茂鈦配合物水解的研究手段

李淑云，馮書曉，章亞東（鄭州大學化工與能源學院，河南 鄭州 450001）

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茂鈦配合物水解的研究手段

李淑云，馮書曉，章亞東
（鄭州大學化工與能源學院，河南 鄭州 450001）

摘要：由于茂鈦配合物的易水解性嚴重影響其催化活性，而且其水解特點與抗腫瘤活性緊密相關，因此需要采用合適的檢測手段來評價其水解行為。本文介紹了一系列檢測茂鈦配合物水解的研究手段——UV-Vis、1H NMR、X射線晶體學、電位分析法、電導法、量子化學計算方法，分析了各種測試方法適用的范圍及優缺點。提出這些測試方法有助于研究茂鈦配合物的水解動力學，能夠促進茂鈦配合物在醫學及化工方面的研究與進展。

關鍵詞：配合物；水解；紫外-可見分光光度測定法；核磁共振；X射線晶體學；電化學；電解；計算化學

第一作者：李淑云（1989—），女，碩士研究生。E-mail 946712732@ qq.com。聯系人：章亞東，教授，博士生導師，主要從事精細有機合成方面的研究。E-mail zzuzhangyadong@126.com。

自從1952年SUMMERS等[1]首次合成二氯二茂鈦后，大量茂鈦化合物被合成。這類化合物由于在催化烯烴聚合[2-3]、不飽和烴加氫還原[4]、有機合成[5]以及抗癌活性[6-8]等方面的重要作用而成為國內外研究非常活躍的領域之一。雖然茂鈦配合物在有機溶劑及水溶液中具有良好的溶解性和穩定性，但是仍會發生茂環和鹵原子的水解，它們的水解與金屬鈦、鹵原子和溶液的pH值緊密相關[9]，但目前對茂鈦配合物的水解行為了解甚少，大部分是有關溶液光譜的定性研究[10]。為了更清楚地了解茂鈦配合物的水解機理，以使其能最大限度發揮催化活性和抗癌活性，本文介紹了一系列定性及定量研究茂鈦配合物水解的檢測手段。

1 茂鈦配合物的水解機理

茂鈦配合物Cp2TiX2在水溶液體系中的水解主要包括茂環Cp和鹵原子X的水解，其水解機理[11]如式(1)～式(5)所示。

2 茂鈦配合物水解的檢測手段

2.1 UV-Vis

當茂鈦配合物分子吸收了某一特定波長的光而達到激發態時，由于激發態是一個不穩定的中間態，受激物必將通過各種途徑耗散多余的能量以達到某一個穩定的狀態[11]，即茂鈦配合物會發生配體→金屬的電子轉移（LMCT），從而產生UV-Vis電子吸收光譜。茂鈦類化合物含有共軛烯烴類的生色基團，它們與鈦形成配位鍵后，將會產生紫外或可見光吸收。通過測定茂鈦配合物在λ=320～350nm處的LMCT吸收帶隨時間的變化，可以評價其水解行為[12-21]。如PERI課題組[13]將茂鈦配合物（圖1）溶解在THF中配制成濃度較小的溶液，然后在體系中加入10%水，記錄不同時間段內配合物溶液的UV-Vis光譜，結果表明活潑配合物TiL1，2，4(OiPr)2的LMCT吸收帶向較大波長處發生輕微變化，且吸光度沒有衰減至0，表明配合物水解生成新的化合物；而TiL3,5(OiPr)2的UV-Vis光譜沒有發生明顯變化，但TiL5(OiPr)2的LMCT譜帶在第一個小時內徹底衰減表明TiL5(OiPr)2會發生快速水解。

該方法是評價茂鈦類配合物水解特性的重要方法，且測試簡便，廣泛應用于體外抗癌實驗評價。

2.21H NMR

1H NMR譜圖是由有磁矩的氫原子核在磁場的作用下，以一定頻率的光進行照射，產生能級躍遷而獲得的共振信號，它是解析化合物結構的主要手段。1H NMR譜圖能夠有效地闡明茂鈦配合物溶液水解生成新化合物的本質[12-18，21-27]。如PRASHAR 等[18]將20mg茂鈦配合物（圖2）溶解在1 mL DMSO 或DMSO/H2O體系中，記錄不同時間段內溶液的1H NMR光譜，以此來評價茂鈦配合物在DMSO或DMSO/H2O體系中的穩定性。結果表明：在DMSO中配合物1和3的穩定性高于2和4，但在DMSO/H2O體系中這些配合物的茂環發生快速水解；其次，這些茂鈦配合物在水中的穩定性可能與細胞毒性有關，如3在水中最不穩定，但在細胞系中最不活潑。

該方法可以檢測茂鈦類化合物水解前后的氫譜特征，并可用于檢測配合物水解前后氫的種類和數目的變化，以此來推測其可能的結構變化，它對研究該類化合物的化學轉變具有一定的意義。

2.3 X射線晶體學

圖1 鈦配合物[TiL1～5(OiPr)2]的結構式

圖2 鈦配合物1～4的結構式

X射線晶體學是一門利用X射線來研究晶體中原子排列的學科。使用X射線晶體學對茂鈦配合物水解產生的新化合物進行結構表征，以此確定新化合物的結構特征[12-15，20-21，28]。PERI課題組[13]嘗試采用茂鈦配合物與特定數量水反應以及結晶的方法合成O橋接配體取代OiPr基團的部分水解產品，結果表明：三核配合物中2個不同螯合配體連接酚氧的相鄰CAr-CAr的最短距離是3.7?（1?=0.1nm），相應的氫原子之間的距離變為3.4?，這就解釋了L2Ti(OiPr)2與L3Ti(OiPr)2一樣，在水中較為穩定。

該法的優勢在于可以準確測試化合物結構水解前后的變化，包括鍵長、鍵角的變化等，對研究該類化合物的空間結構具有很大的應用空間。

2.4 電位分析法

電位分析法是利用物質的電化學性質進行分析的一大類分析方法，可以利用測得電極電位與被測物質離子濃度的關系求得被測物質的含量，包括直接電位法和電位滴定法。

2.4.1 直接電位法

直接電位法[22，29]是利用專用的指示電極（離子選擇性電極）選擇性地把待測離子的活度（或濃度）轉化為電極電位加以測量，根據Nernst方程式求出待測離子的活度（或濃度），也稱為離子選擇電極法。1991年趙立芳和耿啟輝[29]使用鹵離子選擇電極測定茂鈦配合物水解過程中鹵離子的濃度變化，從而得出茂鈦配合物的水解速度和平衡常數，實驗結果表明，二鹵二茂鈦第一步水解很快無法用鹵離子電極監測；假定第二步水解為準一級反應，可求出第二個鹵離子水解的速度常數；實驗結果與順鉑作比較，可以看出鈦配合物的水解速度遠大于順鉑，而且發現二者最大的不同是茂鈦配合物的水解過程伴隨著茂環的丟失；他們還計算出順鉑和二茂鈦第二步水解反應的自由能變ΔG0，得出順鉑的熱力學穩定性要高于二氯二茂鈦，且二茂鈦的熱力學穩定性則由碘到氟，依次降低。

該方法是一種應用廣泛的快速分析方法，因其可測定離子活度，所以可用于化學平衡、動力學、電化學理論的研究及熱力學常數的測定。該法對于研究含鹵茂鈦化合物的水解具有一定的優勢，但對一些不含鹵素的茂鈦類有機化合物不適用。

2.4.2 電位滴定法

電位滴定法[19，22，29]是利用指示電極在滴定過程中電位的變化及化學計量點附近電位的突躍來確定滴定終點的滴定分析方法。1985年TONEY和MARKS[22]使用電位滴定法不僅測出二氯二茂鈦水溶液中水解鹵離子的濃度，而且應用MARTIN的方法，結合pH值滴定，還估算出Cp2M2+配位水分子的酸度常數。他們使用pH計測定水溶液的pH值，發現水解達到平衡時溶液的pH值下降約4個單位，表明水解過程中有H+產生；用標準氫氧化鈉溶液滴定，pH電極指示終點，計算得出Cp2Ti2+配位水分子的酸度常數pKa，數據表明：Cp2Ti2+配位水分子的酸度很大，而且當茂環上有取代基時，會降低CpTi2+離子鍵合H2O分子的能力；此外CpTi2+離子配位H2O分子的能力比順鉑大，說明Ti—Cl鍵的穩定性低于Pt—Cl鍵。

電位滴定法與一般的滴定分析法的根本差別在于確定終點的方法不同。該法可通過測定二氯二茂鈦化合物在水溶液中的pH值、pKa，來間接反映其水解特性。

直接電位法與電位滴定法的區別在于：直接電位法只測定溶液中已經存在的自由離子，不破壞溶液中的平衡關系；電位滴定法測定的是被測離子的總濃度。直接電位法可直接用于有色和混濁溶液的滴定。

2.5 電導法

電解質溶液是靠正負離子的遷移來傳遞電流，其導電能力與離子所帶電荷、溫度及溶液濃度有關，因此使用摩爾電導來衡量電解質溶液的導電能力[10，22]。1985年TONEY和MARKS[22]使用電導法研究了二茂鈦在水溶液和非水溶劑中的電導行為，確定了茂鈦配合物在溶劑中的解離過程及電解質類型。即Cp2TiX2（X=Cl，Br，I）配合物在溶劑DMSO中完全解離且是二元電解質，其摩爾電導?e和濃度C滿足Onsager公式：?e=?0?(a?0+b)C1/2= ?0?SC1/2，而Cp2TiF2屬于非離子型電解質；使用Feltham和Hayter方法確定Cp2TiX2在水中的電解質類型，發現Cp2TiX2（X=Cl，Br，I）的摩爾電導先隨時間的延長而增大，而后保持不變；Cp2TiF2的摩爾電導不隨時間發生變化，而其值介于1∶1和2∶1型電解質的摩爾電導之間，推測Cp2TiX2在水溶液中可能發生水解，且同時存在1∶1和2∶1型電解質。

該法通過測定茂鈦類化合物水解前后電導率的變化可以確定其電解質類型，進而間接來評價其水解特征。

2.6 量子化學計算方法

2009年ZHOU等[30-32]采用Gaussian 03量子化學計算程序包，使用密度泛函理論研究了二氯二茂鈦的3個水解過程。他們采用B3LYP方法結合LanL2DZ和6-31G**基組優化幾何構型；為了確定優化結構，判斷零點振動能與熱和熵的關系，需要對每種化合物反復計算；他們還使用B3LYP/[LanL2DZ+6-311++G(2d,2p)]對每個優化的幾何構型進行單點能計算，以此獲得更多有用的能量數據。采用可極化的連續模型（IFE-PCM）和水的介電常數進行溶劑化計算；使用內稟反應坐標（IRC）計算確定每種過渡態對應的反應物和產物的結構；量子化學計算得到的結果表明結構參數、活化能、反應自由能以及二氯二茂鈦初次水解的特征理論幾乎與實驗事實一致。

通過量子化學計算方法研究茂鈦配合物的分子結構和電子結構，可以解決實際水解測試中的一些理論問題，從計算的角度解釋水解規律；也可以總結出不同茂鈦配合物在結構和性質上的差別，弄清楚茂鈦配合物的結構和催化性能的關系，對其催化活性的差異給予理論上的說明，對今后設計和合成性能更好的茂金屬催化劑具有重要的理論指導意義。

3 結語與展望

綜上，對于茂鈦類化合物的水解特征研究，以上幾種方法中，UV-Vis、1H NMR、X射線晶體學均是對待測化合物的結構變化進行直觀觀測的結果；而電位分析法、電導法則是通過水解溶液中離子濃度的變化進行的宏觀觀測；量子化學計算方法可以從結構特征來推測其水解規律和熱力學變化等。

科學家開發和設計的各種測定方法，有利于對動態化學反應進行中間體檢測，對茂鈦配合物的水解反應與中間體進行分析研究，能夠確認其水解機理和抗癌機理，有助于其在生化、醫學應用及超強酸催化方面的研究與發展。

參 考 文 獻

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研究開發

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

中圖分類號：TQ 32

文獻標志碼：A

文章編號：1000–6613（2016）02–0364–05