希夫堿及其配合物的研究進(jìn)展

劉 蘭，呂春華，吳杰斌，王 麗

（廣東石油化工學(xué)院，廣東 茂名525000）

希夫堿是一類胺和活性羰基縮合形成的有機(jī)化合物，因其多功能的金屬螯合特性、固有的生物活性和結(jié)構(gòu)的靈活多變性，被廣大的科研工作者關(guān)注。

1 希夫堿的概念

希夫堿（Schiff base）也叫希夫氏堿或西佛堿，由德國(guó)化學(xué)家Hugo Schiff 首次發(fā)現(xiàn)，主要是指包含通過(guò)胺和活性羰基的縮合形成的亞胺或甲基亞胺特征基團(tuán)(?RC=N?)的一類有機(jī)化合物。C=N 鍵長(zhǎng)約為0.124～0.128nm，偶極矩約為0.90D，有兩個(gè)構(gòu)型(Z)?和(E)?。亞胺通過(guò)醛或酮與氨或胺縮合而形成，可分為醛亞胺和酮亞胺。醛和伯胺(RNH2)生成包含碳和氮雙鍵的亞胺(R2C=O+RNH2→R2C=NR’+H2O)，其中R 和R’是基于烴的脂族亞胺[1-3]。

2 希夫堿的合成反應(yīng)機(jī)理

在特定的條件下，含羰基的醛和酮與一級(jí)胺發(fā)生親核加成反應(yīng)。親核試劑是胺，該化合物的結(jié)構(gòu)具有1 對(duì)孤電子氮原子，可以攻擊羰基。該基團(tuán)中帶正電荷的碳原子完成親核加成反應(yīng)，形成由α-羥胺組成的中間化合物，該化合物進(jìn)一步脫水形成希夫堿[2-4]。反應(yīng)機(jī)理見(jiàn)圖1，反應(yīng)過(guò)程有加成反應(yīng)、重新排列和消去反應(yīng)等，反應(yīng)過(guò)程中，電子效應(yīng)和立體結(jié)構(gòu)起到了不可忽視的作用。

圖1 希夫堿的合成結(jié)構(gòu)

圖2 縮合機(jī)理

詳細(xì)機(jī)理如下：羰基上的碳原子被富含電子的氮原子進(jìn)攻，生成過(guò)渡態(tài)的中間體，同時(shí)，碳原子中的電子軌道由sp2 雜化轉(zhuǎn)為sp3 雜化，化學(xué)鍵的鍵角由120°轉(zhuǎn)成109.5°。因此，取代基的體積大小對(duì)反應(yīng)的影響較大。取代基的體積大則位阻大，不利于化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)R1和R2作為推電子基團(tuán)時(shí)，氧原子對(duì)碳原子的正電性就會(huì)減弱，與氮原子結(jié)合時(shí)就會(huì)不穩(wěn)定。反之，當(dāng)R1和R2作為吸電子基團(tuán)時(shí)，羰基上的碳原子的正電性會(huì)得到加強(qiáng)，結(jié)合到的氮原子就會(huì)更加穩(wěn)定，反應(yīng)速率會(huì)有利于反應(yīng)加快進(jìn)行。當(dāng)R3作為推電子基團(tuán)時(shí)，負(fù)電荷集中在氮原子上，親核加成反應(yīng)更加容易發(fā)生。

反應(yīng)一般在弱酸性條件下進(jìn)行，pH 值為5～6的環(huán)境中，羰基中的氧與質(zhì)子結(jié)合可以增加羰基的活性。如果酸度變大，胺將與質(zhì)子結(jié)合形成鹽，親核性將喪失。此外，該反應(yīng)是可逆的反應(yīng)，在酸性條件下，可以水解得到相應(yīng)的醛或酮[5]，因此,一般在無(wú)水條件下進(jìn)行。

3 影響希夫堿生成的因素[6]

3.1 主要影響因素

親核加成反應(yīng)的快慢取決于親核試劑的親核性。親核性越大則反應(yīng)速率越快，?NH2R3作為親核試劑時(shí)，N 上的負(fù)電荷越集中，反應(yīng)越容易進(jìn)行。如果N 上的取代基R3為給電子基團(tuán)時(shí)，因電子效應(yīng)，N 上所帶的負(fù)電荷會(huì)加強(qiáng)從而有利于反應(yīng)的進(jìn)行。羰基上的氧原子有較強(qiáng)的電負(fù)性，而碳原子相對(duì)呈正電性，反應(yīng)時(shí)，碳原子上所帶的正電荷越多則越有利于反應(yīng)，因此應(yīng)選用吸電子性強(qiáng)的取代基，也可使生成的希夫堿更穩(wěn)定。

3.2 次要因素

反應(yīng)時(shí)，羰基C 原子的雜化軌道會(huì)改變，化學(xué)鍵的鍵角會(huì)變小，因此對(duì)所選用的親核試劑的體積有所限制，體積較小的基團(tuán)更易發(fā)生親核加成反應(yīng)。反應(yīng)中有水生成時(shí)，會(huì)影響反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行，通常應(yīng)加入無(wú)水硫酸鎂或無(wú)水硫酸鈉，或使用分水器分離體系中的水。溶劑極性對(duì)反應(yīng)也有影響。溶劑的極性過(guò)大會(huì)造成親核試劑溶劑化，不利于反應(yīng)的進(jìn)行。希夫堿在堿性條件下易分解，因此應(yīng)選擇偏酸性的環(huán)境，以利于親核試劑的進(jìn)攻，酸催化更有利于反應(yīng)生成希夫堿。

4 希夫堿及其配合物的研究進(jìn)展

希夫堿及其配合物含有的特征官能團(tuán)，使得該類物質(zhì)具有一定的生物化學(xué)活性，所以近年來(lái)，越來(lái)越多的科學(xué)家開(kāi)始對(duì)希夫堿及其配合物進(jìn)行研究。希夫堿及其配合物在醫(yī)藥、分析化學(xué)、光譜學(xué)、生物化學(xué)模型系統(tǒng)、催化、材料等領(lǐng)域均具有重要應(yīng)用。下面重點(diǎn)介紹近年來(lái)希夫堿及其配合物在醫(yī)藥、催化、分析、腐蝕、光致變色等領(lǐng)域的研究進(jìn)展。

4.1 希夫堿及其配合物在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用

希夫堿及其配合物具有很高的生物活性，如抑菌、抗炎、抗腫瘤等性質(zhì)，因此在醫(yī)藥領(lǐng)域引起了極大的關(guān)注。近年來(lái)的研究表明，所引入的官能團(tuán)不同，對(duì)希夫堿的藥理活性有很大的影響。席夫堿上引入苯酚基團(tuán)的藥物可以作為抗菌劑，席夫堿上接入殼聚糖可以改善藥物溶解性，席夫堿上引入吡唑啉酮的藥物具有明顯的抗驚厥活性，席夫堿上引入三唑的藥物具有較強(qiáng)的抗真菌活性，希夫堿上接入噠嗪酮基團(tuán)，藥物的抗腫瘤活性提高[7]。

Vatsal M. P 等人[8]合成了含吡啶環(huán)的 1,2,4-三唑類新型曼尼席夫堿，結(jié)果表明化合物4k 對(duì)金黃色葡萄球菌(MIC12.5μM)和白色念珠菌(MIC100μM)最為活躍，衍生物4b 對(duì)酶活性位點(diǎn)具有高的親和力。

王水英等[9]合成了2-羥基-1-萘醛縮對(duì)氨基水楊酸希夫堿鉻配合物藥物，結(jié)果表明，2-羥基-1-萘醛縮對(duì)氨基水楊酸希夫堿鉻配合物能抑制人肝癌細(xì)胞、人結(jié)腸腺癌細(xì)胞、人胃腺癌細(xì)胞的生長(zhǎng)，在體外有良好的抗腫瘤活性。

王一安等[10]以5,5’-亞甲基雙水楊醛縮肼基二硫代甲酸芐酯希夫堿(H4L)為配體，于室溫下與氯化銻進(jìn)行固相反應(yīng)，合成了含硫雙水楊醛希夫堿銻(Ⅲ)配合物，結(jié)果表明，銻(Ⅲ)配合物對(duì)枯草芽孢桿菌能產(chǎn)生很強(qiáng)的抗菌活性。

在生物領(lǐng)域，希夫堿配合物在腫瘤、抗衰老和惡性病毒領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景，但高毒性和吸收不良影響了它們的應(yīng)用。因此，在生物領(lǐng)域中應(yīng)用希夫堿復(fù)合物，降低毒性并提高吸收效果非常重要。

表1 希夫堿及其配合物在醫(yī)藥方面的研究

4.2 希夫堿及其配合物在催化領(lǐng)域的應(yīng)用

Schiff 堿及其配合物可用作催化領(lǐng)域的新型催化劑，具有催化效率高、選擇性強(qiáng)、穩(wěn)定性好、利用率高的特點(diǎn)，且可重復(fù)使用。希夫堿及其配合物主要用于某些聚合反應(yīng)、不對(duì)稱環(huán)丙烷化反應(yīng)催化、烯烴氧化反應(yīng)催化和電催化。

在希夫堿及其配合物的催化研究中，也有許多有待深入研究之處。比如，雖然希夫堿配合物具備較好的催化活性和光學(xué)活性，但是一些希夫堿及其配合物催化劑的成本較高，難以實(shí)際應(yīng)用，因此高性價(jià)比的希夫堿催化劑一直深受研究人員的關(guān)注。

Kureshy 等[11]在1997 年首先報(bào)道了應(yīng)用于催化非功能化的烯烴類的不對(duì)稱環(huán)氧化反應(yīng)的salen-Co(Ⅱ)配合物，結(jié)果表明，這個(gè)催化體系對(duì)反式-3-壬烯的環(huán)氧化反應(yīng)有很好的催化活性和選擇性。

彭建彪等[12]利用溶液法，合成了5-硝基水楊醛縮N-苯基鄰苯二胺希夫堿及其銅配合物，結(jié)果表明該配合物能快速催化過(guò)氧化氫氧化降解三氯生。

孫士淇等[13]采用直接法合成了2-吡啶甲醛縮鄰氨基酚希夫堿鉬(Ⅵ)配合物MoO2(L) (EtOH)(L=2-吡啶甲醛縮鄰氨基酚)，并研究了該配合物在合成環(huán)氧大豆油中的催化活性，結(jié)果表明，該配合物能夠提高環(huán)氧大豆油的轉(zhuǎn)化率，有較好的催化性能。

表2 希夫堿及其配合物在催化領(lǐng)域的研究

在催化領(lǐng)域，希夫堿配合物在催化中的應(yīng)用也有許多局限性，例如經(jīng)濟(jì)使用率低、環(huán)境污染高、無(wú)法重復(fù)使用、使用量大、性能穩(wěn)定性不足等，原因是希夫堿配合物目前尚未廣泛用于催化。但是，隨著新復(fù)合物出現(xiàn)，上述問(wèn)題有望得到解決，這也是未來(lái)的重要研究方向。

4.3 希夫堿及其配合物在分析化學(xué)中的應(yīng)用

希夫堿的共軛體系結(jié)構(gòu)，使之具備良好的光學(xué)活性，在分析化學(xué)領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。它包含C=N 雙鍵和強(qiáng)電負(fù)性原子（O、N 和S），可以改善其與金屬離子的配位性能。因此，在分析化學(xué)中，希夫堿可以高選擇性、高靈敏度和高精密度地檢測(cè)某些重金屬離子和過(guò)渡金屬離子，從而對(duì)這些金屬離子進(jìn)行定性和定量分析。

姜廷廷[16]采用液相合成法合成了希夫堿熒光探針，結(jié)果表明，在甲醇溶液中該探針可以實(shí)現(xiàn)對(duì)Al3+的抗干擾、快速、高效檢測(cè)。

Yong 等[17]制備了一種基于2,3-二氨基吩嗪鹽酸鹽的高效化學(xué)探針，結(jié)果表明該探針可以高效地檢測(cè)純水中的CN-。此外，該化學(xué)探針還成功地應(yīng)用于植物種子和天然水樣中CN-的檢測(cè)。

表3 希夫堿及其配合物在化學(xué)分析領(lǐng)域的研究

4.4 希夫堿及其配合物在腐蝕領(lǐng)域的應(yīng)用

希夫堿結(jié)構(gòu)中存在C=N 雙鍵，因此具有良好的配位能力，能與過(guò)渡金屬形成多樣的配合物。研究表明，含有富電子的芳香環(huán)或者電負(fù)性較大的原子（O、S 等原子）的分子，可以提供孤電子對(duì)，可與金屬的d 軌道作用，在其表面形成保護(hù)膜。尤其是含有酚羥基的希夫堿，易與各種金屬配位，在金屬表面形成穩(wěn)定的致密膜。使用希夫堿作為緩蝕劑具有良好的應(yīng)用前景。

羅亮[21]合成了一種席夫堿(PMP)緩蝕劑，研究了其對(duì)Q235 鋼在1 mol·L-1HCl 溶液中的緩蝕性能。研究結(jié)果表明，此希夫堿緩蝕劑的緩蝕效率達(dá)到87.9%，是以陰極型為主的混合型緩蝕劑。

表4 希夫堿及其配合物在腐蝕領(lǐng)域的研究

4.5 希夫堿及其配合物在光致變色的應(yīng)用

Schiff 堿結(jié)構(gòu)中的C=N 雙鍵易與過(guò)渡金屬或稀土金屬離子發(fā)生配位作用，甚至還能以多齒配基的形式螯合配位，得到極其穩(wěn)定的螯合物。另外希夫堿結(jié)構(gòu)中一般具有共軛芳環(huán)，有很強(qiáng)的光吸收性能，可能會(huì)發(fā)生分子內(nèi)的能量轉(zhuǎn)移，因此，希夫堿是一類同時(shí)具有配位螯合和敏化發(fā)光雙重功能的配基，具有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)和非線性光學(xué)性質(zhì)。

趙遠(yuǎn)[26]合成了2 個(gè)新的含苯基偶氮基團(tuán)的希夫堿化合物和4 個(gè)過(guò)渡金屬配合物，并測(cè)試了它們的光學(xué)性能。結(jié)果表明，它們均表現(xiàn)出酸誘導(dǎo)的變色，可以發(fā)出微弱的熒光，其中配體的鋅絡(luò)合物發(fā)出中等強(qiáng)度的熒光，溶劑的極性對(duì)6 種物質(zhì)的熒光強(qiáng)度的影響較小，而H+對(duì)其強(qiáng)度的影響很大。

李海瑩等[27]以金剛烷醇、4-甲酰苯甲酸、鄰氨基苯酚、鄰氨基苯硫酚、鄰溴苯胺為原料，合成了3種不同的對(duì)甲?；郊姿峤饎偼轷ハ７驂A及其鎳(Ⅱ)配合物(H1、H2、H3)，通過(guò)熒光光譜、熱重分析和電化學(xué)分析，對(duì)希夫堿及其鎳(Ⅱ)配合物的熒光性質(zhì)、熱穩(wěn)定性、電化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究，結(jié)果表明，鎳(Ⅱ)配合物H1、H2 具有較高的電化學(xué)活性，H1、H2 和H3 均具有良好的熒光性質(zhì)。

殷德飛等[28]合成了一系列含希夫堿基的螺吡喃雙功能光致變色材料，并在甲醇、二氯甲烷和環(huán)己烷溶液中，以及高分子介質(zhì)聚甲基丙烯酸甲酯中研究其消色過(guò)程，結(jié)果表明，材料均表現(xiàn)出良好的光致變色性質(zhì)。

圖3 烯醇式和酮式互變異構(gòu)圖

表5 希夫堿及其配合物在光致變色領(lǐng)域的研究

5 小結(jié)

希夫堿配合物在催化、抗菌、抗腫瘤、化學(xué)分析和熒光等方面具有廣闊的應(yīng)用前景，其中過(guò)渡金屬和稀土金屬希夫堿配合物是目前的研究重點(diǎn)，深受研究者關(guān)注。但希夫堿及其配合物在應(yīng)用研究方面仍存在諸多問(wèn)題，有待進(jìn)一步的深入研究和探索。