二茂鐵-三唑席夫堿的制備及性能研究*

張 騰，尚 巖，田晟吉，孫常雁，燕 紅，張桂玲

(哈爾濱理工大學(xué) 材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

0 引 言

二茂鐵(Fe(C5H5)2)是典型的過(guò)渡金屬絡(luò)合物，它由兩個(gè)環(huán)戊二烯負(fù)離子以及一個(gè)亞鐵離子構(gòu)成。因?yàn)檫@種獨(dú)特的夾心結(jié)構(gòu)，使其具有很多其他化合物不具備的特殊性質(zhì)。將二茂鐵與不同的基團(tuán)進(jìn)行結(jié)合，可以獲得具有某種特殊性質(zhì)的二茂鐵衍生物，此類衍生物在電傳感器[1]、分子電器元件[2-4]以及生物醫(yī)藥[5-6]等高新技術(shù)領(lǐng)域有著非常廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。

1,2,4-三唑化合物為6π電子共軛體系，環(huán)的1、2、4 位均為N原子，是一類應(yīng)用非常廣泛的五元雜環(huán)化合物。例如，三唑化合物顯示出較強(qiáng)的配位能力和形成氫鍵的能力、金屬離子絡(luò)合疏水效應(yīng)、π-π堆積和靜電相互作用等。在農(nóng)藥生產(chǎn)、材料科學(xué)、醫(yī)藥領(lǐng)域、人工受體、超分子識(shí)別與仿生模擬等方面具有很大的潛在應(yīng)用價(jià)值[7-13]。同時(shí)在化學(xué)、物理、生命科學(xué)等領(lǐng)域也顯示出了潛在的研究?jī)r(jià)值與開(kāi)發(fā)價(jià)值，因此備受科研學(xué)者們的青睞[14-18]。

設(shè)計(jì)合成了含有二茂鐵基團(tuán)的1,2,4-三唑席夫堿化合物，對(duì)合成的席夫堿化合物的導(dǎo)電性能進(jìn)行了研究，考察不同取代基團(tuán)對(duì)導(dǎo)電性能的影響。同時(shí)研究了化合物對(duì)大腸桿菌(E.coli)和金黃色葡萄球菌(S.aureus)的抗菌性能。合成路線如圖1所示。

圖1 標(biāo)題化合物的合成路線Fig 1 Synthetic route of title compounds

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 儀器和試劑

TENSOR27型傅立葉變換的紅外掃描儀，天津市科學(xué)設(shè)備儀器廠；BRUKER Avance -NEO 600型核磁共振波譜儀( 瑞士Bruker 公司)；立式壓力蒸汽滅菌器，上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠；SPX-150B-Z型生化培養(yǎng)箱，上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠；芳香酸乙酯，水合肼(80%)，二茂鐵甲醛，氘代 DMSO均為分析純?cè)噭粚?shí)驗(yàn)菌株為大腸桿菌、金黃色葡萄球菌。芳基酰肼(2a-2d)和芳基甲酰基肼基二硫代甲酸鹽(3a-3d)均按照文獻(xiàn)[19]方法合成。

1.2 3-取代基-4-氨基-5-巰基-1,2,4-三唑化合物(4a-4d)的合成

將0.01 mol芳基甲酰基肼基二硫代甲酸鹽(3a-3d)在15 mL水和0.03 mol水合肼中加熱回流4 h。反應(yīng)完成后，冷卻室溫，加入10 mL水稀釋，用鹽酸酸化至pH=3。經(jīng)沉淀、過(guò)濾、洗滌、乙醇重結(jié)晶后得產(chǎn)物(4a-4d)。注意反應(yīng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生H2S氣體，需要用NaOH溶液吸收。

化合物4a：白色固體，收率44.2%，IR(KBr)，ν/cm-1：3 300(νN-H)，2 745(νS-H)，1 633(νC=N)，1 532(νC=C)；1H NMR(DMSO-d6)δ(×10-6)：13.95(s，1H，-SH)，5.80(s，2H，-NH2)，7.52～8.03(m，5H，Ar-H)。

化合物4b：白色固體，收率70.7%，IR(KBr)，ν/cm-1：33 09(νN-H)，2 833(νS-H)，1 627(νC=N)，1 508(νC=C)，1 255、1 127(νC-O-C)；1H NMR(DMSO-d6)δ(×10-6)：13.81(s，1H，-SH)，5.76(s，2H，-NH2)，7.52～8.03(m，4H，Ar-H)，3.82(s，3H，-OCH3)。

化合物4c：黃色固體，收率69.0%，IR(KBr)，ν/cm-1：3 352(νN-H)，2 913(νS-H)，1 612(νC=N)，1 541(νC=C)，1 503(asN=O)，1 305(sN=O)；1H NMR(DMSO-d6)δ(×10-6)：13.61(s，1H，-SH)，5.70(s，2H，-NH2)，6.60～7.75(m，4H，Ar-H)。

化合物4d：黃色固體，收率67.6%，IR(KBr)，ν/cm-1：3 249(νN-H)，2 753(νS-H)， 1637(νC=N)，1 498(νC=C)，747(νAr-Cl)；1H NMR(DMSO-d6)δ(ppm)：13.98(s，1H，-SH)，5.79(s，2H，-NH2)，7.59-8.08(m，4H，Ar-H)。

1.3 二茂鐵-三唑席夫堿化合物(5a-5d)的合成

在250 mL三頸燒瓶中，依次加入甲苯(25 mL)、3-取代基-4-氨基-5-巰基-1,2,4-三唑(4a-4d)(1 mmol)、冰乙酸(5滴)，常溫下攪拌15 min，使其混合均勻。在氮?dú)獗Ｗo(hù)的條件下，加熱回流，用恒壓漏斗緩慢滴加溶有二茂鐵甲醛(1 mmol)的25 mL甲苯溶液，滴加完畢后用TLC 監(jiān)測(cè)反應(yīng)，約4 h 后結(jié)束反應(yīng)。室溫下靜置過(guò)夜析出沉淀，經(jīng)過(guò)濾、洗滌、乙醇重結(jié)晶后得產(chǎn)物(5a-5d)。

化合物5a：橙紅色固體，收率46.7%，IR(KBr)，ν/cm-1： 3 031(νAr-H)，2 746(νS-H)，1 590(νC=N)，3 107(νFc C-H)，14 80(νFc C-C)，1 150(δFc C-C)，1 025(δFc C-H)，819(γFc C-H)，486(νFc-Fe)；1H NMR(DMSO-d6)δ(×10-6)：14.11(s，1H，-SH)，9.29(s，1H，-CH=N)，7.53～7.90(m，5H，Ar-H)，4.82 (t，2H，F(xiàn)c-H)，4.66 (t，2H，F(xiàn)c-H)，4.35 (m，5H，F(xiàn)c-H)。

化合物5b：深紅色固體，收率70.6%，IR(KBr)，ν/cm-1：3 039(νAr-H)，2 745(νS-H)，1 575(νC=N)，1 251(νC-O-C)，3 089(νFc C-H)，1 466(νFc C-C)，1 108(δFc C-C)，1 042(δFc C-H)，812(γFc C-H)，495(νFc-Fe)；1H NMR(DMSO-d6)δ(×10-6)：13.99(s，1H，-SH)，9.28(s，1H，-CH=N)，7.09～7.85 (m，4H，Ar-H)，4.83 (t，2H，F(xiàn)c-H)，4.66 (t，2H，F(xiàn)c-H)，4.36 (m，5H，F(xiàn)c-H)，3.82(s，3H，OCH3)。

化合物5c：褐色固體，收率61.5%，IR(KBr)，ν/cm-1：2 929(νS-H)，1618(νC=N)，1 501(asN=O)，1 307(sN=O)，3 190(νFc C-H)，1 479(νFc C-C)，1 191(δFc C-C)，1 072(δFc C-H)，848(γFc C-H)，492(νFc-Fe)；1H NMR(DMSO-d6)δ(×10-6)：14.19(s，1H，-SH)，9.36(s，1H，-CH=N)，8.24～8.02 (m，4H，Ar-H)，4.83 (t，2H，F(xiàn)c-H)，4.66(t，2H，F(xiàn)c-H)，4.36(m，5H，F(xiàn)c-H)。

化合物5d：紅褐色固體，收率52.6%，IR(KBr)，ν/cm-1：3 023(νAr-H)，2 770(νS-H)，1 582(νC=N)，743(νAr-Cl)，3 092(νFcC-H)，1 474(νFc C-C)，1176(δFc C-C)，1 012(δFc C-H)，804(γFc C-H)， 493(νFc-Fe)；1H NMR(DMSO-d6)δ(×10-6)： 14.17(s，1H，-SH)，9.32(s，1H，-CH=N)，7.63～7.92 (m，4H，Ar-H)，4.83 (t，2H，F(xiàn)c-H)，4.66(t，2H，F(xiàn)c-H)，4.36(m，5H，F(xiàn)c-H)。

1.4 二茂鐵-三唑席夫堿的電導(dǎo)率測(cè)試

在室溫條件下，采用SZT-2A四探針電阻率儀對(duì)合成的目標(biāo)化合物5a-5d和原料二茂鐵甲醛分別進(jìn)行電阻率測(cè)試以及電導(dǎo)率計(jì)算。考察不同性質(zhì)取代基團(tuán)的連接對(duì)化合物導(dǎo)電性能的影響。

1.5 抗菌性能實(shí)驗(yàn)

材料抗菌性能實(shí)驗(yàn)采用最小抑菌濃度(MIC)法，以E.coli和S.aureus作為代表革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽(yáng)性菌的試驗(yàn)菌株。將合成的化合物4a-4d和化合物5a-5d分別溶于DMSO中，配制成不同濃度的溶液。取一定量的待測(cè)樣加入到固體培養(yǎng)基中，將含有待測(cè)樣的固體培養(yǎng)基和平板在高壓滅菌鍋中121 ℃滅菌20 min。用移液槍吸取20 μL稀釋后的實(shí)驗(yàn)菌株(用涂布平板計(jì)數(shù)法測(cè)定細(xì)菌總數(shù)，最終選擇符合要求的稀釋后E.coli濃度為10-6g/mL；S. aureus為10-5g/mL)，接種于含待測(cè)樣的瓊脂平板中，每個(gè)平板接種3個(gè)點(diǎn)。將所有平板移至恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，在37 ℃下培養(yǎng)12 h，觀察菌落生長(zhǎng)情況，其中抑制菌落生長(zhǎng)的最低樣品濃度為所測(cè)樣品的MIC值。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中設(shè)定空白組和溶劑組進(jìn)行對(duì)照。化合物4a-4d和化合物5a-5d抑制E.coli和S.aureus生長(zhǎng)的濃度設(shè)定如表1、2所示。

表1 抑制E.coli生長(zhǎng)的濃度設(shè)定(單位：mg/mL)

表2 抑制S. aureus生長(zhǎng)的濃度設(shè)定(單位：mg/mL)

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)構(gòu)表征

用IR和1H NMR等對(duì)化合物4a-4d及5a-5d的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。IR結(jié)果顯示1 633～1 610 cm-1處的吸收峰為C=N鍵伸縮振動(dòng)吸收峰，這是由于C=N雙鍵與苯環(huán)構(gòu)成一個(gè)大的共軛體系，π電子發(fā)生離域，使C=N雙鍵鍵能減小，伸縮振動(dòng)吸收峰比一般C=N雙鍵的吸收峰(1 690～1 640 cm-1)偏低一些。

1H NMR譜圖數(shù)據(jù)顯示苯環(huán)上H的化學(xué)位移在(7.00～8.00)×10-6，連接不同取代基團(tuán)時(shí)，化學(xué)位移會(huì)有相應(yīng)的變化；1,2,4-三唑環(huán)上連接的-SH的化學(xué)位移在(13.00～14.00)×10-6之間；-NH2在5.70 ×10-6附近；席夫堿化合物的二茂鐵上H的化學(xué)位移在(4.00～5.00)×10-6之間。結(jié)合IR和1H NMR數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，確定化合物的結(jié)構(gòu)。

2.2 二茂鐵-三唑席夫堿的電導(dǎo)率測(cè)試結(jié)果分析

對(duì)合成的目標(biāo)化合物5a-5d和原料二茂鐵甲醛分別進(jìn)行電阻率測(cè)試以及電導(dǎo)率計(jì)算，其結(jié)果如表3所示。

表3 化合物5a-5d及原料電阻率測(cè)試結(jié)果

從表3的測(cè)試結(jié)果可以看出，二茂鐵甲醛的電導(dǎo)率為4.01×10-4S/cm，與化合物4a-4d發(fā)生縮合反應(yīng)后，電導(dǎo)率均有不同程度的提升，這是由于共軛體系的增大，電子離域加強(qiáng)，導(dǎo)致共軛體系中電子流動(dòng)性增加，導(dǎo)電能力提升。

相對(duì)于化合物5a中苯環(huán)4-H而言，化合物5b中甲氧基為給電子基，使共軛體系電子云密度升高，化合物導(dǎo)電性加強(qiáng)；而化合物4c中的硝基和化合物4d中的氯原子為吸電子，且硝基吸電子能力強(qiáng)于氯原子，導(dǎo)致共軛體系電子云密度降低，使得導(dǎo)電能力下降，并且吸電子能力越強(qiáng)，導(dǎo)電能力下降越明顯。

由此可以看出，所制備的席夫堿化合物5a-5d的導(dǎo)電性是可調(diào)控的，我們可以根據(jù)需要，連接不同的取代基團(tuán)，從而使目標(biāo)化合物具有不同的導(dǎo)電性。

2.3 化合物抗菌性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖2所示為對(duì)照組培養(yǎng)E.coli和S.aureus菌落生長(zhǎng)情況。其中圖2(a)為空白組、圖2(b)為溶劑組、圖2(c)為二茂鐵甲醛溶于DMSO溶液。

圖2 對(duì)照組培養(yǎng)E.coli和S. aureus菌落生長(zhǎng)情況Fig 2 The growth of E.coli and S. aureus colonies in the control group

由圖2可以看出，溶劑DMSO對(duì)于E.coli和S.aureus沒(méi)有抑制作用，即可排除溶劑對(duì)菌落生長(zhǎng)的干擾。同時(shí)，當(dāng)二茂鐵甲醛濃度增加到50 mg/mL時(shí)，依然可以看到有大量的菌落生長(zhǎng)，這說(shuō)明二茂鐵甲醛無(wú)明顯的抗菌效果，這一實(shí)驗(yàn)結(jié)論與文獻(xiàn)[20]相符。即可以判斷后續(xù)抗菌實(shí)驗(yàn)的抑菌效果是由目標(biāo)化物的抗菌作用導(dǎo)致的。

表4和表5分別為化合物4a-4d與化合物5a-5d抑制E.coli和S.aureus菌落生長(zhǎng)的最低樣品濃度(即MIC值)。

表4 化合物4a-4d的最小抑菌濃度(MIC)

表5 化合物5a-5d的最小抑菌濃度(MIC)

由表4可知，1,2,4-三唑化合物4a-4d對(duì)E.coli和S.aureus的抗菌性能較好。其中氯原子取代的化合物4d對(duì)兩種菌落的抗菌效果最明顯，有機(jī)鹵化物能夠破壞菌落的細(xì)胞膜等組織，隨著化合物濃度的升高，鹵素原子的含量增加，對(duì)菌落的破壞作用越強(qiáng)，因此化合物4d對(duì)菌落的抑制效果最明顯。硝基取代的化合物4c對(duì)兩種菌落的抗菌效果略差，分析原因?yàn)榛衔镏械腃、N、O元素按比例存在，為細(xì)菌的生長(zhǎng)提供了環(huán)境，因此其抗菌效果相對(duì)差一點(diǎn)。另外同一種化合物對(duì)兩種菌落的抗菌效果也有所不同。比如化合物4a、4b、4d均對(duì)革蘭氏陽(yáng)性菌的S.aureus抗菌效果優(yōu)于革蘭氏陰性菌的E.coli。這是由于革蘭氏陽(yáng)性菌和革蘭氏陰性菌的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)和組成不同所致的。一般革蘭氏陰性菌的細(xì)胞壁比革蘭氏陽(yáng)性菌薄，但是革蘭氏陰性菌的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，分外膜和肽聚糖層，并且在細(xì)胞壁和細(xì)胞質(zhì)膜之間有一個(gè)明顯的空間，稱為壁膜間隙。這使得化合物進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部的阻力也較大，因此化合物對(duì)革蘭氏陰性菌的抑制作用就差一些。

同時(shí)，對(duì)化合物5a-5d的抗菌性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表5所示。化合物5a-5d對(duì)兩種菌落有明顯的抗菌效果。這說(shuō)明，二茂鐵甲醛與化合物4a-4d發(fā)生縮合反應(yīng)以后，相對(duì)于二茂鐵甲醛而言，其席夫堿衍生物的抗菌活性有了明顯的提高，這將拓展二茂鐵類化合物在材料方面的應(yīng)用。其中對(duì)兩種菌落抗菌效果最明顯的是氯原子取代的化合物5d，未含取代基的化合物5a的抗菌效果略優(yōu)于甲氧基和硝基取代的化合5b、5c。同時(shí)，由于菌落的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)和組成不同，而使得化合物5a-5d對(duì)兩種菌落的抗菌性能有一定差異性。

因此可以推斷，所制備的化合物4a-4d和化合物5a-5d的抗菌活性一方面與菌落的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)和組成有關(guān)，另一方面與化合物結(jié)構(gòu)和取代基團(tuán)有一定的關(guān)系。更深入的分析需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)論證。

3 結(jié) 論

首先合成了1,2,4-三唑化合物4a-4d，并與二茂鐵甲醛發(fā)生縮合反應(yīng)得到了二茂鐵-三唑席夫堿化合物5a-5d。通過(guò)FT-IR、1H-NMR等手段對(duì)化合物進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征，并研究了不同取代基團(tuán)對(duì)化合物導(dǎo)電性能以及抗菌性能的影響。研究表明化合物5a-5d有較好的導(dǎo)電性能，且化合物的導(dǎo)電性隨取代基團(tuán)的變化而變化。抗菌性能試驗(yàn)表明化合物4a-4d對(duì)E.coli和S.aureus有較好的抗菌活性，且與二茂鐵甲醛縮合后，明顯的提高了化合物5a-5d對(duì)菌落的抑制作用，同時(shí)化合物的抗菌活性不但與菌落的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)和組成有關(guān)，而且與化合物結(jié)構(gòu)和取代基團(tuán)有一定的關(guān)系。