两种氨基四齿配体的合成、表征及单晶结构

成 昭

(西安医学院药学院，陕西 西安 710021)

多齿配体借助其分子中的多位点结构形成包合空腔，通过多个配位键连接目标物，从而将目标物包合于配体空腔中，得到配体-目标物所形成的具有笼状螯合结构的配位化合物。此外，多齿配体经结构修饰后，常作为受体引入到对目标物具有特异性识别作用的探针结构中。乙二胺四乙酸(EDTA)是一种广泛使用的金属离子配体，分子中的多羧酸位点形成的包合空腔能够容纳多种金属离子。基于EDTA进行结构修饰，得到的新型配体分子二(β-氨基乙基)乙二醇醚-N,N,N′,N′-四乙酸以及1,2-二(2-氨基苯氧基)乙烷-N,N,N′,N′-四乙酸[1-3]等，保留了EDTA分子中的多羧酸位点与笼状包合空腔，且实现了对分子内包合空腔尺寸与其对目标物的包合强度调控，能够完成对目标物的特异性配位与包合作用[4-5]，进一步解释了配体与目标物在分子水平的结合机制。多齿配体的定向结构构筑与合成优化研究，仍是多学科领域的研究热点。

芳香胺类配体，因其氨基与芳香环直接相连，通常表现为较小的pKa值[6]，一定程度上避免了氨基酸解离的影响，相比于脂肪族胺，更适用于生理pH值条件下目标物的分析与测定，因而在生物学领域的目标物识别中得到广泛研究[7-9]。作者分别以邻硝基酚、邻苯二胺为起始原料，通过取代反应，以柔性四羧酸链分别替换1,2-二(2-氨基苯氧基)乙烷、邻苯二胺分子中的氨基氢原子得到以芳香胺为结构基础的两种新型氨基四齿配体1,2-二(2-氨基苯氧基)乙烷-N,N,N′,N′-四乙酸甲酯(Ⅳ)与1-N,N-2-N′,N′-四乙酸甲酯基-1,2-二氨基苯(Ⅴ)。配体Ⅳ与Ⅴ分子中的柔性羧酸链四齿配位结构，能使配体Ⅳ、Ⅴ在与目标物的配位过程中构筑有效的包合空腔，为阐明多齿配体进行目标物识别的可能作用机制提供研究基础。

1 实验

1.1 试剂与仪器

1-溴-2-氯乙烷、邻硝基酚、二异丙基乙胺、溴乙酸甲酯、三氯氧磷、邻苯二胺，化学纯，上海阿拉丁生化科技公司；N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、乙酸乙酯、甲醇、无水乙醇、乙腈、正己烷、还原铁粉、无水碳酸钾、氢氧化钾、氢氧化钠、浓盐酸(质量分数37%)、浓硫酸(质量分数98%)，化学纯，天津科密欧化学试剂有限公司。

XT-4型显微熔点仪，北京泰克科技有限公司；TENSOR T-27型红外分光光度计、AVANCE Ⅲ 400 MHz型超导核磁共振波谱仪、microTOF-QⅡ型电喷雾-四极杆-飞行时间串联质联仪(ESI-Q-TOF LC/MS/MS)、Smart APEX Ⅱ CCD型X-射线单晶衍射仪，美国布鲁克科技有限公司。

1.2 1,2-二(2-氨基苯氧基)乙烷-N,N,N′,N′-四乙酸甲酯(Ⅳ)的合成

以邻硝基酚为起始原料，经乙氧基桥连、硝基还原，再进行氨基氢原子取代，在1,2-二(2-氨基苯氧基)乙烷(Ⅲ)结构中引入柔性四羧酸链，合成目标物氨基四齿配体，即1,2-二(2-氨基苯氧基)乙烷-N,N,N′,N′-四乙酸甲酯(Ⅳ)，合成路线见图1。

图1 1,2-二(2-氨基苯氧基)乙烷-N,N,N′,N′-四乙酸甲酯(Ⅳ)的合成路线

1.2.1 2-(2-氯乙氧基)-硝基苯(Ⅰ)的合成

将邻硝基酚(1.39 g，0.01 mol)、1-溴-2-氯乙烷(4.30 g，0.03 mol)与无水碳酸钾(2.07 g，0.015 mol)均匀混合于DMF(8 mL)中，120 ℃反应5 h；冷却后加入20 mL乙酸乙酯，水洗(10 mL)3次，旋干，以甲醇-水重结晶，得到黄色固体化合物Ⅰ，产率93%，熔点36～37 ℃。1HNMR(CDCl3，400 MHz)，δ：7.85(d，J=8 Hz,1H,Ar-H)，7.53～7.57(m,1H，Ar-H)，7.04～7.23(m,2H,Ar-H)，4.40(t,J=12 Hz,2H,-CH2O-)，3.86(t,J=12 Hz,2H,-CH2Cl)。IR(KBr)，ν，cm-1：2 972.34，2 926.51，2 875.20(νC-H)；1 608.27，1 484.98(νC=C)；1 522.27，1 343.29(ν-NO2)；1 247.30，1 026.00(νC-O-C)；745.61，667.76(δ=C-H)。

1.2.2 1,2-二(2-硝基苯氧基)乙烷(Ⅱ)的合成

将化合物Ⅰ(2.01 g，0.01 mol)、邻硝基酚(1.39 g，0.01 mol)与无水碳酸钾(2.50 g，0.018 mol)均匀混合于DMF(10 mL)中，140 ℃反应4 h；冷却后加入20 mL冰水，抽滤，水洗(10 mL)3次，以甲醇-水重结晶，得到黄色固体化合物Ⅱ，产率95%，熔点168～169 ℃。1HNMR(CDCl3，400 MHz)，δ：7.83(d,J=8 Hz，2H，Ar-H)，7.57(t，J=8 Hz，2H，Ar-H)，7.24(t，J=8 Hz，2H，Ar-H)，7.08(t，J=8 Hz，2H，Ar-H)，4.54(s，4H，-OCH2CH2O-)。IR(KBr)，ν，cm-1：3 051.66(ν=C-H)；2 956.13，2 931.93，2 873.61，2 760.34(νC-H)；1 606.92，1 582.83，1 484.65(νC=C)；1 518.56，1 359.96(ν-NO2)；1 278.08，1 090.66(νC-O)；744.19，671.99(δ=C-H)。

1.2.3 1,2-二(2-氨基苯氧基)乙烷(Ⅲ)的合成

将浓盐酸(0.2 mL)与还原铁粉(3.36 g，0.06 mol)均匀混合于无水乙醇(10 mL)中，80 ℃反应30 min，再向其中分批加入化合物Ⅱ(3.04 g，0.01 mol)，80 ℃反应4 h；趁热加入15%KOH-乙醇溶液至pH=7～8，滤除铁粉，滤液中加入6 mol·L-1硫酸，将所得白色硫酸盐沉淀溶于热水，加入饱和NaOH溶液至pH=9～10，抽滤，固体以甲醇重结晶，得到白色固体化合物Ⅲ，产率88%，熔点116～117 ℃。1HNMR(CDCl3，400 MHz)，δ：6.91～7.05(m，8H，Ar-H)，4.36(s，4H,-OCH2CH2O-)，3.82(s，4H，2×-NH2)。IR(KBr)，ν，cm-1：3 432.36，3 355.57(νN-H)；3 059.23(ν=C-H)；2 934.32(νC-H)；1 612.32，1 507.94(νC=C)；1 276.75，1 217.40(νC-O)；941.92，739.95(δ=C-H)。

1.2.4 1,2-二(2-氨基苯氧基)乙烷-N,N,N′,N′-四乙酸甲酯(Ⅳ)的合成

将化合物Ⅲ(2.44 g，0.01 mol)、二异丙基乙胺(6 mL，0.05 mol)与溴乙酸甲酯(3 mL，0.05 mol)均匀混合于乙腈(10 mL)中，80 ℃反应12 h；冷却后加入20 mL乙酸乙酯，抽滤，滤液旋干，加入少量甲醇搅拌4 h，抽滤，甲醇重结晶，得到白色固体化合物Ⅳ，产率87%，熔点94～95 ℃。1HNMR(CDCl3，400 MHz)，δ：6.82～6.89(m，8H，Ar-H)，4.27(s，4H,-OCH2CH2O-)，4.15(s，8H，4×-CH2-)，3.56(s，12H，4×-CH3)。IR(KBr)，ν，cm-1：3 067.78(ν=C-H)；2 993.00，2 951.29，2 921.02，2 888.20(νC-H)；1 748.17(νC=O)；1 596.85，1 509.53(νC=C)；1 173.12(νC-O)；742.49，706.25(ν=C-H)。ESI-MS，m/z：533.240 7[M+H]+。

1.3 1-N,N-2-N′,N′-四乙酸甲酯基-1,2-二氨基苯(Ⅴ)的合成

将邻苯二胺分子中的氨基氢原子进行取代，引入柔性四羧酸链，合成目标物氨基四齿配体，即1-N,N-2-N′,N′-四乙酸甲酯基-1,2-二氨基苯(Ⅴ)，合成路线见图2。

图2 1-N,N-2-N′,N′-四乙酸甲酯基-1,2-二氨基苯(Ⅴ)的合成路线

将邻苯二胺(1.08 g，0.01 mol)、二异丙基乙胺(17.4 mL，0.1 mol)与溴乙酸甲酯(9.4 mL，0.1 mol)均匀混合于乙腈(25 mL)中，80 ℃反应12 h；冷却后加入100 mL冰水，二氯甲烷(100 mL)萃取3次，无水硫酸钠干燥后旋干溶剂，柱分离(体积比1∶3的乙酸乙酯-正己烷作洗脱剂)，得到白色固体化合物Ⅴ，产率89%，熔点135～136 ℃。1HNMR(CDCl3，400 MHz)，δ：7.05～7.09(m,2H,Ar-H)，6.92～6.98(m，2H，Ar-H)，4.32(s，8H，4×-CH2-)，3.66(s，12H，4×-CH3)。IR(KBr)，ν，cm-1：2 954.99(νC-H)；1 737.74(νC=O)；1 595.73，1 498.15(νC=C)；1 206.20(νC-O)；768.23(δ=C-H)。ESI-MS，m/z：419.142 0[M+Na]+。

1.4 中间体及目标物的表征

红外光谱分析：KBr压片，波数范围4 000～400 cm-1。

1HNMR分析：四甲基硅烷为内标，CDCl3为溶剂，分辨率400 MHz。

单晶衍射分析：296(2)K，MoΚα射线(0.710 73 Å)、ω扫描，收集衍射数据，确定晶胞参数。

2 结果与讨论

2.1 结构表征

经IR、1HNMR测试，合成中间体的各项结构表征数据均符合预期。

由化合物Ⅳ、Ⅴ的IR数据可知，引入的官能团羰基、醚基等均在图谱中出现特征吸收峰；分子结构中特征氢的位移均能由1HNMR进行归属；理论分子量与ESI-MS测试数值相符，化合物Ⅳ、Ⅴ的结构均符合预期设计。

2.2 化合物Ⅳ的单晶结构

化合物Ⅳ为无色块状晶体(0.36 mm×0.29 mm×0.14 mm)，以挥发法从乙酸乙酯-二氯甲烷(体积比3∶1)混合溶剂体系中得到。晶体结构采用SHELXS-97[10]程序以直接法解出(θ=1.60°～25.10°)，晶体结构精修采用SHELXL-97[11]程序，化合物Ⅳ的分子结构与晶体结构见图3，晶体学数据见表1。

图3 化合物Ⅳ的分子结构(a)与晶体结构(b)

表1 化合物Ⅳ、Ⅴ的晶体学数据

化合物Ⅳ的部分键长、键角和扭转角数据见表2。

表2 化合物Ⅳ的部分键长、键角和扭转角

化合物Ⅳ分子中，C7-C12与C15-C20所在的两个苯环平面，在空间中近于垂直。从表2可知，扭转角数据O(5)-C(13)-C(14)-O(6)75.7(3)°表明，桥连苯环的柔性醚氧键扭转角也呈现近乎垂直的排布。此外，扭转角数据N(1)-C(7)-C(12)-O(5)1.5(4)°与O(6)-C(15)-C(20)-N(2)2.1(4)°表明，桥连两个苯环的醚氧原子O(5)/O(6)、叔氮原子N(1)/N(2)与其相连的苯环共平面。分布于两个氨基氮原子上的4条柔性羧酸链空间相距较远，而分子内氢键(表3)使距离桥连醚键较近的两条羧酸链在空间上相互靠近、借助与邻近氢的作用形成包合空腔[12-14]。由于分子内的弱作用力较为简单，所以1,2-二(2-氨基苯氧基)乙烷-N,N,N′,N′-四乙酸甲酯(Ⅳ)的空间排布比较工整，晶体堆积没有呈现出明显的特点[15-16]。

表3 化合物Ⅳ氢键的几何性质

2.3 化合物Ⅴ的单晶结构

化合物Ⅴ为无色块状晶体(0.37 mm×0.31 mm×0.25 mm)，以挥发法从乙酸乙酯-二氯甲烷(体积比3∶1)混合溶剂体系中得到。晶体结构采用SHELXS-97[10]程序以直接法解出(θ=1.17°～25.10°)，晶体结构精修采用SHELXL-97[11]程序，化合物Ⅴ的分子结构与晶体结构见图4，晶体学数据见表1。

图4 化合物Ⅴ的分子结构(a)与晶体结构(b)

单晶测试结果表明,化合物Ⅴ属于单斜晶系，P21/c空间群，每个非中心对称结构单元包含4个分子(表1)。

化合物Ⅴ的部分键长、键角和扭转角数据见表4。

表4 化合物Ⅴ的部分键长、键角和扭转角

化合物Ⅴ分子中，N(1)和N(2)上分别排布有两条柔性羧酸链，由N(1)/N(2)接入苯环邻位碳C(13)/C(18)。由表4可知，扭转角数据N(1)-C(13)-C(14)-C(15)175.92(17)°、N(1)-C(13)-C(18)-C(17)-172.16(15)°、C(16)-C(17)-C(18)-N(2)175.58(17)°、C(14)-C(13)-C(18)-N(2)-174.45(15)°表明，N(1)和N(2)分布在苯环平面的两端，且都与苯环平面成较小的角度，与扭转角数据N(1)-C(13)-C(18)-N(2)7.1(2)°相一致。此外，从C(14)-C(13)-N(1)122.21(16)°与C(17)-C(18)-N(2)122.12(16)°、C(18)-C(13)-N(1)119.33(15)°与C(13)-C(18)-N(2)119.21(15)°这两组彼此相差非常小的键角数值可知，1-N,N-2-N′,N′-四乙酸甲酯基-1,2-二氨基苯分子排布规整，4条柔性羧酸链形成清楚的包合空腔；C(4)-N(1)-C(3)113.71(14)°与C(10)-N(2)-C(9)113.71(14)°键角数据完全一致，分子对称性极高。

连接在两个氮原子上的4条柔性羧酸链两两排布在苯环平面的两端，连接于同一个氮原子上的两条乙酸甲酯链互成180°，与连接于另一个氮原子上的两条乙酸甲酯链相互平行。这种空间排布使得乙酸甲酯链N(1)-C(3)与另一个氮原子上的两条乙酸甲酯链N(2)-C(9)、N(2)-C(10)在空间位置上相互靠近、互成角度，形成了涉及O(5)、O(8)、N(2)的分子内氢键；乙酸甲酯链N(1)-C(4)与另一个氮原子上的乙酸甲酯链N(2)-C(10)，形成了涉及O(8)的分子内氢键。相应地，N(2)上连接的两条乙酸甲酯链N(2)-C(9)、N(2)-C(10)与N(1)上的两条乙酸甲酯链N(1)-C(3)、N(1)-C(4)，形成了涉及O(1)、O(4)、N(1)的分子内氢键(表5)，包合空腔结构清楚。

表5 化合物Ⅴ氢键的几何性质

3 结论

分别以邻硝基酚、邻苯二胺为起始原料，通过取代反应，以柔性四羧酸链分别替换1,2-二(2-氨基苯氧基)乙烷、邻苯二胺分子中的氨基氢原子，得到以芳香胺为结构基础的两种新型氨基四齿配体1,2-二(2-氨基苯氧基)乙烷-N,N,N′,N′-四乙酸甲酯(Ⅳ)与1-N,N-2-N′,N′-四乙酸甲酯基-1,2-二氨基苯(Ⅴ),经核磁共振氢谱、红外光谱、高分辨质谱、X-射线单晶衍射等表征，配体Ⅳ和Ⅴ的结构均符合预期设计。其中，两种氨基四齿配体空间结构与包合空腔的有效构筑，均在X-射线单晶衍射测试中得到确证，可为配体结构设计的相关研究提供参考。此外，设计4条柔性羧酸链作为配体Ⅳ、Ⅴ的识别位点，为未来进一步阐明多羧酸受体进行目标物识别、结合的可能作用机制提供了研究基础。