1,2,3-三唑配体的合成及三唑类配位聚合物的研究
摘要：1,2,3-三唑化合物是重要的N-杂环化合物，近年来被广泛应用于工业生产、药物研发、材料科学等多个领域。因此1,2,3-三唑的合成受到越来越多的关注，本文从不同合成1,2,3-三唑的方法入手对近年来的研究进展进行讨论，并对三唑类配位聚合物的研究进展和现状进行综述。
关键词：1,2,3-三唑; 配位聚合物; 合成方法
一、配位聚合物的研究与发展
配位化学是在无机化学基础上发展起来的一门交叉学科，它所研究的主要对象为配位化合物(coordination compounds，简称配合物)。配位化合物旧称络合物(Complex Compound),是指独立存在的稳定化合物进一步结合而成的复杂化合物[1]。配位化合物包含由中心原子或离子与几个配体分子或离子以配位键相结合而形成的复杂分子或离子，通常称为配位单元。凡是含有配位单元的化合物都称做配位化合物。配位聚合物(coordination polymers)是指有机配体和金属离子间通过配位键形成的一类具有一维，二维或三维无限网络结构的配位化合物[2]。配合物是化合物中较大的一个子类别，广泛应用于日常生活、工业生产及生命科学中，近些年来的发展尤其迅速。它不仅与无机化合物、有机金属化合物相关连，并且与现今化学前沿的原子簇化学、配位催化及分子生物学都有很大的重叠。研究配合物的化学分支称为配位化学。
自Werner创立配位化学以来，配位化学始终成为导向无机化学的通道，处于无机化学研究的主流[3]。配合物有着丰富多样的配位键形式和空间结构，由于其与物理化学、有机化学、固体化学、材料化学、生物化学和环境化学等学科的相互交叉渗透，使现代配位化学成为众多学科的交叉领域而格外引人注目，并且由此形成了许多富有生命力的崭新的边缘学科领域[4-7]。对配位聚合物的研究涉及到配位化学、超分子化学、物理化学、生物化学、材料化学及固态化学等诸多领域，具有高度的交叉性。超分子化学涉及物理化学、无机化学、有机合成、晶体学、金属领域的研究内容，被国际化学界称为连接众多基础学科的桥梁。
近年来，配位聚合物晶体材料迅猛发展，己成为当前配位化学、材料化学和晶体工程的热点研究领域之一。目前研究工作集中在运用晶体工程学原理，通过选取适当的金属离子和有机配体，合理利用配位键和超分子作用(氢键、堆积相互作用[8]等)实现具有新颖拓扑结构配位聚合物的构筑。随着对配位聚合物研究的深入，所采用的有机配体的种类不断丰富，现今，各种结构新颖的配位聚合物仍在不断涌现。由于配位聚合物中具有大量按一定几何构型规整排列的金属离子，它们彼此相互作用的积累可能在整个配位聚合物的宏观上表现出来，而使配位聚合物表现出特有的光、电、磁及催化等性质。正是这些特有的性质受到了科学家们的极大关注，有力的促成了配位聚合物在双稳态[9-11]、吸附[12-13]、磁性[14-15]催化[16-17]、及选择性[18]等研究方面的突破性进展。
二、三唑化合物的的应用
三氮唑类化合物是一类五元含氮杂环，其本身具有三个N配位原子和许多配位点，因此其配位方式也相对较多，作为配体具有很大的发展空间，所以许多科学家很早就想研究其与金属配位后所具有的空间结构和特殊性质，也就有了后来三氮唑配合物的研究。对三氮唑配合物的性质和结构的研究理论，于80年代飞快发展。三氮唑类有机化合物，可以根据环上氮原子位置的不同，将其分为1,2,3-三唑和1,2,4-三唑。其中1,2,3-三唑化合物近年来已被广泛用于聚合物、医药、农药和工业发展等多个领域。
聚合物领域的应用：科学家根据1,2,3-三唑环与金属表面的亲和力和它的高稳定性，利用二叠氮化合物与三、四炔基化合物反应，制得了新型热固性树脂。它们可作为金属防腐剂和粘结剂。
医药领域的作用：1,2,3-三唑类化合物的一些结构表现出了广泛的生物活性。
已被证明的最有名的例子是他唑巴坦，同时它的衍生物1具有良好的口服利用度，衍生物2 具有抗细胞毒性和病毒方面的特性。
图1.1 具有药物活性的物质
农药领域的应用：1,2,3-三唑类化合物显示了许多不同的作用，例如抗扁蚤、抗长蠕菌素、杀真菌、除草、脱叶等。三唑类的杀菌剂是三唑类杀菌剂发展史上的一个里程碑，具有低毒、光谱、高效和持续时间长等优点。
图1.2 具有杀真菌、除草、脱叶等作用的物质
工业发展领域的应用：1,2,3-三唑类化合物可用于荧光物质、光稳定剂、染料[19]等方面。富氮三唑类化合物，凭借其高密度、低蒸汽压等优点被广泛用于含能材料领域研究。
图1.3 富氮三唑类化合物
三、1,2,3-三唑类化合物的分类及合成
1,2,3-三唑类化合物依据其取代基的位置不同，可分为三类，即N-2取代1,2,3-三唑、N-1取代1,2,3-三唑、N未取代1,2,3-三唑。合成路线包括以下几种方法:
1.以盐酸羟胺、水合肼和2,2-二氯乙醛或乙二醛为原料的方法:2,2-二氯乙醛与盐酸羟胺通过加成反应制得2,2-二氯乙醛肟[2](80.5%),再与水合肼反应生成乙二醛单肟腙(2)(70.1%),加入三乙胺后用二氯亚砜处理得1。用盐酸羟胺和水合肼滴加40%乙二醛溶液,10～15°C一步反应得到2,收率60%[3](-8°C～0°C,收率72%)。肟酰腙[4]和醋酐、醋酸钠在甲苯中制得N-酰基-1,2,3-三唑,蒸馏制得1(80%)。
2.以对甲苯磺酰肼(3)、2,2-二氯乙二醛(或乙二醛、2,2-二氯-1,1-乙二醇)为原料通氨的方法:3的丙酸溶液与2,2-二氯乙二醛[5]制得磺酰腙4,加入到氨饱和甲醇中得到1,收率50.5%。采用氨-甲醇(1∶3)的混合溶液,滴加乙二醛的甲醇液,再加入到3的甲醇液中反应得1(31.5%)[6]。增加3投料量或在密闭容器中提高温度,收率可达58.3%。另法[7]以3和醋酸的甲醇液滴加到40%的乙二醛-甲醇液中,通氨气蒸馏得产物1(53%);或将氨通入甲醇中,再加3和乙二醛的甲醇液,1收率63.35%。用低毒、长时间不聚合的2,2-二氯-1,1-乙二醇[8]代替
乙二醛,蒸馏得到1(44%)。若反向用3加入到2,2-二氯-1,1-乙二醇的冰醋酸-甲醇溶液中,产物收率55.4%。4与苄胺[9]反应得1-苄基-1,2,3-三唑,收率98%,经氢化得1(98%)。用氨基甲酸胺代替苄胺反应得到的残留物减压分馏得1,收率95%。 3.以叠氮化物与炔或烯制备三唑的方法:(Ⅰ)用叠氮化物(PhCH2N3)[10]和乙炔在沸点大于70°C及炔易溶的溶剂(如乙酸乙酯)中反应,得苄基三唑(81.3%),经催化还原得到1[11](89.8%)。(Ⅱ)用烯[R′S(O)nCHCH2,n=1或2,R′=烃基][12]与叠氮化物(R″N3,R″=碱金属、三甲基硅基等)制备三唑。三甲基硅叠氮和甲基乙烯基砜以甲苯为溶剂,130°C搅拌6
h,得到1(55%),用叠氮化钠在DMF中与甲基乙烯基砜反应得1(71%),用亚砜代替砜收率64%。(Ⅲ)实验室条件下制备1,将丙炔醇用三氧化铬在酸性条件下氧化成丙炔酸,再与由叠氮化钠制得的叠氮酸在苯中回流得4-羧基-1,2,3-三唑,常压下加热至220°C脱羧,以理论量得到1[13]。1,2,3-三唑-4,5-二羧酸[14]在二氧杂环己烷中于150～180°C脱羧,得到理论量的1,而在190～200°C真空脱羧得三唑收率36%。
4.金属催化剂法:巯基三唑化合物通过碱金属催化[15]还原脱巯基。1,2,3-三唑-5-硫醇钠盐的二水化物,在0.1 mol/L氢氧化钠溶液中,且有Raney-Ni和水合肼存在下,于60～70°C反应4 h得1(97%)。用氯化铵或硫酸肼代替水合肼,收率均为92%。1,2,3-三唑-5-硫醇化合物可由文献[16]报道的方法制备。5位硫醇金属盐、胺盐等[17]亦可在Raney-Ni (或Co, Pd等)存在下还原制得1(92.4%)。
四川大学钟裕国教授课题组总结了以上方法后设计出如下合成路线：
图1.7以邻苯二胺为原料合成1,2,3-三唑
这种方法避免了在三唑化合物的合成过程中对叠氮化合物的依赖，提高了实验的安全系数。
四、三唑及其衍生物配合物的合成方法：
1. 利用水热/溶剂热法原位合成三唑类及其三唑类衍生物配合物。
2. 利用三唑类配体与不同的金属离子通过常规的单晶培养方法或水热法合成相应的配合物。
五、晶体的培养方法
晶体是结构微粒(分子、原子、离子)在空间有规则地排列在一定的点上，周期性重复排列的固体。培养出形状规则，质量好、尺寸合适的晶体，才具备研究晶体结构的基础。结构决定化学性质，化学性质决定物质的性能，而化学性质和物质的性能也反映物质所具有的结构。了解它的结构，才可以深入了解和认识物质的性能。根据物质的性能，可以设计出具有优良性能的新化合物，新材料，新物质。晶体结构大致分为单晶结构和粉末结构两大类，我们可以通过X射线结构分析方法测出晶体结构。下面介绍一下单晶的常用的培养方法，如溶剂挥发法、水热法或溶剂热法、扩散法等[15]。
1 溶剂挥发法
溶剂挥发法是利用配体和金属离子按一定比例混合在适当的溶剂中，在常温下，通过挥发溶剂，使晶体缓慢生长，以此来获得完美晶体。使用溶剂挥发法，应尽量采用必要的措施，使其缓慢冷却并挥发。
遇到难结晶的化合物，可以选择不同的溶剂，也可以用两种不同溶剂按比例混合，应注意尽量避免使用氯仿和四氯化碳等含有重原子的溶剂，这些溶剂会使晶体形成无序结构，而无序结构会使晶体的结构变得更加复杂从而降低结构的精确性，难以测出结构[16]。
2 扩散法
随着研究的深入，对于在短时间内就能发生的反应应选择扩散法。扩散法主要分为界面扩散法和蒸气扩散法。
(1) 界面扩散法
若金属盐和配体在短时间内能发生反应，可将其分别溶解在不同溶剂中，通过中间的隔层溶剂进行扩散并发生反应。将A溶液沿试管壁缓慢加入后，再在试管内加扩散层即隔层，来减少溶液的接触时间，以生成完美晶体。
(2) 蒸气扩散法
选择有一定互溶性且溶解度不同的两种溶剂A和B。将溶解度小的溶剂B放入一个大容器中，把盛有溶剂A的小容器放入溶剂B中，盖上盖子。放置一段时间，使溶剂B挥发为蒸气，与溶剂A接触并发生反应，迫使晶体缓慢析出[15]。
3 水热法和溶剂热法
水热合成是一种特殊条件下的化学传输反应。它是在高温高压的条件下，在密闭体系中，水作为溶剂，反应物进行化学反应合成产物的重要方法［6］。水热法的具体操作过程是将难溶化合物和溶剂一起放入密闭的耐高压容器中，再把容器放入高温箱中，将高温箱的温度调到120℃到300℃之间，具体温度视化合物不同而定，此时釜内压力相当于几百个大气压，迫使很多化合物在溶剂中完全溶解，缓慢降温致使晶体析出[15]。
由此可以看出，在水热与溶剂热的条件下，有利于特殊价态、中间价态、低价态的化合物生成，并且能均匀的进行反应，致使分子重新组装。水热法或溶剂法具有改变反应物性能、提高活性的特点，可能产生新的物种或物相，使其可以替代难以进行固相反应的合成反应。在此条件下，中间态、介稳态以及特殊物易生成，所以开发并合成了一系列特种凝聚态、特种介稳结构的产物[17]。
[1] 戴安邦. 配位化学[M ]. 北京: 科学出版社, 1987.
[2] Moulton, B.; Zaworotko, M.J. Chem. Rev. 2001, 101, 1629–1658.
[3] A. Z. Werner, Anorg Chem. 1893, 3, 267.
[4] F. Palacio, J. S. Miller, Nature. 2000, 408, 421.
[5] J. L. Manson, Q.-Z. Huang, J. W. Lynn, H.-J. Koo, M.-H. Whangbo, R. Bateman, T. Otsuko, N.