Fe(C5H4-CH2-Trp-OM e)2的合成、晶体结构及金属离子识别性能

刘伟 李霞＊, 李银峰 赵金安 吴本来 宋毛平

(1河南城建学院材料与化工学院，平顶山467044)(2郑州大学化学与分子工程学院，郑州450001)

Fe(C5H4-CH2-Trp-OM e)2的合成、晶体结构及金属离子识别性能

刘伟1李霞＊,1李银峰1赵金安1吴本来2宋毛平2

(1河南城建学院材料与化工学院，平顶山467044)
(2郑州大学化学与分子工程学院，郑州450001)

以优化的两步一锅反应法合成了生物金属有机化合物Fe(C5H4-CH2-Trp-OMe)2(FcL)，通过NMR、HRMS及IR等对其结构进行了表征，利用X射线单晶衍射测定了分子结构。循环伏安法研究表明FcL在0.00～0.90 V电位范围内，给出一稳定的、形态良好的氧化还原峰，这归于化合物中Fc/Fc+电对的氧化还原过程。电化学金属离子识别研究显示FcL在过渡金属离子Zn2+和Cu2+的存在下，导致了配体Fc/Fc+式量电位的显著阳极移动，其ΔE0′对Zn2+和Cu2+分别为342和335mV，表明了FcL对Zn2+和Cu2+具有良好的识别能力。

二茂铁；生物金属有机；电化学；金属离子识别

在过去的几十年里，鉴于生物金属有机化合物在获取非天然药物、新型生物传感器、肽仿生模型等方面具有的潜在重要价值，使得生物金属有机化学这门将经典金属有机化学同生物学、药物学和分子生物科技等相连接的学科，已成为一个迅速崛起并日趋成熟的领域[1-7]。二茂铁作为经典金属有机化合物，因二茂铁基团在水、空气介质中具有良好的稳定性和易修饰性以及优良的电化学性质，使其在生物金属有机化合物的构筑中得到广泛应用[8-10]。然而，以前对二茂铁生物金属有机化合物的研究工作多集中在化合物的合成、谱学表征及药学性能方面[11-17]，仅有少量文献报道了N-二茂铁基、N-二茂铁酰基氨基酸及缩氨酸衍生物用于阴离子或金属离子传感性能方面的研究[18-25]。

本课题组曾报道了系列以异酞酰基为间隔基的N-5-二茂铁异酞酰氨基酸甲酯金属有机化合物，研究表明其具有较好的阴离子识别性能，尤其对生命体系重要的H2PO4-具有良好的识别能力[26]。在此基础上，为进一步拓宽我们小组对二茂铁生物金属有机化合物研究，本文设计合成了基于L-色氨酸甲酯基的二茂铁甲胺类化合物Fe(C5H4-CH2-Trp-OMe)2(FcL)，并研究其对生命体系中重要的金属离子Mn2+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+和Cd2+等的电化学识别性能，以期能对金属离子与重要氨基酸片段在生命过程中作用方式的理解有所帮助。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

1，1′-双甲酰基二茂铁，L-色氨酸甲酯盐酸盐参考文献[27]合成；NaBH4(国药集团化学试剂)；其他试剂均为分析纯或化学纯；无水甲醇用镁处理至绝对无水；乙腈用氢化钙处理无水并通氮气除氧。用于离子识别研究的阳离子均来源于分析纯高氯酸盐(百灵威科技有限公司)。

熔点在X4数字显微熔点仪(温度计未校正)测定；其他仪器包括：Bruker Smart-APEXⅡCCD型X射线单晶衍射仪，德国Bruker公司；Bruker VECTOR22型红外光谱仪(KBr压片，400～4 000 cm-1测定)，德国Bruker公司；Bruker DPX-400型超导核磁共振谱仪(德国Bruker公司)，TMS为内标；CHI-650A型综合电化学工作站(上海晨华仪器有限公司)，三电极体系，工作电极为Φ3mm的玻碳电极，辅助电极为铂丝，参比电极为232型甘汞电极；Perkin Elmer 341型旋光仪，美国Perkin Elmer公司。

1.2 化合物的合成

Fe(C5H4-CH2-Trp-OMe)2(FcL)合成路线如Scheme 1所示。

在盛有1.68 g(3.3mmol)L-色氨酸甲酯盐酸盐的50 mL圆底烧瓶中，加入20 mL无水甲醇，冰浴下滴加1.5 mL三乙胺，搅拌30min，室温搅拌下加入0.73 g(3.0mmol)1，1′-双甲酰基二茂铁，IR跟踪监测，至1 684 cm-1处1，1′-双甲酰基二茂铁的醛羰基(C＝O)吸收峰消失。冷至0℃以下，剧烈搅拌下分批加入1.0 g NaBH4，反应过夜，减压下蒸出甲醇，残留物中加入饱和食盐水，以CH2Cl24×50mL萃取，有机相以无水Na2SO4干燥过夜，减压下蒸出溶剂，得浅黄色固体，用CHCl3和CH3OH重结晶得浅黄色块状晶体1.67 g(产率86%)。FcL：m.p.155℃；[α]D20-10°(0.076 mol·L-1，CH3OH)；HRMSCalcd.for C36H39FeN4O4[M+H]+：647.232 1，Found：647.232 5；IR (KBr,cm-1)：1 741,1 437,1 349,1 211,1 190,1 124,741；1H NMR(DMSO-d6)：δ1.90(2H，d，J=2.3 Hz，HN*C)，3.03(4H,s，ArCH2)，3.20～3.30(4H，m，NCH2)，3.56(6H，s,OCH3),3.58(2H,m,*CH)，3.83(4H，s，Cp-H)，3.95(4H，s，Cp-H)，6.98(2H，t，J=7.2 Hz，Ar-H)，7.05(2H，t，J= 7.4 Hz,Ar-H),7.12(2H，s，Ar-H)，7.32(2H，d，J=8.0 Hz，Ar-H)，7.51(2H，d，J=7.8 Hz，Ar-H)，10.85(2H，s，NH)；13C NMR(DMSO-d6)：δ28.67(ArCH2)，45.92(NCH2)，51.16(OCH3)，61.35(HN*C)，67.25(Cp)，67.41(Cp)，67.50(Cp)，68.03(Cp)，87.01(Cp)，109.50(Ar)，111.28 (Ar)，120.78(Ar)，123.50(Ar)，127.30(Ar)，135.94(Ar)，174.49(C＝O)；ESI-MS：[M+H]+：647.1，[M+Na]+：669.2。

Scheme 1 Synthesis route to the title compound

1.3 晶体培养与结构测定

用CHCl3和CH3OH溶液在室温下培养化合物FcL的单晶，数周后取尺寸为0.41mm×0.23mm× 0.18mm的浅黄色晶体置于X射线单晶衍射仪上，测定温度为293(2)K，采用经石墨单色器单色化的Mo Kα射线(λ=0.071 073 nm)。全部数据经Lp校正和吸收校正，晶体结构解析和精修采用SHELX-97程序包[28]完成。氢原子和非氢原子分别采用各向同性和各向异性温度因子进行全矩阵最小二乘法修正。晶体学数据见表1，部分键长和键角列于表2。

CCDC：1534811。

表1 FcL的晶体学数据Table 1 Crystallographic data for FcL

表2 FcL的部分键长和键角Table 2 Selected bond lengths(nm)and angles(°)for FcL

1.4 电化学测试方法

FcL溶液浓度为1.0mmol·L-1，以四丁基高氯酸铵(TBAP)为支持电解质，浓度0.1mol·L-1，玻碳电极在使用前先经0.05μm A12O3抛光粉研磨抛光至镜面，再依次用0.1 mol·L-1NaOH、1∶1(V/V)HNO3、无水乙醇、二次蒸馏水超声清洗。实验在饱和氮气的无水乙腈中进行。电化学金属离子识别：金属离子以其高氯酸盐的乙腈溶液(0.1 mol·L-1)由微量进样器加入，在扫速为100mV·s-1条件下、0.00～0.90 V电位范围内，利用循环伏安法进行测定。

2 结果与讨论

2.1 FcL的合成

2.1.1 FcL的合成

由1，1′-双甲酰基二茂铁与易得的L-色氨酸甲酯盐酸盐缩合得亚胺中间体，再经过量的NaBH4还原，采用两步一锅法较高收率得到了目标化合物FcL，过程减少了分离亚胺中间体造成的物料损失，方法简单有效。制备亚胺中间体步骤中利用红外波谱技术进行反应即时跟踪，有效避免了TLC检测反应进程方法中亚胺在硅胶基板上的分解造成的影响。目标分子FcL通过NMR、HRMS、IR及X射线单晶衍射等进行了系统结构表征。

2.1.2 配合物FcL的晶体结构

X射线单晶结构分析结果表明，化合物FcL属于正交晶系，P21212空间群，其晶体结构如图1所示。从图中可以看出：化合物不对称结构单元包含半个FcL分子，2个茂环平面几乎平行，其二面角为4.2°，由于上下两茂环中大位阻取代基的作用，使得2个茂环以“错叠式”存在。C(6)-N(2)键长为0.146 4(4)nm，明显比亚胺化合物中C=N键长[29]要长，这证实了化合物FcL为胺而非亚胺。二茂铁取代双臂中，两甲胺基N原子的孤对电子固体状态下趋向相反。吲哚环平面C(11)-C(12)-N(1)-C(13)-C(14) -C(15)-C(16)-C(17)-C(18)中各原子共面，其平均偏离度为0.001 53 nm。茂环和吲哚环通过C10-C7-N2-C6连接，其扭转角度为167.1(2)°。该化合物每一个结构单元通过分子间氢键(N2…N1 0.307 4(3)nm，N2-H2A…N1ii=115.0°，Symmetry codes：iix+1/2，-y+ 3/2，-z)与4个相邻的结构单元连接形成了二维平面结构，如图2所示。相邻的二维平面之间进一步通过弱分子间作用力形成三维超分子(Fig.S1)。

图1 化合物FcL的晶体结构Fig.1 Crystal structure of compound FcL

图2 FcL通过N-H…N氢键形成二维网络结构Fig.2 2D network structure of FcL formed by N-H…N hydrogen bonds

2.2 电化学性质

2.2.1 FcL的循环伏安行为

在饱和氮气的无水乙腈底液中，以0.1mol·L-1的四丁基高氯酸铵(TBAP)为支持电解质，用玻碳电极对FcL在0.00～0.90 V电位范围内进行循环伏安测定，结果见图3和表3。实验表明，化合物FcL在测试电位范围内，只有一对氧化还原峰，这可归属于化合物中Fc/Fc+电对的氧化还原。对比二茂铁，FcL式量电位有较明显的负移，这可归于供电子基甲胺基的引入，二茂铁中心电子密度的增加，致使二茂铁中心更易氧化。保持测试液组成不变，改变电位扫描速度，进一步考察扫描速度对峰电流和峰电位的影响。由图3可见，随电位扫描速度的增加，FcL的氧化峰与还原峰的电位差ΔEp没有发生明显变化；同时，氧化峰电流与还原峰电流的比值ipa/ ipc也基本为常数。根据电位差ΔEp与ipa/ipc值可以判定，Fc/Fc+电对发生的是准可逆过程。将数据作进一步处理，考察ipa与v1/2的关系，可知ipa～v1/2呈线性关系，说明Fc/Fc+电对在电极上的反应过程是受扩散控制的[29]。

图3 FcL在乙腈溶液中不同扫速下的循环伏安行为及ipa和v1/2之间的线性关系Fig.3 CVs of FcL in CH3CN at different scan rate and the relation between ipaand v1/2

2.2.2 FcL对金属离子的电化学响应

FcL中具有多N原子的结构特点，并且配位能力较强的甲胺基团距二茂铁中心较近，可以预见FcL与金属离子发生配位时，由于所配位的金属离子将会与带正电荷的处于氧化态的二茂铁中心产生空间的斥力作用，使得二茂铁中心的氧化变得困难，从而引起二茂铁中心氧化还原式量电位的阳极移动[30]。为此，选择0.0～0.9 V的电位范围，在100 mV·s-1的电位扫描速度下，考察了FcL在乙腈溶液中对金属离子的电化学响应情况。

表3 FcL和二茂铁的电化学数据Table 3 Electrochem ical parameters of FcL and ferrocene(1.0mmol·L-1)

在FcL中逐渐加入过渡金属离子Cu2+、Zn2+、Mn2+、Co2+、Ni2+和Cd2+后，循环伏安变化表现为双峰行为(随金属离子的加入及量的增加，原配体二茂铁氧化还原中心的氧化还原峰逐渐消减，伴随在更高电位的新峰出现与逐渐增长)。从图4可以看到：当加入Cu2+、Zn2+、Mn2+离子时，对化合物FcL的氧化还原峰电位产生明显的影响，加入2倍物质的量的Cu2+和Zn2+可使原配体氧化还原峰完全消失，在高电位处出现的新峰得到完全的发展，这说明化合物FcL与Cu2+、Zn2+离子发生了较强配位作用；而当加入Co2+、Ni2+和Cd2+离子时，虽然对应于Fc/Fc+电对的循环伏安曲线也发生了明显的改变，但即便加入5倍物质的量的金属离子，对应双峰现象依然存在，实验表明延长测试时间亦可使高电位的新峰得以增长，推测这可能由于配体与该类金属离子作用相对较弱，或者对应于配位过程动力学的慢组装过程[31]。

图4 向FcL乙腈溶液中加入2.0倍物质的量的测试金属离子时的循环伏安行为Fig.4 CVs of FcL upon addition of 2.0 times the amount of substance of selectedmetal cation in CH3CN

FcL与各测试金属离子作用时，其二茂铁中心式量电位E0′的变化情况如表4所示。由于Co2+、Ni2+和Cd2+离子与FcL作用所产生新峰并不能够得到很好的发展，所以v0′的具体值从CV曲线中并不能够准确给出。对Mn2+、Cu2+、Zn2+离子式量电位变化值分别为309、335和342 mV，ΔE0′值大小顺序为：Mn2+＜Cu2+＜Zn2+，这可以从金属离子半径变化顺序(Mn2+＜Cu2+＜Zn2+)来解释，因为较大的金属离子半径往往会给出较大的式量电位位移[32]。从表中可以看出加入Mn2+、Cu2+和Zn2+后其式量电位变化值较为接近，这说明FcL与这几种金属离子配位后形成的配合模式相似，同时也说明配体与金属离子的配位稳定常数Kred均较大。

表4 FcL与各测试金属离子在以0.1mol·L-1的四丁基高氯酸铵为支持电解质下的电化学响应Table 4 Electrochem ical response for FcL vs selected metal cations in acetonitrile in 0.1mol·L-1tetrabutylammonium perchlorate

3 结论

采用先缩合后还原的一锅反应法，以较高收率得到了生物金属有机化合物FcL。电化学金属离子识别性能研究表明，该化合物对金属离子Mn2+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+具有较好的识别性能，表现为二茂铁中心式量电位的阳极移动，尤其对生命重要的Cu2+、Zn2+，其ΔE0′值分别达335和342mV，这对于认识生命体中重要的氨基酸与微量金属离子间的作用机制有着潜在意义；此外，FcL对Cu2+、Zn2+配位过程其Kred/Kox值在～105，表明FcL在构筑新的Cu2+、Zn2+氧化还原型分子开关器件中也有着重要价值。

Supporting information isavailable athttp://www.wjhxxb.cn

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Synthesis,Crystal Structure and Electrochem ical M etal Cation Recognition Investigation of Fe(C5H4-CH2-Trp-OM e)2

LIUWei1LIXia＊,1LIYin-Feng1ZHAO Jin-An1WU Ben-Lai2SONGMao-Ping2
(1College of Materials and Chemical Engineering,Henan University of Urban Construction,Pingdingshan,Henan 467044,China)
(2College of Chemistry and Molecular Engineering,Zhengzhou University,Zhengzhou 450001,China)

A simple and efficient two-steps one-pot syntheticmethodology for the preparation of Fe(C5H4-CH2-Trp -OMe)2(FcL)isdescribed,and FcL was fully characterized by NMR spectroscopic techniques,massspectrometry (HRMS)and IR.The crystal structure of FcL was determined by X-ray single crystal structure analysis.The cyclic voltammetric behavior of FcL showed one pair ofwell-defined and stable redox waves in potential range of 0.0～0.9 V at GC electrode,which attributed to the Fc/Fc+redox process.Electrochemical investigations of FcL have demonstrated that addition of Zn2+and Cu2+results in large shifts of respective Fc/Fc+redox couple tomore positive potentials,342 and 335 mV,respectively,and this suggests that FcL has good ability in recognizing of the vital Zn2+and Cu2+.CCDC:1534811.

ferrocene;bioorganometalic chemistry;electrochemistry;metal cation sensing

O614.81+1

A

1001-4861(2017)07-1243-06

10.11862/CJIC.2017.127

2017-03-10。收修改稿日期：2017-04-19。

国家自然科学基金(No.21371046，21271157)、河南省基础与前沿技术研究计划项目(No.122300410092)和河南省科技攻关计划项目(No.122102210415)资助。

＊通信联系人。E-mail：lixia@hncj.edu.cn