1、南台科技大學化材系專題報告 991利用丙酮酸甲酯合成四芽基配位體以做為金屬錯合物合成之研究施美秀*,高靖潔,陳 青中文摘要-氯醯基芳香肼氯化氫 7 因同時擁有兩種性能完全不同的官能基；一是親核活性強的胺基，另一是親電性強的氯醯基。故可進行各種反應以合成各種類型的衍生物，得以作為金屬錯合物之配位體。本專題報告為獲致具有生物活性的金屬錯合物，特別注重新配位體設計，諸如四芽基配位體之合成。這些四芽基配位體可進一步與鎳、銅等金屬作用以合成出與其相對應之金屬錯合物，而後得以探討其配位情形並進行各種生物活性探討。關鍵字：-氯醯基芳香肼、四芽基配位體、半卡肼、金屬錯合物。簡 介生物體存有鈉、鉀、鈣、鎂、鐵、
2、銅、鉬、錳、鈷等等十幾種元素，能與體內存在的糖、脂肪、蛋白質、核酸等大分子配體和氨基酸、核甘酸、有機酸根、O 2-、Cl -、HCO 3-等小分子配體形成各種有機金屬配位化合物。這些金屬離子在生化過程中扮演觸媒角色，例如蛋白質形成過程中，須經金屬離子的錯化物形成才能使氮固定。動物體血液內的鐵離子為氧分子攜帶者；維他命 B12為含有鈷離子的錯合物，皆為人體的基本需求；而植物體內的葉綠素乃是鎂離子的錯合物；甚至於連生物體內都不存在的金屬，例如：鉑，錸及鍺等等，都可使用在生物體內。金屬物質之所以有如此多樣性及複雜性，是由於有不同的氧化還原的狀態及能力，不同的配位數目及結構，甚至依配位基的不同特性而有
3、不同的性質，而使金屬錯合物的性質有別於有機物質。故目前有機金屬配位化合物的研究，尤其是注重於金屬藥物的研究，更是熱門的計畫主題。以金屬藥物研發而言，一般都認為金屬，尤其是過渡金屬是對人體細胞相當有害的，誠如水能載舟亦能覆舟 ，相對的，這些金屬物質，尤其是過渡金屬，就會對一些癌細胞或不良細胞是具有相當殺傷力的藥物。所以如何增加其選擇及專一性，便是發展金屬藥物改良的主要目標之一。事實上，大多金屬的性質，都可利用不同的配位基來改良及調節其金屬作用力的強弱。換句話說，與配位基形成金屬錯合物，不僅降低其毒性，同時亦可改善金屬中心的反應性。金屬配位化合物在臨床上的用途，不勝枚舉，舉例來說含鐵離子的 Fe-
4、fumarate 可以治療貧血症、含鈷離子的 Vitamin B12 可以治療腳氣病、含鋅離子的 Zn-pyrithione 為一種抗黴菌劑，是皮膚用軟膏、含鉍離子的 K3Bi(citrate)2 可以抗幽門桿菌，是一種胃潰瘍的藥。在使用金屬藥物於臨床上的另一種觀念，就是過猶不及 。有些金屬離子在生物體內濃度太低時，會導致病變或是無治療效用，但使用過量時，也會累積而產生毒性，因此該如何調整金屬藥物到適當的反應濃度，也是相當重要的。金屬藥物很難用其他藥物取代，甚至置換成其他金屬。因此，金屬藥物的研究在未來數年會是一個相當具有潛力的發展方向，在發展金屬藥物中，金屬抗癌藥的研發更會是化學家的拿手好戲
5、。最近中草藥之研究相當受矚目，以對中藥有效成分之研究為例，往往發現初提時物理活性顯著，隨著提取物純度的提高，其活性反而降低。科學家究其原因推測可能一是失去含量甚微的，且尚未被發現的有機分子；二是消除了無機成分(主要是微量元素 )，然以後者可能性為大。對此，傳統的解釋往往簡單地歸咎於有機分子的某些基團在分離過程中受破壞。而近年來興起的”中藥配位化學學說” 認為，中藥有效化學成分既不單是有機分子，也不單純是微量元素，往往是由有機分子和微量元素組合的配位化合物。據中國中醫藥信息雜誌所載，石膏與阿斯匹林配用時退熱療效顯著增加，可能是阿斯匹林與鈣或其他微量元素協同作用所致。故本專題研究乃著重金屬藥物研發
6、，一方面開發新的配位體，合成金屬配位化合物，利用光譜分析，探究其配位情形，另一方面進行抗癌活性探討，有助於化學醫藥的發展。研究目的雪梨酮化合物 1 在氫鹵酸作用下，會進行酸性裂解開環反應，首先生成中間體 2，並進一步生成相對應的肼類化合物 3。再用3-芳香基 -4-甲醯雪梨酮 4 當作反應起始原料，進行與上述相同的酸性裂解反應，卻意外發現生成的產物為 -乙醯基苯肼 5，而非脫去乙醯基的肼類化合物 3，如流程一所示。藉此反應結果，開啟 -取代羰基芳香肼合成方法，若用 3-芳香基-4- 氯基雪梨酮 6 當反應起始原料，以氫氯酸進行酸性裂解作用，將是一條合成 -氯醯基芳香肼類化合物 7 的優良路徑，
7、如流程二。由於 -氯醯基芳香肼 7 分南台科技大學化材系專題報告 992子上有親核活性相當強的胺基，對金屬離子應具強螯合性，又因同時擁有親電性強的氯醯基，可進行各種取代反應，本專題報告是利用此兩種性質研發各種衍生物，以做為金屬錯合物的配位基，進一步合成多樣化的金屬錯合物，並進行生物活性探討、研究。4 5NH2 ClArO3H2OClNOAr CH3XXNOAr H1XNHOAr HH2OCNH2OHOArNH2ArCOH2OArNH2 X3+HCO2X流程一：3-芳香基雪梨酮及 3-芳香基-4-甲醯雪梨酮的酸性裂解反應 HClArN2lO 10NCS/%H2SO4 HCl1NOAr H NOA
8、r Cl6 7流程二： 3-芳香基-4-氯基雪梨酮的製備及其酸性裂解反應結果與討論（A）3- 芳香基-4- 氯基雪梨酮的合成欲製備 -氯醯基芳香肼化合物 7，須先製備 3-芳香基 -4-氯基雪梨酮 6，如流程二所示。由文獻上記載，4-氯基雪梨酮最簡便的合成方法乃利用 D,D-二甲基甲醯胺（ DMF）為反應溶劑，N-氯琥珀醯亞胺（NCS）為氯化試劑，可輕易地合成出 3-芳香基 -4-氯基雪梨酮 14，但是此合成方法對 NCS 的用量多寡、反應時間長短及反應溫度高低均需嚴格控制，方可順利合成出高產率的預期產物；否則會造成反應進行不完全，或者是產生的雪梨酮氯化物再進行衍生化反應，生成 3,4-二芳香
9、基雪梨酮，因而降低預期產物的產率，並增加後處理步驟的困難度。由於雪梨酮氯化物在溶劑中相當不安定，且其在冷水中溶解度極小，然則本專題報告因而改以 10%的硫酸水溶液為反應溶劑，以 NCS 為氯化試劑，在常溫下進行攪拌懸浮反應，則可合成出高產率的 3-芳香基-4- 氯基雪梨酮，且經過長時間反應，也不會造成產物的分解。（B）-氯醯基芳香肼 7 的合成由於文獻上對於 -氯醯基芳香肼 7 的合成甚少提及，最早於 1974 年，Badami 等人利用 3-芳香基 -4 氯基雪梨酮 6 在乙醚中，加氯化氫進行水解反應，而得高產率(80)的-溴醯基芳香肼氯化氫 7b；但是多次重覆該實驗方法，卻發現產物對乙醚具
10、有相當的溶解度，而過濾後所得產物之產率僅有 20左右。因此本專題報告乃將 10 克之 3-芳香基-4氯基雪梨酮 6，溶於 100 毫升之乙酸乙酯中，在 60的反應條件下，慢慢加入 10 毫升的濃鹽酸，進行酸性裂解反應；約 10 分鐘即有大量固體生成，繼續反應至固體不再增加為止（即攪拌子已攪不動） ，將反應液冷卻至室溫；並將其置於冰浴中冷卻半小時，再加入南台科技大學化材系專題報告 993100 毫升冰冷的乙酸乙酯，攪拌固體成糊狀，過濾出固體，並立即乾燥，即可得到 -氯醯基芳香肼氯化氫 7，如流程二所示。（C）各類型半卡肼 9a-c 之合成對於有機螯合試劑之分子結構設計通常必須考慮幾個原則：（1）
11、配位原子與金屬離子形成之螯合環常為五或六圓環（2）符合金屬離子之配位數（3）錯化合物所帶之電荷性質。含有多個氮配位原子之多胺類有機化合物，可與許多二價金屬離子進行錯合反應；故本專題乃利用 -氯醯基芳香肼氯化氫 7 與胺類(8)作用，合成相對應之半卡肼 9a-c。（D）含四芽基有機配位體 11a-c 之合成由於 -氯醯基芳香肼 7 之胺基端易與醛類進行縮合反應，故可導入 Schiff-base 型之配位基團。故本專題將半卡肼 9a-c 與丙酮酸甲酯(10 )作用，合成出相對應知半卡腙 11a-c，此類半卡腙理論上極易與 Cu+2、 Ni+2 形成金屬配位錯合物。實驗部分（A）3- 苯基- 雪梨酮
12、(1a)的製備秤取 47.5g 之一氯醋酸(Cl-CH 2-COOH)，放入 600ml 燒杯中，並加入約 80ml 之冰水，使之完全溶解，滴入 2-3 滴酚酞，將此溶液置於冰浴下，一邊攪拌，一邊加入已事先冰浴好的飽和 NaOH(aq)水溶液以中和之，必須慢慢添加滴入，慢慢攪拌，以維持溫度 0，(必要時可以加入乾淨之碎冰塊於溶液中)，滴加至中和顏色為粉紅色，總體積不超過200ml。 注意 ：溫度最好控制在 03左右，水量越少越好。將上述中和好之溶液倒入 500mL 錐形瓶中，並加入 63g 之苯胺加熱迴流直到反應完全(從有迴流現象開始算 60分鐘)，關掉加熱，繼續攪拌，當反應液溫度稍降時，將錐
13、形瓶溶液倒出至 600mL 燒杯中，繼續攪拌至室溫，然後再將之冰浴。將 22.5g 之 NaOH(S)溶於 40ml 水，並冰浴之(125ml 錐形瓶)，而後此時使 NaOH(aq)於冰浴下慢慢加入上述 2 項之固體溶液中，使固體完全溶解，一邊攪拌，一邊加少量冰(內外皆使用冰塊降溫)。注意 ：溫度宜控制於低溫下(0 3)，必須將 NaOH(aq)慢慢加，若溫度過高，加入一些乾淨碎冰於燒杯溶液中，但最後總體積控制在約 350ml。先將上述溶液全部倒入分液漏斗中，再加入 350mL 甲苯以萃取未參與反應的苯胺，並保留水層( 要自行測是哪層是水層)，將上層甲苯層到入回收瓶，而收集之水層倒入另一個乾淨
14、的 600mL 燒杯中。依上述方法處理，所得之水層全部合併於 600ml 燒杯中並於冰浴下攪拌。配置 HCl：冰水(1:11:2)溶液約 100ml，並冰浴之；於冰浴下，將此冰 HCl(aq)慢慢滴入上述冰浴溶液以中和之，可得乳白色固體，HCl(aq)必須滴加至不再有沉澱產生為止。(若HCl(aq)不夠，可再自行加配，必須時可停止攪拌，讓沉澱靜置，其上層會產生澄清液，再滴入 HCl(aq)以鑑定是否再有沉殿產生)，過濾之並以大量冰水洗滌沉澱物兩次。把過濾好的沉澱物放入 600mL 燒杯中，加入少許碎冰，攪拌成泥狀，在放入冰浴下以攪拌器攪拌，並保持在 0，再慢慢加入 35g之 NaNO2 使沉澱
15、完全溶解，整個過程溫度得嚴格控制在 0，必要時可慢慢加入少量碎冰塊以維持 0，最後總體積約控制在300mL，總體積越少越好，待沉澱完全溶解，繼續攪拌至室溫約 4 小時後，並以活性碳脫色。將上述溶液放入 600mL 燒杯中並冰浴之，並配置 HCl：冰水(塊)(1:1.5)溶液約 150mL，並冰浴之，而後於冰浴下將此 HCl(aq)慢慢滴加至上述溶液中，控制溫度 0，不斷攪拌，把多餘的亞硝酸趕走，待顏色變淡後再持續加入塩酸，直到沉澱完全，並過濾之，以大量冰水洗滌沉澱，抽乾，並放置陰暗處地區陰乾，約需 12 禮拜。而後把已陰乾之 N-亞硝基-N- 對甲氧基甘胺酸秤重後，慢慢加入 2倍體積且冰浴之醋
16、酸酐中脫水，約加 1 小時後繼續攪拌 30 分鐘，將錐形瓶蓋好蓋子並封好膜，放置陰暗處一個禮拜。將產生之 3-苯基雪梨酮晶體過濾，濾液倒於燒杯中保留，以大量之冰水洗滌 3-苯基雪梨酮晶體兩到三次，再以冰酒精洗滌，此為精產物，不需再結晶。而保留之濾液倒入大量冰水中，令固體析出後，將之過濾後是為粗產物，然此粗產物也以大量冰水洗滌二至三次，再以少量冰酒精洗滌後，而後用以酒精再結晶法。粗產物以酒精再結晶法：乃以適量熱酒精將粗產物溶解後，加入活性碳煮沸，趁熱過濾(使用時濾紙使用兩張來增厚，以避免過濾時濾紙破洞，而影響到過濾結果)濾液稍為濃縮後，靜置，令濾液回至主室溫-冰浴，再將其晶體過濾，即可順利得到純
17、淨的 3-苯基雪梨酮(1a )。此外，若將胺類分別改成對-甲基苯胺(72g)、對-甲氧基苯胺(84g)依照上述方法進行反應，可依次得到 3-(對- 甲苯基 )雪梨酮(1b)及 3-(對- 甲氧基苯基 )雪梨酮 (1c)。（B）3-芳香基-4-氯基雪梨酮 6 之製備將 9.72g(60 mmol)之 3-苯基雪梨酮及9.177g(69 mmol)之 N-氯琥珀醯亞胺加入 180 mL 10% 之稀硫酸，放置在陰暗處均勻攪拌，並以 T.L.C.追蹤反應，約 5-7 天即反應完全，而後待反應完全後，過濾並用大量的冰水洗滌，乾燥後即可得到 3-苯基-4 氯基雪梨酮(6a)，南台科技大學化材系專題報告
18、994產率為 88%。依照此種之類似方法亦可合成其他化合物 6b-c。（C）-氯醯基芳香肼氯化氫 7 製備將 5g 之 3-苯基-4- 氯基雪梨酮( 6a)加入50mL 的 60乙酸乙酯中，再慢慢加 10mL之濃鹽酸水溶液中進行攪拌反應，反應約莫10 分鐘即有大量固體生成，繼續反應到固體不再增加，將反應液冷卻至室溫，過濾出固體，並以冰冷之乙酸乙酯洗滌，乾燥之，即可得到 -氯醯基苯肼氯化氫(7a)，產率90%。可依照類似方法以合成其他化合物 7b-c。結論本專題順利以 3-芳香基-4- 氯基雪梨酮為反應起始原料與氫氯酸進行酸性裂解作用，合成 -氯醯基芳香肼類化合物。利用 -氯醯基芳香肼分子上親核
19、活性相當強的胺基，又同時擁有親電性強的氯醯基，可進行各種取代反應，而開發出各種衍生物，做為金屬錯合物的配位基，如四芽基配位體。此四芽基配位體可進一步合成多樣化的銅或鎳等金屬錯合物，並進行生物活性探討、研究。參考文獻1. Kovala-Demertzi, D.; Gangadharmath, U.; Demertzis, M. A.; Sanakis, Y. Inorg. Chem. Commun. 2005, 8, 619-622.2. Nomiya, K.; Sekino, K.; Ishikawa, M.; Honda, A.; Yokoyama, M.; Kasuga, N. C.; Y
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