汪凌云 葉德成 曹德榕

(華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，廣東廣州510640)

香豆素類衍生物是一類具有廣泛用途的化合物，可用作醫(yī)藥、農(nóng)藥、熒光增白劑(激光染料)，也可用于有機(jī)光敏染料太陽能電池和熒光傳感器等［1-7］.其中，兼具香豆素和希夫堿多種特性的香豆素希夫堿化合物引起了人們的研究興趣，已有香豆素希夫堿化合物用于熒光探針、醫(yī)藥、殺蟲劑、染料、光學(xué)材料等方面的報道［2，6］.但以 3-氨基香豆素為原料的香豆素希夫堿化合物鮮見報道，主要原因是:3-氨基香豆素合成產(chǎn)率較低，限制了對它的研究和應(yīng)用.3-氨基香豆素具有止痛、鎮(zhèn)靜、抗菌等功效，在合成的很多抗生素(如新生霉素、氯新生霉素)中存在3-氨基香豆素骨架，因此，3-氨基香豆素及其衍生物是一類很有研究價值和應(yīng)用價值的化合物.

常見的3-氨基香豆素合成方法有希夫堿法［8］、希夫堿水解法［9］、Lossen 重排法［10］、Boc 保護(hù)法［11］等.Meng等［12］采用 Cu(I)催化的“一鍋煮”方法可簡單、有效地合成氨基香豆素及其衍生物.本研究以2，4-二羥基苯甲醛和 N-乙酰甘氨酸為原料，通過Perkin反應(yīng)得到3-氨基-7-羥基香豆素，分別與兩種芳香醛縮合得到2種新型的香豆素希夫堿化合物，對其結(jié)構(gòu)、光物理性能和金屬離子識別性能通過傅里葉紅外光譜(FT-IR)、核磁共振譜(NMR)、紫外–可見光譜(UV-Vis)和熒光光譜等方法進(jìn)行了表征.

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 儀器和試劑

熔點(diǎn)用Yanaco MP-500D型熔點(diǎn)測定儀測定，溫度未校正;核磁共振在美國Varian公司的Mercury Plus 300上進(jìn)行;紅外光譜在日本Shimadzu公司的FTIR-8400S型傅里葉變換紅外分光光度計上測得，采用溴化鉀壓片;紫外–可見吸收光譜和熒光光譜分別在日本Shimadzu公司的3150 PC儀和美國Perkin Elemer公司的LS255型熒光分光光度計上測得，均以乙腈為溶劑.所用試劑、溶劑均為市售分析純.

1.2 化合物1的合成

在100 mL三口燒瓶中加入1.194 g(10 mmol)N-乙酰甘氨酸、1.408 g(10 mmol)2，4-二羥基苯甲醛、50mL新蒸乙酸酐和2.46 g無水醋酸鈉，抽真空，通氮?dú)獗Ｗo(hù)，加熱至145℃回流10h，稍冷后倒入裝有100mL冰水的大燒杯中，有棕黃色沉淀生成，過濾，將固體加到15 mL濃鹽酸/乙醇(體積比為2∶1)的混合液中并加熱回流2h，再倒入50mL冰水中，用30%NaOH調(diào)節(jié)pH值至6，過濾收集沉淀，柱層析分析提純(洗脫劑為乙酸乙酯/石油醚體積比為8∶11的混合物)洗脫，得到化合物1.

1.3 化合物2的合成

在100mL的三口燒瓶中加入1.930g(10mmol)4-N，N-二乙基氨基水楊醛、3.201g(20mmol)丙二酸二乙酯以及30 mL無水乙醇，室溫攪拌至完全溶解后，再加入1.0 mL六氫吡啶，加熱回流反應(yīng)6 h.冷卻至室溫，旋蒸去溶劑，然后加入20 mL濃鹽酸和20mL冰醋酸，繼續(xù)升溫回流反應(yīng)6h.反應(yīng)液冷至室溫后，倒入100 mL冰水中，用40%NaOH溶液調(diào)節(jié)溶液的pH值到5左右，有大量的土黃色粉末析出.繼續(xù)攪拌30min，粗產(chǎn)品過濾，水洗，真空干燥，用甲苯重結(jié)晶，得到化合物2.

1.4 化合物3的合成

向250mL三口瓶中加入8 mL POCl3，氮?dú)獗Ｗo(hù)下緩慢滴加8 mL新蒸N，N-二甲基甲酰胺(DMF)，1h內(nèi)滴加完畢，反應(yīng)溫度控制在55℃，待反應(yīng)液變成深紅色后加入溶有3.109 g化合物2的1，2-二氯乙烷溶液80 mL，加熱回流12 h，最后溶液變成黑紅色，自然冷卻，用20%NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值為5～6，有固體析出，過濾，柱層析分析提純(洗脫劑為乙酸乙酯/二氯甲烷/石油醚體積比為1∶8∶6的混合物)洗脫，得化合物3.

1.5 香豆素希夫堿化合物的合成

化合物4a:向50 mL三口燒瓶中加入0.177 g(1mmol)化合物 1、0.247 g(1 mmol)化合物 3 和20mL無水乙醇，氮?dú)獗Ｗo(hù)下回流反應(yīng)4h，冷卻至室溫后過濾，粗產(chǎn)品用DMF和水的混合溶劑(體積比為1∶3)重結(jié)晶，干燥后得到化合物4a.

化合物4b:向50 mL三口燒瓶中加入0.177 g(1mmol)化合物 1、0.167g(1.2mmol)2，4-二羥基苯甲醛和20mL無水乙醇，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下回流反應(yīng)4h，冷卻至室溫后抽濾，粗產(chǎn)品用DMF和水的混合溶劑(體積比為1∶3)重結(jié)晶，真空干燥后得到化合物4b.

2 結(jié)果與討論

本研究通過N-乙酰甘氨酸與2，4-二羥基苯甲醛在新蒸乙酸酐和無水醋酸鈉催化下合成3-N-乙?；?7-乙酸酯基香豆素中間體，不經(jīng)分離直接在濃鹽酸/乙醇條件下水解得到 3-氨基-7-羥基香豆素(化合物1);以六氫吡啶為催化劑，4-N，N-二乙基氨基水楊醛與丙二酸二乙酯經(jīng)Perkin反應(yīng)得到7-N，N-二乙基氨基香豆素(化合物2)，化合物2在DMF/POCl3條件下得到3-醛基-7-N，N二乙基氨基香豆素(化合物3).化合物1分別與兩種芳香醛基化合物3-醛基-7-N，N二乙基氨基香豆素(化合物3)和2，4-二羥基苯甲醛經(jīng)縮合反應(yīng)合成了2個新型的香豆素希夫堿化合物(4a和4b)，其合成路線如下:

2.1 化合物1的合成與表征

化合物1通過N-乙酰甘氨酸與2，4-二羥基苯甲醛發(fā)生Perkin反應(yīng)和水解反應(yīng)得到.3-N-乙?；?7-乙酸酯基香豆素中間體在濃鹽酸/乙醇條件下水解得到化合物1過程中，由于化合物1結(jié)構(gòu)中既有氨基又有羥基，pH值過高易形成鈉鹽，pH值過低易形成銨鹽，且二者都易溶于水，不易從水中析出，因此pH值的調(diào)控十分關(guān)鍵.本研究用30%NaOH水溶液調(diào)節(jié)pH值為6，過濾收集沉淀，并通過柱層析的方法提純得到0.898 g化合物1，產(chǎn)率為51.2%，熔點(diǎn)為240～242℃.核磁共振1H NMR(CD3SOCD3，400MHz，δ):9.83(s，1H，—OH)，7.25(d，1H，J=8Hz，Ar—H)，6.70 ～6.66(m，3H，Ar—H)，5.22(d，2H，J=8Hz，—NH2).

2.2 化合物3的合成與表征

本研究中，4-N，N-二乙基氨基水楊醛與丙二酸二乙酯在六氫吡啶催化下得到1.751 g 7-N，N-二乙基氨基香豆素(化合物2)，產(chǎn)率為81.0%，熔點(diǎn)為233～234℃.

由于化合物2結(jié)構(gòu)中內(nèi)酯環(huán)酯基的吸電子效應(yīng)，使得化合物2與DMF/POCl3的反應(yīng)活性不高，所以采取了延長反應(yīng)時間的方法合成3-醛基-7-N，N-二乙基氨基香豆素(化合物3)，得到2.554g鮮紅的化合物3，產(chǎn)率為71.8%，熔點(diǎn)為165～167℃.化合物3 的1H NMR(CDCl3，400 MHz，δ)結(jié)果如下:10.13(s，1H，—CHO)，8.25(s，1H，Ar—H)，7.42(d，1H，J=8Hz，Ar—H)，6.65(d，J=8Hz，1H，Ar—H)，6.49(s，1H，Ar—H)，3.47(q，4H，J=8Hz，—CH2—)，1.26(t，6H，J=8Hz，—CH3).

2.3 香豆素希夫堿化合物4a和4b的合成與表征

化合物1分別與兩個芳香醛基化合物(化合物3和2，4-二羥基苯甲醛)經(jīng)縮合反應(yīng)得到0.365 g化合物4a和0.212g化合物4b，由于2，4-二羥基苯甲醛羰基鄰位羥基空間位阻效應(yīng)及對位羥基的供電子效應(yīng)，使得4b的產(chǎn)率比4a低，其產(chǎn)率分別為71.0%和90.0%.4a和4b的結(jié)構(gòu)通過電噴霧電離質(zhì)譜、紅外譜圖、核磁譜圖進(jìn)行了確認(rèn)，數(shù)據(jù)如下.

化合物4a 電噴霧電離質(zhì)譜:m/z 405.3(M+H+);FT-IR(KBr，cm－1):3277(O—H)，3062(Ar—H)，1718(C ═O)，1620(C ═N)，1506、1456、1420(C ═C);1H NMR(CD3SOCD3，400 MHz，δ):10.54(s，1H，—OH)，9.04(s，1H，—N ═CH)，8.56(s，1H，Ar—H)，7.81(s，1H，Ar—H)，7.70(d，1H，J=12Hz，Ar—H)，7.58(d，1H，J=8 Hz，Ar—H)，6.81(t，2H，J=8 Hz，Ar—H)，6.75(s，1H，Ar—H)，6.61(s，1H，Ar—H)，3.49(q，4H，J=8 Hz，—CH2CH3)，1.16(t，6H，J=8Hz，—CH2CH3).

化合物4b 電噴霧電離質(zhì)譜:m/z 298.1(M+H+);FT-IR(KBr，cm－1):3217(O—H)，3062(Ar—H)，1707(C ═O)，1616(C ═N)，1544、1493、1483(C ═C);1H NMR(CD3SOCD3，400 MHz，δ):13.36(s，1H，—OH)，10.57(s，1H，—OH)，10.36(s，1H，—OH)，9.04(s，1H，—N ═CH)，7.94(s，1H，Ar—H)，7.55(d，1H，J=8Hz，Ar—H)，7.42(d，1H，J=8 Hz，Ar—H)，6.84(d，1H，J=8 Hz，Ar—H)，6.77(s，1H，Ar—H)，6.43(s，1H，Ar—H)，6.31(s，1H，Ar—H).

化合物4a和4b的光譜性能通過紫外–可見光譜和熒光光譜進(jìn)行了表征，結(jié)果見圖1.由圖1(a)可見，在乙腈溶液中，化合物4a和4b(均為10.0μmol/L)均在346nm處出現(xiàn)了較弱的吸收峰，為化合物4a和4b中香豆素環(huán)的紫外吸收峰，4a在465 nm處出現(xiàn)的強(qiáng)而寬的吸收峰為含7-N，N二乙基氨基香豆素希夫堿部分與香豆素環(huán)共同作用所產(chǎn)生的大共軛結(jié)構(gòu)→*躍遷的吸收峰;而化合物4b最大吸收峰在377nm處，比4a藍(lán)移了88 nm，且其最大摩爾消光系數(shù)比4a小得多.4a的摩爾消光系數(shù)是4b的2.34倍，可能是由于助色團(tuán)所產(chǎn)生的電子效應(yīng)程度不同和更短的共軛結(jié)構(gòu)所致.與香豆素的紫外數(shù)據(jù)(其最大紫外吸收峰在300nm左右)比較可知，在香豆素3位和7位分別引入共軛取代基和羥基有效地增加了分子的共軛程度，使得化合物4b的紫外吸收較香豆素紅移近77nm，由于4a具有更長的共軛結(jié)構(gòu)，其紫外最大吸收峰比香豆素紅移了近165nm.

圖1 化合物4a和4b的UV-Vis和熒光譜圖Fig.1 UV-Vis and fluorescence spectra of compounds 4a and 4b

由圖1(b)可知，在乙腈溶液中化合物4a和4b(1.0μmol/L)只有較弱的熒光，這在很大程度上歸因于希夫堿C═N結(jié)構(gòu)在光激發(fā)下的順反異構(gòu)化，產(chǎn)生了分子內(nèi)的非輻射衰減從而使得熒光發(fā)射減弱，化合物4a和4b的最大熒光發(fā)射波長分別為492nm和526nm.

2.4 化合物4a和4b對金屬離子的識別性能

有不少文獻(xiàn)報道香豆素希夫堿化合物可對金屬離子、陰離子、中性分子等進(jìn)行檢測［13-16］，向化合物4a的乙腈溶液中分別加入常見的金屬離子K+、Na+、Mg2+、Ca2+、Ba2+、Cd2+、Cu2+、Fe3+、Hg2+、Ni2+、Sb3+和Zn2+，其紫外光譜的變化如圖2所示.

圖2 化合物4a的乙腈溶液中加入不同金屬離子的UVVis吸收光譜Fig.2 UV-Vis absorption spectra of compound 4a upon addition of various metal ions in acetonitrile solution

由圖2可見:當(dāng)在化合物4a中加入等摩爾量(10.0μmol/L)的上述金屬離子后，K+、Na+、Mg2+、Ca2+、Ba2+、Cd2+、Cu2+、Fe3+、Hg2+、Sb3+、Zn2+的加入未引起化合物4a溶液的紫外吸收峰形狀變化，只是吸收強(qiáng)度發(fā)生微小的變化;而Ni2+的加入使得化合物4a溶液在346nm和465nm處的吸收峰強(qiáng)度降低，同時在486 nm和516 nm處出現(xiàn)2個新的吸收峰，原因可能是:化合物4a通過香豆素環(huán)的2個羰基O原子和1個C═N雙鍵的N原子與金屬離子發(fā)生配位，配位時，2個香豆素環(huán)位于C═N雙鍵的同一側(cè)，因此對金屬離子的離子半徑有一定的要求，如果金屬離子半徑太大，不易進(jìn)入到半閉合的2個香豆素環(huán)區(qū)域進(jìn)行配位，因此，離子半徑小的金屬離子有利于配位.實(shí)驗(yàn)所用金屬離子中，Mg2+、Fe3+、Ni2+的離子半徑較小且比較接近，分別為0.066、0.064 和0.069nm;Mg2+的最外層電子數(shù)為 8，一般來說，因?yàn)閴A金屬、堿土金屬的普通配合物穩(wěn)定性很差，可能使得Mg2+不易與化合物4a配位，而Fe3+的外圍電子為3d5，處于半充滿狀態(tài)，比較穩(wěn)定，也不易與化合物4a配位，因此只有Ni2+可與化合物4a形成穩(wěn)定配合物形式，如下所示:通過Ni2+對香豆素內(nèi)酯羰基和亞胺N原子的絡(luò)合，增加了熒光團(tuán)分子的極性，限制了C═N的自由旋轉(zhuǎn)，降低了從基態(tài)到激發(fā)態(tài)電子躍遷的能量，使得紫外吸收光譜的最大吸收波長紅移，達(dá)到選擇性識別Ni2+的目的.同時，化合物4a溶液的顏色也由黃色變成紅色.以上結(jié)果表明，化合物4a對Ni2+有較好的識別作用，有可能作為一種Ni2+比色探針.

向化合物4b的乙腈溶液中分別加入同樣的12種金屬離子，其溶液紫外吸收峰形狀沒有變化，吸收強(qiáng)度均降低，表明化合物4b對上述金屬離子沒有選擇性識別的作用.

3 結(jié)論

以3-氨基-7-羥基香豆素(化合物1)為芳香氨基化合物，分別與2個芳香醛基化合物(化合物3和2，4-二羥基苯甲醛)經(jīng)縮合反應(yīng)得到了2個新型的香豆素希夫堿化合物 4a和 4b，并通過 FT-IR、1H NMR對化合物結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征.對化合物4a和4b的分子結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，在紫外吸收和熒光光譜中，由于化合物4a具有更長的共軛鏈結(jié)構(gòu)，化合物4a比4b表現(xiàn)出更大程度的最大吸收峰紅移，此外，結(jié)構(gòu)在光激發(fā)下的順反異構(gòu)化使得化合物4a和4b具有較弱的熒光.金屬離子檢測的初步研究結(jié)果表明，化合物4a對Ni2+具有較好的選擇性識別作用，有可能作為一種Ni2+比色探針.

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