双(取代水杨醛)缩卡巴肼及其苄基锡配合物的合成、表征、荧光性质和除草活性

冯泳兰 杨春林 张复兴 邝代治

(衡阳师范学院化学与材料科学学院,功能金属有机化合物湖南省重点实验室,功能金属有机材料湖南省高校重点实验室,衡阳 421008)

水杨醛与卡巴肼或硫代卡巴肼的氨基缩合,形成的取代卡巴肼或取代硫代卡巴肼化合物,不仅具有较好的生物活性[1],被用作抗菌、抗肿瘤、除草、植物生长调节剂、染料等[2-3],而且是一种含O、N或S的良好配体.由于其C=N双键产生顺、反异构,C-N和N-N键旋转产生空间构象,以及酰胺(Ar-CH=NNH-C(O/S)-NH-N=CH-Ar)链往往发生酮式和烯醇式转化等[4],该配体与金属可形成多种配位方式.有机锡化合物也具有良好的生物活性[5],且锡原子具有特殊的成键作用,不仅与碳原子能形成含Sn-C共价键的有机锡化合物RnSnX4-n(n:1~4),还可由含N、O、S等原子的配体L形成L→Sn配键的有机锡配合物RnSnX4-nLx,产生更加丰富、奇特结构和性能的有机锡化合物[6-8].因此,将2种具有生物活性的双(取代水杨醛)缩卡巴肼与有机锡配位结合,可为有机锡的生物活性和药物研究提供有益帮助[9-11].为了探索双(取代水杨醛)缩卡巴肼与有机锡的配位作用及其对植物生长的影响,本文以卡巴肼和硫代卡巴肼与5-甲基水杨醛、4-二乙氨基水杨醛反应,合成1,5-二取代卡巴肼或硫代卡巴肼为配体,在甲醇微波溶剂热环境下,分别与二苄基二氯化锡反应,合成了4个双(取代水杨醛)缩卡巴肼苄基氯化锡配合物(Scheme 1),初步研究了配体及其配合物对马齿苋(Portulaca oleracea L.)、 刺 苋(Amaranthus spinosus L.)、 决 明 子(Cassia tora L.)等杂草,以及农作物四九菜心(Brassica campestris L.ssp.chinensis var.utilis Tsen et Lee)和苋菜(Amaranthus tricolor L.)的生长抑制作用.

Scheme 1 Synthetic route of the ligands and their complexes

1 实验部分

1.1 仪器和试剂

ETHOSA型压力自控密闭微波消解炉反应釜(上海新仪微波化学科技有限公司);1H和13C NMR核磁共振谱测定用Bruker Avance 500核磁共振仪(瑞士Bruker公司,TMS作内标,CDCl3为溶剂);IR Prestige-21傅立叶红外光谱仪 (日本岛津公司,4 000~400 cm-1,KBr压片);PE-2400Ⅱ元素分析仪 (美国PE公司);Bruker SMART APEXⅡCCD X射线单晶衍射(德国Bruker公司);F-7000荧光光谱仪(日本岛津公司);MGC-HP智能型人工气候箱(上海一恒科学仪器有限公司);X-4双目体视显微熔点测定(北京泰克仪器有限公司).

5-甲基水杨醛、4-二乙氨基水杨醛、卡巴肼、硫代卡巴肼,安耐吉化学试剂;试剂、溶剂均为化学纯.二苄基二氯化锡[12]、双(4-二乙氨基水杨醛)缩硫代卡巴肼(L1)和双(4-二乙氨基水杨醛)缩卡巴肼(L4)配体按文献[13]自制.

1.2 配体L2和L3的制备

参考文献[13-14]合成方法,将40 mmol(5.446 g)5-甲基水杨醛、20 mmol(2.123 g)硫代卡巴肼或20 mmol(1.802 g)卡巴肼,加入含有30 mL乙醇-冰醋酸(V乙醇∶V冰醋酸=7∶3)的 100 mL 反应瓶中,搅拌回流 6 h后,稍冷,旋转蒸发溶剂,重结晶,分别得固体产物双(5-甲基水杨醛)缩硫代卡巴肼(L2)和双(5-甲基水杨醛)缩卡巴肼(L3).

L2:白色粉末5.573 g,产率81.4%.m.p.142~143 ℃.1H NMR(DMSO-d6,500 MHz):δ 12.19(s,1H,-OH),12.14(s,1H,-OH),11.73(s,1H,-NH-),10.42(s,1H,-NH-),8.74(s,1H,-CH=N),8.25(s,1H,-CH=N),7.70(s,2H,Ar-H),7.41(s,2H,Ar-H),6.89(s,2H,Ar-H),2.50~2.25(s,6H,-CH3).IR(KBr,cm-1):3 134(s,νO-H),3 003(m,νAr-H),1 622(s,νC=N),1 595,1 562,1 555(s,νC=C),1 273(s,νC=S),818(s,νδ,Ar-H);元素分析按 C17H18N4O2S 计算值(%):C,59.63;H,5.30;N,16.36.实测值(%):C,59.65;H,5.31;N,16.35.

L3:白色粉末4.508 g,产率69.1%.m.p.148~149 ℃.1H NMR(DMSO-d6,500 MHz):δ 12.10(s,1H,-OH),11.91(s,1H,-OH),11.66(s,1H,-NH-),10.00(s,1H,-NH-),8.09(s,2H,-CH=N),7.41(s,2H,Ar-H),7.29(s,2H,Ar-H),6.92(s,2H,Ar-H),2.50(s,6H,-CH3).IR(KBr,cm-1):3 254(s,νO-H),3 032(m,νAr-H),1 653(s,νC=O),1 624(s,νC=N),1 541,1 525,1 429(s,νC=C),826(s,νδ,Ar-H).元素分析按C17H18N4O3计算值(%):C,62.57;H,5.56;N,17.17.实测值(%):C,62.56;H,5.64;N,17.15.

1.3 配合物的合成

取1 mmol配体、2 mmol二苄基二氯化锡和15 mL无水甲醇,于微波反应瓶中,搅拌使反应物均匀混合,密封反应瓶,置于微波消解反应釜中,设置在800 W功率、温度120℃,反应2 h,反应结束后,自然冷却至室温,取出反应瓶,减压旋转蒸发除去部分溶剂,过滤,用少量甲醇重结晶,得固体产品.

T1:黄色晶体0.630g,产率 66.8%.m.p.164~165 ℃.1H NMR(CDCl3,500 MHz):δ 8.34(s,1H,-CH=N),7.89(s,1H,-CH=N),5.97~7.29(m,16H,Ar-H),3.32~3.38(s,8H,-NCH2-),2.92(s,2H,-PhCH2-),2.89(s,2H,-PhCH2-),1.19(s,J=7.0 Hz,12H,-CH3);13C NMR(CDCl3,125 MHz):δ 168.71(C=S),154.63,154.23(-C=N),101.74~139.05,(Ar-C),52.44,50.90(-PhCH2-),44.69,34.94(-CH2-),12.87,12.74(-CH3).IR(KBr,cm-1):2 969(m,νAr-H),1 611(s,νC=N),1 572(s,νC=N),579(s,νSn-O),532(s,νSn-N),481(s,νSn-S),446(s,νSn-C).元素分析按 C37H42O2N6Cl2SSn2计算值(%):C,47.12;H,4.49;N,8.91.实测值(%):C,47.13;H,4.48;N,8.92.

T2:黄色晶体0.645 g,产率77.8%.m.p.164~165 ℃.1H NMR(CDCl3,500 MHz):δ 8.59(s,1H,-CH=N),7.89(s,1H,-CH=N),6.70~7.33(m,16H,Ar-H),2.81(s,4H,-PhCH2-),1.11(s,J=7.0 Hz,6H,-CH3):13C NMR(CDCl3,125 MHz):δ 168.71(C=S),154.62,154.22(-C=N),101.73~139.04,(Ar-C),52.42,50.89(-PhCH2-),12.87,12.85,12.73(-CH3).IR(KBr,cm-1):3 032(m,νAr-H),1 624(s,νC=N),1 611(s,νC=N),565(s,νSn-O),496(s,νSn-N),440(s,νSn-S),415(s,νSn-C).元素分析按 C31H28O2N4Cl2SSn2计算值(%):C,44.92;H,3.40;N,6.76.实测值(%):C,44.93;H,3.42;N,6.77.

T3:黄色晶体0.543 g,产率66.8%.m.p.167~168 ℃.1H NMR(CDCl3,500 MHz):δ 7.89(s,2H,-CH=N),5.97~7.29(m,16H,Ar-H),2.89(s,2H,-PhCH2-),2.87(s,2H,-PhCH2-),1.18(s,J=7.0 Hz,6H,-CH3);13C NMR(CDCl3,125 MHz):δ 179.81(C=O),154.62,154.22(-C=N),101.73~139.04,(Ar-C),55.57,50.59(-PhCH2-),12.86,12.73(-CH3).IR(KBr,cm-1):3 032(m,νAr-H),1 624(s,νC=N),1 572(s,νC=N),556(s,νSn-O),486(s,νSn-N),461(s,νSn-C). 元素分析按C31H28O3N4Cl2Sn2计算值 (%):C,45.80;H,3.47;N,6.89.实测值(%):C,45.81;H,3.48;N,6.90.

T4:橙红色晶体0.792 g,产率84.8%.m.p.156~157 ℃.1H NMR(CDCl3,500 MHz):δ 8.59(s,1H,-CH=N),7.89(s,1H,-CH=N),5.97~7.29(m,16H,Ar-H),3.46(s,6H,-OCH3),3.32~3.38(s,8H,-NCH2-),2.89(s,2H,-PhCH2-),1.19(s,J=7.0 Hz,12H,-CH3);13C NMR(CDCl3,125 MHz):δ 154.63,154.23(-C=N),101.74~139.05,(Ar-C),52.42,50.89(-PhCH2-),44.68,34.93(-CH2-),12.85,12.73(-CH3).IR(KBr,cm-1):2 969(m,νAr-H),1 641(s,νC=N),579(s,νSn-O),480(s,νSn-N),446(s,νSn-C). 元 素 分 析 按C38H48O4N4Cl2Sn2计算(%):C,48.91;H,5.18;N,6.00.实测值(%):C,48.91;H,5.20;N,6.00.在甲醇溶液中培养晶体用于结构测定.

1.4 一锅法反应合成配合物T4

取2 mmol(0.387 g)4-二乙氨基水杨醛、1 mmol(0.090 g)卡巴肼、2 mmol(0.741)二苄基二氯化锡和20 mL甲醇,于微波反应瓶中,后续步骤与上述合成方法相同,得橙红色固体,取少量固体溶于甲醇中密封,放置数日,析出橙红色晶体.谱学性质和X射线晶体衍射结果表明,与前面由双(4-二乙氨基水杨醛)缩卡巴肼和二苄基二氯化锡反应得相同配合物.

1.5 配合物T4的晶体结构测定

选取尺寸0.21 mmX0.21 mmX0.19 mm的晶体,在Bruker SMART APEXⅡCCD衍射仪上,采用经石墨单色化的Mo Kα射线 (λ=0.071 073 nm),于296(2)K,以φ~ω扫描方式收集衍射数据.全部数据经Lp因子和多重扫描吸收校正后,由直接法解出晶体结构,全部非氢原子坐标在差值Fourier合成中陆续确定,由理论加氢法给出氢原子在晶胞中的位置坐标.对氢原子和非氢原子坐标及其各向同性和各向异性热参数采用全矩阵最小二乘法修正;全部结构分析计算工作采用SHELXTL-97程序完成[15].

CCDC:1545218,T4.

1.6 除草活性的测定

以马齿苋(Portulaca oleracea L.)、刺苋(Amaranthus spinosus L.)、决明子(Cassia tora L.)、四九菜心(Brassica campestris L.ssp.chinensis var.utilis Tsen et Lee)和苋菜(Amaranthus tricolor L.)作为靶标植物,

2 结果与讨论

按照文献[11,14]方法,采用室内平皿法测定配体(L)及其配合物(T)对靶标植物的根和茎的生长长度的影响,用空白对照植物生长长度(l0)与试液处理植物生长长度(l1)的差比空白对照植物生长长度,计算对靶标植物生长的抑制率(I).若I为正值说明配体或配合物对靶标植物具有生长抑制作用,若I为负值说明对靶标植物生长具有促进作用.

2.1 谱学特征和配合物的结构

比较配体及其配合物的谱学数据,发现配体的红外光谱特征吸收峰νO-H在配合物中消失,νC=S特征吸收峰、νC=O和νC=N强特征吸收峰明显削弱;在1H NMR谱低场处酚羟基(O-H)及氨基(>N-H)质子峰也消失,并在配合物的红外光谱出现νSn-O和νSn-N弱特征峰[16-17],这些谱学特征的变化,不仅表明配体的酚羟基氧脱质子,而且提示配体发生酮式ガ向烯醇式转化Ⅱ并脱质子、以及氨基N-H键也可能脱质子形成氮带负电荷バ的大共振链与锡协同配位,如Scheme 2所示.

Scheme 2 Keto-enol interconversion of 1,5-disubstituted carbohydrazide

值得注意的是,虽然νC=S和νC=O的红外光谱特征吸收峰弱化,但在有机锡配合物T1~T3的13CNMR谱中,出现T1、T2的碳硫双键碳(>C=S,δ=168.71)和 T3羰基碳(>C=O,δ=179.81)的特征谱线,表明酮式ガ未完全转化为烯醇式,可能酮-烯醇式转化存在平衡.谱学性质和元素组成数据表明T1~T3配合物具有Scheme 1所示的结构.但在相同实验条件下合成的配合物T4的谱学数据与T1~T3有明显不同,配合物T4没有羰基(>C=O)的红外光谱特征吸收峰和羰基碳13CNMR谱特征谱线,却在δ=3.46处出现甲氧基质子的核磁共振谱.这一现象引起我们的注意,为了证实T4产物,用一锅法反应合成,并对配合物T4进行谱学研究,另外培养了2种合成方法所得产物的晶体用于X射线结构测定,结果发现,2种合成方法均得到同一种结构的双(4-二乙氨基水杨醛)缩连氮苄基氯化锡配合物(T4).

2.2 配合物T4的晶体分子结构

在配体L1与二苄基二氯化锡反应的实验中发现双(4-二乙氨基水杨醛)缩硫代卡巴肼配体裂解中间的硫脲基团,然后2个C=N亚氨氮相连,形成为N,N′-双(4-二乙氨基水杨醛)缩连氮并与苄基氯化锡配位,与4-二乙氨基水杨醛、卡巴肼和二苄基二氯化锡一锅法反应合成获得相同的配合物T4,且2种合成实验均发现二苄基二氯化锡脱苄基现象.

配合物T4的晶体分子结构由N,N′-双(4-二乙氨基水杨醛)缩连氮的N-N顺式桥联形式,分别与2个苄基氯化锡配位,同时2个脱质子的甲氧基分别于N-N桥的两侧形成2个μ-O-Sn2桥.(SnO)2组成1个"蝴蝶"形四元环,氧原子上的2个甲基分别类似于蝴蝶的"触角"和"尾",由OSn2组成的2个三角形如同蝴蝶的 "翅膀",四元环的4个Sn-O键长在0.210 0~0.215 5 nm范围内各不相等,成为不共平面的变形四边形.双水杨醛缩连氮的N-N键长0.139 1(3)nm[18],T4由于N-N顺式桥联的空间效应和2个氮配位使电子转移削弱N-N键明显拉长到0.141 6(3)nm,这2个N与Sn配位构成2个由Sn2N2O(3,4)组成的"信封式"五元环,Sn(1)…Sn(2)的空间距离0.334 5 nm,成为变形五边形.还有酚羟基氧、苄基碳和氯原子与每个锡原子相连,且配基原子与中心锡原子组成的Sn-X(X:N,O,Cl和C)键长均不相等,因而,锡与配位原子组成六配位变形八面体构型.T4的晶体分子结构如图1,晶体学数据和部分键参数分别见表1、2.

在晶体堆积中,邻近分子之间存在弱作用,如C(7)-H(7)和C(8)-H(8)与邻近的Cl(2)i(Symmetry code:i1-x,1-y,1-z)原子形成弱作用产生的键角键长:∠C(7)-H(7)…Cl(2)i和∠C(8)-H(8)…Cl(2)i分别158.66°和 153.31°,H(7)…Cl(2)i、H(8)…Cl(2)i分别为0.289 8、0.283 8 nm;C(9)~C(14)苯环中 C(14)原子上的π键电子与邻近分子C(7)i=N的π电子发生C(14)…C(7)i(0.335 2 nm)作用,相邻分子间通过这些弱作用形成三维超分子结构.

表1 配合物T4的晶体学数据Table 1 Crystallographic data of complex T4

表2 配合物T4的部分键长和键角Table 2 Selected bond lengths(nm)and angles(°)for complex T4

图1 配合物T4的35%椭球率的分子结构图Fig.1 Molecular structure of complex T4 with 35%probability ellipsoids

2.3 T4-DMF-H2O体系的荧光性质

自从2001年Tang等发现聚集发光现象后[19],人们发现了N,N′-双(水杨醛)缩连氮溶液中加入不良溶剂后具有聚集荧光增强(AEE)效应[20]和有机锡配合物溶液的发光[21].为了寻找发光材料,我们配制了配合物T4的浓度为1.072 μmol.L-1的DMF-H2O溶液,在室温下测试DMF与水的体积比为7∶2时T4-DMF-H2O溶液体系的紫外-可见吸收光谱,发现该溶液于304 nm有最大吸收峰.再以此波长为激发波长,在荧光光谱仪上对不同含水体积分数的T4-DMF-H2O体系扫描测得T4-DMF-H2O的荧光发射光谱,探索水对溶液体系荧光强度的影响.结果如图2所示,发现溶液体系在410~420 nm处有荧光发射峰,并且荧光强度随着含水量增加而增大.当含水量体积分数达30%时,荧光强度最大,表明该体系在含水量体积分数0~30%范围具有聚集荧光增强效应[19].随着含水体积分数进一步增加,荧光强度缓慢下降,最终发生荧光淬灭,可能由于含水量大于30%后,溶液体系不稳定导致失去聚集荧光增强效应,这可为进一步研究T4用作聚集诱导荧光材料提供参考.

为了理解发光现象,根据配合物T4晶体结构的各原子坐标,利用G03W程序,在DFT/b3lyp/lanl2dz基组上计算配合物结构单元的分子轨道和电子云分布[22].用参与组合分子轨道的各类原子轨道系数的平方和并经归一化,表示该部分原子上电子云分布,把配合物的原子分为10部分:Sn(1,2)、O(1~4)、N(1~4)、Cl(1,2),C(7,8)、C(1~6,9~14)、C(31~38)、C(29~30)、C(15~28)和 H. 结果如图 3 所示,在最低未占分子轨道(LUMO),轨道成份主要集中于配体的2个亚胺碳原子 (40.00%)和2个苯环碳原子(28.41%);其次是N原子(22.23%),其中连氮原子分布15.12%,二乙氨基氮原子分布7.11%;Sn(1.05%)、O(3.86%)、Cl(0.09%)、 乙基碳 (2.45%)、 甲氧基碳(0.12%)、苄基碳(0.52%)和H(1.26%)原子分布较少.而在最高占据分子轨道(HOMO),轨道成份主要集中于配体的2个苯环碳原子(40.96%)和二乙氨基氮原子(30.68%);连氮原子分布略有增加(15.87%);其次是乙基碳(7.63%);Sn(0.21%)、O(1.08%)、Cl(0.80%)、亚胺碳原子(0.36%)甲氧基碳(0.04%)、苄基碳(0.13%)和H(2.25%)原子分布较少.

图2 在不同含水量下T4-DMF-H2O体系的荧光光谱Fig.2 Fluorescence spectra of T4 in DMF-H2O with different volume fractions of water

图3 DFT/b3lyp/lanl2dz计算配合物T4的HOMO和LUMO电子密度分布Fig.3 Electron-density distribution of HOMO(left)and LUMO(right)calculated for T4 by the DFT/b3lyp/lanl2dz method

从这些LUMO和HOMO成份分布看出,配合物的电子云主要分布于配体的共轭链上,且二乙胺基的N原子参与苯环共轭形成大共轭离域π体系.这种含发色基的配体,以连氮顺式与锡配位,形成连氮桥、2个甲氧桥联二锡的刚性结构,分子内自由旋转受限,形成聚集荧光增强[23].2个苯环C(1~6)和C(9~14)平面角为13.28°,分子趋于共面,Et2NAr-C=N-N=C-ArNEt2链形成大共轭结构,产生强荧光物质分子.当激发态的LUMO电子向HOMO转移时,主要由配体的亚胺碳原子的电子云向配体的苯环碳原子和二乙氨基氮原子转移而发光[24].

图4 杂草生长抑制率随配体(L)及其配合物(T)浓度的变化Fig.4 Herbicidal activity of the ligands and their complexes

2.3 除草活性

四种配体(L)及其苄基锡配合物(T)对马齿苋、刺苋、决明子、四九菜心和苋菜5种靶标植物的根(R)和茎(S)生长测量实验结果如图4所示.结果表明,配体及其配合物对靶标植物生长均具有影响,除L3在低试液质量浓度(10~50 mg.L-1)时对刺苋的根和茎的生长抑制率IL3,R(-18,-12,-5)、IL3,S(-12,-7,-1),以及配合物T4在试液浓度对苋菜生长抑制率为负值外,其它配体及配合物随着试液质量浓度增加,对靶标植物的生长抑制作用增大.且配合物对靶标植物的生长抑制作用明显大于配体的作用.双(4-二乙氨基水杨醛)缩硫代卡巴肼丁基锡配合物对这5种靶标植物有广谱生长抑制作用[13],但以苄基替代丁基的配合物中,4个苄基锡配合物仍对马齿苋具有良好的生长抑制作用,当T1~T4试液质量浓度达100 mg.L-1时,对马齿苋的根和茎的生长抑制率I达100%.此外,配合物对其它4种靶标植物具有选择性生长抑制作用,如T1和T3对决明子、T2对苋菜、T4对四九菜心具有良好的生长抑制作用,可作为除草剂的候选化合物进一步研究.有意义的是,配体L4对苋菜的根和茎生长随试液质量浓度增加抑制作用增加(L4/T4的5R和5S曲线),但L4与苄基锡结合形成配合物T4后,对苋菜生长具有促进作用,并随着试液质量浓度增加对其生长促进作用增大,当浓度达100 mg.L-1时,这种促进作用达最大,而后随着试液质量浓度增加对其生长促进作用减少,如图4中插图的10R和10S曲线所示.

3 结 论

在微波甲醇溶剂热条件下,双(4-二乙氨基或5-甲基水杨醛)缩卡巴肼及其缩硫代卡巴肼分别与二苄基二氯化锡反应形成苄基锡配合物;而双(4-二乙氨基水杨醛)缩卡巴肼或二苄基二氯化锡反应,与卡巴肼、4-二乙氨基水杨醛与二苄基二氯化锡 "一锅法"合成反应,产生具有N,N′-双(4-二乙氨基水杨醛)缩连氮、甲氧基构筑三桥联双(苄基锡)的相同配合物T4,T4在DMF-H2O溶剂体系中,具有良好的荧光性质,当体系含水量体积分数在0~30%时荧光强度增大,含水量大于30%后,随含水体积分数增加荧光强度减弱最后淬灭.配合物对靶标植物生长具有抑制作用,可作为除草剂的候选化合物进一步研究.