王瑩瑩，王秋月，劉為鑄，花爾并

(天津科技大學(xué)生物工程學(xué)院，天津 300457)

含N、O配體的合成及其相關(guān)配合物的表征分析

王瑩瑩，王秋月，劉為鑄，花爾并

(天津科技大學(xué)生物工程學(xué)院，天津 300457)

根據(jù)橋聯(lián)配體的特性，通過中間體二(2–吡啶甲基)胺(DPA)的合成，設(shè)計并合成3個含N、O的配體，分別是：三(2–吡啶甲基)胺(TPA)、二(2–吡啶甲基)(6–氯甲基–2–吡啶甲基)胺(TPA-Cl)、N–苯甲酰–2–甲苯羥胺(BOTHAH)．合成DPA和TPA時，采用醛胺縮合形成席夫堿并進(jìn)行還原，即“一鍋法”．再以2，6–吡啶二甲酸為原料通過酯化、還原、氯變、取代反應(yīng)合成2，6–二氯甲基吡啶，與DPA反應(yīng)生成TPA的衍生物．同時，以2–硝基甲苯為原料，通過鋅粉還原生成2–甲苯羥胺，2–甲苯羥胺與苯甲酰氯發(fā)生?；磻?yīng)，合成異羥肟酸型的N、O配體BOTHAH．并用1H,NMR分別對DPA、TPA、TPA-Cl、BOTHAH配體進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征分析，采用紅外吸收光譜表征相關(guān)過渡金屬配合物的結(jié)構(gòu)．

N、O配體；合成；鐵、錳配合物

配合物作為催化劑具有可反復(fù)使用和反應(yīng)過程中只生成水和二氧化碳的特點，這些特點使配位化合物在有機(jī)合成中應(yīng)用的范圍愈加廣泛．N原子電負(fù)性居中，可形成內(nèi)軌配合物和外軌配合物，因此設(shè)計配體時通常引入具有較強(qiáng)配位能力的羧酸和吡啶基團(tuán)，即含有N、O的橋聯(lián)配體[1]．含2個或3個吡啶環(huán)的二(2–吡啶甲基)胺(DPA)或三(2–吡啶甲基)胺 (TPA)，具有良好的配位能力，能與大多數(shù)過渡金屬形成穩(wěn)定的配合物，因而被廣泛用于對含鐵、銅、錳等的生物酶進(jìn)行結(jié)構(gòu)和功能的模擬[2]．但對其吡啶環(huán)上的官能團(tuán)進(jìn)行改造形成的衍生物配體的研究甚少．另外，以異羥肟酸衍生物為配體的三價錳配合物對烯烴具有環(huán)氧化作用[3]，本文也嘗試了異羥肟酸類配體的合成．本文合成包括中間體DPA的2類配體：TPA類和N–苯甲酰–2–甲苯羥胺(BOTHAH)異羥肟酸類．先通過還原氨合成DPA和TPA，以DPA為原料設(shè)計合成由氯甲基取代的二(2–吡啶甲基)(6–氯甲基–2–吡啶甲基)胺(TPA-Cl)配體．得到一條成本低、工藝簡單的合成路線．并通過酰化反應(yīng)合成異羥肟酸類配體BOTHAH．其中對TPA鐵配合物、BOTHAH錳配合物進(jìn)行紅外光譜表征．為這些配合物的催化活性的研究提供物質(zhì)基礎(chǔ)．

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

吡啶–2–甲醛、2，6–吡啶二甲酸、2–氨甲基吡啶、2–硝基甲苯，化學(xué)純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；苯甲酰氯、鋅粉、鐵粉、無水甲醇、二氯甲烷(DCM)、乙酸乙酯(EA)、氫氧化鈉、鹽酸、硼氫化鈉、三乙酰氧基硼氫化鈉、三氟甲磺酸、二氯亞砜、乙腈、乙醚、無水硫酸鈉、氯化銨、碳酸氫鈉、氯化鈉、碳酸鈉、四水合醋酸錳，化學(xué)純，市售．

DF–101S型集熱式磁力攪拌器，河南予華儀器有限公司；85–2型恒溫磁力攪拌器，上海梅穎浦公司；DMX–400MHz型核磁共振儀，德國Bruker公司．

1.2 合成過程

DPA、TPA以及TPA衍生物的合成路線如圖1所示．BOTHAH的合成路線如圖2所示．兩個配合物的合成路線如圖3所示．

圖1 DPA、TPA及衍生物的合成路線Fig. 1 The route to synthesize DPA，TPA and its analogues

圖2 BOTHAH的合成路線Fig. 2 The route to synthesize of BOTHAH

圖3 兩個配合物的合成路線Fig. 3 The route to synthesize two coordination complexes

1.2.1 DPA的合成[4]

加入5.6g(52.3mmol)吡啶–2–甲醛于50mL無水甲醇中，邊攪拌邊滴加5.7g(52.8mmol)2–氨甲基吡啶，室溫攪拌1h，分批加入2.28g(60mmol)硼氫化鈉，室溫攪拌過夜．旋干溶劑，加入適量蒸餾水，用稀鹽酸調(diào)pH＝4，二氯甲烷萃取雜質(zhì)，萃取至薄層色譜(TLC)檢測有機(jī)相無雜質(zhì)點為止．用質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%碳酸鈉溶液調(diào)節(jié)pH＝10，二氯甲烷萃取4遍，旋轉(zhuǎn)蒸除溶劑，得淡黃色油狀物，硅膠柱純化(V(二氯甲烷)∶V(甲醇)＝5∶100)，得到淡黃色油狀液體(DPA)5.2g，產(chǎn)率49.9%．

1.2.2 TPA的合成

將5.4g(0.05mol)2–氨甲基吡啶溶于75mL干燥的二氯甲烷中，加入31.2g(0.147mol)三乙酰氧基硼氫化鈉，攪拌均勻，再加入11.3g(0.105mol)吡啶–2–甲醛，室溫攪拌超過18h后，用飽和碳酸氫鈉溶液淬滅反應(yīng)，分液，旋干有機(jī)相得淺綠色固體，石油醚重結(jié)晶得白色針狀晶體(TPA)10.9g，產(chǎn)率75.2%．

1.2.3 TPA衍生物的合成

取100mL甲醇作為溶劑，稱取10g(0.06mol) 2，6–吡啶二甲酸，加入5mL濃硫酸，80℃回流7h，TLC檢測，原料全部轉(zhuǎn)化為酯，放入4℃冰箱靜置過夜，析出2，6–吡啶二甲酸甲酯白色晶體，得純品10.68g，產(chǎn)率為91.4%．

稱取10g(0.05mol)2，6–吡啶二甲酸甲酯溶于200mL無水乙醇中，分批加入8.87g(0.23mol)硼氫化鈉，60℃加熱回流過夜，蒸除溶劑，加入適量質(zhì)量分?jǐn)?shù)25% Na2,CO3溶液回流1h，蒸除溶劑，所得固體用索氏提取器在乙酸乙酯中連續(xù)萃取24h，即可得到2，6–二羥甲基吡啶白色晶體7g，產(chǎn)率為98.2%．

稱取5g(0.036mol)2，6–二羥甲基吡啶懸浮于適量干燥的二氯甲烷中，在冰浴下滴加適量二氯亞砜．滴加完畢后，升溫回流3h，TLC檢測反應(yīng)結(jié)束，減壓蒸餾除去二氯甲烷和過量二氯亞砜．得到2，6–二氯甲基吡啶蒼白色固體6.5g，可直接用于下一步反應(yīng)，產(chǎn)率約為100%．

1.2.4 TPA-Cl的合成

分別稱取1.8g(10mmol)2，6–二氯甲基吡啶、1g(5mmol)N，N′–二(2–吡啶甲基)胺溶于50mL乙腈中，加入3g無水碳酸鈉，加熱回流3h，TLC檢測反應(yīng)結(jié)束，冷卻，抽濾．蒸除溶劑得紅棕色油狀物，硅膠柱分離純化(V(二氯甲烷)∶V(甲醇)＝5∶100)，得到深棕色固體0.53g，產(chǎn)率31.2%．．

1.2.5 BOTHAH的合成

取100mL蒸餾水置于三口瓶中，加入5g氯化銨和10g(0.073mol)2–硝基甲苯，開動攪拌器，升溫至60℃，分批慢慢加入1.13g鋅粉，攪拌20min．趁熱抽濾，濾液用二氯甲烷萃取4遍，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)溶劑，得淡黃色液體2–甲苯羥胺4.7g，產(chǎn)率52.4%．

將3g(0.024mol)2–甲苯羥胺溶于100mL熱蒸餾水，加入1g碳酸氫鈉．邊攪拌邊滴加4.5g (0.032 mol)苯甲酰氯，在滴加過程中，將另外2g碳酸氫鈉分多次加入反應(yīng)液，使反應(yīng)液始終保持堿性．滴加完畢后持續(xù)攪拌1.5h．過濾，所得固體上硅膠柱分離(V(乙酸乙酯)∶V(石油醚)＝1∶20)，得白色羽毛狀固體0.95g，產(chǎn)率17.1%．

1.2.6 TPA鐵配合物的合成[5–6]

將過量的鐵粉加入到體積分?jǐn)?shù)50%的三氟甲磺酸水溶液中，加熱回流至溶液pH＝3，冷卻至室溫，加入適量的蒸餾水，過濾除去未反應(yīng)的金屬鐵，減壓蒸餾得淺綠色三氟甲磺酸亞鐵(Fe(OTf)2)固體．

稱取244mg(0.69mmol)Fe(OTf)2溶于5mL乙腈中，稱取200mg(0.69mmol)TPA溶于2mL乙腈中，將二者混合并在室溫下攪拌30min，過濾后得紅色溶液，加適量乙醚得深紅色固體210mg，產(chǎn)率42.0%．

1.2.7 BOTHAH錳配合物的合成

稱取550mg(2.42mmol)N–苯甲酰–2–甲苯羥胺溶于5mL甲醇中，稱取150mg(0.61mmol)四水合醋酸錳溶于1mL甲醇中，將后者逐滴滴入前者，室溫攪拌30min后過濾，濾液持續(xù)攪拌2h，加入適量乙醚后靜置過夜，析出淡紫色針狀沉淀330mg，產(chǎn)率55.8%．

2 結(jié)果與討論

2.1 表征結(jié)果

2.1.1 中間體DPA

DPA的核磁共振氫譜如圖4所示．

圖4 DPA的1H NMR譜圖Fig. 41H NMR spectrum of DPA

2.1.2 配體TPA、TPA-Cl、BOTHAH

TPA的核磁共振氫譜如圖5所示．

圖5 TPA的1H NMR譜圖Fig. 51H NMR spectrum of TPA

TPA-Cl的核磁共振氫譜如圖6所示．

圖6 TPA-Cl的1H NMR譜圖Fig. 61H NMR spectrum of TPA-Cl

BOTHAH的核磁共振氫譜如圖7所示．

圖7 BOTHAH的1H NMR譜圖Fig. 71H NMR spectrum of BOTHAH

2.1.3 [(TPA)Fe(MeCN)2](OTf)2、[MnIII(BOTHA)3]

[(TPA)Fe(MeCN)2](OTf)2的紅外光譜譜圖如圖8所示，核磁共振氟譜如圖9所示．

圖8 [(TPA)Fe(MeCN)2](OTf)2的IR譜圖Fig. 8 IR spectrum of [(TPA)Fe(MeCN)2](OTf)2

圖9 [(TPA)Fe(MeCN)2](OTf)2的19F NMR譜圖Fig. 919F NMR spectrum of [(TPA)Fe(MeCN)2](OTf)2

圖8主要表現(xiàn)為芳香環(huán)和脂肪烴的伸縮、彎曲振動吸收．3,077cm?1處有C—H的伸縮振動峰，2,956cm?1附近有CH2的振動峰，且在1,608cm?1處有吡啶環(huán)的骨架振動峰，說明該化合物中含有TPA配體．

由圖9可知，該配合物的氟原子在δ＝?79.12處有吸收峰，說明氟原子位于三氟甲磺酸基中．結(jié)合配合物的紅外光譜，證明Fe離子與TPA配位形成了以O(shè)Tf基為配離子的配合物．

[MnIII(BOTHA)3]的紅外光譜譜圖如圖10所示．由圖10可知：[MnIII(BOTHA)3]配合物在1,579cm?1附近出現(xiàn)了C＝O的伸縮振動峰，且在1,523cm?1和1,162cm?1處分別出現(xiàn)了N—O和C—N伸縮振動峰，說明此化合物中存在酰胺鍵，證明了配體BOTHAH的存在，但3,600～3,500cm?1處出現(xiàn)了較寬的弱吸收峰，說明BOTHAH中的酚羥基與金屬離子發(fā)生了配位，氫質(zhì)子脫除，形成了配合物.

圖10 [MnⅢ(BOTHA)3]的IR譜圖Fig. 10 IR spectrum of [MnⅢ(BOTHA)3]

2.2 分析討論

本文的關(guān)鍵在于合成了3個含N、O元素的配體．對于中間體DPA的合成，合成過程中吡啶–2–甲醛和2–氨甲基吡啶反應(yīng)并不完全，因此用稀鹽酸先將pH調(diào)為4，使生成的二(2–甲基吡啶)胺成鹽，再將反應(yīng)液中的一些雜質(zhì)去除，如采用硼氫化鈉將未反應(yīng)完全的吡啶–2–甲醛還原成為吡啶–2–甲醇，并用二氯甲烷萃取，經(jīng)硅膠柱純化后可得到比較純凈的產(chǎn)物．TPA的合成采用的是三乙酰氧基硼氫化鈉，因為其中的3個乙酰氧基的吸電子誘導(dǎo)效應(yīng)可以削弱硼氫鍵的活性，使三乙酰氧基只選擇性地還原吡啶–2–甲醛和2–氨甲基吡啶生成的席夫堿．實驗證明用二氯甲烷作為反應(yīng)的溶劑可有效提高產(chǎn)率并縮短反應(yīng)時間．

TPA-Cl配體的合成，需要由2，6–二氯甲基吡啶和DPA反應(yīng)得到．對于2，6–二氯甲基吡啶的合成文獻(xiàn)[2]采用2，6–二甲基吡啶為原料，本文則直接采用2，6–吡啶二甲酸為原料，用甲醇作為溶劑取代生成酯，質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的濃硫酸進(jìn)行催化，反應(yīng)完畢后只需將反應(yīng)液于4℃冰箱內(nèi)低溫靜置，此路線操作簡單，后處理容易，產(chǎn)率高達(dá)91.5%．當(dāng)DPA和2，6–氯甲基吡啶反應(yīng)時，因為2，6–氯甲基吡啶上的2個氯極易與二(2–甲基吡啶)胺發(fā)生雙取代反應(yīng)，從而造成分離困難，得不到純凈的產(chǎn)物，故反應(yīng)時間不宜過長．

在合成N–苯甲酰–2–甲苯羥胺的過程中，2–甲苯羥胺中不僅N原子能與苯甲酰氯的Cl原子發(fā)生親核取代反應(yīng)，羥基上的H原子也可與苯甲酰氯發(fā)生反應(yīng)生成雙取代產(chǎn)物，且該副產(chǎn)物的極性與N–苯甲酰–2–甲苯羥胺的極性極為接近，導(dǎo)致最后的分離時間較長．

在鐵、錳配合物的合成中發(fā)現(xiàn)，BOTHAH與金屬錳合成配合物的產(chǎn)率較高．TPA和TPA-Cl由于取代基的引入具有不同的反應(yīng)活性．這可能是由于取代基團(tuán)的定位效應(yīng)以及對吡啶環(huán)的活化或鈍化作用導(dǎo)致的．

3 結(jié) 論

以吡啶–2–甲醛、2–氨甲基吡啶為原料合成了DPA和TPA，并在DPA的基礎(chǔ)上以2，6–吡啶二甲酸為原料經(jīng)過一系列酯化、還原、氯變、取代等反應(yīng)，在TPA的α 位引入了氯甲基官能團(tuán)，以便改善TPA的配位能力．同時，還以其中2種配體為底物，與鐵、錳2種元素合成鐵、錳配合物，這些配合物將為它們在催化有機(jī)反應(yīng)(如將甲基氧化為醛基)以及在生物、材料方面的應(yīng)用和性質(zhì)研究奠定基礎(chǔ)．

［1］ 張美善. 含N、O配體及其過渡金屬配合物的合成、表征及性質(zhì)研究[D]. 吉林：延邊大學(xué)，2008.

［2］ 高云玲. 三(2–吡啶甲基)胺衍生物過渡金屬配合物的合成及結(jié)構(gòu)表征[D]. 大連：大連理工大學(xué)，2005.

［3］ Sahana S，Jana T K，Bhattacharyya R. Electronic versus steric control in manganese-hydroxamate chemistry：Synthesis and characterization of Mn(II)and Mn(III)-hydroxamate complexes and catalytic epoxidation of olefins using the Mn(III)complexes as catalyst and H2O2as terminal oxidant[J]. Comptes Rendus Chimie，2005，8(6/7)：1190–1121.

［4］ Wong Y L，Mak C Y，Kwan H S，et al. Mononuclear iron(III)complexes supported by tripodal N3O ligands：Synthesis，structure and reactivity towards DNA cleavage[J]. Inorganica Chimica Acta，2010，363(6)：1246–1253.

［5］ Ward A L，Elbaz L，Kerr J B，et al. Nonprecious metal catalysts for fuel cell applications：Electrochemical dioxygen activation by a series of first row transition metal tris(2-pyridylmethyl)amine complexes[J]. Inorganic Chemistry，2012，51(8)：4694–4706.

［6］ Britovsek G J P，England J，White A J P. Non-heme iron(II)complexes containing tripodal tetradentate nitrogen ligands and their application in alkane oxidation catalysis[J]. Inorganic Chemistry，2005，44(22)：8125–8134.

責(zé)任編輯：周建軍

Synthesis of N，O Ligands and the Structure Characterization of its Complex

WANG Yingying，WANG Qiuyue，LIU Weizhu，HUA Erbing
(College of Biotechnology，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300457，China)

According to the characteristics of bridging ligands，three ligands were synthesized，which are 1-(pyridine-2-yl)-N，N-bis(pyridine-2-ylmethyl)methanamine(TPA)，[6-(chloromethyl)pyridine-2-yl]-N，N-bis(pyridine-2-ylmethyl)methanamine(TPA-Cl) and N-benzoyl-o-tolyl hydroxylamine(BOTHAH)，including one intermediate，bis(pyridine-2-ylmethyl) amine(DPA). Bis(pyridine-2-ylmethyl)amine(DPA)and TPA were synthesized with “one-pot reaction” through aminealdehyde condensation to form the Schiff base first and then followed by reduction. The new TPA derivatives are based on DPA and pyridine，2，6-(dichloromethyl)which is synthetized from 2，6-Pyridinedicarboxylic acid by esterification，reduction and substitution reactions. In addition，BOTHAH，another hydroxamic acid ligand of N，O elements，was also synthetized. The structures of the compounds were characterized with1H NMR and the structures of the coordination complex were analysed with IR.

N，O ligands；synthetize；Fe，Mn coordination complex

O621.3

A

1672-6510(2014)01-0020-05

10.13364/j.issn.1672-6510.2014.01.005

2013–08–26；

2013–10–13

國家自然科學(xué)基金資助項目(81072521)；天津科技大學(xué)人才引進(jìn)科研啟動基金資助項目(20091204)

王瑩瑩（1988—），女，黑龍江人，碩士研究生；通信作者：花爾并，教授，huarb@tust.edu.cn.