希夫碱及其配合物的研究进展

刘 兰，吕春华，吴杰斌，王 丽

（广东石油化工学院，广东 茂名525000）

希夫碱是一类胺和活性羰基缩合形成的有机化合物，因其多功能的金属螯合特性、固有的生物活性和结构的灵活多变性，被广大的科研工作者关注。

1 希夫碱的概念

希夫碱（Schiff base）也叫希夫氏碱或西佛碱，由德国化学家Hugo Schiff 首次发现，主要是指包含通过胺和活性羰基的缩合形成的亚胺或甲基亚胺特征基团(−RC=N−)的一类有机化合物。C=N 键长约为0.124～0.128nm，偶极矩约为0.90D，有两个构型(Z)−和(E)−。亚胺通过醛或酮与氨或胺缩合而形成，可分为醛亚胺和酮亚胺。醛和伯胺(RNH2)生成包含碳和氮双键的亚胺(R2C=O+RNH2→R2C=NR’+H2O)，其中R 和R’是基于烃的脂族亚胺[1-3]。

2 希夫碱的合成反应机理

在特定的条件下，含羰基的醛和酮与一级胺发生亲核加成反应。亲核试剂是胺，该化合物的结构具有1 对孤电子氮原子，可以攻击羰基。该基团中带正电荷的碳原子完成亲核加成反应，形成由α-羟胺组成的中间化合物，该化合物进一步脱水形成希夫碱[2-4]。反应机理见图1，反应过程有加成反应、重新排列和消去反应等，反应过程中，电子效应和立体结构起到了不可忽视的作用。

图1 希夫碱的合成结构

图2 缩合机理

详细机理如下：羰基上的碳原子被富含电子的氮原子进攻，生成过渡态的中间体，同时，碳原子中的电子轨道由sp2 杂化转为sp3 杂化，化学键的键角由120°转成109.5°。因此，取代基的体积大小对反应的影响较大。取代基的体积大则位阻大，不利于化学反应。当R1和R2作为推电子基团时，氧原子对碳原子的正电性就会减弱，与氮原子结合时就会不稳定。反之，当R1和R2作为吸电子基团时，羰基上的碳原子的正电性会得到加强，结合到的氮原子就会更加稳定，反应速率会有利于反应加快进行。当R3作为推电子基团时，负电荷集中在氮原子上，亲核加成反应更加容易发生。

反应一般在弱酸性条件下进行，pH 值为5～6的环境中，羰基中的氧与质子结合可以增加羰基的活性。如果酸度变大，胺将与质子结合形成盐，亲核性将丧失。此外，该反应是可逆的反应，在酸性条件下，可以水解得到相应的醛或酮[5]，因此,一般在无水条件下进行。

3 影响希夫碱生成的因素[6]

3.1 主要影响因素

亲核加成反应的快慢取决于亲核试剂的亲核性。亲核性越大则反应速率越快，−NH2R3作为亲核试剂时，N 上的负电荷越集中，反应越容易进行。如果N 上的取代基R3为给电子基团时，因电子效应，N 上所带的负电荷会加强从而有利于反应的进行。羰基上的氧原子有较强的电负性，而碳原子相对呈正电性，反应时，碳原子上所带的正电荷越多则越有利于反应，因此应选用吸电子性强的取代基，也可使生成的希夫碱更稳定。

3.2 次要因素

反应时，羰基C 原子的杂化轨道会改变，化学键的键角会变小，因此对所选用的亲核试剂的体积有所限制，体积较小的基团更易发生亲核加成反应。反应中有水生成时，会影响反应的继续进行，通常应加入无水硫酸镁或无水硫酸钠，或使用分水器分离体系中的水。溶剂极性对反应也有影响。溶剂的极性过大会造成亲核试剂溶剂化，不利于反应的进行。希夫碱在碱性条件下易分解，因此应选择偏酸性的环境，以利于亲核试剂的进攻，酸催化更有利于反应生成希夫碱。

4 希夫碱及其配合物的研究进展

希夫碱及其配合物含有的特征官能团，使得该类物质具有一定的生物化学活性，所以近年来，越来越多的科学家开始对希夫碱及其配合物进行研究。希夫碱及其配合物在医药、分析化学、光谱学、生物化学模型系统、催化、材料等领域均具有重要应用。下面重点介绍近年来希夫碱及其配合物在医药、催化、分析、腐蚀、光致变色等领域的研究进展。

4.1 希夫碱及其配合物在医药领域的应用

希夫碱及其配合物具有很高的生物活性，如抑菌、抗炎、抗肿瘤等性质，因此在医药领域引起了极大的关注。近年来的研究表明，所引入的官能团不同，对希夫碱的药理活性有很大的影响。席夫碱上引入苯酚基团的药物可以作为抗菌剂，席夫碱上接入壳聚糖可以改善药物溶解性，席夫碱上引入吡唑啉酮的药物具有明显的抗惊厥活性，席夫碱上引入三唑的药物具有较强的抗真菌活性，希夫碱上接入哒嗪酮基团，药物的抗肿瘤活性提高[7]。

Vatsal M. P 等人[8]合成了含吡啶环的 1,2,4-三唑类新型曼尼席夫碱，结果表明化合物4k 对金黄色葡萄球菌(MIC12.5μM)和白色念珠菌(MIC100μM)最为活跃，衍生物4b 对酶活性位点具有高的亲和力。

王水英等[9]合成了2-羟基-1-萘醛缩对氨基水杨酸希夫碱铬配合物药物，结果表明，2-羟基-1-萘醛缩对氨基水杨酸希夫碱铬配合物能抑制人肝癌细胞、人结肠腺癌细胞、人胃腺癌细胞的生长，在体外有良好的抗肿瘤活性。

王一安等[10]以5,5’-亚甲基双水杨醛缩肼基二硫代甲酸苄酯希夫碱(H4L)为配体，于室温下与氯化锑进行固相反应，合成了含硫双水杨醛希夫碱锑(Ⅲ)配合物，结果表明，锑(Ⅲ)配合物对枯草芽孢杆菌能产生很强的抗菌活性。

在生物领域，希夫碱配合物在肿瘤、抗衰老和恶性病毒领域具有良好的应用前景，但高毒性和吸收不良影响了它们的应用。因此，在生物领域中应用希夫碱复合物，降低毒性并提高吸收效果非常重要。

表1 希夫碱及其配合物在医药方面的研究

4.2 希夫碱及其配合物在催化领域的应用

Schiff 碱及其配合物可用作催化领域的新型催化剂，具有催化效率高、选择性强、稳定性好、利用率高的特点，且可重复使用。希夫碱及其配合物主要用于某些聚合反应、不对称环丙烷化反应催化、烯烃氧化反应催化和电催化。

在希夫碱及其配合物的催化研究中，也有许多有待深入研究之处。比如，虽然希夫碱配合物具备较好的催化活性和光学活性，但是一些希夫碱及其配合物催化剂的成本较高，难以实际应用，因此高性价比的希夫碱催化剂一直深受研究人员的关注。

Kureshy 等[11]在1997 年首先报道了应用于催化非功能化的烯烃类的不对称环氧化反应的salen-Co(Ⅱ)配合物，结果表明，这个催化体系对反式-3-壬烯的环氧化反应有很好的催化活性和选择性。

彭建彪等[12]利用溶液法，合成了5-硝基水杨醛缩N-苯基邻苯二胺希夫碱及其铜配合物，结果表明该配合物能快速催化过氧化氢氧化降解三氯生。

孙士淇等[13]采用直接法合成了2-吡啶甲醛缩邻氨基酚希夫碱钼(Ⅵ)配合物MoO2(L) (EtOH)(L=2-吡啶甲醛缩邻氨基酚)，并研究了该配合物在合成环氧大豆油中的催化活性，结果表明，该配合物能够提高环氧大豆油的转化率，有较好的催化性能。

表2 希夫碱及其配合物在催化领域的研究

在催化领域，希夫碱配合物在催化中的应用也有许多局限性，例如经济使用率低、环境污染高、无法重复使用、使用量大、性能稳定性不足等，原因是希夫碱配合物目前尚未广泛用于催化。但是，随着新复合物出现，上述问题有望得到解决，这也是未来的重要研究方向。

4.3 希夫碱及其配合物在分析化学中的应用

希夫碱的共轭体系结构，使之具备良好的光学活性，在分析化学领域具有较好的应用前景。它包含C=N 双键和强电负性原子（O、N 和S），可以改善其与金属离子的配位性能。因此，在分析化学中，希夫碱可以高选择性、高灵敏度和高精密度地检测某些重金属离子和过渡金属离子，从而对这些金属离子进行定性和定量分析。

姜廷廷[16]采用液相合成法合成了希夫碱荧光探针，结果表明，在甲醇溶液中该探针可以实现对Al3+的抗干扰、快速、高效检测。

Yong 等[17]制备了一种基于2,3-二氨基吩嗪盐酸盐的高效化学探针，结果表明该探针可以高效地检测纯水中的CN-。此外，该化学探针还成功地应用于植物种子和天然水样中CN-的检测。

表3 希夫碱及其配合物在化学分析领域的研究

4.4 希夫碱及其配合物在腐蚀领域的应用

希夫碱结构中存在C=N 双键，因此具有良好的配位能力，能与过渡金属形成多样的配合物。研究表明，含有富电子的芳香环或者电负性较大的原子（O、S 等原子）的分子，可以提供孤电子对，可与金属的d 轨道作用，在其表面形成保护膜。尤其是含有酚羟基的希夫碱，易与各种金属配位，在金属表面形成稳定的致密膜。使用希夫碱作为缓蚀剂具有良好的应用前景。

罗亮[21]合成了一种席夫碱(PMP)缓蚀剂，研究了其对Q235 钢在1 mol·L-1HCl 溶液中的缓蚀性能。研究结果表明，此希夫碱缓蚀剂的缓蚀效率达到87.9%，是以阴极型为主的混合型缓蚀剂。

表4 希夫碱及其配合物在腐蚀领域的研究

4.5 希夫碱及其配合物在光致变色的应用

Schiff 碱结构中的C=N 双键易与过渡金属或稀土金属离子发生配位作用，甚至还能以多齿配基的形式螯合配位，得到极其稳定的螯合物。另外希夫碱结构中一般具有共轭芳环，有很强的光吸收性能，可能会发生分子内的能量转移，因此，希夫碱是一类同时具有配位螯合和敏化发光双重功能的配基，具有稳定的化学性质和非线性光学性质。

赵远[26]合成了2 个新的含苯基偶氮基团的希夫碱化合物和4 个过渡金属配合物，并测试了它们的光学性能。结果表明，它们均表现出酸诱导的变色，可以发出微弱的荧光，其中配体的锌络合物发出中等强度的荧光，溶剂的极性对6 种物质的荧光强度的影响较小，而H+对其强度的影响很大。

李海莹等[27]以金刚烷醇、4-甲酰苯甲酸、邻氨基苯酚、邻氨基苯硫酚、邻溴苯胺为原料，合成了3种不同的对甲酰基苯甲酸金刚烷酯希夫碱及其镍(Ⅱ)配合物(H1、H2、H3)，通过荧光光谱、热重分析和电化学分析，对希夫碱及其镍(Ⅱ)配合物的荧光性质、热稳定性、电化学性质进行研究，结果表明，镍(Ⅱ)配合物H1、H2 具有较高的电化学活性，H1、H2 和H3 均具有良好的荧光性质。

殷德飞等[28]合成了一系列含希夫碱基的螺吡喃双功能光致变色材料，并在甲醇、二氯甲烷和环己烷溶液中，以及高分子介质聚甲基丙烯酸甲酯中研究其消色过程，结果表明，材料均表现出良好的光致变色性质。

图3 烯醇式和酮式互变异构图

表5 希夫碱及其配合物在光致变色领域的研究

5 小结

希夫碱配合物在催化、抗菌、抗肿瘤、化学分析和荧光等方面具有广阔的应用前景，其中过渡金属和稀土金属希夫碱配合物是目前的研究重点，深受研究者关注。但希夫碱及其配合物在应用研究方面仍存在诸多问题，有待进一步的深入研究和探索。