學院，平頂山467044)
(2鄭州大學化學與分子工程學院，鄭州450001)

以優化的兩步一鍋反應法合成了生物金屬有機化合物Fe(C5H4-CH2-Trp-OMe)2(FcL)，通過NMR、HRMS及IR等對其結構進行了表征，利用X射線單晶衍射測定了分子結構。循環伏安法研究表明FcL在0.00～0.90 V電位范圍內，給出一穩定的、形態良好的氧化還原峰，這歸于化合物中Fc/Fc+電對的氧化還原過程。電化學金屬離子識別研究顯示FcL在過渡金屬離子Zn2+和Cu2+的存在下，導致了配體Fc/Fc+式量電位的顯著陽極移動，其ΔE0′對Zn2+和Cu2+分別為342和335mV，表明了FcL對Zn2+和Cu2+具有良好的識別能力。

二茂鐵；生物金屬有機；電化學；金屬離子識別

在過去的幾十年里，鑒于生物金屬有機化合物在獲取非天然藥物、新型生物傳感器、肽仿生模型等方面具有的潛在重要價值，使得生物金屬有機化學這門將經典金屬有機化學同生物學、藥物學和分子生物科技等相連接的學科，已成為一個迅速崛起并日趨成熟的領域[1-7]。二茂鐵作為經典金屬有機化合物，因二茂鐵基團在水、空氣介質中具有良好的穩定性和易修飾性以及優良的電化學性質，使其在生物金屬有機化合物的構筑中得到廣泛應用[8-10]。然而，以前對二茂鐵生物金屬有機化合物的研究工作多集中在化合物的合成、譜學表征及藥學性能方面[11-17]，僅有少量文獻報道了N-二茂鐵基、N-二茂鐵酰基氨基酸及縮氨酸衍生物用于陰離子或金屬離子傳感性能方面的研究[18-25]。

本課題組曾報道了系列以異酞酰基為間隔基的N-5-二茂鐵異酞酰氨基酸甲酯金屬有機化合物，研究表明其具有較好的陰離子識別性能，尤其對生命體系重要的H2PO4-具有良好的識別能力[26]。在此基礎上，為進一步拓寬我們小組對二茂鐵生物金屬有機化合物研究，本文設計合成了基于L-色氨酸甲酯基的二茂鐵甲胺類化合物Fe(C5H4-CH2-Trp-OMe)2(FcL)，并研究其對生命體系中重要的金屬離子Mn2+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+和Cd2+等的電化學識別性能，以期能對金屬離子與重要氨基酸片段在生命過程中作用方式的理解有所幫助。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

1，1′-雙甲酰基二茂鐵，L-色氨酸甲酯鹽酸鹽參考文獻[27]合成；NaBH4(國藥集團化學試劑)；其他試劑均為分析純或化學純；無水甲醇用鎂處理至絕對無水；乙腈用氫化鈣處理無水并通氮氣除氧。用于離子識別研究的陽離子均來源于分析純高氯酸鹽(百靈威科技有限公司)。

熔點在X4數字顯微熔點儀(溫度計未校正)測定；其他儀器包括：Bruker Smart-APEXⅡCCD型X射線單晶衍射儀，德國Bruker公司；Bruker VECTOR22型紅外光譜儀(KBr壓片，400～4 000 cm-1測定)，德國Bruker公司；Bruker DPX-400型超導核磁共振譜儀(德國Bruker公司)，TMS為內標；CHI-650A型綜合電化學工作站(上海晨華儀器有限公司)，三電極體系，工作電極為Φ3mm的玻碳電極，輔助電極為鉑絲，參比電極為232型甘汞電極；Perkin Elmer 341型旋光儀，美國Perkin Elmer公司。

1.2 化合物的合成

Fe(C5H4-CH2-Trp-OMe)2(FcL)合成路線如Scheme 1所示。

在盛有1.68 g(3.3mmol)L-色氨酸甲酯鹽酸鹽的50 mL圓底燒瓶中，加入20 mL無水甲醇，冰浴下滴加1.5 mL三乙胺，攪拌30min，室溫攪拌下加入0.73 g(3.0mmol)1，1′-雙甲酰基二茂鐵，IR跟蹤監測，至1 684 cm-1處1，1′-雙甲酰基二茂鐵的醛羰基(C＝O)吸收峰消失。冷至0℃以下，劇烈攪拌下分批加入1.0 g NaBH4，反應過夜，減壓下蒸出甲醇，殘留物中加入飽和食鹽水，以CH2Cl24×50mL萃取，有機相以無水Na2SO4干燥過夜，減壓下蒸出溶劑，得淺黃色固體，用CHCl3和CH3OH重結晶得淺黃色塊狀晶體1.67 g(產率86%)。FcL：m.p.155℃；[α]D20-10°(0.076 mol·L-1，CH3OH)；HRMSCalcd.for C36H39FeN4O4[M+H]+：647.232 1，Found：647.232 5；IR (KBr,cm-1)：1 741,1 437,1 349,1 211,1 190,1 124,741；1H NMR(DMSO-d6)：δ1.90(2H，d，J=2.3 Hz，HN*C)，3.03(4H,s，ArCH2)，3.20～3.30(4H，m，NCH2)，3.56(6H，s,OCH3),3.58(2H,m,*CH)，3.83(4H，s，Cp-H)，3.95(4H，s，Cp-H)，6.98(2H，t，J=7.2 Hz，Ar-H)，7.05(2H，t，J= 7.4 Hz,Ar-H),7.12(2H，s，Ar-H)，7.32(2H，d，J=8.0 Hz，Ar-H)，7.51(2H，d，J=7.8 Hz，Ar-H)，10.85(2H，s，NH)；13C NMR(DMSO-d6)：δ28.67(ArCH2)，45.92(NCH2)，51.16(OCH3)，61.35(HN*C)，67.25(Cp)，67.41(Cp)，67.50(Cp)，68.03(Cp)，87.01(Cp)，109.50(Ar)，111.28 (Ar)，120.78(Ar)，123.50(Ar)，127.30(Ar)，135.94(Ar)，174.49(C＝O)；ESI-MS：[M+H]+：647.1，[M+Na]+：669.2。

Scheme 1 Synthesis route to the title compound

1.3 晶體培養與結構測定

用CHCl3和CH3OH溶液在室溫下培養化合物FcL的單晶，數周后取尺寸為0.41mm×0.23mm× 0.18mm的淺黃色晶體置于X射線單晶衍射儀上，測定溫度為293(2)K，采用經石墨單色器單色化的Mo Kα射線(λ=0.071 073 nm)。全部數據經Lp校正和吸收校正，晶體結構解析和精修采用SHELX-97程序包[28]完成。氫原子和非氫原子分別采用各向同性和各向異性溫度因子進行全矩陣最小二乘法修正。晶體學數據見表1，部分鍵長和鍵角列于表2。

CCDC：1534811。

表1 FcL的晶體學數據Table 1 Crystallographic data for FcL

表2 FcL的部分鍵長和鍵角Table 2 Selected bond lengths(nm)and angles(°)for FcL

1.4 電化學測試方法

FcL溶液濃度為1.0mmol·L-1，以四丁基高氯酸銨(TBAP)為支持電解質，濃度0.1mol·L-1，玻碳電極在使用前先經0.05μm A12O3拋光粉研磨拋光至鏡面，再依次用0.1 mol·L-1NaOH、1∶1(V/V)HNO3、無水乙醇、二次蒸餾水超聲清洗。實驗在飽和氮氣的無水乙腈中進行。電化學金屬離子識別：金屬離子以其高氯酸鹽的乙腈溶液(0.1 mol·L-1)由微量進樣器加入，在掃速為100mV·s-1條件下、0.00～0.90 V電位范圍內，利用循環伏安法進行測定。

2 結果與討論

2.1 FcL的合成

2.1.1 FcL的合成

由1，1′-雙甲酰基二茂鐵與易得的L-色氨酸甲酯鹽酸鹽縮合得亞胺中間體，再經過量的NaBH4還原，采用兩步一鍋法較高收率得到了目標化合物FcL，過程減少了分離亞胺中間體造成的物料損失，方法簡單有效。制備亞胺中間體步驟中利用紅外波譜技術進行反應即時跟蹤，有效避免了TLC檢測反應進程方法中亞胺在硅膠基板上的分解造成的影響。目標分子FcL通過NMR、HRMS、IR及X射線單晶衍射等進行了系統結構表征。

2.1.2 配合物FcL的晶體結構

X射線單晶結構分析結果表明，化合物FcL屬于正交晶系，P21212空間群，其晶體結構如圖1所示。從圖中可以看出：化合物不對稱結構單元包含半個FcL分子，2個茂環平面幾乎平行，其二面角為4.2°，由于上下兩茂環中大位阻取代基的作用，使得2個茂環以“錯疊式”存在。C(6)-N(2)鍵長為0.146 4(4)nm，明顯比亞胺化合物中C=N鍵長[29]要長，這證實了化合物FcL為胺而非亞胺。二茂鐵取代雙臂中，兩甲胺基N原子的孤對電子固體狀態下趨向相反。吲哚環平面C(11)-C(12)-N(1)-C(13)-C(14) -C(15)-C(16)-C(17)-C(18)中各原子共面，其平均偏離度為0.001 53 nm。茂環和吲哚環通過C10-C7-N2-C6連接，其扭轉角度為167.1(2)°。該化合物每一個結構單元通過分子間氫鍵(N2…N1 0.307 4(3)nm，N2-H2A…N1ii=115.0°，Symmetry codes：iix+1/2，-y+ 3/2，-z)與4個相鄰的結構單元連接形成了二維平面結構，如圖2所示。相鄰的二維平面之間進一步通過弱分子間作用力形成三維超分子(Fig.S1)。

圖1 化合物FcL的晶體結構Fig.1 Crystal structure of compound FcL

圖2 FcL通過N-H…N氫鍵形成二維網絡結構Fig.2 2D network structure of FcL formed by N-H…N hydrogen bonds

2.2 電化學性質

2.2.1 FcL的循環伏安行為

在飽和氮氣的無水乙腈底液中，以0.1mol·L-1的四丁基高氯酸銨(TBAP)為支持電解質，用玻碳電極對FcL在0.00～0.90 V電位范圍內進行循環伏安測定，結果見圖3和表3。實驗表明，化合物FcL在測試電位范圍內，只有一對氧化還原峰，這可歸屬于化合物中Fc/Fc+電對的氧化還原。對比二茂鐵，FcL式量電位有較明顯的負移，這可歸于供電子基甲胺基的引入，二茂鐵中心電子密度的增加，致使二茂鐵中心更易氧化。保持測試液組成不變，改變電位掃描速度，進一步考察掃描速度對峰電流和峰電位的影響。由圖3可見，隨電位掃描速度的增加，FcL的氧化峰與還原峰的電位差ΔEp沒有發生明顯變化；同時，氧化峰電流與還原峰電流的比值ipa/ ipc也基本為常數。根據電位差ΔEp與ipa/ipc值可以判定，Fc/Fc+電對發生的是準可逆過程。將數據作進一步處理，考察ipa與v1/2的關系，可知ipa～v1/2呈線性關系，說明Fc/Fc+電對在電極上的反應過程是受擴散控制的[29]。

圖3 FcL在乙腈溶液中不同掃速下的循環伏安行為及ipa和v1/2之間的線性關系Fig.3 CVs of FcL in CH3CN at different scan rate and the relation between ipaand v1/2

2.2.2 FcL對金屬離子的電化學響應

FcL中具有多N原子的結構特點，并且配位能力較強的甲胺基團距二茂鐵中心較近，可以預見FcL與金屬離子發生配位時，由于所配位的金屬離子將會與帶正電荷的處于氧化態的二茂鐵中心產生空間的斥力作用，使得二茂鐵中心的氧化變得困難，從而引起二茂鐵中心氧化還原式量電位的陽極移動[30]。為此，選擇0.0～0.9 V的電位范圍，在100 mV·s-1的電位掃描速度下，考察了FcL在乙腈溶液中對金屬離子的電化學響應情況。

表3 FcL和二茂鐵的電化學數據Table 3 Electrochem ical parameters of FcL and ferrocene(1.0mmol·L-1)

在FcL中逐漸加入過渡金屬離子Cu2+、Zn2+、Mn2+、Co2+、Ni2+和Cd2+后，循環伏安變化表現為雙峰行為(隨金屬離子的加入及量的增加，原配體二茂鐵氧化還原中心的氧化還原峰逐漸消減，伴隨在更高電位的新峰出現與逐漸增長)。從圖4可以看到：當加入Cu2+、Zn2+、Mn2+離子時，對化合物FcL的氧化還原峰電位產生明顯的影響，加入2倍物質的量的Cu2+和Zn2+可使原配體氧化還原峰完全消失，在高電位處出現的新峰得到完全的發展，這說明化合物FcL與Cu2+、Zn2+離子發生了較強配位作用；而當加入Co2+、Ni2+和Cd2+離子時，雖然對應于Fc/Fc+電對的循環伏安曲線也發生了明顯的改變，但即便加入5倍物質的量的金屬離子，對應雙峰現象依然存在，實驗表明延長測試時間亦可使高電位的新峰得以增長，推測這可能由于配體與該類金屬離子作用相對較弱，或者對應于配位過程動力學的慢組裝過程[31]。

圖4 向FcL乙腈溶液中加入2.0倍物質的量的測試金屬離子時的循環伏安行為Fig.4 CVs of FcL upon addition of 2.0 times the amount of substance of selectedmetal cation in CH3CN

FcL與各測試金屬離子作用時，其二茂鐵中心式量電位E0′的變化情況如表4所示。由于Co2+、Ni2+和Cd2+離子與FcL作用所產生新峰并不能夠得到很好的發展，所以v0′的具體值從CV曲線中并不能夠準確給出。對Mn2+、Cu2+、Zn2+離子式量電位變化值分別為309、335和342 mV，ΔE0′值大小順序為：Mn2+＜Cu2+＜Zn2+，這可以從金屬離子半徑變化順序(Mn2+＜Cu2+＜Zn2+)來解釋，因為較大的金屬離子半徑往往會給出較大的式量電位位移[32]。從表中可以看出加入Mn2+、Cu2+和Zn2+后其式量電位變化值較為接近，這說明FcL與這幾種金屬離子配位后形成的配合模式相似，同時也說明配體與金屬離子的配位穩定常數Kred均較大。

表4 FcL與各測試金屬離子在以0.1mol·L-1的四丁基高氯酸銨為支持電解質下的電化學響應Table 4 Electrochem ical response for FcL vs selected metal cations in acetonitrile in 0.1mol·L-1tetrabutylammonium perchlorate

3 結論

采用先縮合后還原的一鍋反應法，以較高收率得到了生物金屬有機化合物FcL。電化學金屬離子識別性能研究表明，該化合物對金屬離子Mn2+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+具有較好的識別性能，表現為二茂鐵中心式量電位的陽極移動，尤其對生命重要的Cu2+、Zn2+，其ΔE0′值分別達335和342mV，這對于認識生命體中重要的氨基酸與微量金屬離子間的作用機制有著潛在意義；此外，FcL對Cu2+、Zn2+配位過程其Kred/Kox值在～105，表明FcL在構筑新的Cu2+、Zn2+氧化還原型分子開關器件中也有著重要價值。

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Synthesis,Crystal Structure and Electrochem ical M etal Cation Recognition Investigation of Fe(C5H4-CH2-Trp-OM e)2

LIUWei1LIXia＊,1LIYin-Feng1ZHAO Jin-An1WU Ben-Lai2SONGMao-Ping2
(1College of Materials and Chemical Engineering,Henan University of Urban Construction,Pingdingshan,Henan 467044,China)
(2College of Chemistry and Molecular Engineering,Zhengzhou University,Zhengzhou 450001,China)

A simple and efficient two-steps one-pot syntheticmethodology for the preparation of Fe(C5H4-CH2-Trp -OMe)2(FcL)isdescribed,and FcL was fully characterized by NMR spectroscopic techniques,massspectrometry (HRMS)and IR.The crystal structure of FcL was determined by X-ray single crystal structure analysis.The cyclic voltammetric behavior of FcL showed one pair ofwell-defined and stable redox waves in potential range of 0.0～0.9 V at GC electrode,which attributed to the Fc/Fc+redox process.Electrochemical investigations of FcL have demonstrated that addition of Zn2+and Cu2+results in large shifts of respective Fc/Fc+redox couple tomore positive potentials,342 and 335 mV,respectively,and this suggests that FcL has good ability in recognizing of the vital Zn2+and Cu2+.CCDC:1534811.

ferrocene;bioorganometalic chemistry;electrochemistry;metal cation sensing

O614.81+1

A

1001-4861(2017)07-1243-06

10.11862/CJIC.2017.127

2017-03-10。收修改稿日期：2017-04-19。

國家自然科學基金(No.21371046，21271157)、河南省基礎與前沿技術研究計劃項目(No.122300410092)和河南省科技攻關計劃項目(No.122102210415)資助。

＊通信聯系人。E-mail：lixia@hncj.edu.cn