鉍配合物的合成與性能研究進(jìn)展*

陳 靜

（四川文理學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，四川達(dá)州 635000）

含碳-金屬鍵的有機(jī)金屬化合物近幾十年來(lái)發(fā)展迅速，在催化材料、制藥工業(yè)和環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用。研究者們通過(guò)對(duì)配體的設(shè)計(jì)合成以及修飾等方法，構(gòu)筑了具有特殊性能的不對(duì)稱有機(jī)金屬化合物［1-2］。主族元素有機(jī)化合物與過(guò)渡金屬有機(jī)化合物具有不同的化學(xué)性質(zhì)，VA族元素包括氮、磷、砷、銻和鉍，其中氮、磷是非金屬元素，砷是半金屬元素，銻、鉍是金屬元素。砷在自然界中以雄黃(As4S4)、雌黃(As2S3)、砷黃鐵礦等硫化物的形式存在，大多分布在湖南、四川等地。砷及其化合物在合金、半導(dǎo)體材料和醫(yī)藥領(lǐng)域有諸多應(yīng)用，如As2O3對(duì)早幼粒白血病有良好的治療效果［3］。近年來(lái)環(huán)保意識(shí)不斷增強(qiáng)，運(yùn)用在木材處理、殺蟲劑和顏料方面的砷類產(chǎn)品逐步被無(wú)毒綠色新產(chǎn)品取代。鉍位于穩(wěn)定元素區(qū)和放射性元素區(qū)的交界處，原子序數(shù)是83，最外層有2個(gè)s電子和3個(gè)P電子，具有金屬光澤，毒性低且環(huán)境友好［4］。與同族元素氮、磷、砷、銻相比較，鉍的電負(fù)性小而且原子半徑大，碳-鉍鍵容易發(fā)生斷裂，能夠作為中間體用于官能團(tuán)的轉(zhuǎn)換。

在自然界中鉍與鉛通常是共生礦，物理和化學(xué)性質(zhì)比較相似。鉍配合物價(jià)廉易得，主要使用在醫(yī)藥、低熔點(diǎn)合金、半導(dǎo)體材料以及催化劑等方面。鉍單質(zhì)的熔點(diǎn)為271℃，與鉛、錫合金在較低溫度范圍內(nèi)熔化，可用于自動(dòng)滅火裝置的接口以及機(jī)械加工的保險(xiǎn)絲。三氧化二鉍在電子工業(yè)領(lǐng)域可用于電子陶瓷的添加劑以及高溫超導(dǎo)材料。三甲基或三乙基鉍、銻可使用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法（MOCVD）制造半導(dǎo)體材料的薄膜［5］。鉍配合物可用于治療胃痛、腹瀉和腸道功能紊亂等疾病。例如次硝酸鉍、次碳酸鉍可用于內(nèi)服治療胃潰瘍、腸炎，外用于皮膚燒傷的消炎劑。枸櫞酸鉍鉀（C12H10BiK3O14）是治療胃潰瘍的藥物，它可以在胃液下水解，形成保護(hù)性的涂膜附著在潰瘍處，隔離胃液從而緩解疼痛感。將枸櫞酸鉍鉀與阿莫西林或甲硝唑聯(lián)合使用治療時(shí)可增加對(duì)幽門螺桿菌的根除率［6］。

1 有機(jī)鉍配合物的合成

有機(jī)鉍配合物的合成方法一般是溴苯或氯苯與鎂反應(yīng)得到格氏試劑，然后加入三氯化鉍或三溴化鉍制備［7］。例如三苯基鉍可以由格氏試劑苯基溴化鎂與三氯化鉍反應(yīng)制備［8］。溫運(yùn)明［9］等使用芳香鹵代烴與鎂、三氯化鉍即一鍋法合成三芳基鉍類配合物（圖1）。研究表明溴苯的反應(yīng)活性較氯苯強(qiáng)，合成產(chǎn)物的產(chǎn)率相對(duì)較高，碘苯的活性強(qiáng)但合成產(chǎn)物的產(chǎn)率低。當(dāng)使用2-甲基溴苯或4-甲基溴苯為原料時(shí)，甲基沒(méi)有顯示出明顯的空間位阻效應(yīng)和給電子效應(yīng)，合成產(chǎn)物的產(chǎn)率約為70%左右。當(dāng)2,4-二甲基溴苯或4-甲氧基溴苯為原料時(shí)，合成產(chǎn)物的產(chǎn)率約為50%左右，主要是甲氧基中的氧與鉍離子的配位作用影響了產(chǎn)物的產(chǎn)率。

圖1 一鍋法合成三芳基鉍Fig. 1 One-pot synthesis of triarylbismuth

由于格氏試劑反應(yīng)活性較強(qiáng)，含有氰基、酯基等吸電子基團(tuán)的有機(jī)鉍試劑不能采用這種方法合成?？梢允褂卯惐然V氯化鋰絡(luò)合物與3-溴苯腈或4-溴苯甲酸甲酯在低溫下反應(yīng)得到相應(yīng)的產(chǎn)物［10］（圖2）。

圖2 三芳基鉍的合成Fig. 2 Synthesis of triarylbismuth

2 有機(jī)鉍配合物的催化活性

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外的研究者們以配位化學(xué)原理為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)合成了結(jié)構(gòu)獨(dú)特的環(huán)狀及非環(huán)狀的鉍類配合物，并且從多方面研究了它們的性質(zhì)，探求其結(jié)構(gòu)和功效之間的關(guān)系。

鉍配合物可用于醇的氧化，例如鉍酸鈉(NaBiO3)在酸性溶液中氧化性增強(qiáng)，可以將+2價(jià)錳離子氧化為+7價(jià)的錳離子。在磷酸溶液中可以將1,2-鄰二醇開環(huán)氧化為1,6-己二醛。5價(jià)的有機(jī)鉍配合物(Ph3BiCl)2O、Ph3BiCO3容易還原為3價(jià)鉍配合物，利用這一特點(diǎn)可以在相對(duì)溫和的反應(yīng)條件下將醇氧化為醛或酮，得到的合成產(chǎn)物穩(wěn)定性好、產(chǎn)率高［11］。例如在二氯甲烷中三苯基碳酸鉍能夠使鄰二醇發(fā)生碳碳鍵的斷裂生成羰基化合物（圖3）。

圖3 醇的氧化Fig. 3 Alcohol oxidation

張淵明等［12］以三氯化鉍和三苯基膦為催化劑，在四氫呋喃中用溴代芳烴和烷烴對(duì)醛進(jìn)行芳基化和烷基化的Barbier-Grignard反應(yīng)。該合成方法可適用于不同結(jié)構(gòu)的芳香醛和脂肪醛以及溴代烴，反應(yīng)條件溫和、具有很強(qiáng)的實(shí)用性（圖4）。

圖4 溴代芳香烴和不同醛的反應(yīng)Fig. 4 The reactions of R1Br with different R2CHO

譚年元等［13］由三苯基二氯化鉍與全氟辛基磺酸鹽合成的三苯基鉍全氟辛基磺酸鹽催化劑具有耐水、抗氧化的特點(diǎn)，對(duì)芳胺與環(huán)氧化合物的開環(huán)反應(yīng)具有較好的催化效果，是有效制備β-氨基醇類化合物的簡(jiǎn)單方法（圖5）。他們認(rèn)為反應(yīng)機(jī)理是環(huán)氧化合物的氧與催化劑三苯基鉍全氟辛基磺酸鹽的鉍離子配位，使得與氧相鄰的碳上帶有正電荷，芳胺的氮上有孤對(duì)電子，它進(jìn)攻帶正電荷的碳得到合成產(chǎn)物。因此芳胺上的取代基對(duì)反應(yīng)產(chǎn)率具有較大的影響，當(dāng)取代基為給電子基時(shí)芳胺上氮的電子云密度增大，使其親核性增強(qiáng)，合成產(chǎn)物的產(chǎn)率較高；當(dāng)取代基為吸電子基時(shí)，芳胺的親核性減弱，從而使合成產(chǎn)物的產(chǎn)率降低。

圖5 環(huán)氧環(huán)己烷與苯胺的反應(yīng)Fig. 5 The reaction of cyclohexane oxide with aniline

3 有機(jī)鉍配合物的生物活性

有機(jī)鉍配合物的抗病毒及抗真菌活性與其分子結(jié)構(gòu)相關(guān)，改變配體種類能夠改變化合物的活性，其中含氮、氧、硫配位原子的多齒有機(jī)配體具有較強(qiáng)的生物活性。鐘國(guó)清等［14］介紹了含羧酸、醚類、酮類配體的多種鉍配合物的合成、晶體結(jié)構(gòu)以及鉍離子與配體的配位方式。其中多氨羧類配體通過(guò)氨基氮、羧基氧與金屬配位，形成五元環(huán)或六元環(huán)的螯合物，這類鉍配合物能夠在低溫下分解成相應(yīng)的氧化物。含乳酸、酒石酸、蘋果酸等鉍配合物在醫(yī)藥上對(duì)治療潰瘍與腸道紊亂等疾病具有特效作用。由于硫的電負(fù)性弱，原子半徑比同族的氧要大，當(dāng)羧酸中氧被硫取代形成如原磺酸、二硫代羧酸等取代羧酸時(shí)反應(yīng)更易進(jìn)行。這類鉍配合物可用于農(nóng)作物的殺菌劑及有機(jī)合成的催化劑。

席夫堿與金屬形成的配合物具有獨(dú)特的抗病毒和抑制細(xì)菌生長(zhǎng)的生物活性。其中含硫席夫堿為配體形成的配合物對(duì)幽門螺桿菌有一定的抑菌作用。氨基酸類席夫堿及其金屬配合物是超分子化學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容，具有抑菌和抗癌的活性。李強(qiáng)國(guó)等［15］合成席夫堿鉍(Ⅲ)配合物，并用微量熱法研究了席夫堿配體和鉍配合物對(duì)酵母細(xì)胞生長(zhǎng)代謝的抑制作用，結(jié)果表明鉍配合物的抑制作用比席夫堿的抑制作用強(qiáng)。他們［16］還使用鄰香草醛縮甘氨酸席夫堿、8-羥基喹啉、三氯化鉍合成分子式為Bi(C10H10NO4)(C9H6NO)2配合物并對(duì)其性質(zhì)與分子組成進(jìn)行了研究。分析測(cè)試顯示席夫堿酚羥基中的氧和碳氮雙鍵中的氮與鉍離子配位、8-羥基喹啉中的氮和氧與鉍離子配位形成五元螯環(huán)（圖6）。該配合物與牛血清蛋白在不同溫度下的相互作用能夠發(fā)生靜態(tài)熒光猝滅。

圖6 席夫堿鉍配合物Fig. 6 Bismuth Schiff base complex

Murafuji Toshihiro等［17］合成了一系列具有良好抑菌活性的環(huán)狀與非環(huán)狀有機(jī)鉍配合物（圖7），探討了不同結(jié)構(gòu)有機(jī)鉍配合物的親脂性或親水性對(duì)其生物活性的影響。由于鉍在水中的溶解度低，目前的研究通過(guò)改變配體種類增強(qiáng)配合物的活性，提高配合物的溶解性。

圖7 具有生物活性的有機(jī)鉍配合物Fig. 7 Organobismuth complexes with biological activity

Yagura Tatsuo等［18］使用1-［(2-iodophenyl)diazenyl］pyrrolidine(C10H12N3I)與n-BuLi在低溫下反應(yīng)制備中間體，然后與二對(duì)甲苯基氯化鉍反應(yīng)得到合成產(chǎn)物。由于產(chǎn)物C24H26N3Bi含有的二氮烯吡咯基團(tuán)的結(jié)構(gòu)，基團(tuán)中的氮對(duì)鉍離子有配位作用，具有較強(qiáng)的生物活性（圖8）。

圖8 有機(jī)鉍配合物的合成Fig. 8 Synthesis of organobismuth complexes

含有三氮烯結(jié)構(gòu)的化合物具有抗瘧活性，其化合物可以通過(guò)代謝途徑激活。研究表明將三氮類或雙氮氨基官能團(tuán)（-N=N-NR2）的結(jié)構(gòu)引入苯環(huán)并位于鉍離子的鄰位時(shí)，可以誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋零，降低腫瘤細(xì)胞的活性，對(duì)于腫瘤治療有一定的療效。合成產(chǎn)物對(duì)腫瘤細(xì)胞有較強(qiáng)的抗增殖阻礙作用，而且對(duì)急性早幼粒白血病細(xì)胞NB4的敏感性高，可以誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡和線粒體膜電位的損失。其中二氮烯吡咯基團(tuán)與鉍離子的配位作用是影響配合物生物活性的關(guān)鍵。配合物的晶體結(jié)構(gòu)顯示鉍離子與氮之間存在分子內(nèi)的相互作用，使Bi-N鍵的鍵長(zhǎng)變短。另一方面，具有相似結(jié)構(gòu)的有機(jī)銻配合物沒(méi)有顯示出較強(qiáng)的活性。而三-(甲苯基)鉍僅表現(xiàn)出較弱的生物活性，沒(méi)有誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡的作用。該研究對(duì)于使用金屬類配合物治療白血病有推動(dòng)作用。由于有機(jī)鉍配合物的活性比反應(yīng)底物要強(qiáng)，引入特定的官能團(tuán)能夠增加配合物的活性，在藥物治療腫瘤和其他方面要更有效果，為今后有機(jī)鉍配合物的設(shè)計(jì)指明了方向。目前為止，有機(jī)鉍配合物在細(xì)胞中的作用機(jī)制沒(méi)有完全清楚。

4 結(jié)論與展望

由于主族金屬元素的特殊性，人們對(duì)其配合物的合成與性質(zhì)研究相對(duì)較少。目前的研究工作揭示了不同配體與鉍離子的相互作用對(duì)配合物的催化活性、選擇性及穩(wěn)定性的關(guān)系。鉍配合物用途廣泛，特別是部分配合物具有抗癌和殺菌等生物活性。隨著綠色化學(xué)的發(fā)展和對(duì)鉍配合物研究的不斷深入，期待開發(fā)更多的高活性和高選擇性的新型鉍類配合物，推動(dòng)其在各方面的發(fā)展和應(yīng)用。