4-(二乙氨基)水楊醛席夫堿的合成、光譜性質(zhì)和熱穩(wěn)定性及量化計(jì)算

解慶范，林長(zhǎng)新，劉春霞，盧慧強(qiáng)，吳曉玲

(泉州師范學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，福建泉州362000)

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4-(二乙氨基)水楊醛席夫堿的合成、光譜性質(zhì)和熱穩(wěn)定性及量化計(jì)算

解慶范*，林長(zhǎng)新，劉春霞，盧慧強(qiáng)，吳曉玲

(泉州師范學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，福建泉州362000)

摘要:合成了兩種酰腙類席夫堿4-(二乙氨基)水楊醛噻吩-2-甲酰腙( H2L1)和4-(二乙氨基)水楊醛異煙酰腙一水合物( H2L2·H2O)，利用元素分析、IR光譜、UV光譜和FL光譜及熱重分析對(duì)其進(jìn)行了表征．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩種化合物在可見(jiàn)光區(qū)均可產(chǎn)生熒光，最大發(fā)射峰波長(zhǎng)分別為504和525 nm．熱分解溫度分別為254和278℃．用Gaussian 09程序包對(duì)H2L1進(jìn)行了量化計(jì)算，結(jié)果表明，該化合物的水楊基和酰腙基是金屬離子很好的配位點(diǎn)．

關(guān)鍵詞:酰腙;席夫堿;光譜特征

酰腙是一類特殊的席夫堿，是由酰肼與醛或酮縮合而形成的產(chǎn)物，其結(jié)構(gòu)特征是分子中含有O=C－NH－N=C片段．通過(guò)對(duì)醛或酮的選擇可以設(shè)計(jì)合成各種各樣的多齒席夫堿配體，以調(diào)節(jié)它們的配位方式和材料性能．酰腙以O(shè)、N等原子為配位點(diǎn)，與生物體環(huán)境很相似，因此它們的金屬配合物在模擬酶和生物醫(yī)藥等方面具有重要的研究?jī)r(jià)值［1－3］．O=C－NH－N=C片段中的次氨基與羰基和亞胺基存在p-π共軛作用，這不僅使此類化合物的穩(wěn)定性增強(qiáng)，而且該片段與芳環(huán)形成更大的共軛體系，增加了分子內(nèi)電子的流動(dòng)性．因此許多酰腙類化合物都有很好的發(fā)光性能［4－6］．本文作者合成了兩種酰腙化合物(圖1)，對(duì)它們的光譜性質(zhì)和熱穩(wěn)定性進(jìn)行了比較分析．同時(shí)采用密度泛函方法( DFT)對(duì)H2L1進(jìn)行了量化計(jì)算．

1　實(shí)驗(yàn)部分

1．1儀器和試劑

Elmentar Vario EL型元素分析儀(德國(guó)) ; Nicolet公司is10型傅立葉紅外光譜儀(美國(guó)) ;美普達(dá)UV-1800PC型紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)(上海) ; Varian CARY/ Eclipse型熒光分光光度計(jì)(美國(guó)) ; STA 409 PC型綜合熱分析儀(德國(guó))．所用試劑均為分析純．

圖1　兩種席夫堿的分子結(jié)構(gòu)Fig．1 Molecular structures of two Schiff bases

1．2席夫堿的合成

1．2．1 H2L1的合成

將4-(二乙氨基)水楊醛和噻吩-2-甲酰肼各5 mmol溶解于20 mL無(wú)水乙醇中，同時(shí)加入0．5 mL乙酸，加熱回流2 h，然后冷卻至室溫，有大量黃色粉末析出，抽濾，用乙醇洗滌，室溫下用濃硫酸真空干燥備用．對(duì)C16H19N3O2S元素分析的實(shí)測(cè)值( %) : C 60．45; H 5．98; N 13．11;計(jì)算值: C 60．54; H 6．03; N 13．23．

1．2．2 H2L2·H2O的合成

按照文獻(xiàn)［7］方法合成．

2　結(jié)果與討論

2．1紅外光譜特征

以KBr壓片在400～4 000 cm－1范圍掃描，IR圖見(jiàn)圖2．1 643和1 677 cm－1歸屬羰基的伸縮振動(dòng)，1 633 和1 630 cm－1歸屬亞胺基的伸縮振動(dòng)，而3 168和3 182 cm－1可指認(rèn)為次氨基N－H的伸縮振動(dòng)，從而證明形成了酰腙－C( O) NHN=C－片段;而972和984 cm－1來(lái)自N－N的伸縮振動(dòng)．2 926～2 977 cm－1和1 351～1 416 cm－1兩組吸收峰分別對(duì)應(yīng)甲基和亞甲基C－H的伸縮和彎曲振動(dòng)．1 591～1 453 cm－1和840～782 cm－1兩組吸收峰是芳環(huán)的C=C骨架伸縮振動(dòng)和C－H面外彎曲振動(dòng)．在H2L1的IR光譜中716 cm－1強(qiáng)吸收峰為噻吩環(huán)C－S產(chǎn)生的吸收峰;羥基與亞胺基容易形成分子內(nèi)氫鍵，所νOH變得很弱．而在H2L2·H2O 的IR光譜中3 427 cm－1處的強(qiáng)吸收應(yīng)歸結(jié)為結(jié)晶水所產(chǎn)生的吸收峰．

2．2紫外可見(jiàn)光譜特征

兩種酰腙化合物的DMF溶液( 1×10－5mol· L－1)的電子光譜具有相似的特征(圖3)，在200～500 nm范圍出現(xiàn)兩個(gè)吸收帶，分別位于270、385與268、375 nm．270和268 nm歸屬苯環(huán)的π→π*電子躍遷;因?yàn)檫@兩種化合物都是不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，極性強(qiáng)，水楊基與酰腙片段存在強(qiáng)共軛作用，使得電子具有很大的流動(dòng)性，所以385和375 nm處的強(qiáng)吸收帶可歸屬分子內(nèi)的荷移躍遷，最大吸收峰位置的差異可能來(lái)自噻吩基和吡啶基與酰胺基共平面程度不同．

圖2　席夫堿的紅外光譜圖Fig．2　IR spectra of the Schiff bases

圖3　席夫堿的紫外-可見(jiàn)光譜圖Fig．3　UV-vis spectra of the Schiff bases

2．3熒光光譜

以DMF溶液( 1×10－5mol·L－1)研究了兩種化合物的光致發(fā)光的特性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖4)表明二者均可發(fā)射熒光．在440 nm可見(jiàn)光激發(fā)下，H2L1發(fā)射藍(lán)綠色熒光，最大發(fā)射波長(zhǎng)為504 nm;而H2L2發(fā)射綠色熒光，最大發(fā)射波長(zhǎng)為525 nm．這種差異可能來(lái)自吡啶環(huán)的芳香性比噻吩環(huán)強(qiáng)，而吡啶環(huán)的電子云密度小于噻吩環(huán)的，從而導(dǎo)致能級(jí)差異．

2．4熱穩(wěn)定性

圖4　化合物DMF溶液的熒光光譜Fig．4 FL spectra of the compounds in DMF

將化合物在氮?dú)獗Ｗo(hù)下以10℃/min的速度從室溫升溫到800℃，其熱分析結(jié)果如圖5所示．H2L1在254℃開(kāi)始分解，254～348℃失重63．92%，可能與酰胺鍵斷裂失去水楊醛和N－N片段有關(guān)(理論失重64．97%) ;在348～533℃緩慢失重13．02%，至800℃殘重17．52%．而H2L2·H2O從室溫至102℃失去1個(gè)結(jié)晶水，失重5．66%(理論值5．45%) ; 278℃開(kāi)始分解，278～345℃快速失重44．50%，可能與N=C－Ar的C－Ar單鍵斷裂失去異煙肼片段有關(guān)(理論失重44．84%) ; 700℃后恒重，殘重33．4%．由此可見(jiàn)，盡管兩種化合物的結(jié)構(gòu)具有相似性，但它們的分解行為有很大不同．

2．5對(duì)H2L1的量化計(jì)算

用Gaussian 09程序包［8］采用密度泛函方法( DFT)在B3LYP/6-31G( d)水平對(duì)H2L1進(jìn)行幾何結(jié)構(gòu)最優(yōu)化和能量計(jì)算．前線分子軌道見(jiàn)圖6．H2L1最高占據(jù)分子軌道能量EHOMO為－5．007 eV，最低空軌道能量ELUMO為－1．497 eV．△E = ELUMO–EHOMO= 3．510 eV．HOMO→LUMO躍遷產(chǎn)生的電子吸收最大波長(zhǎng)為353 nm，與實(shí)驗(yàn)值( 385 nm)基本一致．從圖6可見(jiàn)，在HOMO中電子云主要集中在二乙胺基( 28．0%)、羥基苯( 45．6%)和酰腙基( 21．9%) ;根據(jù)分子軌道理論，最高及其附近的占有分子軌道具有優(yōu)先提供電子的作用，說(shuō)明此部分優(yōu)先提供電子與金屬離子形成配位鍵;圖7顯示羥基O、亞胺基N和羰基O凈電荷分別是－0．689 e、－0．318 e和－0．592 e，形成一個(gè)負(fù)電荷集中的區(qū)域，可見(jiàn)此部分將成為金屬離子配位點(diǎn)．對(duì)LUMO的貢獻(xiàn)二乙胺基降至1．4%，羥基苯降至8．8%，而噻吩基由1．5%增至48．5%，說(shuō)明電子由HOMO向LUMO躍遷時(shí)，主要發(fā)生的是電子由二乙胺基向噻吩基的轉(zhuǎn)移．

圖5　化合物的熱重分析圖Fig．5 TGA of the compounds

圖6　化合物H2L1的前線分子軌道Fig．6 The schematic diagram of frontier MO of the H2L1

圖7　化合物H2L1的NBO凈電荷分布Fig．7 NBO charge population of H2L1

3　結(jié)論

合成了兩種分別含有噻吩基和吡啶基的酰腙類4-(二乙氨基)水楊醛席夫堿．噻吩基和吡啶基的引入盡管對(duì)電子吸收光譜影響不大，但對(duì)熒光發(fā)射光譜影響較為明顯．量化計(jì)算結(jié)果表明，4-(二乙氨基)水楊醛縮噻吩-2-甲酰腙的水楊基和酰腙基是金屬離子很好的配位點(diǎn)．

參考文獻(xiàn):

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［8］FRISCH M J，TRUCKS G W，SCHLEGEL H B，et al．Gaussian 09 ［CP ］．Revision A．02，Wallingford CT: Gaussian，Inc．，2009．

［責(zé)任編輯:吳文鵬］

Synthesis，spectral properties，thermostability and quantum chemistry calculation of 4-diethylamino salicylidene Schiff bases

XIE Qingfan*，LIN Changxin，LIU Chunxia，LU Huiqiang，WU Xiaoling

( College of Chemistry and Life Science，Quanzhou Normal University，Quanzhou 362000，F(xiàn)ujian，China)

Abstract:Two acylhydrazone-type Schiff bases，2-thiophenecarboxylic acid ( 4-diethylaminosalicylidene) -hydrazide ( H2L1) and pyridine-4-carboxylic acid ( 4-diethylaminosalicylidene) -hydrazide monohydrate ( H2L2·H2O)，were synthesized and characterized by elemental analysis，IR，UV-vis，F(xiàn)L spectra and TGA．The results showed that both compounds could eradiate fluorescence with emission wavelength of 504 and 525 nm respectively．They had good thermal stability with the initial decomposition temperature of 254 and 278℃，respectively．The quantum chemical calculation for H2L1was performed by means of Gaussian 09 program．It shows that salicyl and acylhydrazone groups of the compound are coordination sites to metal ions．

Keywords:acylhydrazone; Schiff base; spectral properties

作者簡(jiǎn)介:解慶范( 1965－)，女，教授，主要從事配位化學(xué)研究．*通訊聯(lián)系人，E-mail: xqf360@ 163．com．

基金項(xiàng)目:福建省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目( 201410399048)．

收稿日期:2015－09－22．

中圖分類號(hào):O625; O641

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1008－1011( 2016) 01－0088－04