吸電子基團(tuán)對(duì)席夫堿及其鈀配合物在抑菌及催化活性方面的影響

郭海福 潘 勇 馬德運(yùn) 閆 鵬

(1 肇慶學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，肇慶 526061)

(2 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，呼和浩特 010051)

0 引 言

席夫堿及其金屬配合物具有抑菌、抗癌、抗病毒、殺霉等生物活性，在醫(yī)藥研究中備受關(guān)注[1-4]。席夫堿的抑菌機(jī)制是：席夫堿結(jié)構(gòu)與細(xì)菌體內(nèi)二氫葉酸分子中的蝶啶(或蝶呤)相似，競(jìng)爭(zhēng)抑制二氫葉酸還原酶，使四氫葉酸的生成受到抑制，導(dǎo)致細(xì)菌的DNA 和RNA 合成受阻，最終使細(xì)菌的蛋白質(zhì)合成受阻，停止了生長(zhǎng)繁殖[5]。

此外，席夫堿配合物在催化領(lǐng)域也表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。有機(jī)合成中，烯烴芳基化的Heck 反應(yīng)是形成C-C 鍵的重要反應(yīng)之一，具有廣泛的應(yīng)用。鈀鹽均相催化Heck 反應(yīng)具有活性高、 反應(yīng)簡(jiǎn)單而受到廣泛關(guān)注，成為研究熱點(diǎn)。但由于鈀鹽均相催化劑不易分離回收，鈀流失嚴(yán)重，易造成環(huán)境污染，其應(yīng)用受到限制。配合物負(fù)載型鈀催化劑的非均相催化Heck 反應(yīng)得到迅速發(fā)展，歸于這類非均相催化劑具有較高的催化活性和立體選擇性、較好的穩(wěn)定性和重復(fù)使用性。

席夫堿苯環(huán)上吸電子取代基能有效提高抑菌活性[6]，此外，引進(jìn)取代基增大鈀配合物的空間位阻效應(yīng)，可進(jìn)一步影響其催化效果。

以2，6-二異丙基苯胺為原料在溶劑熱條件下分別與苯甲醛和2，4-二氯苯甲醛縮合而成兩種新的席夫堿，進(jìn)一步與四氯鈀鈉鹽反應(yīng)制得相應(yīng)的鈀配合物，測(cè)試了席夫堿及其配合物對(duì)金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、枯草桿菌、毛霉菌、根霉菌的抑菌活性。研究了配合物對(duì)溴代苯和丙烯酸Heck 交叉偶聯(lián)生成苯丙烯酸的催化性能。通過(guò)抑菌活性及催化活性實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)席夫堿苯環(huán)上吸電子取代基的引入能提高抑菌活性和降低催化活性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

2，6-二異丙基苯胺、 苯甲醛、2，4-二氯苯甲醛、四氯鈀酸鈉均為化學(xué)純；無(wú)水乙醇、甲烷、正己烷、無(wú)水乙醚、乙酸乙酯、石油醚均為分析純。

WRS-B 型熔點(diǎn)測(cè)定儀；FTS-40 傅立葉紅外光譜儀；Vario EL Ⅲ元素分析儀；Bruker SMART APEX ⅡCCD diffractometer X-射線單晶衍射儀；STA-449 熱重分析儀； 氣質(zhì)聯(lián)用儀(Shimadzu GCMS-QP5050A)，DF-101S 集熱式恒溫加熱磁力攪拌器；RE-52 旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀。

1.2 席夫堿配體及其鈀配合物的合成

1.2.1 席夫堿配體(L1，L2)的合成

席夫堿配體L1 的合成(Scheme 1)：反應(yīng)瓶中加入0.354 g 2，6-二異丙基苯胺(2 mmol)和10 mL 無(wú)水乙醇，升溫至60 ℃溶解后，迅速加入0.212 g 苯甲醛(2 mmol)溶液，加熱至80 ℃回流5 h 后，冷卻至室溫，析出固體后，粗產(chǎn)品用無(wú)水乙醇重結(jié)晶3 次后減壓抽濾，烘干，得到淡黃色晶體0.49 g，產(chǎn)率為92%，mp. 39～42 ℃。元素分析數(shù)據(jù)(%)實(shí)測(cè)值(理論值) C19H23N：C 85.95 (85.91)，H 8.64 (8.67)，N 5.25(5.28)。IR(KBr)(cm-1)：3 476(w)，3 064(m)，2 961(s)，2 865(s)，1 643(s)，1 578(m)，1 467(s)，1 359(w)，1 325(w)，1 263(w)，1 263(w)，1 172(s)，1 108(m)，1 082(w)，940(w)，875(m)，759(s)，689(m)，495(w)。

Scheme 1 Synthetic route for the ligands L1 and L2

席夫堿配體L2 的合成方法與配體L1 相同(Scheme 1)，只是把反應(yīng)原料苯甲醛替換為2，4-二氯苯甲醛。得到淡黃色晶體0.64 g，產(chǎn)率為96%，mp. 118～120 ℃。元素分析數(shù)據(jù)(%)實(shí)測(cè)值(理論值)C19H21Cl2N：C 68.26(68.21),H 6.24(6.28),N 4.17(4.19)。IR(KBr)(cm-1)：3 496(w)，3 077(m)，2 963(s)，2 878(s)，2 371(w)，1 628(s)，1 578(m)，1 454(s)，1 379(m),1 309(m)，1 240(w)，1 110(m)，1 036(s)，866(m)，738(s)，688(w)，414(w)。

1.2.2 配合物(1，2)的合成

配合物1 的合成：將0.265 g(0.5 mmol)席夫堿配體L1 和0.147 g 四氯鈀酸鈉(0.5 mmol) 溶于15 mL 無(wú)水甲醇，室溫下攪拌反應(yīng)12 h 后，抽濾除去無(wú)水甲醇后得到黃色固體，粗品用二氯甲烷(3×11 mL)和正己烷(3×8 mL)重結(jié)晶3 次，最后得到較純的黃色晶體0.12 g，產(chǎn)率為28 %。元素分析數(shù)據(jù)(%)實(shí)測(cè)值 (理 論 值)C38H44Cl2N2Pd2：C 56.18 (56.13)，H 5.39(5.42)，N 3.42(3.45)。IR(KBr)(cm-1)：3 059(m)，2 963(s)，2 921(s)，2 871(m)，1 648(m)，1 592(s)，1 446(m)，1 292(m)，1 188(w)，1 090(w)，1 028(w)，902(w)，740(s)，594(w)，532(w)，420(m)。

配合物2 的合成方法與配合物1 的相同，只是把反應(yīng)原料配體L1 替換為L(zhǎng)2。得黃色固體0.11 g，產(chǎn)率為23%。元素分析數(shù)據(jù)(%) 實(shí)測(cè)值(理論值)C38H44Cl2N2Pd2：C 40.05(39.99)，H 4.18(4.21)，N 2.93(2.95)。IR(KBr)(cm-1)：3 070(m)，2 962(s)，2 916(s)，2 867(m)，1 642(w)，1 596(m)，1 561(m)，1 534(m)，1 460(w)，1 365(w)，1 216(m)，1 196(w)，1 101(w)，1 055(w)，905(w)，803(w)，750(w)，553(w)。

1.3 晶體結(jié)構(gòu)測(cè)試

選取大小合適的單晶置于Bruker Smart ApexⅡCCD 單晶衍射儀上進(jìn)行衍射，在296(2) K 用Mo Kα 射線(λ=0.071 073 nm),以ω-θ 掃描方式在一定的θ 范圍內(nèi)收集單晶衍射數(shù)據(jù)。選取I＞2σ(I)的可觀察點(diǎn)用于結(jié)構(gòu)解析和修正，全部強(qiáng)度數(shù)據(jù)均經(jīng)過(guò)Lp 因子和經(jīng)驗(yàn)吸收校正。晶體結(jié)構(gòu)解析和結(jié)構(gòu)精修均采用SHELXL-97 軟件完成[7]，對(duì)氫原子核非氫原子采用各向異性熱參數(shù)修正到收斂，經(jīng)全矩陣最小二乘法精修，氫原子坐標(biāo)由理論計(jì)算確定。席夫堿配體(L1 和L2)及其配合物(1 和2)具體的晶體學(xué)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。配合物1 和2 的部分鍵長(zhǎng)鍵角見(jiàn)表2。氫鍵數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

CCDC：882286,L1;882287,L2;222403,1;882289，2。

1.4 抑菌活性實(shí)驗(yàn)

表1 配體和配合物的晶體數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)精修結(jié)果Table 1 Crystal date and structure refinement details of L1, L2, 1 and 2

待測(cè)菌種在PDA 培養(yǎng)基上連續(xù)培養(yǎng)幾代。實(shí)驗(yàn)前3 d 轉(zhuǎn)移一次，28 ℃下培養(yǎng)，備用。采用紙片擴(kuò)散法[8]對(duì)配體及其配合物進(jìn)行抑菌活性測(cè)定，待測(cè)樣品用10 mL 的DMF 溶解，加水稀釋成500 μg·mL-1的溶液，分別以金黃色葡萄球菌﹑大腸桿菌﹑枯草桿菌﹑毛霉菌﹑根霉菌為實(shí)驗(yàn)菌株，另設(shè)一個(gè)無(wú)不加任何待測(cè)樣品DMF 溶液作為空白對(duì)照。上述接菌培養(yǎng)基培養(yǎng)72 h 后，用游標(biāo)卡尺測(cè)量菌落直徑(十字交叉測(cè)量2 次，取平均值)。每個(gè)樣品對(duì)每組菌種平行實(shí)驗(yàn)3 次，取平均值。其結(jié)果如表4 所示。

表2 配合物1 和2 的部分鍵長(zhǎng)和鍵角Table 2 Selected bond lengths (nm) and bond angles (°)

表3 氫鍵數(shù)據(jù)Table 3 Hydrogen bond geometries for L1, L2, 1 and 2

表4 配體和配合物的抑菌活性數(shù)據(jù)Table 4 Antimicrobial activities data of the ligands and the complexes (diameter of antimicrobial circle / mm)

續(xù)表4

1.5 催化實(shí)驗(yàn)

將0.002 mmol 催化劑1(或2)，5 mmol 溴代苯，5 mmol 丙烯酸，適量的縛酸劑及5 mL 有機(jī)溶劑加入到50 mL 三口瓶中，控制溫度，恒溫反應(yīng)12 h，反應(yīng)結(jié)束后，加入2% HCl 溶液調(diào)節(jié)反應(yīng)液的pH=1，產(chǎn)生的沉淀過(guò)濾，有機(jī)溶劑(3×3 mL)洗滌，干燥得到產(chǎn)物。產(chǎn)物經(jīng)GC-MS 分析，確定產(chǎn)率(Scheme 2)。

Scheme 2 Heck reaction of 4-bromobenzene with acrylic acid

2 結(jié)果與討論

2.1 配體L1 和L2 晶體結(jié)構(gòu)

配體L1 和L2 的分子結(jié)構(gòu)如圖1 和圖2 所示，其晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。配體L1 結(jié)構(gòu)表征已報(bào)道[9-11]，但其晶體結(jié)構(gòu)尚未見(jiàn)報(bào)道。苯環(huán)(C13-C19)與2-氨基苯環(huán) (C1-C16/N1) 之間的二面角分別為69.22(2)° (L1)和80.71(3)° (L2)，說(shuō)明苯環(huán)之間非共面。醛基上的苯環(huán)和C=N 共面，具有一定的共軛關(guān)系。化合物L(fēng)1 和L2 中均形成了分子內(nèi)氫鍵(表3)。

圖1 配體L1 的分子結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Molecular structure of L1 with numbering scheme

圖2 配體L2 的分子結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Molecular structure of L2 with numbering scheme

2.2 配合物1 和2 的晶體結(jié)構(gòu)

配合物1 為已知結(jié)構(gòu)[9]。配合物[Pd2Cl2(L1)2] (1)的晶體結(jié)構(gòu)如圖4 所示，主要鍵長(zhǎng)與鍵角見(jiàn)表2。由圖3 可見(jiàn)，鈀離子與席夫堿配體中的C9 和N1 及2個(gè)橋聯(lián)氯離子配位，形成平面四邊形四配位構(gòu)型。其中席夫堿配體與鈀離子形成1 個(gè)五元環(huán)(C7-C9/N1/Pd1)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，五元環(huán)與平面四邊形(Pd1/Cl1/Cl1i/Pd1i)形成的二面角為6.48(2)°(對(duì)稱代碼：i-x，2-y，-z)。鈀離子與配位的碳原子(C9)，氮原子(N9)及氯原子(Cl1，Cl1i)之間的距離與其他類似的鈀配合物相似[12]，在合理范圍內(nèi)。Pd1 與Pd1i之間的距離為0.345 9 nm，說(shuō)明不存在金屬鍵相互作用。

圖3 配合物1分子結(jié)構(gòu)單元圖Fig.3 Molecular structure of 1 with numbering scheme

配合物[Pd2Cl2(L2)2] (2)的分子結(jié)構(gòu)如圖4 所示，配合物的主要鍵長(zhǎng)和鍵角見(jiàn)表2。由圖4 可見(jiàn)，不對(duì)稱結(jié)構(gòu)單元中，化合物2 包括2 個(gè)不同的鈀離子，2個(gè)不同的席夫堿及2 個(gè)不同的氯原子。結(jié)構(gòu)與配合物1 類似，每個(gè)鈀離子與席夫堿上的1 個(gè)氮原子，1個(gè)碳原子及2 個(gè)橋聯(lián)氯離子形成平面四邊形配位構(gòu)型。其中席夫堿配體與鈀離子形成1 個(gè)五元環(huán)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。五元環(huán)與平面四邊形形成的二面角分別為(C1/C2/C7/N1/Pd1)-(Pd1-Cl3-Pd1i-Cl3i)=4.54(2)°和(C20/C21/C26/N2/Pd2)-(Pd2/Cl6/Pd2ii/Cl6ii) =0.38 (3)°(對(duì)稱代碼：i1-x，1-y，-z；ii1-x，-y，1-z)。相比配合物1 五元環(huán)與平面四邊形形成的二面角，配合物2 的五元環(huán)與平面二面角更接近于共面。鈀離子間的距離分別為0.343 2 和0.348 4 nm，與配合物1 的鈀離子鍵距離接近，說(shuō)明也不存在金屬鍵相互作用。分子間通過(guò)C16-H16A…π 及π…π 堆積作用形成三維超分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(圖5)。H16A 到質(zhì)心的距離H(16A)…Cg1=0.291 nm(Cg1 是C20-C25 環(huán)的質(zhì)心)；π…π 堆積為相鄰分子中苯環(huán)間(C1-C6)的質(zhì)心距離，為0.359 6 nm。此外，分子內(nèi)的C-H…Cl，C-H…N氫鍵作用進(jìn)一步穩(wěn)固三維結(jié)構(gòu)(表3)。

圖4 配合物2 分子結(jié)構(gòu)單元圖Fig.4 Molecular structure of 2 with numbering scheme

圖5 配合物2 通過(guò)C16-H16A…π 及π…π 堆積作用(虛線)形成三維超分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.5 View of the 3D supramolecular network of 2 formed through C16-H16A…π and π…π stacking interactions, which are shown as dashed lines

2.3 配合物的熱失重-差熱(TG-DTA)分析

在25～800 ℃范圍內(nèi)，氮?dú)饬魉贋?00 mL·min-1氣氛，升溫速率為10 ℃·min-1條件下分別對(duì)配合物1 和2 進(jìn)行了熱失重-差熱分析。配合物1 的熱失重-差熱如圖6 所示，在25～230 ℃之間無(wú)失重發(fā)生，溫度超過(guò)230 ℃后有機(jī)配體分解，結(jié)構(gòu)發(fā)生坍塌。與1 相似，配合物2 可穩(wěn)定到280 ℃(圖7)，當(dāng)溫度超過(guò)280 ℃后，有機(jī)配體分解，結(jié)構(gòu)發(fā)生坍塌。由以上結(jié)果可見(jiàn)，配合物1 及2 均表現(xiàn)出較好的熱穩(wěn)定性。

圖6 配合物1 的失重-差熱圖Fig.6 Thermogravimetric curves (DTG and TG) for complex 1

圖7 配合物2 的失重-差熱圖Fig.7 Thermogravimetric curves (DTG and TG) for complex 2

表5 配合物1 和2 催化溴代苯與丙烯酸的Heck 反應(yīng)Table 5 Effect of base, solvent and temperature on the complexes 1～2 catalyzed Heck reaction of bromobenzene with acrylic acid

2.4 抑菌活性研究

抑菌試驗(yàn)結(jié)果顯示：配體L1 對(duì)枯草桿菌、毛霉菌、根霉菌有中等強(qiáng)度的抑菌效果；配體L2 對(duì)金黃色葡萄球菌、 大腸桿菌有中等強(qiáng)度的抑菌效果，對(duì)枯草桿菌、毛霉菌、根霉菌有較強(qiáng)的抑菌效果；配合物1 對(duì)枯草桿菌、毛霉菌、根霉菌有中等強(qiáng)度的抑菌效果；配合物2 對(duì)金黃色葡萄球菌、大腸桿菌有中等強(qiáng)度的抑菌效果，對(duì)枯草桿菌、毛霉菌、根霉菌有較強(qiáng)的抑菌效果。從表4 可見(jiàn)，配合物的抑菌活性比相應(yīng)的配體強(qiáng)，且苯環(huán)上引入吸電子取代基，明顯提高其相應(yīng)配體及配合物的抑菌活性，如配體L2 及配合物2 的抑菌活性均比配體L1 及配合物1要強(qiáng)，這與已報(bào)道的相關(guān)文獻(xiàn)相吻合[6]。

2.5 配合物1 和2 催化溴代苯與丙烯酸的Heck反應(yīng)

由表5 結(jié)果可見(jiàn)，溫度對(duì)該反應(yīng)影響較小，最適宜的溫度為80 ℃； 而縛酸劑和有機(jī)溶劑對(duì)該反應(yīng)影響很大。DMF 是最佳的有機(jī)溶劑，而其他有機(jī)溶劑，如甲醇，乙腈或甲苯，均得到較低的產(chǎn)率。在使用的四種不同的縛酸劑中，三乙胺為該反應(yīng)的最佳縛酸劑，醋酸鈉，碳酸鉀和碳酸鈉對(duì)應(yīng)的產(chǎn)率均較低。其中氟化鉀作為縛酸劑后，沒(méi)檢測(cè)到有產(chǎn)物。此外，配合物2 的催化活性比1 的活性略低，可能歸于配合物2 配體上的苯環(huán)引入了吸電子取代基，增加了空間位阻效應(yīng)。后續(xù)研究我們將嘗試更多的縛酸劑和有機(jī)溶劑，同時(shí)適當(dāng)增加反應(yīng)溫度及延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間。

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