茂钛配合物水解的研究手段

李淑云，冯书晓，章亚东（郑州大学化工与能源学院，河南 郑州 450001）



茂钛配合物水解的研究手段

李淑云，冯书晓，章亚东
（郑州大学化工与能源学院，河南 郑州 450001）

摘要：由于茂钛配合物的易水解性严重影响其催化活性，而且其水解特点与抗肿瘤活性紧密相关，因此需要采用合适的检测手段来评价其水解行为。本文介绍了一系列检测茂钛配合物水解的研究手段——UV-Vis、1H NMR、X射线晶体学、电位分析法、电导法、量子化学计算方法，分析了各种测试方法适用的范围及优缺点。提出这些测试方法有助于研究茂钛配合物的水解动力学，能够促进茂钛配合物在医学及化工方面的研究与进展。

关键词：配合物；水解；紫外-可见分光光度测定法；核磁共振；X射线晶体学；电化学；电解；计算化学

第一作者：李淑云（1989—），女，硕士研究生。E-mail 946712732@ qq.com。联系人：章亚东，教授，博士生导师，主要从事精细有机合成方面的研究。E-mail zzuzhangyadong@126.com。

自从1952年SUMMERS等[1]首次合成二氯二茂钛后，大量茂钛化合物被合成。这类化合物由于在催化烯烃聚合[2-3]、不饱和烃加氢还原[4]、有机合成[5]以及抗癌活性[6-8]等方面的重要作用而成为国内外研究非常活跃的领域之一。虽然茂钛配合物在有机溶剂及水溶液中具有良好的溶解性和稳定性，但是仍会发生茂环和卤原子的水解，它们的水解与金属钛、卤原子和溶液的pH值紧密相关[9]，但目前对茂钛配合物的水解行为了解甚少，大部分是有关溶液光谱的定性研究[10]。为了更清楚地了解茂钛配合物的水解机理，以使其能最大限度发挥催化活性和抗癌活性，本文介绍了一系列定性及定量研究茂钛配合物水解的检测手段。

1 茂钛配合物的水解机理

茂钛配合物Cp2TiX2在水溶液体系中的水解主要包括茂环Cp和卤原子X的水解，其水解机理[11]如式(1)～式(5)所示。

2 茂钛配合物水解的检测手段

2.1 UV-Vis

当茂钛配合物分子吸收了某一特定波长的光而达到激发态时，由于激发态是一个不稳定的中间态，受激物必将通过各种途径耗散多余的能量以达到某一个稳定的状态[11]，即茂钛配合物会发生配体→金属的电子转移（LMCT），从而产生UV-Vis电子吸收光谱。茂钛类化合物含有共轭烯烃类的生色基团，它们与钛形成配位键后，将会产生紫外或可见光吸收。通过测定茂钛配合物在λ=320～350nm处的LMCT吸收带随时间的变化，可以评价其水解行为[12-21]。如PERI课题组[13]将茂钛配合物（图1）溶解在THF中配制成浓度较小的溶液，然后在体系中加入10%水，记录不同时间段内配合物溶液的UV-Vis光谱，结果表明活泼配合物TiL1，2，4(OiPr)2的LMCT吸收带向较大波长处发生轻微变化，且吸光度没有衰减至0，表明配合物水解生成新的化合物；而TiL3,5(OiPr)2的UV-Vis光谱没有发生明显变化，但TiL5(OiPr)2的LMCT谱带在第一个小时内彻底衰减表明TiL5(OiPr)2会发生快速水解。

该方法是评价茂钛类配合物水解特性的重要方法，且测试简便，广泛应用于体外抗癌实验评价。

2.21H NMR

1H NMR谱图是由有磁矩的氢原子核在磁场的作用下，以一定频率的光进行照射，产生能级跃迁而获得的共振信号，它是解析化合物结构的主要手段。1H NMR谱图能够有效地阐明茂钛配合物溶液水解生成新化合物的本质[12-18，21-27]。如PRASHAR 等[18]将20mg茂钛配合物（图2）溶解在1 mL DMSO 或DMSO/H2O体系中，记录不同时间段内溶液的1H NMR光谱，以此来评价茂钛配合物在DMSO或DMSO/H2O体系中的稳定性。结果表明：在DMSO中配合物1和3的稳定性高于2和4，但在DMSO/H2O体系中这些配合物的茂环发生快速水解；其次，这些茂钛配合物在水中的稳定性可能与细胞毒性有关，如3在水中最不稳定，但在细胞系中最不活泼。

该方法可以检测茂钛类化合物水解前后的氢谱特征，并可用于检测配合物水解前后氢的种类和数目的变化，以此来推测其可能的结构变化，它对研究该类化合物的化学转变具有一定的意义。

2.3 X射线晶体学

图1 钛配合物[TiL1～5(OiPr)2]的结构式

图2 钛配合物1～4的结构式

X射线晶体学是一门利用X射线来研究晶体中原子排列的学科。使用X射线晶体学对茂钛配合物水解产生的新化合物进行结构表征，以此确定新化合物的结构特征[12-15，20-21，28]。PERI课题组[13]尝试采用茂钛配合物与特定数量水反应以及结晶的方法合成O桥接配体取代OiPr基团的部分水解产品，结果表明：三核配合物中2个不同螯合配体连接酚氧的相邻CAr-CAr的最短距离是3.7Å（1Å=0.1nm），相应的氢原子之间的距离变为3.4Å，这就解释了L2Ti(OiPr)2与L3Ti(OiPr)2一样，在水中较为稳定。

该法的优势在于可以准确测试化合物结构水解前后的变化，包括键长、键角的变化等，对研究该类化合物的空间结构具有很大的应用空间。

2.4 电位分析法

电位分析法是利用物质的电化学性质进行分析的一大类分析方法，可以利用测得电极电位与被测物质离子浓度的关系求得被测物质的含量，包括直接电位法和电位滴定法。

2.4.1 直接电位法

直接电位法[22，29]是利用专用的指示电极（离子选择性电极）选择性地把待测离子的活度（或浓度）转化为电极电位加以测量，根据Nernst方程式求出待测离子的活度（或浓度），也称为离子选择电极法。1991年赵立芳和耿启辉[29]使用卤离子选择电极测定茂钛配合物水解过程中卤离子的浓度变化，从而得出茂钛配合物的水解速度和平衡常数，实验结果表明，二卤二茂钛第一步水解很快无法用卤离子电极监测；假定第二步水解为准一级反应，可求出第二个卤离子水解的速度常数；实验结果与顺铂作比较，可以看出钛配合物的水解速度远大于顺铂，而且发现二者最大的不同是茂钛配合物的水解过程伴随着茂环的丢失；他们还计算出顺铂和二茂钛第二步水解反应的自由能变ΔG0，得出顺铂的热力学稳定性要高于二氯二茂钛，且二茂钛的热力学稳定性则由碘到氟，依次降低。

该方法是一种应用广泛的快速分析方法，因其可测定离子活度，所以可用于化学平衡、动力学、电化学理论的研究及热力学常数的测定。该法对于研究含卤茂钛化合物的水解具有一定的优势，但对一些不含卤素的茂钛类有机化合物不适用。

2.4.2 电位滴定法

电位滴定法[19，22，29]是利用指示电极在滴定过程中电位的变化及化学计量点附近电位的突跃来确定滴定终点的滴定分析方法。1985年TONEY和MARKS[22]使用电位滴定法不仅测出二氯二茂钛水溶液中水解卤离子的浓度，而且应用MARTIN的方法，结合pH值滴定，还估算出Cp2M2+配位水分子的酸度常数。他们使用pH计测定水溶液的pH值，发现水解达到平衡时溶液的pH值下降约4个单位，表明水解过程中有H+产生；用标准氢氧化钠溶液滴定，pH电极指示终点，计算得出Cp2Ti2+配位水分子的酸度常数pKa，数据表明：Cp2Ti2+配位水分子的酸度很大，而且当茂环上有取代基时，会降低CpTi2+离子键合H2O分子的能力；此外CpTi2+离子配位H2O分子的能力比顺铂大，说明Ti—Cl键的稳定性低于Pt—Cl键。

电位滴定法与一般的滴定分析法的根本差别在于确定终点的方法不同。该法可通过测定二氯二茂钛化合物在水溶液中的pH值、pKa，来间接反映其水解特性。

直接电位法与电位滴定法的区别在于：直接电位法只测定溶液中已经存在的自由离子，不破坏溶液中的平衡关系；电位滴定法测定的是被测离子的总浓度。直接电位法可直接用于有色和混浊溶液的滴定。

2.5 电导法

电解质溶液是靠正负离子的迁移来传递电流，其导电能力与离子所带电荷、温度及溶液浓度有关，因此使用摩尔电导来衡量电解质溶液的导电能力[10，22]。1985年TONEY和MARKS[22]使用电导法研究了二茂钛在水溶液和非水溶剂中的电导行为，确定了茂钛配合物在溶剂中的解离过程及电解质类型。即Cp2TiX2（X=Cl，Br，I）配合物在溶剂DMSO中完全解离且是二元电解质，其摩尔电导Ωe和浓度C满足Onsager公式：Ωe=Ω0−(aΩ0+b)C1/2= Ω0−SC1/2，而Cp2TiF2属于非离子型电解质；使用Feltham和Hayter方法确定Cp2TiX2在水中的电解质类型，发现Cp2TiX2（X=Cl，Br，I）的摩尔电导先随时间的延长而增大，而后保持不变；Cp2TiF2的摩尔电导不随时间发生变化，而其值介于1∶1和2∶1型电解质的摩尔电导之间，推测Cp2TiX2在水溶液中可能发生水解，且同时存在1∶1和2∶1型电解质。

该法通过测定茂钛类化合物水解前后电导率的变化可以确定其电解质类型，进而间接来评价其水解特征。

2.6 量子化学计算方法

2009年ZHOU等[30-32]采用Gaussian 03量子化学计算程序包，使用密度泛函理论研究了二氯二茂钛的3个水解过程。他们采用B3LYP方法结合LanL2DZ和6-31G**基组优化几何构型；为了确定优化结构，判断零点振动能与热和熵的关系，需要对每种化合物反复计算；他们还使用B3LYP/[LanL2DZ+6-311++G(2d,2p)]对每个优化的几何构型进行单点能计算，以此获得更多有用的能量数据。采用可极化的连续模型（IFE-PCM）和水的介电常数进行溶剂化计算；使用内禀反应坐标（IRC）计算确定每种过渡态对应的反应物和产物的结构；量子化学计算得到的结果表明结构参数、活化能、反应自由能以及二氯二茂钛初次水解的特征理论几乎与实验事实一致。

通过量子化学计算方法研究茂钛配合物的分子结构和电子结构，可以解决实际水解测试中的一些理论问题，从计算的角度解释水解规律；也可以总结出不同茂钛配合物在结构和性质上的差别，弄清楚茂钛配合物的结构和催化性能的关系，对其催化活性的差异给予理论上的说明，对今后设计和合成性能更好的茂金属催化剂具有重要的理论指导意义。

3 结语与展望

综上，对于茂钛类化合物的水解特征研究，以上几种方法中，UV-Vis、1H NMR、X射线晶体学均是对待测化合物的结构变化进行直观观测的结果；而电位分析法、电导法则是通过水解溶液中离子浓度的变化进行的宏观观测；量子化学计算方法可以从结构特征来推测其水解规律和热力学变化等。

科学家开发和设计的各种测定方法，有利于对动态化学反应进行中间体检测，对茂钛配合物的水解反应与中间体进行分析研究，能够确认其水解机理和抗癌机理，有助于其在生化、医学应用及超强酸催化方面的研究与发展。

参 考 文 献

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研究开发

Methods to study titanium complexes hydrolysis

LI Shuyun，FENG Shuxiao，ZHANG Yadong
（College of Chemical and Energy，Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，Henan，China）

Abstract：The hydrolysis of titanium complexes has seriously limited their applications. Their hydrolytic characteristic was closely related to the antitumor activity. Therefore，it was necessary to use proper testing methods to evaluate the hydrolytic behavior of titanium complexes. This article introduced a series of methods for investigating the hydrolysis of titanium complexes，including UV-Vis，1H NMR，X-ray crystallography，potentiometric analysis，conductivity method，and quantum chemistry computations. The strength and shortcomings of those methods were analyzed and compared. It was also described that the methods contributed to the investigations on the hydrolytic kinetic of titanium complexes，which could promote the progress of titanium complexes on medical and chemical industry.

Key words：complexes；hydrolysis；UV-Vis；nuclear magnetic resonance (NMR)；X-ray crystallography；electrochemistry；electrolysis；computational chemistry

收稿日期：2015-05-29；修改稿日期：2015-08-27。

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.02.004

中图分类号：TQ 32

文献标志码：A

文章编号：1000–6613（2016）02–0364–05