一種雙取代馬來腈衍生物的合成

張 杰，白翠冰，覃于鑫，魏 標，張琳，李瑞乾，喬 瑞，苗 慧，陳水生

（阜陽師范大學 化學與材料工程學院，安徽 阜陽 236037）

重金屬和過渡金屬廣泛的遍布于地球的各個地方和角落，對生物和生態環境具有比較大的影響，尤其是在生物體中的影響較大，在對于動植物、人類生命過程和人類生活過程中具有非常重要的作用[1-3]。其中，Cu2+參與了大約二十多種酶的生理生化作用，例如參與過氧化物歧化酶、超氧化酶、單胺氧化酶、絡氨酸酶、多巴胺β-羥化酶等的形成[4]。同時由于其具有抗菌性、良好的耐熱性、較好的分散性等比較優異的性能而被應用于各種生物材料和醫療器械中[5-6]。但是，當生物體內的Cu2+濃度過高時，細胞便會受損或者壞死，從而導致臟器功能損傷，可能會參與活性氧物質的生成，從而導致神經退行性疾病的發生；同時，癌癥、糖尿病、心血管疾病及動脈硬化、肝硬化肝腹水、帕金森氏病、阮病毒病等也與人體內Cu2+含量失衡有關[7-13]。

目前，主要采用原子吸收光譜、電感耦合等離子體質譜、連續冷流蒸汽原子熒光光譜、電感耦合等離子體原子發射光譜、電化學方法、原子發射光譜法等[14-15]，實現對Cu2+的定量檢測。但是儀器昂貴而且檢測過程繁瑣，因此，開發能識別Cu2+的光學分子探針對于環境及生命科學都具有重大的意義。近年來，關于檢測銅離子探針方面的研究成果還是比較多的[16-17]，但都存在一些問題，例如靈敏度不是很高、專一性不是很強、物質合成的過程繁瑣等，所以需要盡快的研究新型且高效率、合成方式簡單具有可實行性的Cu2+光學探針。

1 本課題提出的設計思路

德國化學家希夫首次報道將苯胺和水楊醛進行縮合，生成含甲亞胺基的化合物，由此得名為席夫堿(Schiffbase)[18],希夫堿包含亞胺基團（-RC=N-），是由胺類化合物和活性羰基化合物縮合而成的。由于席夫堿類化合物具有碳氮雙鍵并且其中氮原子含有孤對電子，故此類化合物具有很好的配位活性。幾乎所有的希夫堿化合物可形成1∶1的過渡金屬配合物。由于不對稱希夫堿的特殊結構，與對稱希夫堿相比，不對稱希夫堿金屬有特殊的性能，因此對于合成新型的不對稱希夫堿具有研究意義。二氨基馬來腈是具有對稱結構的分子，也是不飽和的富電子的配體，它作為二胺具有合成簡單希夫堿的能力以及其所擁有的吸電子基團CN-可以影響二氨基馬來腈本身的配位能力，有能力調節形成的配合物的電子特性以及它們的化學活性[19]。2-羥基-1-萘甲醛因為具有很大的共軛結構故擁有優異的光學性能，并且因其具有特殊的平面結構[20-23]，本文采用二氨基馬來腈和2-羥基-1-萘甲醛進行反應，作為原料，進一步與其他醛縮合為雙不對稱席夫堿配體。第一步反應得到中間體2-羥基-1-萘甲醛縮二氨基馬來腈GY。然后將中間體GY與4-（二乙氨基）水楊醛反應縮合得到化合物WG。通過1H NMR，確定了化合GY和WG的結構。利用紫外吸收光譜與紅外譜圖變化，研究和分析化合物WG與Cu2+之間相互作用。

2 實驗儀器和原料試劑

2.1 實驗儀器

電子天平（上海越平科學儀器有限公司，FA1004）；雙光束紫外可見分光光度計（北京普析通用儀器有限責任公司，TU-1901）；低溫冷卻液循環泵（鞏義市予華儀器有限責任公司，DLSB-10/20）；旋轉蒸發儀（上海振捷實驗設備有限公司，RE-52AA）；循環水式真空泵（上海鵬奕儀器有限公司，SHB-(III)）；磁力加熱攪拌器（金壇市杰瑞爾電器有限公司，78-1）；智能數顯電熱鼓風干燥箱（上海成順儀器儀表有限公司南通嘉程儀器有限公司，DHG-9070B）；石英比色皿（宜興市偉鑫儀器有限公司，JB760-68）。

2.2 原料和試劑

二氨基馬來腈（AR，阿達瑪斯試劑有限公司），2-羥基-1-萘甲醛（AR，阿拉丁公司），4-(二乙氨基)水楊醛（AR，阿拉丁公司），無水乙醇（AR，國藥集團化學試劑有限公司），金屬離子的硝酸鹽均為分析純，使用前未經任何處理。實驗所用的水為二級去離子水。乙腈為色譜純。

3 實驗

3.1 中間體GY合成路線

使用電子天平分別稱取172 mg（1 mmol）2-羥基-1-萘甲醛（化合物1）和108 mg（1 mmol）二氨基馬來腈（化合物2）于100 mL燒瓶中，用量筒量取30 mL無水乙醇于室溫條件下用磁子攪拌反應，立刻出現棕黃色固體；反應結束之后進行抽濾，然后再用無水乙醇沖洗多次得到金黃色的固體反應如圖1，最終計算產率為81.04%。1H NMR(400 MHz,d6-DMSO)δ12.00(s,1H),9.26(s,1H),8.65-8.54(m,1H),8.04-7.94(m,1H),7.89(s,3H),7.62(dd,J=8.3,7.2 Hz,1H),7.42(t,J=7.4 Hz,1H),7.23(dd,J=8.9,2.4 Hz,1H)。

圖1 中間體GY合成路線

3.2 化合物WG合成路線

在中間體GY的基礎上合成探針WG如圖2，稱取0.262 g（1 mmoL）的GY溶于50 mL的乙醇中，回流裝置中進行攪拌加熱，溫度控制在85℃。然后，稱取0.193 g（1 mmoL）4-（二乙氨基）水楊醛（化合物3）用10 mL無水乙醇溶于小燒杯中，并通過滴管向反應瓶中逐滴加此配置的4-（二乙氨基）水楊醛溶液。反應開始時溶液變成棕色，慢慢變成深紫色。點板跟蹤反應，待反應結束后，冷卻靜置，將沉淀過濾，得到的固體用柱層析法進行提純。展開劑為CH2Cl2∶CH3OH=30∶1，得到純品WG。產率為74.5%。1H NMR(400 MHz,CDCl3)δ13.67(s,2H),12.35(s,2H),9.68(s,1H),8.60(s,1H),8.27(d,J=8.5 Hz,1H),7.96(d,J=9.1 Hz,1H),7.83(d,J=7.9 Hz,1H),7.66-7.62(m,1H),7.46(t,J=7.5 Hz,1H),7.24(d,J=9.0 Hz,1H),6.39(dd,J=9.0,2.4 Hz,1H),3.49(q,J=7.1 Hz,4H),1.30(d,J=3.6 Hz,6H)。

圖2 化合物WG合成路線

3.3 金屬離子響應識別

用100 mL容量瓶配制濃度為1.0×10-3mol/L探針WG的乙腈溶液和濃度為1.0×10-3mol/L不同的金屬離子（Na+、Cu2+、Y3+、Co2+、Mg2+、Ce3+、Cd2+、Ag+、K+、Ni2+、Zn2+、Hg2+、Fe3+、Ba2+、Pb2+、Sr2+、Mn2+、Ca2+、Al3+、Fe2+）的乙腈溶液。取300μL化合物WG溶液和900μL的不同金屬離子溶液然后加乙腈定容到3 000μL，依次檢測20組待測溶液的紫外-可見吸收強度的變化。

3.4 抗干擾實驗

為證明WG對Cu2+專一性識別，選擇一系列金屬離子(Na+、Y3+、Co2+、Mg2+、Ce3+、Cd2+、Ag+、K+、Ni2+、Zn2+、Hg2+、Fe3+、Ba2+、Pb2+、Sr2+、Mn2+、Ca2+、Al3+、Fe2+)作為干擾物質加入到目標化合物WG對Cu2+的反應溶液中。取300μL探針WG乙腈（1.0×10-3mol/L），加入Cu2+的乙腈溶液（1.0×10-3mol/L）900μL，再加入900μL干擾離子乙腈溶液（1.0×10-3mol/L），用乙腈稀釋定容到3 000μL。

3.5 連續變化法

保持所測混合溶液的總體積恒定（3 000μL），使溶液中[Cu2+]/{[Cu2+]+[WG]}的比例從0.1，0.15，0.2依次遞增至1.0，所取Cu2+的乙腈溶液（1.0×10-3mol/L）的體積依次從100μL，150μL，200μL遞增至1 000μL，以此共配19組混合溶液，間隔時間相同依次測溶液的紫外吸收強度的變化。

3.6 摩爾法

取化合物WG的乙腈溶液（1.0×10-3mol/L）固定體積為300μL依次加入一系列不同體積的Cu2+乙腈溶液（1.0×10-3mol/L）使[Cu2+]/[WG]比例從0.1，0.2，0.3，0.4依次遞增到3.0。最后加乙腈溶液定容到3 000μL依次測定30組待測溶液的紫外吸收光譜。

3.7 紅外譜圖（WG,WG-Cu2+）

取化合物15 mg化合物WG，溶于20 mL乙腈中，然后加入50 mg的Cu(NO3)2·3H2O,室溫攪拌30 min，旋干溶液。制片，測得化合物WG和WG-Cu2+紅外譜圖。

4 結果與討論

4.1 合成的注意事項

通過前期實驗探索，我們發現為了順利得到目標化合物WG，必須先引入2-羥基-1-萘甲醛，再引入4-（二乙氨基）水楊醛。如果改變順序，容易得到雙取代的4-（二乙氨基）水楊醛衍生物，而單取代4-（二乙氨基）水楊醛衍生物很少。這可能主要是因為萘環的空間位阻相對于苯環更大，可以有效阻止第二個萘環的引入。

4.2 離子對光譜的影響

根據紫外吸收光譜圖3可以看出，當Cu2+加入化合物WG的溶液中，化合物WG在550 nm最大吸收峰強度明顯降低。而Na+、Y3+、Co2+、Mg2+、Ce3+、Cd2+、Ag+、K+、Ni2+、Zn2+、Ba2+、Pb2+、Sr2+、Mn2+、Ca2+、Al3+、Fe2+則對化合物WG的吸收光譜沒有明顯影響，Fe3+和Hg2+雖然也使光譜降低，但是相比于Cu2+可以不考慮。同時，裸眼觀察到只有當Cu2+的加入使溶液從紫紅色變為無色如圖4。

圖3 紫外響應曲線圖

圖4 響應照片

此外，通過抗干擾實驗發現，在其它離子共存的條件下，化合物WG仍然可以有效專一識別Cu2+，其它離子并不構成干擾如圖5。

圖5 共存離子對化合物識別Cu2+的影響

4.3 化合物WG與Cu2+化學計量比

利用摩爾比法和連續變化法確定了化合物WG對Cu2+之間的化學計量比。當保持化合物WG濃度不變(1×10-3mol/L)，（[Cu2+]/[WG]）的比例由0.1變化為3.0，發現化合物WG的吸光度隨著Cu2+濃度的增大不斷的降低，當（[Cu2+]/[WG]）=1.5時降至最低，且隨著Cu2+的濃度再次增加無明顯變化（圖6和7）。由此可以認為，化合物WG與Cu2+之間的化學計量比為2∶3。

圖6 摩爾比法確定化合物WG與Cu2+之間的化學計量曲線圖

圖7 摩爾比法確定化合物WG與Cu2+之間的化學計量比散點圖

通過連續變化法得出的結果與摩爾比法一致。當保持（[WG]+[Cu2+]）固定不變（3.3×10-4mol/L），伴隨（[Cu2+]/{[WG]+[Cu2+]}）從0.1增加到1.0，發現存在兩根具有不同斜率的直線，且交于一點，這個點所對應的橫坐標是Cu2+的摩爾分數（0.6），即化合物WG與Cu2+的化學計量比2∶3如圖8。

圖8 連續變化法確定化合物WG與Cu2+之間的化學計量比

此外，結合紅外譜圖分析，當Cu2+加入到WG中以后，紅外光譜發生了明顯的改變如圖9，其中，歸屬于-OH的3 453 cm-1和3 350 cm-1處的峰消失，說明Cu2+分別和OH進行結合，同時，屬于-CN的2 243處的峰也消失，表明Cu2+和CN也進行了絡合。結合摩爾比法、連續變化法和紅外譜圖的實驗結果，推測出WG和Cu2+的可能結合方式如圖10。

圖9 化合物WG與WG-Cu2+的紅外譜圖

圖10 WG-Cu2+可能的結合方式

5 小結

本實驗設計并合成了一種不對稱的馬來腈衍生物WG。該實驗通過有效控制反應條件使二氨基馬來腈縮合上兩種不同結構的醛，然后根據不對稱席夫堿類化合物的多配對點特點，在配體溶液與多種離子進行識別時，實現了能夠快速高效并且專一識別Cu2+，并且配體溶液能夠從紫紅色迅速變化成無色，紫外吸收強度通過儀器檢測都降低甚至消失。通過測試手段檢測出配體與Cu2+之間的絡合比為2:3。該探針在日常檢測和分析中具有潛在的應用價值。