铋配合物的合成与性能研究进展*

陈 静

（四川文理学院 化学化工学院，四川达州 635000）

含碳-金属键的有机金属化合物近几十年来发展迅速，在催化材料、制药工业和环境科学等领域有重要的应用。研究者们通过对配体的设计合成以及修饰等方法，构筑了具有特殊性能的不对称有机金属化合物［1-2］。主族元素有机化合物与过渡金属有机化合物具有不同的化学性质，VA族元素包括氮、磷、砷、锑和铋，其中氮、磷是非金属元素，砷是半金属元素，锑、铋是金属元素。砷在自然界中以雄黄(As4S4)、雌黄(As2S3)、砷黄铁矿等硫化物的形式存在，大多分布在湖南、四川等地。砷及其化合物在合金、半导体材料和医药领域有诸多应用，如As2O3对早幼粒白血病有良好的治疗效果［3］。近年来环保意识不断增强，运用在木材处理、杀虫剂和颜料方面的砷类产品逐步被无毒绿色新产品取代。铋位于稳定元素区和放射性元素区的交界处，原子序数是83，最外层有2个s电子和3个P电子，具有金属光泽，毒性低且环境友好［4］。与同族元素氮、磷、砷、锑相比较，铋的电负性小而且原子半径大，碳-铋键容易发生断裂，能够作为中间体用于官能团的转换。

在自然界中铋与铅通常是共生矿，物理和化学性质比较相似。铋配合物价廉易得，主要使用在医药、低熔点合金、半导体材料以及催化剂等方面。铋单质的熔点为271℃，与铅、锡合金在较低温度范围内熔化，可用于自动灭火装置的接口以及机械加工的保险丝。三氧化二铋在电子工业领域可用于电子陶瓷的添加剂以及高温超导材料。三甲基或三乙基铋、锑可使用金属有机化学气相沉积法（MOCVD）制造半导体材料的薄膜［5］。铋配合物可用于治疗胃痛、腹泻和肠道功能紊乱等疾病。例如次硝酸铋、次碳酸铋可用于内服治疗胃溃疡、肠炎，外用于皮肤烧伤的消炎剂。枸橼酸铋钾（C12H10BiK3O14）是治疗胃溃疡的药物，它可以在胃液下水解，形成保护性的涂膜附着在溃疡处，隔离胃液从而缓解疼痛感。将枸橼酸铋钾与阿莫西林或甲硝唑联合使用治疗时可增加对幽门螺杆菌的根除率［6］。

1 有机铋配合物的合成

有机铋配合物的合成方法一般是溴苯或氯苯与镁反应得到格氏试剂，然后加入三氯化铋或三溴化铋制备［7］。例如三苯基铋可以由格氏试剂苯基溴化镁与三氯化铋反应制备［8］。温运明［9］等使用芳香卤代烃与镁、三氯化铋即一锅法合成三芳基铋类配合物（图1）。研究表明溴苯的反应活性较氯苯强，合成产物的产率相对较高，碘苯的活性强但合成产物的产率低。当使用2-甲基溴苯或4-甲基溴苯为原料时，甲基没有显示出明显的空间位阻效应和给电子效应，合成产物的产率约为70%左右。当2,4-二甲基溴苯或4-甲氧基溴苯为原料时，合成产物的产率约为50%左右，主要是甲氧基中的氧与铋离子的配位作用影响了产物的产率。

图1 一锅法合成三芳基铋Fig. 1 One-pot synthesis of triarylbismuth

由于格氏试剂反应活性较强，含有氰基、酯基等吸电子基团的有机铋试剂不能采用这种方法合成。可以使用异丙基氯化镁氯化锂络合物与3-溴苯腈或4-溴苯甲酸甲酯在低温下反应得到相应的产物［10］（图2）。

图2 三芳基铋的合成Fig. 2 Synthesis of triarylbismuth

2 有机铋配合物的催化活性

近年来，国内外的研究者们以配位化学原理为基础，设计合成了结构独特的环状及非环状的铋类配合物，并且从多方面研究了它们的性质，探求其结构和功效之间的关系。

铋配合物可用于醇的氧化，例如铋酸钠(NaBiO3)在酸性溶液中氧化性增强，可以将+2价锰离子氧化为+7价的锰离子。在磷酸溶液中可以将1,2-邻二醇开环氧化为1,6-己二醛。5价的有机铋配合物(Ph3BiCl)2O、Ph3BiCO3容易还原为3价铋配合物，利用这一特点可以在相对温和的反应条件下将醇氧化为醛或酮，得到的合成产物稳定性好、产率高［11］。例如在二氯甲烷中三苯基碳酸铋能够使邻二醇发生碳碳键的断裂生成羰基化合物（图3）。

图3 醇的氧化Fig. 3 Alcohol oxidation

张渊明等［12］以三氯化铋和三苯基膦为催化剂，在四氢呋喃中用溴代芳烃和烷烃对醛进行芳基化和烷基化的Barbier-Grignard反应。该合成方法可适用于不同结构的芳香醛和脂肪醛以及溴代烃，反应条件温和、具有很强的实用性（图4）。

图4 溴代芳香烃和不同醛的反应Fig. 4 The reactions of R1Br with different R2CHO

谭年元等［13］由三苯基二氯化铋与全氟辛基磺酸盐合成的三苯基铋全氟辛基磺酸盐催化剂具有耐水、抗氧化的特点，对芳胺与环氧化合物的开环反应具有较好的催化效果，是有效制备β-氨基醇类化合物的简单方法（图5）。他们认为反应机理是环氧化合物的氧与催化剂三苯基铋全氟辛基磺酸盐的铋离子配位，使得与氧相邻的碳上带有正电荷，芳胺的氮上有孤对电子，它进攻带正电荷的碳得到合成产物。因此芳胺上的取代基对反应产率具有较大的影响，当取代基为给电子基时芳胺上氮的电子云密度增大，使其亲核性增强，合成产物的产率较高；当取代基为吸电子基时，芳胺的亲核性减弱，从而使合成产物的产率降低。

图5 环氧环己烷与苯胺的反应Fig. 5 The reaction of cyclohexane oxide with aniline

3 有机铋配合物的生物活性

有机铋配合物的抗病毒及抗真菌活性与其分子结构相关，改变配体种类能够改变化合物的活性，其中含氮、氧、硫配位原子的多齿有机配体具有较强的生物活性。钟国清等［14］介绍了含羧酸、醚类、酮类配体的多种铋配合物的合成、晶体结构以及铋离子与配体的配位方式。其中多氨羧类配体通过氨基氮、羧基氧与金属配位，形成五元环或六元环的螯合物，这类铋配合物能够在低温下分解成相应的氧化物。含乳酸、酒石酸、苹果酸等铋配合物在医药上对治疗溃疡与肠道紊乱等疾病具有特效作用。由于硫的电负性弱，原子半径比同族的氧要大，当羧酸中氧被硫取代形成如原磺酸、二硫代羧酸等取代羧酸时反应更易进行。这类铋配合物可用于农作物的杀菌剂及有机合成的催化剂。

席夫碱与金属形成的配合物具有独特的抗病毒和抑制细菌生长的生物活性。其中含硫席夫碱为配体形成的配合物对幽门螺杆菌有一定的抑菌作用。氨基酸类席夫碱及其金属配合物是超分子化学的重要研究内容，具有抑菌和抗癌的活性。李强国等［15］合成席夫碱铋(Ⅲ)配合物，并用微量热法研究了席夫碱配体和铋配合物对酵母细胞生长代谢的抑制作用，结果表明铋配合物的抑制作用比席夫碱的抑制作用强。他们［16］还使用邻香草醛缩甘氨酸席夫碱、8-羟基喹啉、三氯化铋合成分子式为Bi(C10H10NO4)(C9H6NO)2配合物并对其性质与分子组成进行了研究。分析测试显示席夫碱酚羟基中的氧和碳氮双键中的氮与铋离子配位、8-羟基喹啉中的氮和氧与铋离子配位形成五元螯环（图6）。该配合物与牛血清蛋白在不同温度下的相互作用能够发生静态荧光猝灭。

图6 席夫碱铋配合物Fig. 6 Bismuth Schiff base complex

Murafuji Toshihiro等［17］合成了一系列具有良好抑菌活性的环状与非环状有机铋配合物（图7），探讨了不同结构有机铋配合物的亲脂性或亲水性对其生物活性的影响。由于铋在水中的溶解度低，目前的研究通过改变配体种类增强配合物的活性，提高配合物的溶解性。

图7 具有生物活性的有机铋配合物Fig. 7 Organobismuth complexes with biological activity

Yagura Tatsuo等［18］使用1-［(2-iodophenyl)diazenyl］pyrrolidine(C10H12N3I)与n-BuLi在低温下反应制备中间体，然后与二对甲苯基氯化铋反应得到合成产物。由于产物C24H26N3Bi含有的二氮烯吡咯基团的结构，基团中的氮对铋离子有配位作用，具有较强的生物活性（图8）。

图8 有机铋配合物的合成Fig. 8 Synthesis of organobismuth complexes

含有三氮烯结构的化合物具有抗疟活性，其化合物可以通过代谢途径激活。研究表明将三氮类或双氮氨基官能团（-N=N-NR2）的结构引入苯环并位于铋离子的邻位时，可以诱导肿瘤细胞凋零，降低肿瘤细胞的活性，对于肿瘤治疗有一定的疗效。合成产物对肿瘤细胞有较强的抗增殖阻碍作用，而且对急性早幼粒白血病细胞NB4的敏感性高，可以诱导细胞凋亡和线粒体膜电位的损失。其中二氮烯吡咯基团与铋离子的配位作用是影响配合物生物活性的关键。配合物的晶体结构显示铋离子与氮之间存在分子内的相互作用，使Bi-N键的键长变短。另一方面，具有相似结构的有机锑配合物没有显示出较强的活性。而三-(甲苯基)铋仅表现出较弱的生物活性，没有诱导细胞凋亡的作用。该研究对于使用金属类配合物治疗白血病有推动作用。由于有机铋配合物的活性比反应底物要强，引入特定的官能团能够增加配合物的活性，在药物治疗肿瘤和其他方面要更有效果，为今后有机铋配合物的设计指明了方向。目前为止，有机铋配合物在细胞中的作用机制没有完全清楚。

4 结论与展望

由于主族金属元素的特殊性，人们对其配合物的合成与性质研究相对较少。目前的研究工作揭示了不同配体与铋离子的相互作用对配合物的催化活性、选择性及稳定性的关系。铋配合物用途广泛，特别是部分配合物具有抗癌和杀菌等生物活性。随着绿色化学的发展和对铋配合物研究的不断深入，期待开发更多的高活性和高选择性的新型铋类配合物，推动其在各方面的发展和应用。