成 昭

(西安醫(yī)學(xué)院藥學(xué)院，陜西 西安 710021)

多齒配體借助其分子中的多位點(diǎn)結(jié)構(gòu)形成包合空腔，通過(guò)多個(gè)配位鍵連接目標(biāo)物，從而將目標(biāo)物包合于配體空腔中，得到配體-目標(biāo)物所形成的具有籠狀螯合結(jié)構(gòu)的配位化合物。此外，多齒配體經(jīng)結(jié)構(gòu)修飾后，常作為受體引入到對(duì)目標(biāo)物具有特異性識(shí)別作用的探針結(jié)構(gòu)中。乙二胺四乙酸(EDTA)是一種廣泛使用的金屬離子配體，分子中的多羧酸位點(diǎn)形成的包合空腔能夠容納多種金屬離子?；贓DTA進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾，得到的新型配體分子二(β-氨基乙基)乙二醇醚-N,N,N′,N′-四乙酸以及1,2-二(2-氨基苯氧基)乙烷-N,N,N′,N′-四乙酸[1-3]等，保留了EDTA分子中的多羧酸位點(diǎn)與籠狀包合空腔，且實(shí)現(xiàn)了對(duì)分子內(nèi)包合空腔尺寸與其對(duì)目標(biāo)物的包合強(qiáng)度調(diào)控，能夠完成對(duì)目標(biāo)物的特異性配位與包合作用[4-5]，進(jìn)一步解釋了配體與目標(biāo)物在分子水平的結(jié)合機(jī)制。多齒配體的定向結(jié)構(gòu)構(gòu)筑與合成優(yōu)化研究，仍是多學(xué)科領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

芳香胺類(lèi)配體，因其氨基與芳香環(huán)直接相連，通常表現(xiàn)為較小的pKa值[6]，一定程度上避免了氨基酸解離的影響，相比于脂肪族胺，更適用于生理pH值條件下目標(biāo)物的分析與測(cè)定，因而在生物學(xué)領(lǐng)域的目標(biāo)物識(shí)別中得到廣泛研究[7-9]。作者分別以鄰硝基酚、鄰苯二胺為起始原料，通過(guò)取代反應(yīng)，以柔性四羧酸鏈分別替換1,2-二(2-氨基苯氧基)乙烷、鄰苯二胺分子中的氨基氫原子得到以芳香胺為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的兩種新型氨基四齒配體1,2-二(2-氨基苯氧基)乙烷-N,N,N′,N′-四乙酸甲酯(Ⅳ)與1-N,N-2-N′,N′-四乙酸甲酯基-1,2-二氨基苯(Ⅴ)。配體Ⅳ與Ⅴ分子中的柔性羧酸鏈四齒配位結(jié)構(gòu)，能使配體Ⅳ、Ⅴ在與目標(biāo)物的配位過(guò)程中構(gòu)筑有效的包合空腔，為闡明多齒配體進(jìn)行目標(biāo)物識(shí)別的可能作用機(jī)制提供研究基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑與儀器

1-溴-2-氯乙烷、鄰硝基酚、二異丙基乙胺、溴乙酸甲酯、三氯氧磷、鄰苯二胺，化學(xué)純，上海阿拉丁生化科技公司；N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、乙酸乙酯、甲醇、無(wú)水乙醇、乙腈、正己烷、還原鐵粉、無(wú)水碳酸鉀、氫氧化鉀、氫氧化鈉、濃鹽酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)37%)、濃硫酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%)，化學(xué)純，天津科密歐化學(xué)試劑有限公司。

XT-4型顯微熔點(diǎn)儀，北京泰克科技有限公司；TENSOR T-27型紅外分光光度計(jì)、AVANCE Ⅲ 400 MHz型超導(dǎo)核磁共振波譜儀、microTOF-QⅡ型電噴霧-四極桿-飛行時(shí)間串聯(lián)質(zhì)聯(lián)儀(ESI-Q-TOF LC/MS/MS)、Smart APEX Ⅱ CCD型X-射線單晶衍射儀，美國(guó)布魯克科技有限公司。

1.2 1,2-二(2-氨基苯氧基)乙烷-N,N,N′,N′-四乙酸甲酯(Ⅳ)的合成

以鄰硝基酚為起始原料，經(jīng)乙氧基橋連、硝基還原，再進(jìn)行氨基氫原子取代，在1,2-二(2-氨基苯氧基)乙烷(Ⅲ)結(jié)構(gòu)中引入柔性四羧酸鏈，合成目標(biāo)物氨基四齒配體，即1,2-二(2-氨基苯氧基)乙烷-N,N,N′,N′-四乙酸甲酯(Ⅳ)，合成路線見(jiàn)圖1。

圖1 1,2-二(2-氨基苯氧基)乙烷-N,N,N′,N′-四乙酸甲酯(Ⅳ)的合成路線

1.2.1 2-(2-氯乙氧基)-硝基苯(Ⅰ)的合成

將鄰硝基酚(1.39 g，0.01 mol)、1-溴-2-氯乙烷(4.30 g，0.03 mol)與無(wú)水碳酸鉀(2.07 g，0.015 mol)均勻混合于DMF(8 mL)中，120 ℃反應(yīng)5 h；冷卻后加入20 mL乙酸乙酯，水洗(10 mL)3次，旋干，以甲醇-水重結(jié)晶，得到黃色固體化合物Ⅰ，產(chǎn)率93%，熔點(diǎn)36～37 ℃。1HNMR(CDCl3，400 MHz)，δ：7.85(d，J=8 Hz,1H,Ar-H)，7.53～7.57(m,1H，Ar-H)，7.04～7.23(m,2H,Ar-H)，4.40(t,J=12 Hz,2H,-CH2O-)，3.86(t,J=12 Hz,2H,-CH2Cl)。IR(KBr)，ν，cm-1：2 972.34，2 926.51，2 875.20(νC-H)；1 608.27，1 484.98(νC=C)；1 522.27，1 343.29(ν-NO2)；1 247.30，1 026.00(νC-O-C)；745.61，667.76(δ=C-H)。

1.2.2 1,2-二(2-硝基苯氧基)乙烷(Ⅱ)的合成

將化合物Ⅰ(2.01 g，0.01 mol)、鄰硝基酚(1.39 g，0.01 mol)與無(wú)水碳酸鉀(2.50 g，0.018 mol)均勻混合于DMF(10 mL)中，140 ℃反應(yīng)4 h；冷卻后加入20 mL冰水，抽濾，水洗(10 mL)3次，以甲醇-水重結(jié)晶，得到黃色固體化合物Ⅱ，產(chǎn)率95%，熔點(diǎn)168～169 ℃。1HNMR(CDCl3，400 MHz)，δ：7.83(d,J=8 Hz，2H，Ar-H)，7.57(t，J=8 Hz，2H，Ar-H)，7.24(t，J=8 Hz，2H，Ar-H)，7.08(t，J=8 Hz，2H，Ar-H)，4.54(s，4H，-OCH2CH2O-)。IR(KBr)，ν，cm-1：3 051.66(ν=C-H)；2 956.13，2 931.93，2 873.61，2 760.34(νC-H)；1 606.92，1 582.83，1 484.65(νC=C)；1 518.56，1 359.96(ν-NO2)；1 278.08，1 090.66(νC-O)；744.19，671.99(δ=C-H)。

1.2.3 1,2-二(2-氨基苯氧基)乙烷(Ⅲ)的合成

將濃鹽酸(0.2 mL)與還原鐵粉(3.36 g，0.06 mol)均勻混合于無(wú)水乙醇(10 mL)中，80 ℃反應(yīng)30 min，再向其中分批加入化合物Ⅱ(3.04 g，0.01 mol)，80 ℃反應(yīng)4 h；趁熱加入15%KOH-乙醇溶液至pH=7～8，濾除鐵粉，濾液中加入6 mol·L-1硫酸，將所得白色硫酸鹽沉淀溶于熱水，加入飽和NaOH溶液至pH=9～10，抽濾，固體以甲醇重結(jié)晶，得到白色固體化合物Ⅲ，產(chǎn)率88%，熔點(diǎn)116～117 ℃。1HNMR(CDCl3，400 MHz)，δ：6.91～7.05(m，8H，Ar-H)，4.36(s，4H,-OCH2CH2O-)，3.82(s，4H，2×-NH2)。IR(KBr)，ν，cm-1：3 432.36，3 355.57(νN-H)；3 059.23(ν=C-H)；2 934.32(νC-H)；1 612.32，1 507.94(νC=C)；1 276.75，1 217.40(νC-O)；941.92，739.95(δ=C-H)。

1.2.4 1,2-二(2-氨基苯氧基)乙烷-N,N,N′,N′-四乙酸甲酯(Ⅳ)的合成

將化合物Ⅲ(2.44 g，0.01 mol)、二異丙基乙胺(6 mL，0.05 mol)與溴乙酸甲酯(3 mL，0.05 mol)均勻混合于乙腈(10 mL)中，80 ℃反應(yīng)12 h；冷卻后加入20 mL乙酸乙酯，抽濾，濾液旋干，加入少量甲醇攪拌4 h，抽濾，甲醇重結(jié)晶，得到白色固體化合物Ⅳ，產(chǎn)率87%，熔點(diǎn)94～95 ℃。1HNMR(CDCl3，400 MHz)，δ：6.82～6.89(m，8H，Ar-H)，4.27(s，4H,-OCH2CH2O-)，4.15(s，8H，4×-CH2-)，3.56(s，12H，4×-CH3)。IR(KBr)，ν，cm-1：3 067.78(ν=C-H)；2 993.00，2 951.29，2 921.02，2 888.20(νC-H)；1 748.17(νC=O)；1 596.85，1 509.53(νC=C)；1 173.12(νC-O)；742.49，706.25(ν=C-H)。ESI-MS，m/z：533.240 7[M+H]+。

1.3 1-N,N-2-N′,N′-四乙酸甲酯基-1,2-二氨基苯(Ⅴ)的合成

將鄰苯二胺分子中的氨基氫原子進(jìn)行取代，引入柔性四羧酸鏈，合成目標(biāo)物氨基四齒配體，即1-N,N-2-N′,N′-四乙酸甲酯基-1,2-二氨基苯(Ⅴ)，合成路線見(jiàn)圖2。

圖2 1-N,N-2-N′,N′-四乙酸甲酯基-1,2-二氨基苯(Ⅴ)的合成路線

將鄰苯二胺(1.08 g，0.01 mol)、二異丙基乙胺(17.4 mL，0.1 mol)與溴乙酸甲酯(9.4 mL，0.1 mol)均勻混合于乙腈(25 mL)中，80 ℃反應(yīng)12 h；冷卻后加入100 mL冰水，二氯甲烷(100 mL)萃取3次，無(wú)水硫酸鈉干燥后旋干溶劑，柱分離(體積比1∶3的乙酸乙酯-正己烷作洗脫劑)，得到白色固體化合物Ⅴ，產(chǎn)率89%，熔點(diǎn)135～136 ℃。1HNMR(CDCl3，400 MHz)，δ：7.05～7.09(m,2H,Ar-H)，6.92～6.98(m，2H，Ar-H)，4.32(s，8H，4×-CH2-)，3.66(s，12H，4×-CH3)。IR(KBr)，ν，cm-1：2 954.99(νC-H)；1 737.74(νC=O)；1 595.73，1 498.15(νC=C)；1 206.20(νC-O)；768.23(δ=C-H)。ESI-MS，m/z：419.142 0[M+Na]+。

1.4 中間體及目標(biāo)物的表征

紅外光譜分析：KBr壓片，波數(shù)范圍4 000～400 cm-1。

1HNMR分析：四甲基硅烷為內(nèi)標(biāo)，CDCl3為溶劑，分辨率400 MHz。

單晶衍射分析：296(2)K，MoΚα射線(0.710 73 ?)、ω掃描，收集衍射數(shù)據(jù)，確定晶胞參數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)構(gòu)表征

經(jīng)IR、1HNMR測(cè)試，合成中間體的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)表征數(shù)據(jù)均符合預(yù)期。

由化合物Ⅳ、Ⅴ的IR數(shù)據(jù)可知，引入的官能團(tuán)羰基、醚基等均在圖譜中出現(xiàn)特征吸收峰；分子結(jié)構(gòu)中特征氫的位移均能由1HNMR進(jìn)行歸屬；理論分子量與ESI-MS測(cè)試數(shù)值相符，化合物Ⅳ、Ⅴ的結(jié)構(gòu)均符合預(yù)期設(shè)計(jì)。

2.2 化合物Ⅳ的單晶結(jié)構(gòu)

化合物Ⅳ為無(wú)色塊狀晶體(0.36 mm×0.29 mm×0.14 mm)，以揮發(fā)法從乙酸乙酯-二氯甲烷(體積比3∶1)混合溶劑體系中得到。晶體結(jié)構(gòu)采用SHELXS-97[10]程序以直接法解出(θ=1.60°～25.10°)，晶體結(jié)構(gòu)精修采用SHELXL-97[11]程序，化合物Ⅳ的分子結(jié)構(gòu)與晶體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3，晶體學(xué)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

圖3 化合物Ⅳ的分子結(jié)構(gòu)(a)與晶體結(jié)構(gòu)(b)

表1 化合物Ⅳ、Ⅴ的晶體學(xué)數(shù)據(jù)

化合物Ⅳ的部分鍵長(zhǎng)、鍵角和扭轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 化合物Ⅳ的部分鍵長(zhǎng)、鍵角和扭轉(zhuǎn)角

化合物Ⅳ分子中，C7-C12與C15-C20所在的兩個(gè)苯環(huán)平面，在空間中近于垂直。從表2可知，扭轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)O(5)-C(13)-C(14)-O(6)75.7(3)°表明，橋連苯環(huán)的柔性醚氧鍵扭轉(zhuǎn)角也呈現(xiàn)近乎垂直的排布。此外，扭轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)N(1)-C(7)-C(12)-O(5)1.5(4)°與O(6)-C(15)-C(20)-N(2)2.1(4)°表明，橋連兩個(gè)苯環(huán)的醚氧原子O(5)/O(6)、叔氮原子N(1)/N(2)與其相連的苯環(huán)共平面。分布于兩個(gè)氨基氮原子上的4條柔性羧酸鏈空間相距較遠(yuǎn)，而分子內(nèi)氫鍵(表3)使距離橋連醚鍵較近的兩條羧酸鏈在空間上相互靠近、借助與鄰近氫的作用形成包合空腔[12-14]。由于分子內(nèi)的弱作用力較為簡(jiǎn)單，所以1,2-二(2-氨基苯氧基)乙烷-N,N,N′,N′-四乙酸甲酯(Ⅳ)的空間排布比較工整，晶體堆積沒(méi)有呈現(xiàn)出明顯的特點(diǎn)[15-16]。

表3 化合物Ⅳ氫鍵的幾何性質(zhì)

2.3 化合物Ⅴ的單晶結(jié)構(gòu)

化合物Ⅴ為無(wú)色塊狀晶體(0.37 mm×0.31 mm×0.25 mm)，以揮發(fā)法從乙酸乙酯-二氯甲烷(體積比3∶1)混合溶劑體系中得到。晶體結(jié)構(gòu)采用SHELXS-97[10]程序以直接法解出(θ=1.17°～25.10°)，晶體結(jié)構(gòu)精修采用SHELXL-97[11]程序，化合物Ⅴ的分子結(jié)構(gòu)與晶體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4，晶體學(xué)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

圖4 化合物Ⅴ的分子結(jié)構(gòu)(a)與晶體結(jié)構(gòu)(b)

單晶測(cè)試結(jié)果表明,化合物Ⅴ屬于單斜晶系，P21/c空間群，每個(gè)非中心對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)單元包含4個(gè)分子(表1)。

化合物Ⅴ的部分鍵長(zhǎng)、鍵角和扭轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 化合物Ⅴ的部分鍵長(zhǎng)、鍵角和扭轉(zhuǎn)角

化合物Ⅴ分子中，N(1)和N(2)上分別排布有兩條柔性羧酸鏈，由N(1)/N(2)接入苯環(huán)鄰位碳C(13)/C(18)。由表4可知，扭轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)N(1)-C(13)-C(14)-C(15)175.92(17)°、N(1)-C(13)-C(18)-C(17)-172.16(15)°、C(16)-C(17)-C(18)-N(2)175.58(17)°、C(14)-C(13)-C(18)-N(2)-174.45(15)°表明，N(1)和N(2)分布在苯環(huán)平面的兩端，且都與苯環(huán)平面成較小的角度，與扭轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)N(1)-C(13)-C(18)-N(2)7.1(2)°相一致。此外，從C(14)-C(13)-N(1)122.21(16)°與C(17)-C(18)-N(2)122.12(16)°、C(18)-C(13)-N(1)119.33(15)°與C(13)-C(18)-N(2)119.21(15)°這兩組彼此相差非常小的鍵角數(shù)值可知，1-N,N-2-N′,N′-四乙酸甲酯基-1,2-二氨基苯分子排布規(guī)整，4條柔性羧酸鏈形成清楚的包合空腔；C(4)-N(1)-C(3)113.71(14)°與C(10)-N(2)-C(9)113.71(14)°鍵角數(shù)據(jù)完全一致，分子對(duì)稱(chēng)性極高。

連接在兩個(gè)氮原子上的4條柔性羧酸鏈兩兩排布在苯環(huán)平面的兩端，連接于同一個(gè)氮原子上的兩條乙酸甲酯鏈互成180°，與連接于另一個(gè)氮原子上的兩條乙酸甲酯鏈相互平行。這種空間排布使得乙酸甲酯鏈N(1)-C(3)與另一個(gè)氮原子上的兩條乙酸甲酯鏈N(2)-C(9)、N(2)-C(10)在空間位置上相互靠近、互成角度，形成了涉及O(5)、O(8)、N(2)的分子內(nèi)氫鍵；乙酸甲酯鏈N(1)-C(4)與另一個(gè)氮原子上的乙酸甲酯鏈N(2)-C(10)，形成了涉及O(8)的分子內(nèi)氫鍵。相應(yīng)地，N(2)上連接的兩條乙酸甲酯鏈N(2)-C(9)、N(2)-C(10)與N(1)上的兩條乙酸甲酯鏈N(1)-C(3)、N(1)-C(4)，形成了涉及O(1)、O(4)、N(1)的分子內(nèi)氫鍵(表5)，包合空腔結(jié)構(gòu)清楚。

表5 化合物Ⅴ氫鍵的幾何性質(zhì)

3 結(jié)論

分別以鄰硝基酚、鄰苯二胺為起始原料，通過(guò)取代反應(yīng)，以柔性四羧酸鏈分別替換1,2-二(2-氨基苯氧基)乙烷、鄰苯二胺分子中的氨基氫原子，得到以芳香胺為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的兩種新型氨基四齒配體1,2-二(2-氨基苯氧基)乙烷-N,N,N′,N′-四乙酸甲酯(Ⅳ)與1-N,N-2-N′,N′-四乙酸甲酯基-1,2-二氨基苯(Ⅴ),經(jīng)核磁共振氫譜、紅外光譜、高分辨質(zhì)譜、X-射線單晶衍射等表征，配體Ⅳ和Ⅴ的結(jié)構(gòu)均符合預(yù)期設(shè)計(jì)。其中，兩種氨基四齒配體空間結(jié)構(gòu)與包合空腔的有效構(gòu)筑，均在X-射線單晶衍射測(cè)試中得到確證，可為配體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)研究提供參考。此外，設(shè)計(jì)4條柔性羧酸鏈作為配體Ⅳ、Ⅴ的識(shí)別位點(diǎn)，為未來(lái)進(jìn)一步闡明多羧酸受體進(jìn)行目標(biāo)物識(shí)別、結(jié)合的可能作用機(jī)制提供了研究基礎(chǔ)。