1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

1.1前言

自然界中，动植物体内存在着很多大环化合物，如叶绿素，血红素和红霉素等。与叶绿素和血红素等天然大环化合物类似的人工合成的大环化合物近三、四十年得到迅速的发展，至上世纪六十年代冠醚首次被Pedersen合成以来^[1]，众多化学家、生化学家和生物学家们也紧随其后，取得了大量卓越的成就，这对推动超分子化学的发展起到至关的作用，并且大环化学的发展也给古老的无机化学带入新篇章。1987年诺贝尔化学奖授予了Pedersen、Lehn和Gram在大环化学上有卓越贡献的三位科学家^[2]，这标志着超分子化学发展史上的一个重要里程碑，从此，新型超分子化合物的不断涌现，为寻求新材料、仿生学和分子模拟等方面提供了更多的解决思路和更好的条件。

大环化合物拥有优良的稳定性，这源自于其高度对称，能耐高温，且不易被化学试剂破坏结构。如大环配合物在对金属离子酶生化活性的模拟^[3]，有机反应的催化作用^[4]，模拟细胞膜的传输^[5]，生物体内多种小分子的识别^[6]，非线性光学材料和分子器件^[7-8]等方面的研究中都具有重要意义。近年来，随着研究的不断深入，含有杂原子(如P、S、N、As、Te 、Ge 等)的大环配合物不断合成出现，其中含四个氮原子的席夫碱(Schiff base)大环化合物因其不仅具有抗癌、抗病毒、杀菌^[9-10]等生物活性，而且也是稀土等金属离子的良好萃取剂^[11]，已成为人们不可忽视的研究领域之一。

四氮杂大环席夫碱配体与许多天然大环化合物(如：叶绿素、血红素等)非常相似，对小分子如O₂、CO、CO₂等都有较强的键联能力，可以作为模型化合物进行生物模拟，对于研究生物体内的金属蛋白质及酶有着很重要的意义；同时，四氮杂大环席夫碱具有各种各样的配位和几何构型，并与其它的大环化合物一样具有优良的热力学稳定性与动力学惰性，因此这类化合物在作为催化剂、萃取剂、导体、液晶材料等方面也具有潜在的应用价值^[12]。

1.2 四氮杂大环配合物

1.2.1四氮杂大环

骨架上含有可以参加配位的N,O,S,Se,P和As等原子，易形成多齿配位，这种闭合的环化合物称之为大环配合物。四氮大环配体与生物体内维生素B12、叶绿素、血红素等基本单元相似，参与物质及能量输送、电子传递等重要过程，生命过程的许多步骤都可认为是以金属离子配合物作为反应中心的氧化还原过程。四氮杂大环配合物还是生物体内一些酶结构单元的模拟物，在仿生学、环境保护、新材料、新医药学开发等方面更引起人们极大的兴趣，因此研究四氮大环配体对揭示生命现象的化学本质具有非常重要的意义[13]。

1.2.2卟啉、酞菁的介绍

卟啉、类酞菁化合物的共同特点是：它们都是一类含氮杂环共轭芳香体系物质，在可见光区都有明显吸收，可作为染料，具有特殊的光、电、磁等性能，是一类重要的功能材料。现对卟啉、类酞菁大环化合物的结构、性质、及其应用进行简单介绍^[14]。

一、卟啉(Porphyrins)

卟啉是卟吩环(如图1-1)上氢原子被部分或全部取代后形成的化合物。虽然理论上可以有无数种不同的取代卟啉，迄今却只有少数几种天然卟啉在自然界的动、植物体内被发现,如叶绿素、血红素等。天然卟啉通常是1～8位被取代，而人工卟啉则主要是9～12位取代物。迄今为止，人工合成的卟啉已达上千种，但大都是在几种简单构型上做修饰而得的衍生物。

图1-1 卟啉

Fig. 1-1 Porphyrin

众所周知，卟啉类分子具有重要的生物功能，如叶绿素参与光合作用，血红素参与氧气的输送和储存，同时它们还是无毒的天然色素，用于牙膏、口香糖、食品等的着色。但它们更重要的作用是作为光电功能材料^[15] ，如可作为有机铁磁体，与无机磁体相比它们具有更多优点，具有广阔的应用前景。例如作为计算机内存的记忆磁芯，实现分子计算机；作为感应器以控制磁场的大小以及作为磁屏蔽材料控制低频磁场。另外可以制备成轻便的变压器、发电机及电动机，改变传统的变压器、发电机和电动机能量损耗大、体积庞大、笨重、难以携带和搬运的缺点。

　二、酞菁(Phythalocyanines)

酞菁类化合物的分子结构与卟啉的结构非常相似，它由4个异吲哚环组成封闭的十六员环，碳和氮在环上交替地排列，形成一个有十八个π电子的环状轮烯发色体系(如图1-2所示)。

图1-2 酞菁

Fig. 1-2 Phythalocyanine

酞菁类化合物在近红外区(600至700nm)有很强的吸收(ε gt;105mol^{- 1}cm^{- 1})，并具有广泛的光谱响应范围，从而决定了其优越的光电性能。酞菁类化合物分子中心的2个氢原子可以被不同的金属取代，并与氮形成共价键，另2个氮原子以配位键与金属键合成十分稳定的配合物。能和酞菁络合的金属元素目前已知有近70种。酞菁的苯环上可以引入多种取代基，如烷基、氨基、硝基、磺酸基、羧基、卤素、苄基、硫氰基、苯基、烷氧基、芳氧基等，从而得到酞菁的许多种衍生物。相关文献对酞菁配合物的晶体结构^[16]、光谱特征^[17]、分子轨道^[18]等进行了报道。酞菁化合物的耐热性非常好，对化学试剂十分稳定。酞菁难溶于水，能溶于一些有机溶剂，在酞菁的分子母体上引入磺酸基、羧酸基、酰胺基等强极性基团，其水溶性增强，可制得水溶性酞菁，引入烃基或大体积基团则可明显增加它们在有机溶剂中的溶解性。目前关于酞菁类化合物的应用研究很多，主要集中在如下几个方面^[19] ：(1) 化学传感器的活性成分；(2) 电色谱显示材料；(3) 癌症的光动态治疗药物及其他医药应用； (4) 计算机光读写盘和有关信息存贮系统；(5) 含硫排放物的控制催化剂；(6) 燃料电池的电催化剂；(7) 光生伏打电池；(8) 激光染料；(9) 新型红敏光记录材料；(10) 液晶显示；(11) 分子金属和导电聚合物。纵观卟啉、类酞菁化合物,它们在结构上的相似形决定了它们性质、应用上的相似形，它们都可以作为先进的光、电功能材料。其中，有些是研究得已经比较深入，如卟啉和酞菁，国际上有一份著名期刊就叫J Porphyrins Phthalocyanines。有理由相信，凭借化学工作者们的不懈努力，传统卟啉、酞菁类化合物的研究会继续结出丰硕的成果，新兴的种类会层出不穷，不断丰富这类化合物的研究领域。

1.3 四氮杂[14]环轮烯配合物

1.3.1 四甲基四氮杂[14]环轮烯配合物

冠醚被发现以后，大环化学迅速发展，其中关于二苯并四氮杂[14]环轮烯是重要研究领域。其对于O，CO，CO等小分子有较强结合能力,可以模拟金属酶和金属蛋白在生物体内的运作过程，并且它在电化学和生物化学等方面有一定实用价值，可用作到店材料，液晶材料，萃取剂和催化剂等。

图1-3 二苯并四氮杂[14]环轮烯

四氮杂[14]环轮烯（）、卟啉、酞菁（图1-4）都是四氮杂大环化合物，它们的异同点具体如下：

相似点

1、实验室合成比较简单，产率较高；

2、H2tmtaa、卟啉和酞菁上的四个氮处于同一平面内；

3、与金属配位时，配体通常脱去质子形成二价负离子；

4、H2tmtaa和与卟啉和酞菁一样都是一个完全共轭的体系。

相异点：

1、卟啉是16元环，H2tmtaa为14元环，其环内径相对较小。H2tmtaa的空穴尺寸大约为1.902 Aring;，比卟啉的小0.1 Aring;，从而金属与其配位时，其金属离子都有不同程度地偏离N4平面；

2、卟啉那中的原子都处于同一平面，在H2tmtaa中，由于甲基#8212;苯基的相互排斥作用(如图1-5)，它是一个非平面的马鞍形的构型；

3、卟啉和tmtaa虽然都是共轭体系,但卟啉环具备(4n 2)π电子构型，是芳香性共轭体系，而H2tmtaa是4nπ电子构型，是反芳香性共轭体系；

4、卟啉是一个完全的不定域体系，而tmtaa的两个负电荷则倾向在2,4-戊二亚胺螯合环内；

5、由于H2tmtaa的马鞍状结构，导致了大环配体上下两个面的反应活性有所不同。

由于这些结构上的异同，从而使四氮杂[14]环轮烯既与卟啉有着相似的性质，又具有独特的化学活性。人们对这类有趣的化合物进行了一系列的研究。到目前为止，人们已经合成了多种新型的单核、双核四氮杂[14]环轮烯配合物，以及一维链的聚合物，甚至还具有超分子性质的化合物。

图1-5 表现出非平面马鞍状结构的H2tmtaa的侧视图

1.3.2 四氮杂[14]环轮烯的应用

卟啉在生物体生命活动中起着重要作用。比如在人体以及其他动物体内，用于运载氧进行细胞呼吸的就是一类含三价铁的卟啉配合物；中午的光合作用，其中将太阳能转化为化学能最重要的叶绿素同样也是含有二价镁的卟啉化合物；细胞色素P-450，是一类卟啉化合物与硫醇盐蛋白结合的超大分子，在动物、植物以及微生物体内都有分布，其含镍的一类配合物发现存在与产生沼气的微生物中，这些在微生物体内独立运作的蛋白质具有催化特性。证实由于卟啉及其衍生物在生物体中起重要作用。此类化合物从最初的合成，结构的表征，以及最后性质挖掘都激发起了化学工作者研究的热情。因此在广电感应、催化氧化、半导体合成与设计、气体吸附与分离方面有很广泛地研究，其前景广阔。

1.4 镍铁氢化酶

1.4.1 镍铁氢化酶应用前景和研究现状

生存在地球上的人类时刻都离不开能源。因此在合理使用现有能源, 治理污染的同时,也在积极探索各种新型能源。随着本世纪后半叶生物学的飞速发展,利用微生物来产生廉价、绿色能源的设想极富吸引力，成为当今自然界向能源、化学学科挑战课题之一。氢化酶( Hydrogenases , 简称为 Hases) 是存在于厌氧微生物中的一类酶，其催化作用是可逆分裂重组氢分子。这一发现自70年代末以来就引起生物化学和生物无机化学专家的高度重视。这些研究寄希望于得到燃料细胞,或利用类似结构的模拟功能配合物通过光作用产生氢能源。目前发现的 4 种氢化酶中, 镍铁氢化酶的存在最为普遍, 研究也最为深入，并且具有诱人的应用前景。镍铁氢化酶具有镍铁活性金属中心 , 参与各种有关氢代谢的生物过程，是分布最广泛的氢化酶之一。如今，随着人们对能源越来越迫切的需求，基于氢化酶的双金属中心用光生物学原理来制造氢气的方法己经逐渐被发展起来，镍铁氢化酶的成熟也就是镍铁金属中心的形成需要经历一个复杂的过程。其中，在活性中心结构组成和催化机理方面一直存在着不同观点和争论, 引起许多国家学者的极大关注。

1.4.2 镍铁氢化酶活性中心结构

通过多种研究结果，现在对活性中心结构已基本形成共识[NiFe]H2ase为异二聚酶,两个亚基紧密相联形成一个近乎于球状的分子。活性中心是大亚基上Ni-Fe异双核配合中心，与Ni配位的共有四个半胱氨酸，其中两个半胱氨酸残基S作为端基与Ni配位，余下的2个半胱氨酸残基S在Ni-Fe之间形成桥联，Fe周围不再有其他蛋白质的氨基酸配体，单独与Fe配位的有2个CN-和1个CO。Ni-Fe间还有一个含氧配体参与成桥。Ni-Fe间距约为0.27mm，这样Ni为五配位的四方锥构型，而Fe为六配位的变形八面体，两个S与两个CN-在赤道平面上，CO与O位于轴向，Fe周围的强场可导致Fe保持低自旋。[NiFe]H2ase这种结构就为电子、质子、氢分子在活性中心与分子外环境间的转移提供了一个可能的通道。

1.4.3 镍铁氢化酶催化机理的研究

根据方程式可知，这是一个有两电子转移的氧化还原过程，但很多学者认为在酶的活性中心，却只经历一系列单电子转移的氧化还原反应，如何通过一系列单电子转移的氧化还原反应实现最终表观为两电子氧化还原反应，是设计合理催化机理的关键所在。

Moura小组采用改进的ENDOR谱学方法对NiFe氢化酶进行了研究 ，结果发现只有 Ni -A 状态时存在Ni-Fe的超精细耦合 ,而 Ni-B , Ni-C 则不存在。Pavlov等人也采用 DFT ( density functional theory) 量子化学方法对NiFe 氢化酶的可能作用机理进行了探讨。

最近Hall研究小组也利用该方法，就氢化酶中活性位的质子化结构和各种氧化还原态进行了计算，提出了氧化氢气的催化循环机理。根据计算发现:其一，Fe(μ-s)2Ni随质子化的折叠和展开这种结构在氢气的活化中，可能发挥了极其重要的作用，折叠形成于端基S的质子化，它可降低端基S到 Ni的配键强度，从而使得 Ni到桥联S间的配键加强，这些变化能引起Ni-Fe-S的二面角减小18。其二，认为俘获氢气的最初位置就是Fe中心，形成 Ni-R 态。 Ni(Ⅲ)的形成在氢键断裂之前键的形成使 Ni(Ⅲ)态稳定，Ni-C态的桥H转移到端基S 产生了异构体。

参考文献

[1] Pedersen C J. Cyclic polyethers and their complexes with metal salts [J]. Journal of the American Chemical Society. 1967, 89, (10):2495-2496.

[2] 程晓丽，胡乃梁，李健. 杂环化合物的合成及应用.[J].安徽教育学院学报， 2005, 23,(6): 86-89.

[3] Benito J M, G#243;mez-Garc#237;a M, Mellet C O, et al. Optimizing Saccharide-Directed Molecular Delivery to Biological Receptors:Design, Synthesis, and Biological Evaluation of Glycodendrimer#8722;Cyclodextrin Conjugates[J]. Journal of The American Chemical Society. 2004, 126: 10355#8211;10363.

[4] 刘捷，李晓元，苏延辉. 大环双核Zn（Ⅱ）配合物催化水解羧酸酯的动力学研究. [J].西北师范大学学报，2008, 44：252-253.

[5] Lippard S J, Berg J M. Principles of Bioinorganic Chemistry[M]. Chlifornia: University Science Books, 1994.

[6] 罗勤慧,朱守荣, 沈孟长等. 冠醚配合物的研究(ⅩⅣ)#8212;#8212;2,3-苯并-11-甲基-18-冠-6液膜模拟细胞膜传输钾离子的研究.[J].化学学报，1994, 52:699-704.

[7] Nalws H S. Handbook of advanced electronic and photonic materials and devices[M]. New York: Academic Press, 2001.

[8] Imahori H, Kira A, Tanaka M, et al. Hydrogen-bonding effects on film structure and photoelectrochemical properties of porphyrin and fullerene composites on nanostructured TiO₂ electrodes[J]. Journal of Physical Chemistry C. 2007, 111, (36): 13618-1362.

[9] 游效曾，孟庆金，韩万书等. 配位化学进展[M]. 北京: 高等教育出版社， 2000.

[10] 吴成泰. 醚化学[M].北京: 科学出版社，1992.

[11] Bryant R, James S C, Jeffery J C, et al. Antimony imido and imido-amido compounds: a new toute to an imidozntimony macrocycle[J]. J Chem Soc, Dalton Trans. 2000: 4007-4015.

[12] 刘爱华. Schiff碱大环化合物的合成与表征[D]. 新疆: 新疆大学，2004.

[13] 孙艳芳，王红斌，施金榆. 十四员四氮杂大环钴(II)配合物的合成与表征[J]. 合肥师范学院学报，2008，26(6): 76-78.

[14] 李邦玉. 酞菁、类酞菁#8212;一类大环化合物[J]. 苏州市职业大学学报，2006，17(2): 74-77.

[15] 刘伟，张宏川，姜建壮. 稀土及过渡金属酞菁、卟啉类分子磁体的合成、结构特征及应用[J]. 中国稀土学报，2001，20(1): 1-10.

[16] 王俊东，黄金陵，陈耐生. 取代酞菁金属配合物的结构研究进展[J]. 结构化学，2004，23(9): 1035-1043.

[17] 黄金陵，彭亦如，陈耐生. 金属酞菁配合物结构研究的一些谱学方法[J]. 光谱学与光谱分析，2001，21(11): 126-131.

[18] 宋争林，张复实，陈锡侨，赵福群. 酞菁基态和激发态的计算[J]. 物理化学学报，2003: 130-133.

[19] 赵红磊，徐宝财. 酞菁类化合物的开发及应用[J]. 化学教育，2000，(1): 1- 3.

[20] Virgil L G,Shie M P.Joann M N,et al.Carbon Monoxide Complexes of Iron(II):Synthesis and Structural Studies of Five- and Six-Coordinate Complexes of the Macrocyclic Ligand,[J].J Am Chem Soc. 1976,98:8391-8399.

[21]Trues T J,Holm R H.Reactions of coordinated ligands:Synthesis of a new tetranitrogen complexe[J].J Am Chem Soc.1971,83:85-90.

[22]Place A A,Ferrare F P.Synthesis and Reactivity of a Series of [14]Azaannulenes [J].J Heterocycl Chem.1980,17:439-443.

[23] Calls A, Mahmoud H, Han Y. Binuclear versus mononuclear copper complexes as catalysts for asymmetric cyclopropanation of styrene[J]. Tetrahedron Asmmetry, 1999, 10(3): 411-427.

[24] Meyers C L, Hong L, Joswig C, Borch R F. Synthesis and Biological Activity of Novel 2-hydroxy-l,4-naphthalenedione Prodrugs[J]. Med Chem, 2000, 43: 4313-4318.

[25] Adams MWW . The structure and mechanism of iron-hydrogenases.Biochim Biophys Acta , 1990, 1020: 115-145

[26] Albracht S P J . Intimate relationships of the large and the small subunits of all nickel hydrogenases with two unclear-encoded subunits of mitochondrial NADH:Ubiquinone oxidoreductase . Biochim Biophys Acta, 1993, 1144:221- 224

[27] Hppe R P , Roseboom W, Plerlk A J , et al.Biological activity of hydrogen. Nature, 1997, 385:126
[28] Maroney M J.The role of nickel in hydrogenases: implication for a heterodinuclear active site. Comments Inorg Chem , 1995,17:347-375

[29] Huyett J E , Carepo M , Pamplona A, et al. 57Fe Q-band pulsed ENDOR of the hetero-dinuclear site of nickel hydrogenase: comparison of the NiA , NiB , and NiC states.J Am C hem Soc , 1997, 119: 9 291-9 292
[30] Darensbourg D J , Reibenspies J H , Chia-Huei Lai, et al. Analysis of an organometallic iron site model for the heterodimetallic unit of [ NiFe] hydrogenase.J Am C hem Soc , 1997, 119: 7 903-7 904

[31] 赵斌，程鹏. 镍铁氢化酶活性中心的结构、催化机理及化学模拟[J]. 无机化学学报， 2002，18(1): 8-1533]

[32] Pavolv M , Siegbahn P E M , Blomberg M R A, et al. Mecahanism of H-H activation by nickel-iron hydrogenase. J Am ChemSoc, 1998, 120:548-555

[33] Niu.S.Q.,Tompson.L.M.,Hall.M.B.J.Am.Che.Soc.,1999,121,4000

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

本实验首先合成二甲基二苯基四氮杂环轮烯与二茂铁甲酰氯，然后通过亲核取代反应，甲苯做溶剂，三乙胺做缚酸剂，欲合成出二茂铁修饰的大环配合物

实验中将以邻苯二胺，苯甲酰丙酮，二茂铁以及草酰氯等为原料，经claisen缩合，酰氯化，以及亲核取代等一系列反应合成目标产物。

2.1 二茂铁修饰的大环配合物的合成与表征

2.1.1 6,17-二甲基-8,15-二苯基四氮杂[14]环轮烯镍（z）的合成