配位反應中的物種保護策略*

周朝暉 陳全亮

(廈門大學固體表面物理化學國家重點實驗室 福建廈門361005)

官能團保護是有機合成反應的重要手段，對某個特定基團的保護或對被保護基團的去保護直接影響著有機反應的成功與否。在不少配位反應中也涉及物種保護，但目前對這方面的研究還較少。本文從有機反應中的官能團保護研究出發(fā)，將結合一些配位反應方面的例子，探討配位反應中的物種保護策略，既涉及配體對金屬離子的保護，又包括金屬離子對配體的保護。絡合滴定就是一個對金屬離子進行保護的典型實例。

1 有機反應中的官能團保護

官能團保護是有機合成中很重要的策略之一。當一個反應可能在反應底物的不同部位進行時，采取基團保護，可以使反應試劑對不同的官能團或處于不同化學環(huán)境的相同官能團進行選擇性反應，從而提高化學反應的選擇性。保護基團必須滿足:(1)與反應底物有選擇地反應，且高產(chǎn)率地生成一個被保護的底物，生成的底物易分離提純并適于進行后續(xù)反應;(2)可與易得到的無害的合適試劑反應而被選擇性移去，所選用的合適試劑不會進攻再生的官能團［1-2］。

在有機合成中，常需要保護的基團有羰基、氨基、羥基、雙鍵等，如哥納香三醇goniotriol和8-acetylgoniotriol的合成過程中涉及到用乙二醇對羰基進行保護，反應結束后可用磷酸水解去除保護基使羰基復原［3］;高檸檬酸的合成中利用乙醇酯化保護羧酸基團，三氟乙酸作為去保護試劑，反應如圖1所示［4］。

2 配位反應中的物種保護

2.1 絡合滴定中金屬離子的保護

在絡合滴定中，經(jīng)常需要利用絡合反應、氧化還原反應或沉淀反應消除干擾離子的干擾。例如硫氰化鉀與二價鈷離子反應生成藍色的絡離子，可以用光度分析鑒定二價鈷離子的存在。但溶液中若存在三價鐵離子，三價鐵離子與硫氰化鉀反應將生成紅色絡離子而產(chǎn)生干擾。若加入NaF，使鐵離子與氟離子結合生成無色離子，就可消除三價鐵離子在分析中對二價鈷離子的干擾，此處NaF就是一種掩蔽劑。而加入一種試劑使已掩蔽的離子再釋放出來的方法稱為解蔽法，加入的這種試劑稱為解蔽劑。利用選擇性的解蔽劑，可以提高絡合滴定的選擇性。如在有多種金屬離子的乙二胺四乙酸配合物溶液中，加入苦杏仁酸，從SnY(或TiY)中奪取金屬離子，定量釋放出EDTA。然后，用標準Zn溶液滴定釋放出的EDTA，即可求出Sn(或Ti)的量。

圖1 官能團保護的實例

2.2 金屬離子配位保護下的配體反應性

金屬離子能與配體反應形成不同類型的金屬配合物。金屬配合物可以按金屬核數(shù)不同分為單核、雙核和多核配合物;也可以根據(jù)配位聚合物的維數(shù)分為一維、二維和三維配位聚合物。金屬配合物的形成種類與金屬或配體本身的特性有關，也與反應條件有關［5-6］。在配位合成中，由于配體對金屬的特定保護，合成過程需要考慮不同配體與金屬的配位能力。這種配體保護現(xiàn)象，可以應用在配合物的自組裝研究上［7-9］。

以金屬鹽與丁二酸和聯(lián)吡啶反應為例，一鍋煮一般只能得到金屬聯(lián)吡啶的配合物，這是由于聯(lián)吡啶的配位能力強于丁二酸，如圖2(a)所示。但當丁二酸與金屬離子形成配位聚合物后，配位聚合物再與聯(lián)吡啶反應得到的就是丁二酸和聯(lián)吡啶的混配配合物，如圖2(b)所示。這說明丁二酸與金屬形成水溶性配位聚合物后較為穩(wěn)定，丁二酸的位置不容易被聯(lián)吡啶取代［10］。由此可見，配位聚合物中的金屬離子對丁二酸進行了保護，使它免受聯(lián)吡啶的進攻而形成單核的金屬聯(lián)吡啶配合物。

圖2 金屬鹽與丁二酸和聯(lián)吡啶的反應(bpy為聯(lián)吡啶，suc代表丁二酸鹽)［10］

又如，在高水溶性配位聚合物［Zn(NO3)2(H2O)(1，3-H4pdta)］n(H4pdta為1，3-丙二胺四乙酸)溶液中直接加入過量的溴化鉀或硫氰酸鉀，單齒配體之間可以發(fā)生取代反應，形成溴代或異硫氰酸取代的1，3-丙二胺四乙酸鋅配位聚合物［11］(圖3)。

圖3 1，3-丙二胺四乙酸硝酸鋅配位聚合物的配體取代反應［11］

金屬離子與配體反應形成配合物后，金屬和配體之間相互保護，并且金屬或配體在特定情況下會表現(xiàn)出獨特的反應性。在有機合成中，商業(yè)化生產(chǎn)乙二胺三乙酸的工藝通常包含保護基的保護和去保護5步反應:乙二胺二乙酸鈉鹽酸化保護氨基形成2-氧代哌嗪乙酸;加入甲醛生成4-羥甲基-2-氧代哌嗪乙酸;再通過氫氰酸取代得到4-氰亞甲基-2-氧代哌嗪乙酸;堿水解得到2-氧代哌嗪-1，4-二乙酸鈉鹽，釋放出氨;加入足夠量的堿去除環(huán)保護即可得到乙二胺三乙酸鈉鹽(圖4)［12-13］。但如果使用金屬離子對配體進行保護，在過氧化氫存在下，根據(jù)配位反應中的物種保護策略原理，可以方便地利用乙二胺四乙酸鈦合成乙二胺三乙酸鈉，如圖5所示［14-15］。鈦離子配位保護了乙二胺四乙酸上的3個羧基基團，同時增強了未配位羧基α碳的親核性能，可以一步直接從水合乙二胺四乙酸鈦制備過氧乙二胺三乙酸鈦配合物，堿性水解得到乙二胺三乙酸鈉。詳細的中間體分離和表征研究表明:乙二胺四乙酸與四氯化鈦螯合為水合乙二胺四乙酸鈦配合物后，在酸性條件下，水合鈦配合物與過氧化氫作用形成負一價的過氧乙二胺四乙酸鈦配陰離子，釋放出未配位的乙酸基團;加堿得到負二價的過氧乙二胺四乙酸鈦配陰離子;后者的過氧基團對未配位羧基的α碳進行親核進攻，完成羧酸亞甲基消除反應，得到過氧乙二胺三乙酸鈦配合物。類似的是，1，2-丙二胺四乙酸配位單元在鈦離子保護下可以立體選擇性轉化為高位阻的1，2-丙二胺三乙酸鈉。除了過氧金屬鈦表現(xiàn)出較強的配位保護性能外，鉬的過氧化氫反應體系也常常存在類似的物種保護現(xiàn)象。例如乳酸在過氧鉬溶液中被氧化成乙酸;蘋果酸被氧化成草酸［16-17］。

圖4 乙二胺三乙酸的工業(yè)制備方法［12-13］

2.3 配位原子保護下的金屬原子簇反應性

金屬離子與配體螯合后，可能會對配體的反應性產(chǎn)生影響。同樣的，配體也將反過來改變金屬離子的反應性。以固氮酶的鐵鉬輔基(FeMo-co)催化活性中心為例(圖6)，其組成可表示為MoFe7S9C-高檸檬酸，中心原子的確認影響了科學家對鐵鉬輔基的認識以及對固氮酶固氮機理的研究。早期研究并沒有發(fā)現(xiàn)中心配位原子［18］，后來1.16?分辨率的單晶衍射分析確認中心含有輕質原子X，很可能是N，但不排除C和O［19］。直到最近，1.00?分辨率的單晶衍射分析和X光發(fā)射光譜研究才將X確定為C，C與周圍鐵原子的平均距離為2.00?［20-21］。盡管鐵鉬輔基對氮分子或一氧化碳等底物的絡合活化和加氫轉化途徑尚不明了，但中心負四價C原子的配位改變了八核原子簇的電子分布，直接影響固氮成氨或一氧化碳轉化為低碳烴的反應過程［22-23］;由于Fe原子與3個S原子和一個碳原子配位形成四面體構型(圖6)，C原子的配位也增強了鉬參與底物絡合活化和轉化的可能性［24-27］。因此，固氮酶鐵鉬輔基中心C原子的確認將會加快固氮酶催化反應及其作用機理研究的步伐。

圖5 過氧鈦乙二胺四乙酸制備乙二胺三乙酸的反應途徑［14-15］

圖6 固氮酶中的鐵鉬輔基的結構

3 結語

與有機合成中的官能團保護不同，配位反應中的物種保護并不特別普遍，這主要是由于配位鍵與共價鍵相比要弱，使得相應的基團保護和去保護反應容易產(chǎn)生其他的轉化反應。但當形成螯合物或配位聚合物后，多齒螯合和配位聚合物框架的形成增強了被保護物種的穩(wěn)定性，因而表現(xiàn)出一些獨特的反應性。配位反應的物種保護現(xiàn)象既有趣又有用，探索配位反應的物種保護機理，掌握利用好物種保護，可以更好地開拓配位反應的應用。

［1］Greene T W，Wuts T W.有機合成中的保護基.華東理工大學有機化學教研室譯.上海:華東理工大學出版社，2004

［2］武欽佩，李善茂.保護基化學.北京:化學化工出版社，2007

［3］Shing T K M，Tusi H C，Zhou Z H.J Org Chem，1995，60:3121

［4］Chen H B，Chen L，Huang P Q，et al.Tetrahedron，2007，63:2148

［5］朱龍觀.高等配位化學.上海:華東理工大學出版社，2009

［6］McCleverty J A，Meyer T J.Comprehensive Coordination Chemistry.Vol.1-10.2nd ed.Boston:Pergamon，2004

［7］Chen X M，Tong M L.Acc Chem Res，2007，40:162

［8］Zang H Y，Lan Y Q，Li S L，et al.Dalton Trans，2011，40:3176

［9］Meng J X，Lu Y，Li Y G，et al.Cryst Growth Des，2009，9:4116

［10］Zhou Z H，Yang J M，Wan H L.Cryst Growth Des，2005，5:1825

［11］Chen M L，Yang F，Zhou Z H.Polyhedron，2012，47:60

［12］Parker B A，Cullen B A，Gaudette R R.Preparation of Ethylenediaminetriacetic Acid.US Patent，5250728.1993-10-05

［13］Parker B A，Cullen B A，Gaudette R R.Preparation of Ethylenediaminetriacetic Acid.US Patent，5449822.1995-09-12

［14］Zhou Z H，Deng Y F，Liu Q X.Ⅰnorg Chem，2007，46:6846

［15］周朝暉，張華林，劉瓊馨.乙二胺三乙酸的制備方法.中國專利，101293846.2008-10-29

［16］Zhou Z H，Hou S Y，Wan H L.Dalton Trans，2004，1393

［17］Hou S Y，Zhou Z H，Wan H L，et al.Ⅰnorg Chem Commun，2003，6:1246

［18］Kim J，Rees D C.Science，1992，257:1677

［19］Einsle O，Tezcan F A，Andrade S L A，et al.Science，2002，297:1696

［20］Spatzal T，Aksoyoglu L，Zhang L M，et al.Science，2011，334:940

［21］Lancaster K M，Roemelt M，Ettenhuber P，et al.Science，2011，334:974

［22］Lee C C，Hu Y L，Ribbe M W.Science，2010，329:642

［23］Hu Y L，Lee C C，Ribbe M W.Science，2011，333:753

［24］Zhou Z H，Zhao H，Tsai K R.JⅠnorg Biochem，2004，98:1787

［25］Chen Q L，Chen H B，Cao Z X，et al.Dalton Trans，2012，41:1202

［26］Zhou Z H，Wang H X，Yu P，et al.JⅠnorg Biochem，2013，118:100

［27］Seefeldt L C，Dance I G，Dean D R.Biochem，2004，43:1401