含N、O配体的合成及其相关配合物的表征分析

王莹莹，王秋月，刘为铸，花尔并

(天津科技大学生物工程学院，天津 300457)

含N、O配体的合成及其相关配合物的表征分析

王莹莹，王秋月，刘为铸，花尔并

(天津科技大学生物工程学院，天津 300457)

根据桥联配体的特性，通过中间体二(2–吡啶甲基)胺(DPA)的合成，设计并合成3个含N、O的配体，分别是：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–甲苯羟胺(BOTHAH)．合成DPA和TPA时，采用醛胺缩合形成席夫碱并进行还原，即“一锅法”．再以2，6–吡啶二甲酸为原料通过酯化、还原、氯变、取代反应合成2，6–二氯甲基吡啶，与DPA反应生成TPA的衍生物．同时，以2–硝基甲苯为原料，通过锌粉还原生成2–甲苯羟胺，2–甲苯羟胺与苯甲酰氯发生酰化反应，合成异羟肟酸型的N、O配体BOTHAH．并用1H,NMR分别对DPA、TPA、TPA-Cl、BOTHAH配体进行结构表征分析，采用红外吸收光谱表征相关过渡金属配合物的结构．

N、O配体；合成；铁、锰配合物

配合物作为催化剂具有可反复使用和反应过程中只生成水和二氧化碳的特点，这些特点使配位化合物在有机合成中应用的范围愈加广泛．N原子电负性居中，可形成内轨配合物和外轨配合物，因此设计配体时通常引入具有较强配位能力的羧酸和吡啶基团，即含有N、O的桥联配体[1]．含2个或3个吡啶环的二(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，能与大多数过渡金属形成稳定的配合物，因而被广泛用于对含铁、铜、锰等的生物酶进行结构和功能的模拟[2]．但对其吡啶环上的官能团进行改造形成的衍生物配体的研究甚少．另外，以异羟肟酸衍生物为配体的三价锰配合物对烯烃具有环氧化作用[3]，本文也尝试了异羟肟酸类配体的合成．本文合成包括中间体DPA的2类配体：TPA类和N–苯甲酰–2–甲苯羟胺(BOTHAH)异羟肟酸类．先通过还原氨合成DPA和TPA，以DPA为原料设计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)配体．得到一条成本低、工艺简单的合成路线．并通过酰化反应合成异羟肟酸类配体BOTHAH．其中对TPA铁配合物、BOTHAH锰配合物进行红外光谱表征．为这些配合物的催化活性的研究提供物质基础．

1 材料与方法

1.1 试剂与仪器

吡啶–2–甲醛、2，6–吡啶二甲酸、2–氨甲基吡啶、2–硝基甲苯，化学纯，国药集团化学试剂有限公司；苯甲酰氯、锌粉、铁粉、无水甲醇、二氯甲烷(DCM)、乙酸乙酯(EA)、氢氧化钠、盐酸、硼氢化钠、三乙酰氧基硼氢化钠、三氟甲磺酸、二氯亚砜、乙腈、乙醚、无水硫酸钠、氯化铵、碳酸氢钠、氯化钠、碳酸钠、四水合醋酸锰，化学纯，市售．

DF–101S型集热式磁力搅拌器，河南予华仪器有限公司；85–2型恒温磁力搅拌器，上海梅颖浦公司；DMX–400MHz型核磁共振仪，德国Bruker公司．

1.2 合成过程

DPA、TPA以及TPA衍生物的合成路线如图1所示．BOTHAH的合成路线如图2所示．两个配合物的合成路线如图3所示．

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

图2 BOTHAH的合成路线Fig. 2 The route to synthesize of BOTHAH

图3 两个配合物的合成路线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无水甲醇中，边搅拌边滴加5.7g(52.8mmol)2–氨甲基吡啶，室温搅拌1h，分批加入2.28g(60mmol)硼氢化钠，室温搅拌过夜．旋干溶剂，加入适量蒸馏水，用稀盐酸调pH＝4，二氯甲烷萃取杂质，萃取至薄层色谱(TLC)检测有机相无杂质点为止．用质量分数25%碳酸钠溶液调节pH＝10，二氯甲烷萃取4遍，旋转蒸除溶剂，得淡黄色油状物，硅胶柱纯化(V(二氯甲烷)∶V(甲醇)＝5∶100)，得到淡黄色油状液体(DPA)5.2g，产率49.9%．

1.2.2 TPA的合成

将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)三乙酰氧基硼氢化钠，搅拌均匀，再加入11.3g(0.105mol)吡啶–2–甲醛，室温搅拌超过18h后，用饱和碳酸氢钠溶液淬灭反应，分液，旋干有机相得浅绿色固体，石油醚重结晶得白色针状晶体(TPA)10.9g，产率75.2%．

1.2.3 TPA衍生物的合成

取100mL甲醇作为溶剂，称取10g(0.06mol) 2，6–吡啶二甲酸，加入5mL浓硫酸，80℃回流7h，TLC检测，原料全部转化为酯，放入4℃冰箱静置过夜，析出2，6–吡啶二甲酸甲酯白色晶体，得纯品10.68g，产率为91.4%．

称取10g(0.05mol)2，6–吡啶二甲酸甲酯溶于200mL无水乙醇中，分批加入8.87g(0.23mol)硼氢化钠，60℃加热回流过夜，蒸除溶剂，加入适量质量分数25% Na2,CO3溶液回流1h，蒸除溶剂，所得固体用索氏提取器在乙酸乙酯中连续萃取24h，即可得到2，6–二羟甲基吡啶白色晶体7g，产率为98.2%．

称取5g(0.036mol)2，6–二羟甲基吡啶悬浮于适量干燥的二氯甲烷中，在冰浴下滴加适量二氯亚砜．滴加完毕后，升温回流3h，TLC检测反应结束，减压蒸馏除去二氯甲烷和过量二氯亚砜．得到2，6–二氯甲基吡啶苍白色固体6.5g，可直接用于下一步反应，产率约为100%．

1.2.4 TPA-Cl的合成

分别称取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无水碳酸钠，加热回流3h，TLC检测反应结束，冷却，抽滤．蒸除溶剂得红棕色油状物，硅胶柱分离纯化(V(二氯甲烷)∶V(甲醇)＝5∶100)，得到深棕色固体0.53g，产率31.2%．．

1.2.5 BOTHAH的合成

取100mL蒸馏水置于三口瓶中，加入5g氯化铵和10g(0.073mol)2–硝基甲苯，开动搅拌器，升温至60℃，分批慢慢加入1.13g锌粉，搅拌20min．趁热抽滤，滤液用二氯甲烷萃取4遍，旋转蒸发溶剂，得淡黄色液体2–甲苯羟胺4.7g，产率52.4%．

将3g(0.024mol)2–甲苯羟胺溶于100mL热蒸馏水，加入1g碳酸氢钠．边搅拌边滴加4.5g (0.032 mol)苯甲酰氯，在滴加过程中，将另外2g碳酸氢钠分多次加入反应液，使反应液始终保持碱性．滴加完毕后持续搅拌1.5h．过滤，所得固体上硅胶柱分离(V(乙酸乙酯)∶V(石油醚)＝1∶20)，得白色羽毛状固体0.95g，产率17.1%．

1.2.6 TPA铁配合物的合成[5–6]

将过量的铁粉加入到体积分数50%的三氟甲磺酸水溶液中，加热回流至溶液pH＝3，冷却至室温，加入适量的蒸馏水，过滤除去未反应的金属铁，减压蒸馏得浅绿色三氟甲磺酸亚铁(Fe(OTf)2)固体．

称取244mg(0.69mmol)Fe(OTf)2溶于5mL乙腈中，称取200mg(0.69mmol)TPA溶于2mL乙腈中，将二者混合并在室温下搅拌30min，过滤后得红色溶液，加适量乙醚得深红色固体210mg，产率42.0%．

1.2.7 BOTHAH锰配合物的合成

称取550mg(2.42mmol)N–苯甲酰–2–甲苯羟胺溶于5mL甲醇中，称取150mg(0.61mmol)四水合醋酸锰溶于1mL甲醇中，将后者逐滴滴入前者，室温搅拌30min后过滤，滤液持续搅拌2h，加入适量乙醚后静置过夜，析出淡紫色针状沉淀330mg，产率55.8%．

2 结果与讨论

2.1 表征结果

2.1.1 中间体DPA

DPA的核磁共振氢谱如图4所示．

图4 DPA的1H NMR谱图Fig. 41H NMR spectrum of DPA

2.1.2 配体TPA、TPA-Cl、BOTHAH

TPA的核磁共振氢谱如图5所示．

图5 TPA的1H NMR谱图Fig. 51H NMR spectrum of TPA

TPA-Cl的核磁共振氢谱如图6所示．

图6 TPA-Cl的1H NMR谱图Fig. 61H NMR spectrum of TPA-Cl

BOTHAH的核磁共振氢谱如图7所示．

图7 BOTHAH的1H NMR谱图Fig. 71H NMR spectrum of BOTHAH

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

[(TPA)Fe(MeCN)2](OTf)2的红外光谱谱图如图8所示，核磁共振氟谱如图9所示．

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

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

图8主要表现为芳香环和脂肪烃的伸缩、弯曲振动吸收．3,077cm−1处有C—H的伸缩振动峰，2,956cm−1附近有CH2的振动峰，且在1,608cm−1处有吡啶环的骨架振动峰，说明该化合物中含有TPA配体．

由图9可知，该配合物的氟原子在δ＝−79.12处有吸收峰，说明氟原子位于三氟甲磺酸基中．结合配合物的红外光谱，证明Fe离子与TPA配位形成了以OTf基为配离子的配合物．

[MnIII(BOTHA)3]的红外光谱谱图如图10所示．由图10可知：[MnIII(BOTHA)3]配合物在1,579cm−1附近出现了C＝O的伸缩振动峰，且在1,523cm−1和1,162cm−1处分别出现了N—O和C—N伸缩振动峰，说明此化合物中存在酰胺键，证明了配体BOTHAH的存在，但3,600～3,500cm−1处出现了较宽的弱吸收峰，说明BOTHAH中的酚羟基与金属离子发生了配位，氢质子脱除，形成了配合物.

图10 [MnⅢ(BOTHA)3]的IR谱图Fig. 10 IR spectrum of [MnⅢ(BOTHA)3]

2.2 分析讨论

本文的关键在于合成了3个含N、O元素的配体．对于中间体DPA的合成，合成过程中吡啶–2–甲醛和2–氨甲基吡啶反应并不完全，因此用稀盐酸先将pH调为4，使生成的二(2–甲基吡啶)胺成盐，再将反应液中的一些杂质去除，如采用硼氢化钠将未反应完全的吡啶–2–甲醛还原成为吡啶–2–甲醇，并用二氯甲烷萃取，经硅胶柱纯化后可得到比较纯净的产物．TPA的合成采用的是三乙酰氧基硼氢化钠，因为其中的3个乙酰氧基的吸电子诱导效应可以削弱硼氢键的活性，使三乙酰氧基只选择性地还原吡啶–2–甲醛和2–氨甲基吡啶生成的席夫碱．实验证明用二氯甲烷作为反应的溶剂可有效提高产率并缩短反应时间．

TPA-Cl配体的合成，需要由2，6–二氯甲基吡啶和DPA反应得到．对于2，6–二氯甲基吡啶的合成文献[2]采用2，6–二甲基吡啶为原料，本文则直接采用2，6–吡啶二甲酸为原料，用甲醇作为溶剂取代生成酯，质量分数5%的浓硫酸进行催化，反应完毕后只需将反应液于4℃冰箱内低温静置，此路线操作简单，后处理容易，产率高达91.5%．当DPA和2，6–氯甲基吡啶反应时，因为2，6–氯甲基吡啶上的2个氯极易与二(2–甲基吡啶)胺发生双取代反应，从而造成分离困难，得不到纯净的产物，故反应时间不宜过长．

在合成N–苯甲酰–2–甲苯羟胺的过程中，2–甲苯羟胺中不仅N原子能与苯甲酰氯的Cl原子发生亲核取代反应，羟基上的H原子也可与苯甲酰氯发生反应生成双取代产物，且该副产物的极性与N–苯甲酰–2–甲苯羟胺的极性极为接近，导致最后的分离时间较长．

在铁、锰配合物的合成中发现，BOTHAH与金属锰合成配合物的产率较高．TPA和TPA-Cl由于取代基的引入具有不同的反应活性．这可能是由于取代基团的定位效应以及对吡啶环的活化或钝化作用导致的．

3 结 论

以吡啶–2–甲醛、2–氨甲基吡啶为原料合成了DPA和TPA，并在DPA的基础上以2，6–吡啶二甲酸为原料经过一系列酯化、还原、氯变、取代等反应，在TPA的α 位引入了氯甲基官能团，以便改善TPA的配位能力．同时，还以其中2种配体为底物，与铁、锰2种元素合成铁、锰配合物，这些配合物将为它们在催化有机反应(如将甲基氧化为醛基)以及在生物、材料方面的应用和性质研究奠定基础．

［1］ 张美善. 含N、O配体及其过渡金属配合物的合成、表征及性质研究[D]. 吉林：延边大学，2008.

［2］ 高云玲. 三(2–吡啶甲基)胺衍生物过渡金属配合物的合成及结构表征[D]. 大连：大连理工大学，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.

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责任编辑：周建军

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

国家自然科学基金资助项目(81072521)；天津科技大学人才引进科研启动基金资助项目(20091204)

王莹莹（1988—），女，黑龙江人，硕士研究生；通信作者：花尔并，教授，huarb@tust.edu.cn.