羅佳彬 郭晉忠 肖志音＊, 鐘 偉 李雪明 劉小明

(1桂林理工大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院，桂林 541006)(2嘉興學(xué)院生物與化學(xué)工程學(xué)院，嘉興 314001)

0 引 言

一氧化碳(CO)是人體內(nèi)一類重要的氣體信號分子，能參與多種信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路并發(fā)揮系列生理調(diào)節(jié)作用，具有抗炎、抗氧化、細胞保護、降低缺血再灌注損傷、減輕器官移植排異等醫(yī)學(xué)研究價值[1-11]。一氧化碳釋放劑(CO-releasing molecule，CORM)是一類能夠以“固體形式”儲存CO、并經(jīng)由一定作用方式釋放CO的化合物[12]。CORM為CO在體內(nèi)的精準(zhǔn)輸送提供了便利，對有關(guān)CO的藥用價值研究和臨床應(yīng)用探索具有重要意義。因此，已有大量的過渡金屬羰基化合物及一些含羰基的有機物或無機化合物作為CORM被報道和研究[13-22]。

鐵羰基化合物是一類經(jīng)典的過渡金屬羰基化合物。鐵的價態(tài)、CO與鐵的結(jié)合方式、非羰基配體的類型較豐富，這為功能定制的鐵羰基化合物及材料的設(shè)計、合成提供了可選策略，并進一步促進了其結(jié)構(gòu)多樣性研究[23-24]。由于鐵是人體必需的微量元素，在體內(nèi)的代謝機制成熟，因此基于鐵羰基化合物的一氧化碳釋放劑(FeCORM)也受到了科研工作者的青睞[14,23,25-28]。我們課題組圍繞FeCORM的水溶性、CO釋放可控性及其生物毒性也開展了一些工作[29-35]，近期的綜述性論文對該方面的研究進展有較系統(tǒng)的總結(jié)[23]。FeCORM釋放CO的速率與鐵中心的價態(tài)、CO的數(shù)目及結(jié)合形式和非羰基配體的電子效應(yīng)有緊密聯(lián)系。一般鐵中心的價態(tài)較低(如0或+1價)、CO的數(shù)目少、非羰基輔助配體的供電子能力強，則Fe—CO鍵強度大，使FeCORM釋放CO的速率緩慢。例如，含4個CO的二價鐵化合物[Fe(CO)4I2]在極性溶劑中(DMSO、H2O)幾分鐘內(nèi)即降解完全，釋放CO速率太快而難以應(yīng)用[26]；但以之作為前驅(qū)體制得的三羰基化合物，則穩(wěn)定性顯著提升，如含fac-[Fe(CO)3I3]-的離子型化合物在DMSO中的半衰期在2 h以上[31]。本研究中，通過選用3個二齒膦配體，與[Fe(CO)4I2]前驅(qū)體反應(yīng)，制得了二齒膦二羰基鐵化合物1～3，期望通過配體的強電子效應(yīng)和差異以調(diào)節(jié)化合物的穩(wěn)定性。本工作還研究、比較了這類化合物在暗處和可見光照射下的CO釋放性能。

1 實驗部分

1.1 試劑和儀器

通過惰性氣體保護Schlenk技術(shù)以制備對水、氧氣敏感的配體或配合物。反應(yīng)所用的無水溶劑由Phoenix SDS5溶劑凈化系統(tǒng)(JC Meyer)制得。1，2-雙(二苯基膦酰)乙烷(dppe)和 1，3-雙(二苯基膦酰)丙烷(dppp)購自上海阿拉丁生化科技股份有限公司并直接使用。N-環(huán)己基-N-(二苯基膦酰)-1，1-二苯基膦胺(Ph2PN(cyclohexyl)PPh2，PNP)[36]和[Fe(CO)4I2][32]參照文獻方法合成。

實驗中使用的主要儀器有紅外光譜儀(Nicolet iS10，Thermo Fisher Scientific公司)、紫外可見分光光度計(Thermo EV201，Thermo Fisher Scientific公司)、核磁共振波譜儀(Varian 400-MR，Agilent公司)、X射線單晶衍射儀(Gemini X，Agilent公司)、元素分析儀(Vario EL Ⅲ，Elmentar公司)。

1.2 鐵羰基化合物1～3的制備

一般制備流程如下：在氬氣氣氛下，向100 mL反應(yīng)瓶中加入0.422 g(1 mmol)的[Fe(CO)4I2]和20 mL的二氯甲烷(DCM)。完全溶解后，將溫度降至0℃(冰水浴)，通過恒壓滴液漏斗向反應(yīng)瓶中逐滴加入含有1 mmol二齒膦配體(dppe、dppp、PNP)的DCM溶液(15 mL)，滴加過程中可觀察到顯著的顏色轉(zhuǎn)變。利用FT-IR檢測反應(yīng)直至前驅(qū)體反應(yīng)完全(約30 min)。經(jīng)減壓抽濾除去沉淀物，收集母液并濃縮。粗產(chǎn)品用硅膠填充柱進行柱層析分離提純(氯仿為洗脫劑)。產(chǎn)物經(jīng)重結(jié)晶得純品。

[Fe(cis-CO)2(dppe)I2](1)用 dppe(398 mg，1 mmol)合成，得到暗紅色固體。產(chǎn)率：0.574 g(70%)。FT-IR(DCM，cm-1)：2 035，1 990。UV-Vis(DCM，λmax/nm)：348，497。1H NMR(400 MHz，CDCl3)：δ8.09～7.21(m，20H，Ar-H)，3.58～3.30(m，2H，CH2)，3.24～2.97(m，1H,CHaHb)，2.94～2.67(m，1H，CHaHb)。31P{1H}NMR(162 MHz,CDCl3):δ91.91(JP-P=29.3 Hz),49.23(JP-P=29.3 Hz)。1(C28H24FeI2O2P2)的元素分析(%)計算值(實驗值)：C，44.01(44.60)；H，3.17(3.48)。

[Fe(cis-CO)2(dppp)I2](2)用 dppp(412 mg，1 mmol)合成，得到暗紅色固體。產(chǎn)率：0.576 g(69%)。FT-IR(DCM,cm-1)：2 036,1 983。UV-Vis(DCM,λmax/nm)：361,498。1H NMR(400 MHz，CDCl3)：δ8.64～6.53(m，20H,Ar-H)，3.78～3.57(m，1H，CHaHb)，3.53～3.31(m，1H，CHaHb)，3.10～2.88(m，1H，CHaHb)，2.52～2.23(m，1H，CHaHb)，2.20～1.97(m，1H，CHaHb)，1.31～1.12(m，1H，CHaHb)。31P{1H}NMR(162 MHz，CDCl3)：δ53.21(d，JP-P=68.0 Hz)，7.83(d，JP-P=68.0 Hz)。2(C29H26FeI2O2P2)的元素分析(%)計算值(實驗值)：C，44.76(44.20)；H，3.37(3.17)。

[Fe(trans-CO)2(PNP)I2](3)用PNP(467 mg,1 mmol)合成，得到暗綠色固體。產(chǎn)率：0.310 g(35%)。FT-IR(DCM，cm-1)：1 995。UV-Vis(DCM，λmax/nm)：336，399,588。1H NMR(400 MHz，CDCl3)：δ7.97～7.81(m，8H，Ar-H)，7.70～7.47(m，12H，Ar-H)，3.33～3.14(m，1H，NCH)，1.63～1.23(m，5H，2CH2+CHaHb)，1.01(dd，J=23.3，12.4 Hz，2H，CH2)，0.87(dd，J=24.8，13.8 Hz，2H,CH2),0.79～0.63(m，1H，CHaHb)。31P{1H}NMR(162 MHz，CDCl3)：δ114.03(s)。3(C32H31FeI2NO2P2)的元素分析(%)計算值(實驗值)：C，46.13(46.50)；H，3.75(3.98)；N，1.68(1.63)。

1.3 X射線晶體學(xué)分析

將10 mg化合物溶于1.5 mL DCM中，小心加入6 mL乙酸乙酯(EA)，于-17℃下液-液擴散獲得了化合物2和3的晶體。挑選質(zhì)量較好的晶體，在Gemini X單晶衍射儀上通過ω-scans法采集數(shù)據(jù)。在Olex2軟件中，通過ShelXT程序和SHELXL程序解析和精修結(jié)構(gòu)，相關(guān)晶體學(xué)數(shù)據(jù)見表1。通過理論加氫方法獲得化合物的氫原子?；衔?的晶體中存在較大的溶劑可及表面，為了獲得更高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)解析結(jié)果，使用Olex2軟件自帶的“Use solvent mask”程序屏蔽了溶劑的干擾，有關(guān)masks處理信息見其CIF文件。

表1 化合物2和3的晶體學(xué)數(shù)據(jù)Table 1 Crystallographic data for compounds 2 and 3

CCDC：2154703，2；2154704，3。

1.4 化合物1～3在DMSO中釋放CO

避光釋放：將化合物1(11.5 mg，0.015 mmol)溶于3 mL DMSO(5 mmol·L-1)，然后將該溶液置于暗處的37℃水浴中攪拌，并每隔一定時間移取反應(yīng)液，用紅外光譜法監(jiān)測化合物的降解釋放CO情況?；衔?和3的監(jiān)測過程相同。

光照釋放：采用同樣方法配制化合物1的DMSO 溶液(5 mmol·L-1)，將其置于37 ℃水浴中攪拌，并在正上方15 cm處設(shè)一LED燈(功率2 W)照射，每隔一定時間移取反應(yīng)液測試其降解釋放CO情況。為考察光源波長對其降解的影響，選取了3個波段的可見光光源：紅光(615～650 nm)、綠光(495～530 nm)和藍光(450～480 nm)?；衔?和3的監(jiān)測過程相同。通過線性擬合化合物的濃度(c)與光照時間(t)的關(guān)系，獲得化合物在光照下的降解動力學(xué)數(shù)據(jù)。

1.5 化合物1在固相分散系、藍光照射下降解釋放CO

取化合物1(4 mg)與KBr固體(100 mg)，用研缽研磨均勻(40 μg·mg-1)。在研缽正上方15 cm處設(shè)一藍光LED燈(功率2 W)照射，每隔一定時間取樣壓片測試其紅外光譜。

2 結(jié)果與討論

2.1 化合物1～3的制備

前驅(qū)體[Fe(CO)4I2]具有良好的反應(yīng)性，可與系列

親核試劑(如硫醇、胺、膦、鹵素等)發(fā)生取代反應(yīng)得到鐵羰基化合物[29-31,37-38]。本工作選用具有強供電子和配位能力的二齒膦配體(dppe、dppp、PNP)與之反應(yīng)(圖1)，一方面減少π酸性配體CO的數(shù)目，另一方面也提高金屬中心的電子密度，從而提高Fe—CO鍵的強度，改善目標(biāo)化合物的穩(wěn)定性。與P-N-P三原子共平面的PNP配體不同，dppe和dppp配體2個P原子之間的橋聯(lián)烷基部分可以靈活翻轉(zhuǎn)，因此這2個配體與前驅(qū)體反應(yīng)時，優(yōu)先形成動力學(xué)速率占優(yōu)的單齒配位化合物，再形成熱力學(xué)穩(wěn)定性占優(yōu)的二齒配位的化合物1和2；PNP配體的反應(yīng)則未檢測到單齒配位的中間產(chǎn)物。此外，dppe和dppp生成的相應(yīng)產(chǎn)物(化合物1和2)是順式(cis-)二羰基結(jié)構(gòu)，而PNP生成的化合物3為反式(trans-)二羰基結(jié)構(gòu)，這可通過晶體結(jié)構(gòu)和紅外表征結(jié)果確定(見下文)。這種立體構(gòu)型的差異與這2類配體不同的配位特點有關(guān)。由于EA對產(chǎn)物的溶解度差而對反應(yīng)原料的溶解性較好，因此可通過EA/DCM液-液擴散結(jié)晶獲得純品。

圖1 化合物1～3的合成路線Fig.1 Synthetic routes of compounds 1-3

2.2 化合物2和3的晶體結(jié)構(gòu)分析

通過X射線單晶衍射實驗，確定了化合物2和3在固體晶態(tài)下的結(jié)構(gòu)，其相關(guān)晶體學(xué)數(shù)據(jù)見表1，部分鍵長和鍵角參數(shù)見表2?；衔?和3的晶體結(jié)構(gòu)熱橢球圖(Oak Ridge thermal ellipsoid plot，ORTEP)見圖2和圖3。每個鐵中心與2個碘離子、2個羰基和1個二齒膦配體鍵合，形成八面體配位結(jié)構(gòu)。但化合物2中2個CO為順式構(gòu)型(2個羰基碳與鐵形成的夾角∠C1—Fe1—C2=89.67(14)°，接近 90°)，而化合物3的兩羰基為反式構(gòu)型(2個羰基碳與鐵形成的夾角∠C1—Fe1—C2=165.58(16)°，接近180°)。化合物2和3的Fe—C鍵的平均鍵長分別為0.178 8和0.183 1 nm，C—O鍵的平均鍵長分別為0.112 5和0.109 3 nm，與文獻報道的類似化合物數(shù)據(jù)接近[26,39]?；衔?和3的∠P—M—P咬合角分別為92.33(3)°和 71.68(3)°?；衔?3 中，由 Fe1—P2—N1—P1組成的四元環(huán)片段的扭轉(zhuǎn)角為1.73(12)°，接近0°，證實了該四元環(huán)片段為準(zhǔn)平面結(jié)構(gòu)，具有較強的剛性；而化合物2中2個P原子間的橋梁部分為鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，在溶液中的自由度較高。此外，化合物2中2個Fe—P鍵長相差較遠(分別為0.225 71(9)和0.233 25(9)nm)，且比化合物3中的2個Fe—P鍵要長(分別為0.221 30(10)和0.233 25(9)nm)。前者是dppp上2個P原子配位環(huán)境差異大所致，而后者則是因為P-N-P-M共平面產(chǎn)生了額外的電子離域效應(yīng)[40]。

表2 化合物2和3的部分鍵長(nm)和鍵角(°)Table 2 Selected bond lengths(nm)and angles(°)for compounds 2 and 3

圖2 化合物2的熱橢球率50%的ORTEP分子結(jié)構(gòu)圖Fig.2 ORTEP diagram of compound 2 with thermal ellipsoids at 50% probability

圖3 化合物3的熱橢球率50%的ORTEP分子結(jié)構(gòu)圖Fig.3 ORTEP diagram of compound 3 with thermal ellipsoids at 50% probability

2.3 化合物1～3的特征紅外光譜分析

鐵羰基化合物在紅外光譜圖中具有典型的羰基振動吸收，其吸收峰位置及光譜模式能夠反映鐵中心的相對電子密度及CO的配位構(gòu)型[38,41]。圖4是化合物1～3和前驅(qū)體[Fe(CO)4I2]中羰基的特征紅外光譜圖。與前驅(qū)體(2 136、2 090、2 072 cm-1)相比，產(chǎn)物1～3的吸收峰向低波數(shù)方向顯著移動：化合物1為2 035、1 990 cm-1；化合物2為2 036、1 983 cm-1；化合物3為1 995 cm-1。這歸因于CO數(shù)目的減少和膦配體的強供電子能力。從羰基的特征紅外光譜模式來看，化合物1和2為雙峰，與順式二羰基化合物的紅外光譜相符；化合物3為單峰，與反式二羰基化合物的紅外光譜相符。這與上述晶體結(jié)構(gòu)分析結(jié)果一致。盡管化合物1和2都采用相同的順式羰基立體構(gòu)型，但是前者雙峰的對稱性要明顯好于后者。這與dppp上—(CH2)3—鏈的構(gòu)象翻轉(zhuǎn)降低了其在溶液中的結(jié)構(gòu)對稱性有關(guān)，也與化合物的穩(wěn)定性存在關(guān)聯(lián)。

圖4 化合物1～3和[Fe(CO)4I2]在DCM中的FT-IR譜圖Fig.4 FT-IR spectra of compounds 1-3 and[Fe(CO)4I2]in DCM

2.4 化合物1～3的核磁共振磷譜分析

含磷化合物可通過31P{1H}NMR對其進行結(jié)構(gòu)表征分析，如圖5所示。與1H NMR不同，這些化合物的磷化學(xué)位移差異顯著：化合物1(δ=91.91、49.23)和2(δ=53.21、7.83)均為雙峰。這是由于化合物中2個P原子的配位環(huán)境完全不同(圖2)。此外，化合物1和2中2個P原子間存在偶合導(dǎo)致雙峰裂分，其偶合常數(shù)JP-P分別為29.3和68.0 Hz?；衔?則由于化學(xué)結(jié)構(gòu)對稱(圖3)，僅呈現(xiàn)單峰(δ=114.03)。從磷譜峰值可推斷，這些膦配體供電子效應(yīng)順序為dppp＞dppe＞PNP。

圖5 化合物1～3在CDCl3中的31P{1H}NMR譜圖Fig.5 31P{1H}NMR spectra of compounds 1-3 in CDCl3

2.5 化合物1～3的吸光性能分析

通過紫外可見分光光度計檢測了二齒膦配體和化合物1～3的吸光性能，見圖6。膦配體在近紫外區(qū)有強吸收(峰值在253 nm附近)，但與重原子鐵配位后其吸收發(fā)生紅移。除配體的特征吸收外，化合物1～3中還存在典型的配體與金屬中心之間的電荷轉(zhuǎn)移躍遷(MLCT)?；衔?(峰值348、497 nm)和2(峰值361、498 nm)在300～600 nm之間存在較強電子吸收，且化合物2比化合物1的吸收峰紅移?；衔?在此區(qū)間內(nèi)也有2個吸收峰(峰值336、399 nm)，但要顯著低于化合物1和2。這同樣與膦配體的電子效應(yīng)有關(guān)。此外，化合物3在588 nm附近有強吸收帶，可能與Fe-P-N-P共平面帶來的離域電子轉(zhuǎn)移吸收有關(guān)。由圖6可見，化合物1～3對可見光有較好吸收，為光誘導(dǎo)釋放CO提供了條件。

圖6 配體(a)和化合物1～3(b)在DCM中的UV-Vis譜圖Fig.6 UV-Vis spectra of the ligands(a)and compounds 1-3(b)in DCM

2.6 光誘導(dǎo)化合物1～3降解釋放CO行為

為獲得熱穩(wěn)定性良好的鐵羰基化合物，減少CO配體數(shù)目、提高非羰基配體的供電子效應(yīng)是行之有效的策略。化合物1～3在暗處的DMSO溶液中的穩(wěn)定性通過紅外光譜法監(jiān)測，結(jié)果見圖7。這些化合物的羰基特征吸收在180 min內(nèi)未見有顯著衰減，說明其在DMSO中穩(wěn)定性良好，有利于化合物的保存和運輸。

圖7 化合物1(a)、2(b)、3(c)在暗處下的紅外光譜圖變化Fig.7 FT-IR spectral variations of compounds 1(a),2(b),and 3(c)in dark

另一方面，鐵羰基化合物具有光敏性，因此可通過光誘導(dǎo)以促進其降解釋放CO。以化合物1為例，在2 W的可見光光源(紅光、綠光、藍光)照射下，其羰基吸收峰強度隨光處理時間的增加而持續(xù)衰減(圖8a～8c)，說明其在光誘導(dǎo)下分解釋放CO。但不同光源下降解行為略有不同：一方面，降解速率隨光源波長變短而加快，即釋放CO速率為紅光＜綠光＜藍光。這是由于波長變短，光子能量增加而降解速率加快。另一方面，化合物1的羰基特征雙峰衰減速率也不一樣。紅光下，雙峰同等程度降低；但是在綠光和藍光下，左峰(2 026 cm-1)的衰減要快于右峰(1 981 cm-1)，且右峰向左微移。這是由于化合物1在降解釋放CO的同時，產(chǎn)生了新物種(如藍光照射15 min：1 989 cm-1，單峰)。經(jīng)紅外光譜比對(圖8d)，新物種不論是吸收峰位置還是光譜模式，均與化合物3一致(1 989 cm-1，單峰)，由此推斷其為反式二羰基物種(圖9)?？梢?，順式構(gòu)型的化合物1，在光源能量充足的條件下(藍光、綠光)，可向反式構(gòu)型轉(zhuǎn)化；但在光源能量不足時(紅光)則無構(gòu)型轉(zhuǎn)化。

圖8 化合物1在紅光(a)、綠光(b)和藍光(c)照射下的紅外光譜圖變化;藍光照射15 min后的產(chǎn)物與化合物3的紅外光譜(d)Fig.8 FT-IR spectral variations of compound 1 upon irradiation of red(a),green(b),and blue(c)lights;(d)FT-IR spectra of compound 3 and species derived from compound 1 upon irradiation of blue light for 15 min

圖9 化合物1在綠光或藍光誘導(dǎo)下從順式向反式構(gòu)型的轉(zhuǎn)化Fig.9 Isomerization from cis-to trans-configuration of compound 1 with the induction of green or blue lights

化合物1在固相分散系(與KBr粉末研磨均勻)、藍光照射下的降解行為也通過紅外光譜進行了檢測。如圖10所示，與其在DMSO溶液中的光解行為相比(圖8c)，化合物1在固相中也可分解釋放CO，但分解速率慢于其在溶液中的速率。此外，在固相中，化合物1亦可向反式構(gòu)型轉(zhuǎn)變(圖10)，不受介質(zhì)的局限。

圖10 (a)固態(tài)化合物1(40 μg·mg-1,KBr中)在藍光照射下的紅外光譜圖變化;(b)照射40 min后形成產(chǎn)物的紅外光譜(扣除化合物1的貢獻度)與化合物3的紅外光譜比較Fig.10 (a)FT-IR spectral variations of compound 1 in solid-state(40 μg·mg-1in KBr)upon irradiation of blue light;(b)FT-IR spectra of compound 3 and species derived from compound 1 upon the irradiation for 40 min(the contribution of compound 1 was subtracted from the spectrum)

化合物2在不同光源照射下的降解見圖11。與化合物1類似，化合物2在綠光和藍光下也有反式構(gòu)型產(chǎn)物形成，但降解速率要快于化合物1。此外，化合物2在1 900 cm-1附近還有新的羰基鐵物種生成。這與磷配體結(jié)構(gòu)有關(guān)：由于dppp比dppe的剛性更弱，化合物2自由度更大，在光照下降解更快且產(chǎn)物更復(fù)雜。

圖11 化合物2在紅光(a)、綠光(b)和藍光(c)照射下的FT-IR譜圖變化Fig.11 FT-IR spectral variations of compound 2 upon irradiation of red(a),green(b),and blue(c)lights

圖12a～12c是化合物3在這些光源誘導(dǎo)下的降解釋放CO行為。相較于化合物1和2(圖8和11)，化合物3的降解速率更緩慢，且不產(chǎn)生其他鐵羰基中間體。圖12d是化合物3的濃度與光照時間之間的線性擬合關(guān)系(R2=0.99)，表明該化合物的光降解過程符合零級反應(yīng)動力學(xué)，其表觀動力學(xué)常數(shù)(kobs)大小分別為 0.066、0.079 和 0.139 mmol·L-1·min-1。顯然，其降解速率隨光能量增大而加快。

圖12 化合物3在紅光(a)、綠光(b)和藍光(c)照射下的FT-IR譜圖變化;(d)化合物3的濃度與光照時間之間的線性擬合關(guān)系Fig.12 FT-IR spectral variations of compound 3 upon irradiation of red(a),green(b),and blue(c)lights;(d)Linear fitting relationship between the concentration of compound 3 and the irradiation time

3 結(jié) 論

(1)通過二齒膦配體(dppe、dppp、PNP)與前驅(qū)體[Fe(CO)4I2]之間的配位取代反應(yīng)制得了3個二羰基鐵化合物1～3，并通過FT-IR、UV-Vis、NMR、X射線單晶衍射、元素分析等對其結(jié)構(gòu)進行了表征，確定了化合物2、3的立體構(gòu)型。

(2)紅外光譜監(jiān)測表明，化合物1～3在暗處下有良好穩(wěn)定性，而在可見光(紅光、綠光、藍光)照射下均可降解釋放CO，其光穩(wěn)定性與可見光能量、化合物的結(jié)構(gòu)有關(guān)：波長越短、光能量越大，降解越快；膦配體的剛性較強，或與鐵中心存在離域電子效應(yīng)，則化合物的光穩(wěn)定性更好。

(3)在綠光和藍光照射下，化合物1和2可以克服能壘，從順式構(gòu)型轉(zhuǎn)變?yōu)榉词綐?gòu)型，而紅光下則因能量不足難以構(gòu)型轉(zhuǎn)化。在上述光照條件下，反式構(gòu)型的化合物3未見其向順式構(gòu)型轉(zhuǎn)化。