希夫堿及其配合物的研究進展

劉 蘭，呂春華，吳杰斌，王 麗

（廣東石油化工學院，廣東 茂名525000）

希夫堿是一類胺和活性羰基縮合形成的有機化合物，因其多功能的金屬螯合特性、固有的生物活性和結構的靈活多變性，被廣大的科研工作者關注。

1 希夫堿的概念

希夫堿（Schiff base）也叫希夫氏堿或西佛堿，由德國化學家Hugo Schiff 首次發現，主要是指包含通過胺和活性羰基的縮合形成的亞胺或甲基亞胺特征基團(?RC=N?)的一類有機化合物。C=N 鍵長約為0.124～0.128nm，偶極矩約為0.90D，有兩個構型(Z)?和(E)?。亞胺通過醛或酮與氨或胺縮合而形成，可分為醛亞胺和酮亞胺。醛和伯胺(RNH2)生成包含碳和氮雙鍵的亞胺(R2C=O+RNH2→R2C=NR’+H2O)，其中R 和R’是基于烴的脂族亞胺[1-3]。

2 希夫堿的合成反應機理

在特定的條件下，含羰基的醛和酮與一級胺發生親核加成反應。親核試劑是胺，該化合物的結構具有1 對孤電子氮原子，可以攻擊羰基。該基團中帶正電荷的碳原子完成親核加成反應，形成由α-羥胺組成的中間化合物，該化合物進一步脫水形成希夫堿[2-4]。反應機理見圖1，反應過程有加成反應、重新排列和消去反應等，反應過程中，電子效應和立體結構起到了不可忽視的作用。

圖1 希夫堿的合成結構

圖2 縮合機理

詳細機理如下：羰基上的碳原子被富含電子的氮原子進攻，生成過渡態的中間體，同時，碳原子中的電子軌道由sp2 雜化轉為sp3 雜化，化學鍵的鍵角由120°轉成109.5°。因此，取代基的體積大小對反應的影響較大。取代基的體積大則位阻大，不利于化學反應。當R1和R2作為推電子基團時，氧原子對碳原子的正電性就會減弱，與氮原子結合時就會不穩定。反之，當R1和R2作為吸電子基團時，羰基上的碳原子的正電性會得到加強，結合到的氮原子就會更加穩定，反應速率會有利于反應加快進行。當R3作為推電子基團時，負電荷集中在氮原子上，親核加成反應更加容易發生。

反應一般在弱酸性條件下進行，pH 值為5～6的環境中，羰基中的氧與質子結合可以增加羰基的活性。如果酸度變大，胺將與質子結合形成鹽，親核性將喪失。此外，該反應是可逆的反應，在酸性條件下，可以水解得到相應的醛或酮[5]，因此,一般在無水條件下進行。

3 影響希夫堿生成的因素[6]

3.1 主要影響因素

親核加成反應的快慢取決于親核試劑的親核性。親核性越大則反應速率越快，?NH2R3作為親核試劑時，N 上的負電荷越集中，反應越容易進行。如果N 上的取代基R3為給電子基團時，因電子效應，N 上所帶的負電荷會加強從而有利于反應的進行。羰基上的氧原子有較強的電負性，而碳原子相對呈正電性，反應時，碳原子上所帶的正電荷越多則越有利于反應，因此應選用吸電子性強的取代基，也可使生成的希夫堿更穩定。

3.2 次要因素

反應時，羰基C 原子的雜化軌道會改變，化學鍵的鍵角會變小，因此對所選用的親核試劑的體積有所限制，體積較小的基團更易發生親核加成反應。反應中有水生成時，會影響反應的繼續進行，通常應加入無水硫酸鎂或無水硫酸鈉，或使用分水器分離體系中的水。溶劑極性對反應也有影響。溶劑的極性過大會造成親核試劑溶劑化，不利于反應的進行。希夫堿在堿性條件下易分解，因此應選擇偏酸性的環境，以利于親核試劑的進攻，酸催化更有利于反應生成希夫堿。

4 希夫堿及其配合物的研究進展

希夫堿及其配合物含有的特征官能團，使得該類物質具有一定的生物化學活性，所以近年來，越來越多的科學家開始對希夫堿及其配合物進行研究。希夫堿及其配合物在醫藥、分析化學、光譜學、生物化學模型系統、催化、材料等領域均具有重要應用。下面重點介紹近年來希夫堿及其配合物在醫藥、催化、分析、腐蝕、光致變色等領域的研究進展。

4.1 希夫堿及其配合物在醫藥領域的應用

希夫堿及其配合物具有很高的生物活性，如抑菌、抗炎、抗腫瘤等性質，因此在醫藥領域引起了極大的關注。近年來的研究表明，所引入的官能團不同，對希夫堿的藥理活性有很大的影響。席夫堿上引入苯酚基團的藥物可以作為抗菌劑，席夫堿上接入殼聚糖可以改善藥物溶解性，席夫堿上引入吡唑啉酮的藥物具有明顯的抗驚厥活性，席夫堿上引入三唑的藥物具有較強的抗真菌活性，希夫堿上接入噠嗪酮基團，藥物的抗腫瘤活性提高[7]。

Vatsal M. P 等人[8]合成了含吡啶環的 1,2,4-三唑類新型曼尼席夫堿，結果表明化合物4k 對金黃色葡萄球菌(MIC12.5μM)和白色念珠菌(MIC100μM)最為活躍，衍生物4b 對酶活性位點具有高的親和力。

王水英等[9]合成了2-羥基-1-萘醛縮對氨基水楊酸希夫堿鉻配合物藥物，結果表明，2-羥基-1-萘醛縮對氨基水楊酸希夫堿鉻配合物能抑制人肝癌細胞、人結腸腺癌細胞、人胃腺癌細胞的生長，在體外有良好的抗腫瘤活性。

王一安等[10]以5,5’-亞甲基雙水楊醛縮肼基二硫代甲酸芐酯希夫堿(H4L)為配體，于室溫下與氯化銻進行固相反應，合成了含硫雙水楊醛希夫堿銻(Ⅲ)配合物，結果表明，銻(Ⅲ)配合物對枯草芽孢桿菌能產生很強的抗菌活性。

在生物領域，希夫堿配合物在腫瘤、抗衰老和惡性病毒領域具有良好的應用前景，但高毒性和吸收不良影響了它們的應用。因此，在生物領域中應用希夫堿復合物，降低毒性并提高吸收效果非常重要。

表1 希夫堿及其配合物在醫藥方面的研究

4.2 希夫堿及其配合物在催化領域的應用

Schiff 堿及其配合物可用作催化領域的新型催化劑，具有催化效率高、選擇性強、穩定性好、利用率高的特點，且可重復使用。希夫堿及其配合物主要用于某些聚合反應、不對稱環丙烷化反應催化、烯烴氧化反應催化和電催化。

在希夫堿及其配合物的催化研究中，也有許多有待深入研究之處。比如，雖然希夫堿配合物具備較好的催化活性和光學活性，但是一些希夫堿及其配合物催化劑的成本較高，難以實際應用，因此高性價比的希夫堿催化劑一直深受研究人員的關注。

Kureshy 等[11]在1997 年首先報道了應用于催化非功能化的烯烴類的不對稱環氧化反應的salen-Co(Ⅱ)配合物，結果表明，這個催化體系對反式-3-壬烯的環氧化反應有很好的催化活性和選擇性。

彭建彪等[12]利用溶液法，合成了5-硝基水楊醛縮N-苯基鄰苯二胺希夫堿及其銅配合物，結果表明該配合物能快速催化過氧化氫氧化降解三氯生。

孫士淇等[13]采用直接法合成了2-吡啶甲醛縮鄰氨基酚希夫堿鉬(Ⅵ)配合物MoO2(L) (EtOH)(L=2-吡啶甲醛縮鄰氨基酚)，并研究了該配合物在合成環氧大豆油中的催化活性，結果表明，該配合物能夠提高環氧大豆油的轉化率，有較好的催化性能。

表2 希夫堿及其配合物在催化領域的研究

在催化領域，希夫堿配合物在催化中的應用也有許多局限性，例如經濟使用率低、環境污染高、無法重復使用、使用量大、性能穩定性不足等，原因是希夫堿配合物目前尚未廣泛用于催化。但是，隨著新復合物出現，上述問題有望得到解決，這也是未來的重要研究方向。

4.3 希夫堿及其配合物在分析化學中的應用

希夫堿的共軛體系結構，使之具備良好的光學活性，在分析化學領域具有較好的應用前景。它包含C=N 雙鍵和強電負性原子（O、N 和S），可以改善其與金屬離子的配位性能。因此，在分析化學中，希夫堿可以高選擇性、高靈敏度和高精密度地檢測某些重金屬離子和過渡金屬離子，從而對這些金屬離子進行定性和定量分析。

姜廷廷[16]采用液相合成法合成了希夫堿熒光探針，結果表明，在甲醇溶液中該探針可以實現對Al3+的抗干擾、快速、高效檢測。

Yong 等[17]制備了一種基于2,3-二氨基吩嗪鹽酸鹽的高效化學探針，結果表明該探針可以高效地檢測純水中的CN-。此外，該化學探針還成功地應用于植物種子和天然水樣中CN-的檢測。

表3 希夫堿及其配合物在化學分析領域的研究

4.4 希夫堿及其配合物在腐蝕領域的應用

希夫堿結構中存在C=N 雙鍵，因此具有良好的配位能力，能與過渡金屬形成多樣的配合物。研究表明，含有富電子的芳香環或者電負性較大的原子（O、S 等原子）的分子，可以提供孤電子對，可與金屬的d 軌道作用，在其表面形成保護膜。尤其是含有酚羥基的希夫堿，易與各種金屬配位，在金屬表面形成穩定的致密膜。使用希夫堿作為緩蝕劑具有良好的應用前景。

羅亮[21]合成了一種席夫堿(PMP)緩蝕劑，研究了其對Q235 鋼在1 mol·L-1HCl 溶液中的緩蝕性能。研究結果表明，此希夫堿緩蝕劑的緩蝕效率達到87.9%，是以陰極型為主的混合型緩蝕劑。

表4 希夫堿及其配合物在腐蝕領域的研究

4.5 希夫堿及其配合物在光致變色的應用

Schiff 堿結構中的C=N 雙鍵易與過渡金屬或稀土金屬離子發生配位作用，甚至還能以多齒配基的形式螯合配位，得到極其穩定的螯合物。另外希夫堿結構中一般具有共軛芳環，有很強的光吸收性能，可能會發生分子內的能量轉移，因此，希夫堿是一類同時具有配位螯合和敏化發光雙重功能的配基，具有穩定的化學性質和非線性光學性質。

趙遠[26]合成了2 個新的含苯基偶氮基團的希夫堿化合物和4 個過渡金屬配合物，并測試了它們的光學性能。結果表明，它們均表現出酸誘導的變色，可以發出微弱的熒光，其中配體的鋅絡合物發出中等強度的熒光，溶劑的極性對6 種物質的熒光強度的影響較小，而H+對其強度的影響很大。

李?，摰萚27]以金剛烷醇、4-甲酰苯甲酸、鄰氨基苯酚、鄰氨基苯硫酚、鄰溴苯胺為原料，合成了3種不同的對甲?；郊姿峤饎偼轷ハ７驂A及其鎳(Ⅱ)配合物(H1、H2、H3)，通過熒光光譜、熱重分析和電化學分析，對希夫堿及其鎳(Ⅱ)配合物的熒光性質、熱穩定性、電化學性質進行研究，結果表明，鎳(Ⅱ)配合物H1、H2 具有較高的電化學活性，H1、H2 和H3 均具有良好的熒光性質。

殷德飛等[28]合成了一系列含希夫堿基的螺吡喃雙功能光致變色材料，并在甲醇、二氯甲烷和環己烷溶液中，以及高分子介質聚甲基丙烯酸甲酯中研究其消色過程，結果表明，材料均表現出良好的光致變色性質。

圖3 烯醇式和酮式互變異構圖

表5 希夫堿及其配合物在光致變色領域的研究

5 小結

希夫堿配合物在催化、抗菌、抗腫瘤、化學分析和熒光等方面具有廣闊的應用前景，其中過渡金屬和稀土金屬希夫堿配合物是目前的研究重點，深受研究者關注。但希夫堿及其配合物在應用研究方面仍存在諸多問題，有待進一步的深入研究和探索。