銅離子配合物的合成及應(yīng)用

1、銅離子配合物的合成及應(yīng)用吳天昊 袁航 張俊 焦卓浩 唐琦 王琪 席鑫 張存忠 次仁旺加中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院應(yīng)用化學(xué)1301班指導(dǎo)老師 張壽春摘要：銅元素是普遍存在于動植物中的生命必需的微量元素之一，在生命過程中起著重要作用。許多金屬酶和金屬蛋白的活性部位均含有雙核銅()結(jié)構(gòu)單元。此外，銅的配位點較多，有很好的配位性能，能夠跟絕大多數(shù)配體形成銅配合物，使得銅在配位催化上的研究更加方便。銅配合物在催化、光電材料等方面的應(yīng)用逐漸成為研究重點。本文介紹了一些配合物的常用合成方法并對銅離子配合物的應(yīng)用前景作出了介紹與展望。關(guān)鍵詞：配位化學(xué)；金屬配合物；銅離子；合成方法；光學(xué)應(yīng)用；醫(yī)學(xué)應(yīng)用 1.引言近年來

2、由于金屬配合物在日常生活和工業(yè)上都有廣泛的應(yīng)用，尤其過渡金屬對探索和研究藥物分子抗菌、抗腫瘤的作用機(jī)制具有重要意義。在催化、光學(xué)材料以及電學(xué)材料等方面具有新型功能的金屬配合物的研究也受到人們的廣泛關(guān)注。銅元素在動植物中是普遍存在的，它是生命必需的微量元素之一，在生命過程中起著重要作用。許多金屬酶和金屬蛋白的活性部位均含有雙核銅()結(jié)構(gòu)單元銅化合物具有多變的配位結(jié)構(gòu)和活化小分子的催化特性，常被用作雙取代過氧化物分解的催化劑。此外，銅的配位環(huán)境易于調(diào)變，結(jié)構(gòu)的易變性導(dǎo)致合成了多種單核或多核的銅配合物。銅配合物以其獨特的性能、結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，在催化、光電材料等方面的應(yīng)用逐漸成為研究重點。我國的銅資源豐富，

3、分布廣泛，銅的開采技術(shù)也相當(dāng)成熟，因此，獲取銅的成本并不高，這為銅在配位化學(xué)各領(lǐng)域中的應(yīng)用提供了先決條件。2.銅離子配合物簡介 銅是人類發(fā)現(xiàn)最早的金屬之一，是人類廣泛使用的一種金屬，屬于重金屬，電子排布式：1s22s22p63s23p63d104s1 最常見的價態(tài)是+1和+2。銅的配位環(huán)境易于調(diào)變，結(jié)構(gòu)的易變性導(dǎo)致合成了多種單核或多核的銅配合物。2.1 Cu(I)配合物中心離子為一價銅離子的單核配合物稱為Cu(I)配合物。Cu(I)的核外電子排布為d10，d軌道填充電子全滿使銅原子的電荷排布趨于對稱。為維持該對稱，亞銅配合物傾向于四面體構(gòu)型。配體位于四面體的頂點，彼此遠(yuǎn)離并降低靜電排斥。 Cu

4、(I)的四面體配位及一種Cu(I)配合物2.2 Cu()配合物中心離子為二價銅離子的單核配合物稱為Cu()配合物。Cu()配合物是銅配合物中最穩(wěn)定的存在形式，因為在形成配合物時Cu()的極化力比Cu(I)大，能與配體形成穩(wěn)定的配位鍵，一般形成配位鍵的數(shù)目也較多，使體系能量降低較多。 一種Cu()配合物Cu(CMQA)(H2O)2.3 雙核銅配合物 雙核金屬配合物按所配合的金屬-金屬離子來分，可分為以下四類：（1） 同雙核金屬配合物（如Cu ()- Cu ()）； （2） 混合自旋雙核配合物（如Ni ()(S=0)-Ni ()(S=1)）； （3） 混合價態(tài)雙核配合物（如Cu(I)-Cu(II)

5、）； （4） 異雙核金屬配合物（如Cu(II)-Ni(II)）。2.4 多核銅配合物包括三核銅配合物、四核銅配合物、六核銅配合物等等，限于篇幅不一一舉例說明。3.實驗部分3.1 配合物合成的常用方法配合物的合成是配位化學(xué)研究的一個相當(dāng)重要的組成部分。隨著配位化學(xué)研究領(lǐng)域的延伸與發(fā)展，配位化學(xué)的數(shù)量和種類在不斷增長。目前已知的配合物數(shù)目龐大，種類繁多，合成方法亦多種多樣，千差萬別。對于不同的配合物往往需要采用不同的合成方法。在這里將簡要介紹液相法、低熱固相反應(yīng)法、水(溶劑)熱合成法和微波合成法。液相法：又稱溶液法，就是將反應(yīng)物用一種或多種溶劑溶解，然后混合，通過反應(yīng)析出固體產(chǎn)物，其本質(zhì)是配合物在

6、過飽和溶液中析出。在配合物合成中，往往優(yōu)先考慮采用此法。低熱固相反應(yīng)法：固相化學(xué)反應(yīng)是指有固體物質(zhì)直接參與的反應(yīng)，所有的固相反應(yīng)都是非均相反應(yīng)。低熱固相反應(yīng)是指反應(yīng)溫度低于100的固相化學(xué)反應(yīng)。因為在高溫下配體容易分解和揮發(fā)。用低熱固相反應(yīng)可以方便的合成CoCl2、NiCl2、CuCl2、MnCl2、ZnCl2等金屬鹵化物與芳香醛的配合物。水(溶劑)熱合成法：水熱合成是指在特制的密閉反應(yīng)器（高壓釜）里，采用水溶液作為反應(yīng)介質(zhì)，通過對反應(yīng)器加熱，創(chuàng)造一個相對高溫和高壓的反應(yīng)環(huán)境，來合成特殊的物質(zhì)（化合物）以及培養(yǎng)高質(zhì)量的晶體。而溶劑熱法是在水熱方法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新的材料制備方法，將水熱法

7、中的水換成有機(jī)溶劑（例如醇、有機(jī)胺、苯或四氯化碳等），采用類似水熱法的原理制備在水溶液中無法生長、易氧化、易水解或?qū)λ舾械牟牧?。微波合成法：在微波的條件下，利用其加熱快速、均質(zhì)與選擇性等優(yōu)點，應(yīng)用于現(xiàn)代有機(jī)合成研究中的技術(shù)，稱為微波合成。實驗表明，極性分子容易吸收微波能而快速升溫，而非極性分子幾乎不吸收微波能而難以升溫。微波加熱大體可以認(rèn)為是介電加熱效應(yīng)，由于微波是在分子水平上進(jìn)行加熱，所以加快了反應(yīng)速率，在微波催化下許多反應(yīng)速率往往是常規(guī)反應(yīng)的數(shù)十倍，甚至上千倍，而且微波化學(xué)反應(yīng)存在著收率高、產(chǎn)物容易分離、化學(xué)污染小等優(yōu)點。3.2 液相法制備甘氨酸合銅甘氨酸合銅又名氨基醋酸銅，氨基乙酸銅，

8、雙甘氨酸銅。加熱至130脫水，228分解。由銅鹽與甘氨酸作用而得。用于醫(yī)藥、電鍍等。其中順式甘氨酸合銅不溶于烴類、醚類和酮類，微溶于乙醇，溶于水。而反式甘氨酸合銅不溶于水。3.1.1 實驗試劑 膽礬 氨水 氫氧化鈉 甘氨酸 乙醇 甲醇 丙酮3.1.2 實驗儀器 抽濾裝置（泵、布氏漏斗、抽濾瓶）、電爐、玻璃棒、藥匙、表面皿、燒杯若干（100ml、150ml、250ml）3.1.3 實驗步驟及相關(guān)反應(yīng)（1）取6.3g膽礬，加入15mL水，適當(dāng)加熱至溶解完全。（2）適當(dāng)加熱并在攪拌下滴加氨水至沉淀溶解。 2CuSO4 + 2NH3·H2O = (NH4)2SO4 + Cu2(OH)2SO4

9、Cu2(OH)2SO4+ 6NH3·H2O +(NH4)2SO4 = 8H2O + 2Cu(NH3)4SO4CuSO4+ 4NH3·H2O = 4H2O + Cu(NH3)4SO4（3）加入25mL 3mol/L的氫氧化鈉溶液 Cu(NH3)4SO4 + 2NaOH = Cu(OH)2+ 4NH3+ Na2SO4（4）抽濾洗滌得到氫氧化銅固體。（5）在80ml水中溶解3.8g甘氨酸，加入新制氫氧化銅。（6）在不斷攪拌下水浴加熱15min左右，控制溫度在6070度。（7）趁熱抽濾，濾液冷卻析出順式甘氨酸合銅，在濾液中加入10ml95%乙醇進(jìn)一步析出順式甘氨酸合銅，抽濾，并用1

10、:3乙醇溶液洗滌產(chǎn)品。（8）在順式甘氨酸合銅中加入少量水，直火加熱，溶液80攝氏度左右開始析出鱗片狀晶體，隨著溫度的上升，晶體析出速度加快。最終得到產(chǎn)品。3.1.4 實驗產(chǎn)品 順式甘氨酸合同 反式甘氨酸合同4.銅配合物的光學(xué)應(yīng)用4.1 金屬配合物發(fā)光材料的應(yīng)用背景在過去的20年里人們在研究有機(jī)光電材料領(lǐng)域取得了長足的進(jìn)步。人們只有對有機(jī)材料的光學(xué)特性、電學(xué)特性和半導(dǎo)體特性等方面都要有深刻的認(rèn)識，才能滿足人們未來生活中的需要。然而這些材料也有各自的缺點。從而很大程度上限制了其在太陽能電池、顯示與照明器件、化學(xué)傳感器以及生物探針等方面的應(yīng)用。金屬配合物發(fā)光材料的出現(xiàn)無疑解決了這些問題，其既具有有機(jī)

11、物的高熒光量子效率的優(yōu)點，又有無機(jī)物的穩(wěn)定性好的特點，因此被認(rèn)為是最有前景的一類發(fā)光材料。4.2 OLED簡介在外加電場作用下,由電能激發(fā)所產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象被稱為電致發(fā)光。根據(jù)發(fā)光材料可將電致發(fā)光劃分為無機(jī)電致發(fā)光和有機(jī)電致發(fā)光，采用有機(jī)小分子或高分子作為發(fā)光材料的有機(jī)電致發(fā)光又被稱為有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)。OLED目前己在商業(yè)、通信、計算機(jī)等領(lǐng)域已經(jīng)嶄露頭角，OLED不僅會被視為最新一代的顯示技術(shù)，同樣會成為最具競爭潛力的新一代照明技術(shù)。目前研究最成熟使用最廣泛的是無機(jī)電致發(fā)光（LED），其芯片常用氣相化學(xué)沉積法制備，存在工藝復(fù)雜、成本高、材料具有一定毒性等缺點，而且受其尺寸的限制，無法應(yīng)

12、用于高分辨率的顯示屏。與此相比OLED具有如下優(yōu)點：（1）發(fā)光材料為有機(jī)小分子或高分子，材料選擇范圍寬廣；（2）驅(qū)動電壓較低，發(fā)光效率和亮度高；（3）發(fā)射光色彩鮮艷，可實現(xiàn)全彩色顯示；（4）視角寬廣，響應(yīng)迅捷；（5）超薄輕便，并可制作在柔性襯底上實現(xiàn)柔性顯示；（6）制作過程相對簡單，性價比高。因此有機(jī)電致發(fā)光被普遍認(rèn)為優(yōu)于離子平板顯示（PDP）和液晶顯示（LCD），其巨大的潛力引起了科研工作者極大的興趣。 目前，全世界20的發(fā)電量用于照明，然而現(xiàn)有照明技術(shù)的電光轉(zhuǎn)換效率非常低。假如把目前使用的白熾燈的四分之一換成OLED燈，僅我國每年都可節(jié)省電力約1000億度，近乎一個三峽水電站全年的發(fā)電量。

13、因此，OLED作為高效的電光轉(zhuǎn)換技術(shù)，成為未來新型顯示和照明領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。三星，LG等電子業(yè)巨頭分別推出了自己的大尺寸OLED電視，目前全球OLED年市場份額己達(dá)數(shù)百億美元，這個新興的市場已經(jīng)開始規(guī)?；Ｒ园l(fā)光機(jī)理劃分，發(fā)光材料又可分為熒光材料和磷光材料。目前用于OLED的磷光材料主要包括過渡金屬配合物，如銥(lll)、鉑(ll)、釕()配合物等。但這些過渡金屬都屬于價格昂貴的貴金屬，制約著OLED的商業(yè)化。4.3 亞銅配合物的光致發(fā)光 為降低磷光OLED發(fā)光層的成本。有一種辦法就是引入低成本的可發(fā)磷光的金屬配合物，例如銅(I) 配合物。一方面， 銅(I) 配合物 OLED 與銥(III

14、) 配合物 OLED 一樣，性能較好；另一方面，銅在自然界中含量高、價格低廉，而且對環(huán)境壓力小；再次銅(I) 配合物具備獨特的光物理性。上述優(yōu)勢的存在使得人們很早就開展銅(I) 配合物電致發(fā)光的研究，試圖替換昂貴的過渡金屬配合物，顯著降低原料成本，最終實現(xiàn)OLED在顯示與照明領(lǐng)域的全面應(yīng)用。Cu(I) 的核外電子排布為d10，d軌道填充電子全滿使銅原子的電荷排布趨于對稱。為維持該對稱，亞銅配合物傾向于四面體構(gòu)型。配體位于四面體的頂點，彼此遠(yuǎn)離并降低靜電排斥。亞銅配合物多樣的化學(xué)結(jié)構(gòu)決定了它具備豐富的光物理性質(zhì)，包括單核、雙核和多核配合物。Cu(I) 滿足 3d 軌道全充滿狀態(tài)，當(dāng)從基態(tài)躍遷至激

15、發(fā)態(tài)是銅的 d 軌道一個電子躍遷至配體的反鍵軌道，在紫外光的照射下，實現(xiàn)躍遷，發(fā)出熒光。這就是Cu(I)配合物的發(fā)光原理。雖然亞銅配合物發(fā)光OLED的效率越來越高，并逐漸接近于Ir配合物，但因大多數(shù)亞銅配合物熱穩(wěn)定性差，無法通過傳統(tǒng)的真空熱蒸鍍方法將材料鍍膜制備器件，因此不能如銥配合物一樣系統(tǒng)、深入地研究配合物的結(jié)構(gòu)與OLED性能之間的關(guān)系，從而無法指導(dǎo)制備出多結(jié)構(gòu)、多發(fā)光顏色的器件。因此目前文獻(xiàn)中報道的亞銅配合物OLED不僅數(shù)量少，而且發(fā)光顏色以綠光為主，缺乏高效的藍(lán)光和紅光器件。所以在電致發(fā)光方面，亞銅配合物要取代銥配合物成為最主要的OLED材料，還有很長的路要走。5. 銅配合物的醫(yī)學(xué)應(yīng)用

16、4.1 銅配合物的醫(yī)學(xué)的應(yīng)用背景銅是人體必不可少的微量金屬元素，人體內(nèi)既存在單質(zhì)銅，也有以化合物形式存在的銅，銅元素被吸收進(jìn)入人體后，前期與血漿銅藍(lán)蛋白、白蛋白和其他蛋白質(zhì)結(jié)合，后期則可以與多種配體形成各種配合物，然后主要與蛋白和核酸等生物分子作用，發(fā)揮生物活性。目前關(guān)于銅元素與人類疾病關(guān)系的研究集中于藥物化學(xué)和生物化學(xué)領(lǐng)域，多關(guān)注銅在人體轉(zhuǎn)運過程的分子生理學(xué)機(jī)制，多從銅元素在人體的平衡維持，與鐵代謝的關(guān)系，以及銅在于人體生理和病理過程的作用進(jìn)行研究與探討.現(xiàn)代醫(yī)藥學(xué)研究表明，銅配合物能夠產(chǎn)生抗菌、抗病毒、抗炎、抗腫瘤、酶抑制或化學(xué)核酸酶等活性作用，越來越引起研究者們的注意。銅可以與部分非甾體

17、類抗炎藥發(fā)生生物化學(xué)反應(yīng)，生成新的配合物，與非配合物藥物相比，多種非甾體類抗炎藥與金屬銅的配合物均具有提高抗炎和抗?jié)兓钚?，減少胃腸毒性等作用。能夠與銅形成配合物的非甾體類藥物包括一大類抗炎藥，可以降低其不良反應(yīng)，并且其機(jī)制多與超氧化物歧化酶（SOD）類似物相關(guān)。此外，關(guān)于銅配合物的研究有助于設(shè)計和生產(chǎn)抗病毒和抗菌藥物，這些藥物可能具有導(dǎo)致HIV 或H1N1 病毒及某些耐藥病菌失去活性的功效。盡管關(guān)于銅在人體生物過程的研究隨著科學(xué)的發(fā)展不斷深入，但對銅元素在各種臨床現(xiàn)象中具體發(fā)揮效應(yīng)的認(rèn)識至今仍然十分粗淺，并且對各種金屬銅配合物的醫(yī)學(xué)意義也知之甚少?？梢悦鞔_的是，含銅的化合物在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有重要

18、的意義，并且它們的作用有可能被遠(yuǎn)遠(yuǎn)地低估。4.2.1模擬酶由于天然酶價格昂貴, 使用時間短, 反應(yīng)條件比較苛刻, 因而有許多科學(xué)工作者開拓了取天然酶之長, 避其所短的工作, 模擬的研究就是用有機(jī)化學(xué)方法設(shè)計和合成一些較天然酶簡單得多的非蛋白質(zhì)分子, 以這些分子作為酶模型來模擬酶對其作用底物的配合和催化等過程, 以實現(xiàn)普通化學(xué)反應(yīng)的高效性和選擇性。由于模擬酶具有壽命長, 不需要輔助因子價值便宜的特點, 使得模擬酶化學(xué)成為熱門論題, 模擬酶及其應(yīng)用這一領(lǐng)域也成為具有美好前景的領(lǐng)域之一。超氧化物歧化酶(SOD)是一類金屬酶, 廣泛存在于生物體內(nèi), 是一種氧自由基清除劑, 是唯一能清除人體內(nèi)細(xì)胞中自由

19、基的酶, 具有保護(hù)機(jī)體免疫受損傷的作用, 廣泛應(yīng)用與醫(yī)藥、食品、化妝品等領(lǐng)域。 Cu-Zn超氧化歧化酶(SOD)的活性中心是一個咪唑橋基連接一個Cu(II)離子和一個Zn(II)離子，Cu(II)離子與四個組氨酸殘基和一個水分子結(jié)合，Zn(II)離子與一個天冬氨酸和三個組氨酸殘基結(jié)合，SOD能夠保護(hù)細(xì)胞免受過氧化物的傷害。 科學(xué)家合成出如下圖的化合物模擬SOD，配體是一個帶有羥乙基的單一冠醚，配體具有了一定的剛性和韌性可適應(yīng)Cu(II)和Zn(II)離子的不同需求，由于羥乙基存在可以模擬天然SOD酶中H20分子的作用，能夠歧化超氧化合物，具有較高的SOD催化活性。4.2.2抗癌銅是一種很重要的

20、微量金屬元素，它在人體內(nèi)的含量僅次于鐵和鋅。所有的動物、植物都需要靠它來生存和維持正常的生理機(jī)能。同時銅還是機(jī)體內(nèi)氧化還原體系中有著獨特作用的催化劑。目前已知銅存在于生物體內(nèi)金屬蛋白和金屬酶的活性部位，對造血系統(tǒng)和中樞神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育，骨骼和結(jié)締組織的形成以及皮膚色素的沉積等過程具有重要作用。銅作為配合物的活性中心還存在于具有生物功能的蛋白質(zhì)分子中，其配合物多變的配位結(jié)構(gòu)和活化小分子的催化活性，使其對生命體系有特殊的生物活性和催化作用。而目前的研究表明：銅是生物體內(nèi)正常的新陳代謝所必須的，亦是治療許多疾病的一個主要因素。近期研究也證實銅與腫瘤血管的形成有密切關(guān)系，因此銅配合物已成為抗腫瘤藥物的研

21、究熱點。早在1912 年，德國就用一種由銅的氯化物和蛋黃素組成的混合物來治療患有面部癌的患者。這一治療的成功說明銅化合物具有抗癌功能。在眾多的過渡金屬中，銅具有良好的配位特性，且其配合物具有良好的光裂解活性，眾多的研究者們開始將銅配合物作為研究對象。鉑（）配合物是當(dāng)今抗腫瘤藥物開發(fā)中應(yīng)用較多的一種，但在使用過程中同時還表現(xiàn)出的一些副作用，如明顯的毒性及抗藥性。多數(shù)含有機(jī)配體的銅配合物都具有抗細(xì)胞增殖活性。反式一二（水楊醛肟）合銅（）和一些大環(huán)配體與銅的化合物對實驗性動物腫瘤具有較強(qiáng)的抵抗能力。1，2- 雙（二苯基膦）乙烷及相關(guān)的苯代二磷化合物對許多腫瘤細(xì)胞都具有抑制作用。某些含Cu（）的藥物如

22、丁二酮肟銅，博萊霉素等都表現(xiàn)出抗癌活性。2004 年，張壽春老師等合成了兩種新型的8- 氨基喹啉-蛋氨酸衍生物 Cu（）配合物 Cu（CMQA）（H2O）（ ）和 Cu（MQA）（Ac）（）。這兩個配合物具有相似的配位結(jié)構(gòu)，但其細(xì)胞毒活性及與GSH 之間的反應(yīng)性能差異比較大。配合物對P-388 小鼠白血病細(xì)胞和A-549 肺癌細(xì)胞都有明顯的抑制作用，并且在相同的實驗濃度范圍內(nèi)其抗腫瘤活性強(qiáng)于順鉑。同時又合成了一種新型三元1，10- 菲咯啉- 蘇氨酸- 銅（）配合物()，該配合物對HL-60 和SGC-7901 腫瘤細(xì)胞都顯示出明顯的體外細(xì)胞毒活性，且在多數(shù)的實驗濃度范圍內(nèi)其抗腫瘤活性強(qiáng)于順鉑。 （） () ()機(jī)理：銅配合物發(fā)揮抗癌作用的原因可能是銅與藥物化合物配位后增加了配合物的親脂性，使其更易跨膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，進(jìn)一步對癌細(xì)胞DNA 的插入或其它方式以破壞DNA 堿基對