二茂鐵-三唑席夫堿的制備及性能研究*

張 騰，尚 巖，田晟吉，孫常雁，燕 紅，張桂玲

(哈爾濱理工大學 材料科學與化學工程學院，哈爾濱 150040)

0 引 言

二茂鐵(Fe(C5H5)2)是典型的過渡金屬絡合物，它由兩個環戊二烯負離子以及一個亞鐵離子構成。因為這種獨特的夾心結構，使其具有很多其他化合物不具備的特殊性質。將二茂鐵與不同的基團進行結合，可以獲得具有某種特殊性質的二茂鐵衍生物，此類衍生物在電傳感器[1]、分子電器元件[2-4]以及生物醫藥[5-6]等高新技術領域有著非常廣闊的發展空間和應用前景。

1,2,4-三唑化合物為6π電子共軛體系，環的1、2、4 位均為N原子，是一類應用非常廣泛的五元雜環化合物。例如，三唑化合物顯示出較強的配位能力和形成氫鍵的能力、金屬離子絡合疏水效應、π-π堆積和靜電相互作用等。在農藥生產、材料科學、醫藥領域、人工受體、超分子識別與仿生模擬等方面具有很大的潛在應用價值[7-13]。同時在化學、物理、生命科學等領域也顯示出了潛在的研究價值與開發價值，因此備受科研學者們的青睞[14-18]。

設計合成了含有二茂鐵基團的1,2,4-三唑席夫堿化合物，對合成的席夫堿化合物的導電性能進行了研究，考察不同取代基團對導電性能的影響。同時研究了化合物對大腸桿菌(E.coli)和金黃色葡萄球菌(S.aureus)的抗菌性能。合成路線如圖1所示。

圖1 標題化合物的合成路線Fig 1 Synthetic route of title compounds

1 實 驗

1.1 儀器和試劑

TENSOR27型傅立葉變換的紅外掃描儀，天津市科學設備儀器廠；BRUKER Avance -NEO 600型核磁共振波譜儀( 瑞士Bruker 公司)；立式壓力蒸汽滅菌器，上海博訊實業有限公司醫療設備廠；SPX-150B-Z型生化培養箱，上海博訊實業有限公司醫療設備廠；芳香酸乙酯，水合肼(80%)，二茂鐵甲醛，氘代 DMSO均為分析純試劑；實驗菌株為大腸桿菌、金黃色葡萄球菌。芳基酰肼(2a-2d)和芳基甲酰基肼基二硫代甲酸鹽(3a-3d)均按照文獻[19]方法合成。

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

將0.01 mol芳基甲酰基肼基二硫代甲酸鹽(3a-3d)在15 mL水和0.03 mol水合肼中加熱回流4 h。反應完成后，冷卻室溫，加入10 mL水稀釋，用鹽酸酸化至pH=3。經沉淀、過濾、洗滌、乙醇重結晶后得產物(4a-4d)。注意反應過程中會產生H2S氣體，需要用NaOH溶液吸收。

化合物4a：白色固體，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：白色固體，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：黃色固體，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：黃色固體，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 二茂鐵-三唑席夫堿化合物(5a-5d)的合成

在250 mL三頸燒瓶中，依次加入甲苯(25 mL)、3-取代基-4-氨基-5-巰基-1,2,4-三唑(4a-4d)(1 mmol)、冰乙酸(5滴)，常溫下攪拌15 min，使其混合均勻。在氮氣保護的條件下，加熱回流，用恒壓漏斗緩慢滴加溶有二茂鐵甲醛(1 mmol)的25 mL甲苯溶液，滴加完畢后用TLC 監測反應，約4 h 后結束反應。室溫下靜置過夜析出沉淀，經過濾、洗滌、乙醇重結晶后得產物(5a-5d)。

化合物5a：橙紅色固體，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：深紅色固體，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：褐色固體，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：紅褐色固體，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 二茂鐵-三唑席夫堿的電導率測試

在室溫條件下，采用SZT-2A四探針電阻率儀對合成的目標化合物5a-5d和原料二茂鐵甲醛分別進行電阻率測試以及電導率計算。考察不同性質取代基團的連接對化合物導電性能的影響。

1.5 抗菌性能實驗

材料抗菌性能實驗采用最小抑菌濃度(MIC)法，以E.coli和S.aureus作為代表革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌的試驗菌株。將合成的化合物4a-4d和化合物5a-5d分別溶于DMSO中，配制成不同濃度的溶液。取一定量的待測樣加入到固體培養基中，將含有待測樣的固體培養基和平板在高壓滅菌鍋中121 ℃滅菌20 min。用移液槍吸取20 μL稀釋后的實驗菌株(用涂布平板計數法測定細菌總數，最終選擇符合要求的稀釋后E.coli濃度為10-6g/mL；S. aureus為10-5g/mL)，接種于含待測樣的瓊脂平板中，每個平板接種3個點。將所有平板移至恒溫培養箱中培養，在37 ℃下培養12 h，觀察菌落生長情況，其中抑制菌落生長的最低樣品濃度為所測樣品的MIC值。實驗過程中設定空白組和溶劑組進行對照。化合物4a-4d和化合物5a-5d抑制E.coli和S.aureus生長的濃度設定如表1、2所示。

表1 抑制E.coli生長的濃度設定(單位：mg/mL)

表2 抑制S. aureus生長的濃度設定(單位：mg/mL)

2 結果與討論

2.1 結構表征

用IR和1H NMR等對化合物4a-4d及5a-5d的結構進行了表征。IR結果顯示1 633～1 610 cm-1處的吸收峰為C=N鍵伸縮振動吸收峰，這是由于C=N雙鍵與苯環構成一個大的共軛體系，π電子發生離域，使C=N雙鍵鍵能減小，伸縮振動吸收峰比一般C=N雙鍵的吸收峰(1 690～1 640 cm-1)偏低一些。

1H NMR譜圖數據顯示苯環上H的化學位移在(7.00～8.00)×10-6，連接不同取代基團時，化學位移會有相應的變化；1,2,4-三唑環上連接的-SH的化學位移在(13.00～14.00)×10-6之間；-NH2在5.70 ×10-6附近；席夫堿化合物的二茂鐵上H的化學位移在(4.00～5.00)×10-6之間。結合IR和1H NMR數據的分析結果，確定化合物的結構。

2.2 二茂鐵-三唑席夫堿的電導率測試結果分析

對合成的目標化合物5a-5d和原料二茂鐵甲醛分別進行電阻率測試以及電導率計算，其結果如表3所示。

表3 化合物5a-5d及原料電阻率測試結果

從表3的測試結果可以看出，二茂鐵甲醛的電導率為4.01×10-4S/cm，與化合物4a-4d發生縮合反應后，電導率均有不同程度的提升，這是由于共軛體系的增大，電子離域加強，導致共軛體系中電子流動性增加，導電能力提升。

相對于化合物5a中苯環4-H而言，化合物5b中甲氧基為給電子基，使共軛體系電子云密度升高，化合物導電性加強；而化合物4c中的硝基和化合物4d中的氯原子為吸電子，且硝基吸電子能力強于氯原子，導致共軛體系電子云密度降低，使得導電能力下降，并且吸電子能力越強，導電能力下降越明顯。

由此可以看出，所制備的席夫堿化合物5a-5d的導電性是可調控的，我們可以根據需要，連接不同的取代基團，從而使目標化合物具有不同的導電性。

2.3 化合物抗菌性能實驗結果分析

圖2所示為對照組培養E.coli和S.aureus菌落生長情況。其中圖2(a)為空白組、圖2(b)為溶劑組、圖2(c)為二茂鐵甲醛溶于DMSO溶液。

圖2 對照組培養E.coli和S. aureus菌落生長情況Fig 2 The growth of E.coli and S. aureus colonies in the control group

由圖2可以看出，溶劑DMSO對于E.coli和S.aureus沒有抑制作用，即可排除溶劑對菌落生長的干擾。同時，當二茂鐵甲醛濃度增加到50 mg/mL時，依然可以看到有大量的菌落生長，這說明二茂鐵甲醛無明顯的抗菌效果，這一實驗結論與文獻[20]相符。即可以判斷后續抗菌實驗的抑菌效果是由目標化物的抗菌作用導致的。

表4和表5分別為化合物4a-4d與化合物5a-5d抑制E.coli和S.aureus菌落生長的最低樣品濃度(即MIC值)。

表4 化合物4a-4d的最小抑菌濃度(MIC)

表5 化合物5a-5d的最小抑菌濃度(MIC)

由表4可知，1,2,4-三唑化合物4a-4d對E.coli和S.aureus的抗菌性能較好。其中氯原子取代的化合物4d對兩種菌落的抗菌效果最明顯，有機鹵化物能夠破壞菌落的細胞膜等組織，隨著化合物濃度的升高，鹵素原子的含量增加，對菌落的破壞作用越強，因此化合物4d對菌落的抑制效果最明顯。硝基取代的化合物4c對兩種菌落的抗菌效果略差，分析原因為化合物中的C、N、O元素按比例存在，為細菌的生長提供了環境，因此其抗菌效果相對差一點。另外同一種化合物對兩種菌落的抗菌效果也有所不同。比如化合物4a、4b、4d均對革蘭氏陽性菌的S.aureus抗菌效果優于革蘭氏陰性菌的E.coli。這是由于革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌的細胞壁結構和組成不同所致的。一般革蘭氏陰性菌的細胞壁比革蘭氏陽性菌薄，但是革蘭氏陰性菌的結構較復雜，分外膜和肽聚糖層，并且在細胞壁和細胞質膜之間有一個明顯的空間，稱為壁膜間隙。這使得化合物進入細胞內部的阻力也較大，因此化合物對革蘭氏陰性菌的抑制作用就差一些。

同時，對化合物5a-5d的抗菌性進行了實驗，結果如表5所示。化合物5a-5d對兩種菌落有明顯的抗菌效果。這說明，二茂鐵甲醛與化合物4a-4d發生縮合反應以后，相對于二茂鐵甲醛而言，其席夫堿衍生物的抗菌活性有了明顯的提高，這將拓展二茂鐵類化合物在材料方面的應用。其中對兩種菌落抗菌效果最明顯的是氯原子取代的化合物5d，未含取代基的化合物5a的抗菌效果略優于甲氧基和硝基取代的化合5b、5c。同時，由于菌落的細胞壁結構和組成不同，而使得化合物5a-5d對兩種菌落的抗菌性能有一定差異性。

因此可以推斷，所制備的化合物4a-4d和化合物5a-5d的抗菌活性一方面與菌落的細胞壁結構和組成有關，另一方面與化合物結構和取代基團有一定的關系。更深入的分析需要進一步實驗論證。

3 結 論

首先合成了1,2,4-三唑化合物4a-4d，并與二茂鐵甲醛發生縮合反應得到了二茂鐵-三唑席夫堿化合物5a-5d。通過FT-IR、1H-NMR等手段對化合物進行了結構表征，并研究了不同取代基團對化合物導電性能以及抗菌性能的影響。研究表明化合物5a-5d有較好的導電性能，且化合物的導電性隨取代基團的變化而變化。抗菌性能試驗表明化合物4a-4d對E.coli和S.aureus有較好的抗菌活性，且與二茂鐵甲醛縮合后，明顯的提高了化合物5a-5d對菌落的抑制作用，同時化合物的抗菌活性不但與菌落的細胞壁結構和組成有關，而且與化合物結構和取代基團有一定的關系。