二茂铁-三唑席夫碱的制备及性能研究*

张 腾，尚 岩，田晟吉，孙常雁，燕 红，张桂玲

(哈尔滨理工大学 材料科学与化学工程学院，哈尔滨 150040)

0 引 言

二茂铁(Fe(C5H5)2)是典型的过渡金属络合物，它由两个环戊二烯负离子以及一个亚铁离子构成。因为这种独特的夹心结构，使其具有很多其他化合物不具备的特殊性质。将二茂铁与不同的基团进行结合，可以获得具有某种特殊性质的二茂铁衍生物，此类衍生物在电传感器[1]、分子电器元件[2-4]以及生物医药[5-6]等高新技术领域有着非常广阔的发展空间和应用前景。

1,2,4-三唑化合物为6π电子共轭体系，环的1、2、4 位均为N原子，是一类应用非常广泛的五元杂环化合物。例如，三唑化合物显示出较强的配位能力和形成氢键的能力、金属离子络合疏水效应、π-π堆积和静电相互作用等。在农药生产、材料科学、医药领域、人工受体、超分子识别与仿生模拟等方面具有很大的潜在应用价值[7-13]。同时在化学、物理、生命科学等领域也显示出了潜在的研究价值与开发价值，因此备受科研学者们的青睐[14-18]。

设计合成了含有二茂铁基团的1,2,4-三唑席夫碱化合物，对合成的席夫碱化合物的导电性能进行了研究，考察不同取代基团对导电性能的影响。同时研究了化合物对大肠杆菌(E.coli)和金黄色葡萄球菌(S.aureus)的抗菌性能。合成路线如图1所示。

图1 标题化合物的合成路线Fig 1 Synthetic route of title compounds

1 实 验

1.1 仪器和试剂

TENSOR27型傅立叶变换的红外扫描仪，天津市科学设备仪器厂；BRUKER Avance -NEO 600型核磁共振波谱仪( 瑞士Bruker 公司)；立式压力蒸汽灭菌器，上海博讯实业有限公司医疗设备厂；SPX-150B-Z型生化培养箱，上海博讯实业有限公司医疗设备厂；芳香酸乙酯，水合肼(80%)，二茂铁甲醛，氘代 DMSO均为分析纯试剂；实验菌株为大肠杆菌、金黄色葡萄球菌。芳基酰肼(2a-2d)和芳基甲酰基肼基二硫代甲酸盐(3a-3d)均按照文献[19]方法合成。

1.2 3-取代基-4-氨基-5-巯基-1,2,4-三唑化合物(4a-4d)的合成

将0.01 mol芳基甲酰基肼基二硫代甲酸盐(3a-3d)在15 mL水和0.03 mol水合肼中加热回流4 h。反应完成后，冷却室温，加入10 mL水稀释，用盐酸酸化至pH=3。经沉淀、过滤、洗涤、乙醇重结晶后得产物(4a-4d)。注意反应过程中会产生H2S气体，需要用NaOH溶液吸收。

化合物4a：白色固体，收率44.2%，IR(KBr)，ν/cm-1：3 300(νN-H)，2 745(νS-H)，1 633(νC=N)，1 532(νC=C)；1H NMR(DMSO-d6)δ(×10-6)：13.95(s，1H，-SH)，5.80(s，2H，-NH2)，7.52～8.03(m，5H，Ar-H)。

化合物4b：白色固体，收率70.7%，IR(KBr)，ν/cm-1：33 09(νN-H)，2 833(νS-H)，1 627(νC=N)，1 508(νC=C)，1 255、1 127(νC-O-C)；1H NMR(DMSO-d6)δ(×10-6)：13.81(s，1H，-SH)，5.76(s，2H，-NH2)，7.52～8.03(m，4H，Ar-H)，3.82(s，3H，-OCH3)。

化合物4c：黄色固体，收率69.0%，IR(KBr)，ν/cm-1：3 352(νN-H)，2 913(νS-H)，1 612(νC=N)，1 541(νC=C)，1 503(asN=O)，1 305(sN=O)；1H NMR(DMSO-d6)δ(×10-6)：13.61(s，1H，-SH)，5.70(s，2H，-NH2)，6.60～7.75(m，4H，Ar-H)。

化合物4d：黄色固体，收率67.6%，IR(KBr)，ν/cm-1：3 249(νN-H)，2 753(νS-H)， 1637(νC=N)，1 498(νC=C)，747(νAr-Cl)；1H NMR(DMSO-d6)δ(ppm)：13.98(s，1H，-SH)，5.79(s，2H，-NH2)，7.59-8.08(m，4H，Ar-H)。

1.3 二茂铁-三唑席夫碱化合物(5a-5d)的合成

在250 mL三颈烧瓶中，依次加入甲苯(25 mL)、3-取代基-4-氨基-5-巯基-1,2,4-三唑(4a-4d)(1 mmol)、冰乙酸(5滴)，常温下搅拌15 min，使其混合均匀。在氮气保护的条件下，加热回流，用恒压漏斗缓慢滴加溶有二茂铁甲醛(1 mmol)的25 mL甲苯溶液，滴加完毕后用TLC 监测反应，约4 h 后结束反应。室温下静置过夜析出沉淀，经过滤、洗涤、乙醇重结晶后得产物(5a-5d)。

化合物5a：橙红色固体，收率46.7%，IR(KBr)，ν/cm-1： 3 031(νAr-H)，2 746(νS-H)，1 590(νC=N)，3 107(νFc C-H)，14 80(νFc C-C)，1 150(δFc C-C)，1 025(δFc C-H)，819(γFc C-H)，486(νFc-Fe)；1H NMR(DMSO-d6)δ(×10-6)：14.11(s，1H，-SH)，9.29(s，1H，-CH=N)，7.53～7.90(m，5H，Ar-H)，4.82 (t，2H，Fc-H)，4.66 (t，2H，Fc-H)，4.35 (m，5H，Fc-H)。

化合物5b：深红色固体，收率70.6%，IR(KBr)，ν/cm-1：3 039(νAr-H)，2 745(νS-H)，1 575(νC=N)，1 251(νC-O-C)，3 089(νFc C-H)，1 466(νFc C-C)，1 108(δFc C-C)，1 042(δFc C-H)，812(γFc C-H)，495(νFc-Fe)；1H NMR(DMSO-d6)δ(×10-6)：13.99(s，1H，-SH)，9.28(s，1H，-CH=N)，7.09～7.85 (m，4H，Ar-H)，4.83 (t，2H，Fc-H)，4.66 (t，2H，Fc-H)，4.36 (m，5H，Fc-H)，3.82(s，3H，OCH3)。

化合物5c：褐色固体，收率61.5%，IR(KBr)，ν/cm-1：2 929(νS-H)，1618(νC=N)，1 501(asN=O)，1 307(sN=O)，3 190(νFc C-H)，1 479(νFc C-C)，1 191(δFc C-C)，1 072(δFc C-H)，848(γFc C-H)，492(νFc-Fe)；1H NMR(DMSO-d6)δ(×10-6)：14.19(s，1H，-SH)，9.36(s，1H，-CH=N)，8.24～8.02 (m，4H，Ar-H)，4.83 (t，2H，Fc-H)，4.66(t，2H，Fc-H)，4.36(m，5H，Fc-H)。

化合物5d：红褐色固体，收率52.6%，IR(KBr)，ν/cm-1：3 023(νAr-H)，2 770(νS-H)，1 582(νC=N)，743(νAr-Cl)，3 092(νFcC-H)，1 474(νFc C-C)，1176(δFc C-C)，1 012(δFc C-H)，804(γFc C-H)， 493(νFc-Fe)；1H NMR(DMSO-d6)δ(×10-6)： 14.17(s，1H，-SH)，9.32(s，1H，-CH=N)，7.63～7.92 (m，4H，Ar-H)，4.83 (t，2H，Fc-H)，4.66(t，2H，Fc-H)，4.36(m，5H，Fc-H)。

1.4 二茂铁-三唑席夫碱的电导率测试

在室温条件下，采用SZT-2A四探针电阻率仪对合成的目标化合物5a-5d和原料二茂铁甲醛分别进行电阻率测试以及电导率计算。考察不同性质取代基团的连接对化合物导电性能的影响。

1.5 抗菌性能实验

材料抗菌性能实验采用最小抑菌浓度(MIC)法，以E.coli和S.aureus作为代表革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌的试验菌株。将合成的化合物4a-4d和化合物5a-5d分别溶于DMSO中，配制成不同浓度的溶液。取一定量的待测样加入到固体培养基中，将含有待测样的固体培养基和平板在高压灭菌锅中121 ℃灭菌20 min。用移液枪吸取20 μL稀释后的实验菌株(用涂布平板计数法测定细菌总数，最终选择符合要求的稀释后E.coli浓度为10-6g/mL；S. aureus为10-5g/mL)，接种于含待测样的琼脂平板中，每个平板接种3个点。将所有平板移至恒温培养箱中培养，在37 ℃下培养12 h，观察菌落生长情况，其中抑制菌落生长的最低样品浓度为所测样品的MIC值。实验过程中设定空白组和溶剂组进行对照。化合物4a-4d和化合物5a-5d抑制E.coli和S.aureus生长的浓度设定如表1、2所示。

表1 抑制E.coli生长的浓度设定(单位：mg/mL)

表2 抑制S. aureus生长的浓度设定(单位：mg/mL)

2 结果与讨论

2.1 结构表征

用IR和1H NMR等对化合物4a-4d及5a-5d的结构进行了表征。IR结果显示1 633～1 610 cm-1处的吸收峰为C=N键伸缩振动吸收峰，这是由于C=N双键与苯环构成一个大的共轭体系，π电子发生离域，使C=N双键键能减小，伸缩振动吸收峰比一般C=N双键的吸收峰(1 690～1 640 cm-1)偏低一些。

1H NMR谱图数据显示苯环上H的化学位移在(7.00～8.00)×10-6，连接不同取代基团时，化学位移会有相应的变化；1,2,4-三唑环上连接的-SH的化学位移在(13.00～14.00)×10-6之间；-NH2在5.70 ×10-6附近；席夫碱化合物的二茂铁上H的化学位移在(4.00～5.00)×10-6之间。结合IR和1H NMR数据的分析结果，确定化合物的结构。

2.2 二茂铁-三唑席夫碱的电导率测试结果分析

对合成的目标化合物5a-5d和原料二茂铁甲醛分别进行电阻率测试以及电导率计算，其结果如表3所示。

表3 化合物5a-5d及原料电阻率测试结果

从表3的测试结果可以看出，二茂铁甲醛的电导率为4.01×10-4S/cm，与化合物4a-4d发生缩合反应后，电导率均有不同程度的提升，这是由于共轭体系的增大，电子离域加强，导致共轭体系中电子流动性增加，导电能力提升。

相对于化合物5a中苯环4-H而言，化合物5b中甲氧基为给电子基，使共轭体系电子云密度升高，化合物导电性加强；而化合物4c中的硝基和化合物4d中的氯原子为吸电子，且硝基吸电子能力强于氯原子，导致共轭体系电子云密度降低，使得导电能力下降，并且吸电子能力越强，导电能力下降越明显。

由此可以看出，所制备的席夫碱化合物5a-5d的导电性是可调控的，我们可以根据需要，连接不同的取代基团，从而使目标化合物具有不同的导电性。

2.3 化合物抗菌性能实验结果分析

图2所示为对照组培养E.coli和S.aureus菌落生长情况。其中图2(a)为空白组、图2(b)为溶剂组、图2(c)为二茂铁甲醛溶于DMSO溶液。

图2 对照组培养E.coli和S. aureus菌落生长情况Fig 2 The growth of E.coli and S. aureus colonies in the control group

由图2可以看出，溶剂DMSO对于E.coli和S.aureus没有抑制作用，即可排除溶剂对菌落生长的干扰。同时，当二茂铁甲醛浓度增加到50 mg/mL时，依然可以看到有大量的菌落生长，这说明二茂铁甲醛无明显的抗菌效果，这一实验结论与文献[20]相符。即可以判断后续抗菌实验的抑菌效果是由目标化物的抗菌作用导致的。

表4和表5分别为化合物4a-4d与化合物5a-5d抑制E.coli和S.aureus菌落生长的最低样品浓度(即MIC值)。

表4 化合物4a-4d的最小抑菌浓度(MIC)

表5 化合物5a-5d的最小抑菌浓度(MIC)

由表4可知，1,2,4-三唑化合物4a-4d对E.coli和S.aureus的抗菌性能较好。其中氯原子取代的化合物4d对两种菌落的抗菌效果最明显，有机卤化物能够破坏菌落的细胞膜等组织，随着化合物浓度的升高，卤素原子的含量增加，对菌落的破坏作用越强，因此化合物4d对菌落的抑制效果最明显。硝基取代的化合物4c对两种菌落的抗菌效果略差，分析原因为化合物中的C、N、O元素按比例存在，为细菌的生长提供了环境，因此其抗菌效果相对差一点。另外同一种化合物对两种菌落的抗菌效果也有所不同。比如化合物4a、4b、4d均对革兰氏阳性菌的S.aureus抗菌效果优于革兰氏阴性菌的E.coli。这是由于革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的细胞壁结构和组成不同所致的。一般革兰氏阴性菌的细胞壁比革兰氏阳性菌薄，但是革兰氏阴性菌的结构较复杂，分外膜和肽聚糖层，并且在细胞壁和细胞质膜之间有一个明显的空间，称为壁膜间隙。这使得化合物进入细胞内部的阻力也较大，因此化合物对革兰氏阴性菌的抑制作用就差一些。

同时，对化合物5a-5d的抗菌性进行了实验，结果如表5所示。化合物5a-5d对两种菌落有明显的抗菌效果。这说明，二茂铁甲醛与化合物4a-4d发生缩合反应以后，相对于二茂铁甲醛而言，其席夫碱衍生物的抗菌活性有了明显的提高，这将拓展二茂铁类化合物在材料方面的应用。其中对两种菌落抗菌效果最明显的是氯原子取代的化合物5d，未含取代基的化合物5a的抗菌效果略优于甲氧基和硝基取代的化合5b、5c。同时，由于菌落的细胞壁结构和组成不同，而使得化合物5a-5d对两种菌落的抗菌性能有一定差异性。

因此可以推断，所制备的化合物4a-4d和化合物5a-5d的抗菌活性一方面与菌落的细胞壁结构和组成有关，另一方面与化合物结构和取代基团有一定的关系。更深入的分析需要进一步实验论证。

3 结 论

首先合成了1,2,4-三唑化合物4a-4d，并与二茂铁甲醛发生缩合反应得到了二茂铁-三唑席夫碱化合物5a-5d。通过FT-IR、1H-NMR等手段对化合物进行了结构表征，并研究了不同取代基团对化合物导电性能以及抗菌性能的影响。研究表明化合物5a-5d有较好的导电性能，且化合物的导电性随取代基团的变化而变化。抗菌性能试验表明化合物4a-4d对E.coli和S.aureus有较好的抗菌活性，且与二茂铁甲醛缩合后，明显的提高了化合物5a-5d对菌落的抑制作用，同时化合物的抗菌活性不但与菌落的细胞壁结构和组成有关，而且与化合物结构和取代基团有一定的关系。