羅杰偉, 張仕祿, 趙 波*

(1. 川北醫(yī)學院 基礎醫(yī)學與法醫(yī)學研究所,四川 南充 637000; 2. 川北醫(yī)學院 藥學院,四川 南充 637000)

N-雜環(huán)卡賓由于其特殊的結構在有機化學中具有廣泛應用。一方面,N-雜環(huán)卡賓(NHC)作為一種多齒配體,中心碳原子擁有一對孤對電子,具有較強的親核性特點。另一方面,N-雜環(huán)卡賓(NHC)作為一類具有強σ-供電子能力的富電子配體,對空氣及氧化劑具有較好的穩(wěn)定性,還與金屬形成的絡合物具有較好的催化性能,常因取代磷配體而廣泛用于金屬催化的各類反應中[1-5]。近年來,N-雜環(huán)卡賓因其優(yōu)異的給體能力、低的解離率和獨特的幾何構型,成為繼有機膦配體之后另一類重要的配體,其所形成的N-雜環(huán)卡賓金屬配合物在化學、藥物化學和材料等領域具有十分重要的應用價值,可作為催化劑、可用于制備分子開關的合成子、藥物,還可以作為發(fā)光材料使用。

目前,N-雜環(huán)卡賓及其金屬化合物已廣泛應用于烯烴復分解反應、Heck偶聯(lián)反應、不對稱催化、Suzuki偶聯(lián)反應和Kumada偶聯(lián)反應等多種有機反應[6-8]。盡管人們已經用各種方法制備了大量的NHCs[9-11],但要制備出具有可調電子和空間位阻特性的NHCs仍然是一個挑戰(zhàn)[12-17]。針對這一難題,研究人員通過在N-雜環(huán)卡賓邊臂引入多種官能團,以提高N-雜環(huán)卡賓金屬配合物的穩(wěn)定性[18-19]。眾所周知,8-氫喹啉具有阻斷亞胺生成和穩(wěn)定的芳環(huán)體系,目標中間體通常用于金屬離子的分離富集。據文獻報道[20-24],8-羥基喹啉金屬配合物廣泛應用于光電材料、抗腫瘤和抗菌。

本文以8-羥基喹啉衍生物為原料,合成了2個Hg(II)配合物(L-Hg、M-Hg)和1個Ag(I)配合物(M-Ag)(圖1)。在Hg(II)配合物中汞原子與2個卡賓碳原子配位形成直線結構,同時研究了Ag(I)配合物(M-Ag)的抑菌活性,發(fā)現(xiàn)其具有一定的抗菌性。

圖1 L-Hg、 M-Hg和M-Ag的合成路線

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

ZFQprobe L5A型旋轉蒸發(fā)儀(四川康宇科技公司);Bruker smart 1000 ccd型單晶衍射儀(德國Bruker公司);XT-4型雙目顯微熔點測定儀(溫度計未經校正,北京泰克公司);Advance Ⅲ 400 Hz型核磁共振儀(Bruker公司);pHS-3C型酸度計(上海精科實業(yè)有限公司)。

8-羥基喹啉、正丁溴、氧化銀、二甲亞砜、三溴化磷等均為分析純,購自科龍化學試劑公司;硼氫化鈉為進口袋裝;實驗用水為二次蒸餾水。

數(shù)據處理和數(shù)據分析用SAINT 5.0和SHELXTXL-97程序完成。

1.2 N-雜環(huán)卡賓金屬配合物的合成

(1)L-Hg的合成

N-雜環(huán)卡賓1-丁基-3-(2-甲基-8-丁氧基喹啉)咪唑六氟磷酸鹽(L)和1-芐基-3-(2-甲基-8-丁氧基喹啉)咪唑六氟磷酸鹽(M)參考文獻方法合成[25]。在100.00 mL圓底燒瓶中加入配體L(0.30 g, 0.62 mmol)和乙酸汞(0.11 g, 0.34 mmol),在氮氣氣氛中混合攪拌冷卻至室溫后,過濾混合溶液并用水洗滌。粗產品過濾并干燥,用乙腈和乙醚重結晶,得到了無色晶體約0.38 g,收率53%;1H NMR(400 MHz, DMSO-d6, 25 ℃)δ: 0.45(t,J=8.0 Hz, 3H), 0.58(t,J=7.4 Hz, 3H), 0.83～0.85(m, 2H), 0.87～0.93(m, 2H), 1.10～1.14(m, 2H), 1.67(m, 2H), 3.58(t,J=8.0 Hz, 2H), 4.17(t,J=7.6 Hz, 2H), 5.94(s, 2H), 7.13(d,J=8.0 Hz, 1H), 7.5(d,J=8.8 Hz, 2H), 7.70(d,J=8.0 Hz, 1H), 7.92(s, 1H), 8.08(s, 1H), 8.46(d,J=8.0 Hz, 1H);13C NMR(100 MHz, DMSO-d6, 25 ℃)δ: 13.39, 13.56, 18.40, 19.44, 29.71, 32.36, 39.22, 39.43, 39.64, 39.85, 40.05, 40.26, 51.00, 55.52, 68.10, 110.64, 119.93, 121.71, 123.86, 125.33, 128.07, 129.24, 138.86, 138.97, 153.58, 174.99。

(2)M-Hg的合成

配體M(0.30 g, 0.61 mmol)代替配體L,用乙腈和乙醚重結晶,得到了無色晶體約0.38 g,收率57%;1H NMR(400 MHz, DMSO-d6, 25 ℃)δ: 0.55(t,J=7.4 Hz, 3H), 0.98(m, 2H), 1.22(m, 2H), 3.68(t,J=7.2 Hz, 2H), 5.51(s, 2H), 5.81(s, 2H), 7.11(d,J=8.0 Hz), 7.28(m, 3H), 7.30～7.56(m, 3H), 7.80(s,1H), 8.05(s, 1H), 8.38(d,J=8.0 Hz, 1H);13C NMR(100 MHz, DMSO-d6, 25 ℃)δ: 13.55, 19.22, 30.95, 51.79, 57.76, 68.78, 109.74, 119.34, 120.04, 120.95, 121.80, 127.22, 128.71,137.58, 139.78, 153.83, 154.63, 174.99。

(3)M-Ag的合成

將配體M(0.30 g, 0.58 mmol)、氧化銀(0.15 g, 0.64 mmol)和二甲基亞砜(8 mL)的混合物在氮氣氣氛中避光攪拌48 h。冷卻至室溫后,過濾混合溶液并用水洗滌,然后將有機層壓縮至干燥。用乙腈和乙醚重結晶粗產物,提純得到無色晶體約0.38 g,收率53%,M-Ag對光很敏感,在空氣中很容易分解;1H NMR(400 MHz, DMSO-d6, 25 ℃)δ: 0.81(t,J=7.4 Hz, 3H), 1.19(t,J=7.6 Hz, 2H), 1.69(t,J=7.4 Hz, 2H), 4.08(t,J=7.2 Hz, 2H), 5.25(s, 2H), 5.79(s, 2H), 7.28～7.31(m, 2H), 7.43～7.49(m, 4H), 7.51～7.54(m, 2H), 7.59(d,J=8.4 Hz, 1H), 7.83～7.86(m, 2H), 8.41(d,J=8.8 Hz, 1H);13C NMR(100 MHz, DMSO-d6, 25 ℃)δ: 13.57, 19.10, 31.65, 48.99, 53.85, 70.26, 111,63, 120.25, 120.46, 122.48, 124.13, 127.56, 127.63, 128.09, 128.79, 137.52, 137.53, 137.76, 139.35, 153.22, 181.06。

1.3 單晶結構衍射測定

將L-Hg、M-Hg和M-Ag置于乙腈中,利用乙醚揮發(fā)性獲得了X-射線衍射單晶。在室溫下用衍射儀通過石墨單色化Mo-Ka輻射(λ=0.071073 nm)采集了L-Hg、M-Hg和M-Ag配合物的結晶數(shù)據,采用全矩陣最小二乘法對結構進行優(yōu)化。氫原子坐標經差值Fourier合成得到,非氫原子坐標由直接法得到。晶體參數(shù)解析由SAINT 5.0和 SHELXTXL-97程序完成(表1)。

表1 L-Hg、 M-Hg和M-Ag的晶體學數(shù)據

2 結果與討論

2.1 L-Hg的晶體結構

L-Hg晶體屬于單斜晶系、C2/c空間群,1個晶體包括1個Hg(II)陽離子、2個卡賓配體和2個六氟磷酸陰離子。圖2(a)中,L-Hg中心每個汞離子由2個卡賓碳原子配位形成線性結構。由晶體數(shù)據可知,C(7a)—Hg(1)—C(7)鍵角為180.0(2)°,表明2個咪唑環(huán)幾乎在1個平面上。由表2氫鍵數(shù)據顯示,L-Hg晶體結構存在C—H…F氫鍵相互作用,此外,在圖2(b)晶體堆積圖中,可以明顯看出L-Hg超分子結構由相鄰分子間氫鍵相互作用自組裝形成。

表2 L-Hg的氫鍵參數(shù)

(a)

2.2 M-Hg的晶體結構

單晶X-射線衍射表明,M-Hg晶體屬于三斜晶系、P-空間群。圖3(a)中M-Hg晶體不對稱單元包含1個Hg(II)陽離子和2個卡賓配體M。與配合物L-Hg相比,中心汞原子仍與碳原子呈直線配位,但C(10)—Hg(1)—C(34)鍵角為168.95(14)°,非180°。

(a)

Hg(1)—C(10)鍵長為0.2057(4) nm, Hg(1)—C(34)鍵長為0.2065(4) nm。圖3(b)中M-Hg晶體結構包含C—H…F、 C—H…O、 C—H…N以及π…π堆積相互作用,氫鍵數(shù)據如表3所示。此外,2個相鄰M-Hg通過C(9)—H(9)…O(3)、 C(9)—H(9)…N(8)、 C(33)—H(33)…N(7)和C—H…F氫鍵連接。

表3 M-Hg的氫鍵參數(shù)

2.3 M-Ag晶體結構

M-Ag晶體為單斜晶系、P2(1)/c空間群。圖4(a)中M-Ag作為1種稀有雙核銀卡賓化合物,其不對稱單元由2個Ag(I)離子、2個M配體(包括2個氮原子和2個氧原子)組成。每個Ag(I)離子由1個氧原子、1個碳原子、奎寧中的1個氮原子以及另1個銀原子四配位,為微扭曲四面體幾何結構[26-27]。[N(1)—C(1)—C(9)]和[C(15)—C(20)]之間二面角分別為77.82°和68.66°, 2個奎寧環(huán)之間夾角為27.11°。M-Ag鍵長和鍵角如表4所示,其中Ag(1)—Ag(2)鍵長為3.0402(4) nm, C(11)—Ag(2)—N(4)鍵角為169.73(11)°, O(2)—Ag(2)—Ag(1)鍵角為91.82(5)°。圖4(b)中M-Ag晶體結構包含C—H…F氫鍵,2個相鄰M-Ag由C(2)—H(2)…F, C(10)—H(10A)…F(7), C(12)—H(12)…F(8), C(37)—H(37)…F(8), C(38)—H(38A)…F(11)和C(38)—H(38B)…F(7)氫鍵連接。

表4 M-Ag的氫鍵參數(shù)

(a)

2.4 抑菌實驗

選擇大腸桿菌、傷寒沙門氏菌、志賀氏菌、金黃色葡萄球菌、β-鏈球菌、嗜麥芽窄食單胞菌和克雷伯氏肺炎菌等細菌在無菌營養(yǎng)肉湯中培養(yǎng)18 h后,稀釋至105～106 CFU/mL。通過純化和結構鑒定,采用最小抑菌濃度法研究了M-Ag抗菌活性,青霉素作為抗菌活性的標準對照藥物,結果如表5所示。由表5可知,配合物M-Ag對大腸桿菌、傷寒沙門氏菌、志賀氏菌、金黃色葡萄球菌、β-鏈球菌和克雷伯氏肺炎菌等均有一定抗菌活性。

表5 M-Ag的抗菌活性

本文利用N-雜環(huán)卡賓1-丁基-3-(2-甲基-8-丁氧基喹啉)咪唑六氟磷酸鹽(L)和1-芐基-3-(2-甲基-8-丁氧基喹啉)咪唑六氟磷酸鹽(M)與金屬陽離子配位反應,合成了L-Hg、M-Hg和M-Ag3個新型N-雜環(huán)卡賓配合物。單晶衍射結構表明:配合物L-Hg和M-Hg為雙分子單核直線卡賓化合物,屬于同種金屬與不同配體配位,但配合物M-Hg中Hg原子與相鄰卡賓C原子鍵角發(fā)生了改變,晶體結構中除了存在氫鍵外,還存在π…π堆積相互作用。配合物M-Hg和M-Ag屬于同種配體與不同金屬配位,鍵長、鍵角、配位形式和晶體結構差異性明顯,其中配合物M-Ag晶體結構為雙核雙分子四面體幾何構型,是一種稀有四配位銀卡賓配合物,且暴露空氣容易被氧化。此外,M-Ag具有一定的抗菌生物活性。