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• 阿尔茨海默症(Alzheimer’s disease, AD)是常发于老年人群的一种慢性神经退行性疾病, 其临床表现为记忆力衰退、判断力和理解力下降等症状.据阿尔茨海默协会统计, 全世界目前已有超过2400万AD患者, 预计未来20年患者数量将翻一番^{[1, 2]}. AD严重影响患者的工作能力和生活质量, 也为家庭和社会带来沉重的负担.而我国, 正步入老龄化社会, 据统计1990年我国有AD患者190万, 至2010年已增加至560万人^[2~4].日益增加的AD患者正给我国的医疗和经济带来巨大压力^[2~4].因此, 研究和开发AD治疗药物具有重要的临床意义和社会价值.

  目前, 用于AD治疗的临床药物主要包括几个乙酰胆碱酯酶抑制剂以及谷氨酸亚型N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受体拮抗剂美金刚(Memantine)^{[5, 6]}.虽然, 这些药物在一定程度上可以相对减轻AD的症状, 但不能阻止病情的进展, 疗效非常有限, 且效率/成本比备受质疑.自2003年食品药品监督管理局(FDA)批准美金刚以来, 过去15年所有AD药物的研究都在不同临床阶段宣告失败, 失败率99.6%^[7].因此, 开发有效的治疗药物, 在AD发病早期从根本上改善疾病的状态或终止疾病的进程是当今国际医药领域的热点, 也是亟待突破的领域之一.

  AD的病理特征是淀粉样蛋白沉淀以及高度磷酸化tau蛋白的异常沉积.然而, AD是一种复杂的多因素疾病, 广泛的研究证实, AD与以下因素密切相关: (1) tau蛋白、(2)淀粉样蛋白聚集、(3)金属离子紊乱等.研究表明, 这三个因素是密切相关的^[8~10].例如, 由淀粉样蛋白前体产生过量的淀粉样蛋白, 是形成AD的重要因素, 然而, 淀粉样蛋白聚集本身并不是引起疾病的充分条件.

  AD患者脑内金属的稳态失衡是引起氧化应激从而引起神经元死亡的重要原因.尸检分析表明, AD患者脑内老年斑块中心及周围金属离子的水平明显高于正常生理水平, 铜、铁和锌的过量积累分别是正常大脑的5.7、2.9和2.8倍.尤其是铜离子的含量:正常生理条件下, 脑内Cu离子的浓度为70 μmol·L^-1; 而AD患者脑内的老年斑块中沉积的Cu离子的浓度为400 μmol·L^-1, 竟高达近6倍^[9~11].脑内铜离子异常会导致Cu-淀粉样蛋白(Cu-Aβ)复合物的产生, 该复合物在内源性还原物质的存在性会诱导产生活性氧蔟(reactive oxygen species, ROS), 介导脑内氧化应激, 从而导致神经元的死亡^[12~14].因此, 开发有效的铜离子螯合剂, 从Cu-Aβ复合物中提取铜离子, 抑制Cu-Aβ复合物介导的氧化应激, 对阻止AD脑内氧化损伤、逆转AD记忆损伤具有重要作用.

  Bush等^[15~17]开发了铜、锌离子螯合剂氯碘羟喹(CQ, Clioquinol), 及CQ衍生物PBT2(结构如图 1所示), 二者均为二齿螯合配合物.研究发现, CQ和PBT2与Cu-Aβ复合物形成新的L-Cu-Aβ复合物, 而不能从Cu-Aβ复合物中夺取铜离子^[18].另一方面, CQ和PBT2对铜离子的选择性较差, 在络合铜离子的同时导致锌离子的紊乱, 从而导致严重的毒性^[19].因此, 基于抗AD氧化应激思路设计理想的铜离子螯合剂, 以恢复脑内铜离子的稳态平衡, 关键在于螯合剂应具有良好的铜离子选择性, 既螯合铜离子的同时不破坏其它金属离子的平衡, 尤其是锌离子的稳态平衡.

  图 1

  

  图 1.  CQ和PBT2的结构

  Figure 1.  Structure of CQ and PBT2

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  为了开发选择性的铜离子调节剂, 本论文以8-氨基喹啉为母核, 通过在C2位引入柔性侧链及配位原子, 设计合成了具有四配位螯合作用的喹啉衍生物(Tetra Dentate Mono Quinolines, TDMQ, 如图 2所示), 并通过调节侧链的长度及配位原子的位置对衍生物的络合能力, 以及衍生物对铜离子、锌离子的选择性进行了研究.

  图 2

  

  图 2.  四配位喹啉衍生物TDMQ的结构

  Figure 2.  Structure of synthesized TDMQ ligands

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  1.   结果与讨论

  1.1   目标化合物的合成

  化合物TDMQ4以2-甲基-8-硝基喹啉为起始原料经五步反应获得.合成路线如Scheme 1所示, 以2-甲基-8-硝基喹啉(1)为原料, 在乙醇和冰醋酸中采用铁粉还原得到2-甲基-8-氨基喹啉(2), 收率为88%, 对C-8氨基进行乙酰基保护后, 用Se₂O将C-2甲基氧化为醛基得化合物4, 收率为65%, 化合物4与N, N-二甲基乙二胺进行亲核加成反应, 经NaBH(OAc)₃还原, 对C-8氨基去保护, 得化合物5, 收率可达93%, 化合物5在盐酸乙醚溶液中可定量地生成盐酸盐, 得到目标物TDMQ4.

  图式 1

  

  图式 1.  化合物TDMQ4的合成

  Scheme 1.  Synthetic route for TDMQ4

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  为了研究侧链的长度及配位原子的位置对衍生物的络合能力的影响, 我们设计合成了化合物TDMQ29和TDMQ30.合成路线如Scheme 2所示, 以2-甲基-8-硝基喹啉(1)为原料, 在N, N-二甲基乙酰胺(DMA)中以FeCl₃-K₂S₂O₈为氧化体系, 在110 ℃搅拌反应30 min, 将C-2位芳甲基进行氧化官能化为2-乙烯基-8-硝基喹啉(6), 收率为51%.化合物6与氨基化合物进行亲核加成反应, 在C-2位引入含N原子的柔性脂肪链, 得到化合物7a和7b, 收率分别为46%和89%.化合物7a和7b的C-8位硝基经SnCl₂还原后, 得到化合物8a和8b, 产率分别为61%和73%.化合物8a和8b在盐酸乙醚溶液中成盐酸盐, 分别得到目标物TDMQ29和TDMQ30.

  图式 2

  

  图式 2.  化合物TDMQ29和TDMQ30的合成

  Scheme 2.  Synthetic route for TDMQ29 and TDMQ30

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  1.2   化合物与Cu(Ⅱ)和Zn(Ⅱ)络合的计量比

  参照文献方法^{[3, 5, 20]}, 化合物与Cu(Ⅱ)和Zn(Ⅱ)络合的计量比采用紫外滴定法测试.以化合物TDMQ29为例, 实验在Tris·HCl (20 mmol·L^-1)/NaCl (150 mmol·L^-1)缓冲溶液(pH 7.4)中进行, 向化合物TDMQ29 (15 μmol·L^-1)中分别加入不同当量的铜离子(0.3、0.5、0.8、1.0、1.1、1.2、1.5、2.0 equiv.), 化合物与铜离子发生快速络合反应, 化合物TDMQ29与铜离子络合的紫外-可见光谱吸收及吸收变化如图 3所示.化合物TDMQ 29在250及350 nm处有特征吸收, 随着铜离子加入量的增加, TDMQ29在250及350 nm处的吸光度呈线性减弱, 说明TDMQ29的量在逐渐减少.当加入的铜离子为1.0当量时, TDMQ29与Cu(Ⅱ)的络合达到平衡, 而加入的铜离子的物质的量大于1.0 equiv.时, 在250及350 nm处的吸光度不再变化.另一方面, Cu^Ⅱ-TDMQ29络合物的特征吸收波长为234 nm, 随着铜离子的加入, 234 nm处的吸光度逐渐增强, 说明随着铜离子的增加Cu^Ⅱ-TDMQ29络合物的浓度不断增加.当加入的铜离子的物质的量大于1.0 equiv.时, 234 nm处的吸光度不再变化.由此得知化合物TDMQ29与铜离子的络合比为1: 1.采用同样的实验方法测得TDMQ4, TDMQ30与铜离子的络合比为也分别为1: 1, 其紫外-可见光吸收谱图见辅助材料.

  图 3

  

  图 3.  紫外滴定方法测试化合物TDMQ29与铜离子的计量比

  Figure 3.  Determination of the stoichiometry by UV-Vis titration of TDMQ29 with Cu(Ⅱ)

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  以化合物TDMQ29为例, 采用紫外滴定法测试螯合剂与Zn(Ⅱ)络合的化学计量比.实验在Tris·HCl (20 mmol·L^-1)/NaCl (150 mmol·L^-1)缓冲溶液(pH 7.4)中进行, 向化合物TDMQ29 (15 μmol·L^-1)中分别加入不同量的锌离子, 直至化合物与锌离子完全络合.化合物TDMQ29与锌离子络合的紫外-可见光吸收谱及吸收变化如图 4所示.化合物TDMQ29在250 nm处有最大吸收, 随着锌离子加入量的增加, 该处吸收逐渐减弱, 与此同时, 237 nm处是Zn^Ⅱ-TDMQ29络合物的特征吸收波长, 随着锌离子的加入, 该处的吸光度逐渐增强, 由此可判断Zn^Ⅱ-TDMQ29络合物的生成随着锌离子浓度的增加而增加.当加入的锌离子的物质的量大于30 equiv.时, 在250 nm处可观察到吸光度不再变化, 在此吸光度下根据锌离子的物质的量与吸光度的关系绘制出曲线图, 化合物TDMQ29与锌离子的络合比为1: 30.同样的方法测得, TDMQ4与锌离子的络合比小于1: 30, TDMQ30与锌离子的络合比小于1: 300.其紫外-可见光吸收谱图及其吸收变化见辅助材料.如图 4所示, 根据吸光度与加入的锌离子的物质的量的关系作图得出当锌离子与化合物达到1/2络合时, 所需加入的锌离子量为0.57 equiv., 根据平衡常数的计算方法得出化合物TDMQ29与锌离子的络合比为5.8(具体计算方法见实验部分). TDMQ4, TDMQ29, TDMQ30与锌离子的络合常数见表 1.

  图 4

  

  图 4.  紫外滴定方法测试化合物TDMQ29与锌离子的计量比

  Figure 4.  Determination of the stoichiometry by UV-Vis titration of TDMQ29 with Zn(Ⅱ)

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  表 1

  

  表 1  化合物与Cu(Ⅱ)和Zn(Ⅱ)的络合常数及络合选择性

  Table 1.  Affinity constants of TDMQ ligands for Cu(Ⅱ) and Zn(Ⅱ), and selectivity for Cu(Ⅱ) with respect to Zn(Ⅱ)

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  Compd.	n	m	Log Kapp[MⅡ-L] a		CuⅡ/ZnⅡb
  			M＝CuⅡ	M＝ZnⅡ
  TDMQ4	1	2	11.7	5.3	6.4
  TDMQ29	2	2	15.7	5.8	9.9
  TDMQ30	2	3	10.1	＜3	＞7.1
  a Affinity constants of TDMQ ligands were determined by using UV-Vis spectrometry. b Selectivity of TDMQ ligands for Cu(Ⅱ) with respect to Zn(Ⅱ): log Kapp[CuⅡ-L]-log Kapp[ZnⅡ-L].

  1.3   化合物对Cu(Ⅱ)和Zn(Ⅱ)的络合能力及络合选择性

  化合物与铜离子的络合常数通过紫外-可见光谱法测定^[3.5.20], 使用乙二胺四乙酸(EDTA)、乙二醇双(2-氨基乙基醚)四乙酸(EGTA)、氨基三乙酸(NTA)、乙二胺(EDA)作为竞争性螯合剂.化合物与铜离子等物质的量比络合后产生明显的蓝移, 加入等物质的量的竞争性螯合剂后, 部分铜离子被竞争性螯合剂夺走.根据达到平衡时铜离子与化合物络合的百分比来计算化合物与铜离子的络合常数.如图 5所示, 当TDMQ29/Cu/EDTA=1/1/1达到平衡时, 在350 nm处, 计算可得TDMQ29与铜离子络合的百分比x为53%.计算可得TDMQ29与铜离子的络合常数为15.7.

  图 5

  

  图 5.  紫外-可见光谱法测定TDMQ29与铜离子的络合常数

  Figure 5.  Determination of log K_app of Cu^Ⅱ-TDMQ29 by using UV-visible spectrometry

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  采用相同的实验方法, TDMQ4与铜离子的络合常数为11.7, TDMQ30与铜离子的络合常数为10.1(表 1).对比TDMQ4, TDMQ29与TDMQ30的化学结构, TDMQ29与TDMQ4的n相差1, 即侧链上临近喹啉环的N原子与喹啉母核之间的距离相差一个亚甲基, 而TDMQ29与TDMQ30的m相差1, 即侧链上参与金属螯合的两个N原子之间的距离相差一个亚甲基.构效关系表明最佳侧链长度应为n=2, m=2.而改变化合物侧链的长度及改变侧链上参与螯合的N原子之间的距离, 对化合物与铜离子的络合能力影响较大.

  合成的化合物与锌离子的络合能力较弱, TDMQ29与锌离子作用时, 根据吸光度与加入的锌离子的物质的量的关系作图, 得出当1/2的TDMQ29被络合生成Zn^Ⅱ-TDMQ29络合物时, 需加入的锌离子0.57 equiv. (如图 4所示), 根据文献方法计算得出化合物TDMQ29与锌离子的络合比为5.8(具体计算方法见实验部分). TDMQ4和TDMQ30与锌离子的络合常数分别为5.3及＜3.0, 见表 1.

  由表 1可知, TDMQ系列化合物与铜离子的络合常数为10~16, 对锌离子的络合常数小于6, 相差了6~10个数量级, 对铜离子有选择性螯合作用.其中, TDMQ29与铜离子的络合常数为15.7, 而与锌离子的络合常数为5.8, 相差10个数量级, 表明该螯合剂对铜离子有较强的选择性. TDMQ29可作为先导化合物, 进行进一步结构修饰和深入的构效关系研究.

  2.   结论

  本实验设计合成了3个四配位的铜离子螯合剂并利用核磁共振、高分辨质谱和元素分析对目标化合物进行结构确认.采用紫外滴定方法, 对化合物与Cu(Ⅱ)和Zn(Ⅱ)的络合计量比进行测定, 发现该系列化合物与Cu(Ⅱ)的络合比为1: 1, 作用较强, 而与Zn(Ⅱ)的络合计量比＜1: 30, 络合能力较弱.进一步采用紫外-可见光谱法对化合物与Cu(Ⅱ)和Zn(Ⅱ)的络合常数进行了测定, 并对TDMQ系列化合物进行了构效关系的探究.实验结果显示, TDMQ系列化合物对铜离子都有较好的选择性, 与铜离子的络合常数比对锌离子的络合常数相差6~10个数量, 其中TDMQ29和铜离子的络合常数为15.7, 而对锌离子的络合常数为5.8, 两者相差约10个数量级, 表明TDMQ29对铜离子有较强的选择性螯合作用, 可作为先导化合物进行深入研究.对比TDMQ4, TDMQ29与TDMQ30的化学结构特征, 其主要区别在于C2位柔性链的长短, 以及侧链上螯合因子之间的距离不同, 构效关系表明改变化合物侧链的长度及改变侧链上参与螯合的N原子之间的距离, 对化合物与铜离子的络合能力影响较大, 最佳侧链长度为n=2, m=2.

  3.   实验部分

  3.1   仪器与试剂

  ¹H NMR和¹³C NMR使用布鲁克400 MHz超导核磁共振仪测定, 样品以氘代氯仿(CDCl₃)或重水(D₂O)为溶剂, 四甲基硅烷(TMS)为内标; 紫外滴定使用Thermo Evolution 300测定; 质谱使用ThermoFischer (DCI)或者GCT Premier (DCI, CH4, HRMS)测定; 元素分析使用varioELcube测定.实验用的试剂和原料均为分析纯或化学纯.

  3.2   实验方法

  3.2.1   化合物TDMQ4的合成

  常温下, 向2-甲基-8-硝基喹啉(850 mg, 4.52 mmol)的乙醇溶液(9 mL)中加入还原铁粉(757 mg, 13.55 mmol)和冰醋酸(3 mL), 回流反应4 h后, 将反应冷却至室温, 向体系中缓慢加入饱和NaHCO₃水溶液, 用二氯甲烷萃取三次, 合并的有机相, 经无水硫酸钠干燥, 过滤, 减压浓缩.得到的粗产品经硅胶柱层析(乙酸乙酯/正己烷, 1: 10)分离纯化, 得棕色油状液体2-甲基-8-氨基喹啉(2)^[3]: 628 mg, 收率88%. ¹H NMR (400 MHz, CDCl₃) δ: 7.93 (d, J=8.4 Hz, 1H), 7.25~7.21 (m, 2H), 7.10 (d, J=8.0 Hz, 1H), 6.89 (d, J=8.4 Hz, 1H), 4.85 (brs, 2H), 2.70 (s, 3H).

  将化合物2 (2.5 g, 15.8 mmol)溶解于二氯甲烷溶液(25 mL)中, 在0℃下, 逐滴分别加入乙酰氯(4.5 mL)和N, N-二异丙基乙胺(25 mL).反应体系在0 ℃下搅拌15 min后, 升温至常温并反应过夜.反应结束后, 减压浓缩除去溶剂.粗产物经硅胶柱层析(乙酸乙酯/正己烷, V: V=1: 20)分离纯化得3.15 g淡黄色固体2-甲基- 8-(N-乙酰基)氨基喹啉(3), 收率99%. m.p. 69~71 ℃; ¹H NMR (400 MHz, CDCl₃) δ: 9.83 (s, 1H), 8.72 (d, J=8.8 Hz, 1H), 8.02 (d, J=8.4 Hz, 1H), 7.45~7.44 (m, 2H), 7.31 (d, J=8.4 Hz, 1H), 2.74 (s, 3 H), 2.35 (s, 3H).

  向化合物3 (3.00 g, 15 mmol)的二氧六环溶液(20 mL)中, 加入氧化硒(5 g, 45 mmol), 反应在85 ℃下搅拌4 h, 反应体系用硅藻土过滤并用二氯甲烷洗涤滤饼.合并有机相并减压浓缩.粗产物经硅胶柱层析(乙酸乙酯/正己烷, V: V=1: 20)分离纯化, 得2.11 g淡黄色固体2-醛基-8-(N-乙酰基)氨基喹啉(4), 收率65%. m.p. 105~107 ℃; ¹H NMR (400 MHz, CDCl₃) δ: 10.25 (s, 1H), 9.75 (s, 1H), 8.87 (d, J=7.6 Hz, 1H), 8.33 (d, J=8.4 Hz, 1H), 8.08 (d, J=8.4 Hz, 1H), 7.68 (d, J=8.0 Hz, 1H), 7.58 (d, J=8.4 Hz, 1H), 2.42 (s, 3H).

  在氩气保护下, 向化合物4 (2.00 g, 9.34 mmol)的1, 2-二氯乙烷溶液(30 mL)中加入N, N-二甲基乙二胺(3.29 g, 4.08 mL, 37.34 mmol), 反应混合物在室温下搅拌1 h, 向反应体系中加入NaBH(OAc)₃ (7.92 g, 37.34 mmol), 继续反应12 h.向反应体系中分别加入100 mL二氯甲烷和饱和NaHCO₃水溶液(40 mL), 分离有机相后, 向水相中加入2 mL氨水, 再用二氯甲烷萃取3次.合并后的有机相减压浓缩.粗产物溶于5 mL二氯甲烷, 加入6 mol·L^-1 HCl (2 mL), 在50 ℃下搅拌反应4 h.向反应体系中加入50 mL水并用氨水中和至碱性.二氯甲烷萃取3次.合并后的有机相经无水硫酸钠干燥、过滤、减压浓缩.粗产物经硅胶柱层析(乙酸乙酯/异丙醇/25%氨水, V: V: V=5: 1: 0.2)分离纯化得683 mg淡黄色油状物2-(N, N-二甲基乙二胺基)甲基-8-氨基喹啉(5), 收率93%. ¹H NMR (400 MHz, CDCl₃) δ: 8.01 (d, J=8.4 Hz, 1H), 7.37 (d, J=8.4 Hz, 1H), 7.29 (d, J=8.0 Hz, 1H), 7.12 (d, J=8.4 Hz, 1H), 6.91 (d, J=8.4 Hz, 1H), 4.97 (brs, 2H), 4.09 (s, 2H), 2.78 (t, J=6.0 Hz, 2H), 2.49 (t, J=6.0 Hz, 2H), 2.23 (s, 6H).

  向化合物5的乙醚溶液中加入过量的盐酸-乙醚溶液(2.0 mol·L^-1盐酸溶解于乙醚中), 将所得沉淀过滤, 乙醚洗涤三次, 减压浓缩得到黄色固体TDMQ4. m.p. 245 ℃ (dec.); ¹H NMR (400 MHz, D₂O) δ: 8.38 (d, J=8.8 Hz, 1H), 7.95 (d, J=8.4 Hz, 1H), 7.81 (d, J=7.2 Hz, 1H), 7.61 (t, J=8.0 Hz, 1H), 7.57 (d, J=8.4 Hz, 1H), 4.76 (s, 2H), 3.78~3.71 (m, 4H), 2.99 (s, 6H); ¹³C NMR (100 MHz, D₂O) δ: 152.1, 139.7, 138.7, 129.0, 128.1, 127.0, 126.7, 124.0, 121.0, 52.6, 51.43, 43.5, 41.9; IR (KBr) ν: 3470, 3024, 2798, 2542, 1630, 1601, 1468, 1428, 1397, 1295, 1101, 1084, 1021, 997, 960, 844, 820, 781, 757, 644, 483 cm^-1. HRMS (EI) calcd for C₁₄H₂₀N₄: 244.1688, found 244.1684. Anal. calcd for C₁₄H₂₀N₄·2.9HCl·0.8H₂O· 0.03CH₃COOC₂H₅: C 46.20, H 6.79, N 15.26; found C 46.14, H 6.81, N 15.24.

  3.2.2   化合物TDMQ29的合成

  将2-甲基-8-硝基喹啉(200 mg, 1.06 mmol)溶解于DMA (2 mL)中, 分别加入FeCl₃ (5.2 mg, 0.032 mmol)和K₂S₂O₈ (573 mg, 2.12 mmol).该反应体系在110 ℃搅拌反应30 min.反应结束后, 加水稀释, 用乙酸乙酯萃取三遍, 合并有机相, 无水硫酸钠干燥, 过滤, 减压浓缩.得到的粗产品经硅胶柱层析(二氯甲烷/正己烷, V: V=1: 4)分离纯化, 得到42 mg白色固体2-乙烯基-8-硝基喹啉(6)^[3], 收率51%. ¹H NMR (400 MHz, CDCl₃) δ: 8.17 (d, J=8.8 Hz, 1H), 7.97~7.94 (m, 2H), 7.64 (d, J=8.4 Hz, 1H), 7.52 (t, J=7.6 Hz, 1H), 7.02~6.95 (m, 1H), 6.42 (d, J=17.6 Hz, 1H), 5.71 (d, J=10.8 Hz, 1H); ¹³C NMR (100 MHz, CDCl₃) δ: 158.0, 148.3, 139.3, 137.0, 136.3, 131.5, 128.2, 124.7, 123.6, 122.2, 120.6.

  将2-乙烯基-8-硝基喹啉(6) (100 mg, 0.5 mmol)溶解于2 mL 1, 4-二氧六环中, 分别加入Cs₂CO₃ (325 mg, 1.0 mmol)、18-冠醚-6 (132 mg, 0.5 mmol)、N, N-二甲基-1, 2-乙二胺(109 μL, 1.0 mmol).该反应体系在室温下搅拌反应14 h.反应结束后, 加水稀释, 用乙酸乙酯萃取三遍, 合并有机相, 无水硫酸钠干燥, 过滤, 减压浓缩.得到的粗产品经硅胶柱层析(乙酸乙酯/异丙醇/氨水(25%), V: V: V=5: 1: 0.3)分离纯化, 得到66 mg浅黄色液体2-[2'-(N, N-二甲基乙二胺基)]乙基-8-硝基喹啉(7a), 收率46%. m.p. 81~83 ℃; ¹H NMR (400 MHz, CDCl₃) δ: 8.13 (d, J=8.4 Hz, 1H), 7.97 (d, J=7.6 Hz, 2H), 7.53 (t, J=7.6 Hz, 1H), 7.42 (d, J=8.8 Hz, 1H), 3.24~3.22 (m, 2H), 3.16~3.13 (m, 2H), 2.77 (t, J=6.4 Hz, 3H), 2.45 (t, J=6.4 Hz, 2H), 2.22 (s, 6H); ¹³C NMR (100 MHz, CDCl₃) δ: 163.7, 147.9, 139.0, 136.0, 131.7, 127.6, 124.4, 123.6, 123.5, 59.1, 48.0, 47.3, 45.5, 38.4. HRMS (ESI) calcd for C₁₅H₂₁N₄O₂: 289.1665 ([M+H]⁺), found 289.1663.

  将化合物7a (100 mg, 0.35 mmol)溶解于3 mL乙醇中, 分别加入二水合氯化亚锡(297 mg, 1.3 mmol)和浓盐酸(12 mol·L^-1, 1 mL).该反应在50 ℃下搅拌反应3 h.反应结束后, 加冰水淬灭, 向体系中缓慢滴加25%氨水中和, 然后用乙酸乙酯萃取三遍.合并有机相, 无水硫酸钠干燥, 过滤, 减压浓缩.得到的粗产品经硅胶柱层析(乙酸乙酯/异丙醇/氨水(25%), V: V: V=5: 1: 0.3)分离纯化, 得55 mg浅黄色液体2-[2'-(N, N-二甲基乙二胺基)]乙基-8-氨基喹啉(8a), 收率61%. ¹H NMR (400 MHz, CDCl₃) δ: 7.96 (d, J=8.4 Hz, 1H), 7.28~7.23 (m, 2H), 7.10 (d, J=7.6 Hz, 1H), 6.89 (d, J=7.6 Hz, 1H), 5.02 (brs, 2H), 3.17~3.12 (m, 4H), 2.76 (t, J=6.0 Hz, 2H), 2.43 (t, J=6.4 Hz, 3H), 2.20(s, 6H); ¹³C NMR (100 MHz, CDCl₃) δ: 157.9, 143.6, 137.8, 136.3, 127.2, 126.5, 121.9, 115.8, 110.1, 59.2, 49.0, 47.3, 45.6, 38.5. HRMS (ESI) calcd for C₁₅H₂₃N₄ [M+H]⁺: 259.1923, found 259.1925.

  将化合物8a (80 mg, 0.3 mmol)溶于乙醚中, 加入过量的盐酸-乙醚溶液(2 mol/L), 沉淀经过滤, 乙醚洗涤, 减压浓缩得到黄色固体TDMQ29. m.p. 214~216 ℃; ¹H NMR (400 MHz, D₂O) δ: 8.32 (d, J=8.8 Hz, 1H), 7.93 (d, J=8.4 Hz, 1H), 7.77 (d, J=8.4 Hz, 1H), 7.60~7.52 (m, 2H), 3.77 (t, J=6.8 Hz, 2H), 3.61~3.57 (m, 4H), 3.48 (t, J=6.8 Hz, 2H), 2.94(s, 6H); ¹³C NMR (100 MHz, CDCl₃) δ: 158.0, 139.8, 138.1, 128.6, 127.6, 126.6, 126.2, 123.4, 123.3, 52.3, 46.3, 43.4, 41.9, 33.2; IR (KBr) ν: 3378, 3164, 2828, 2637, 1632, 1599, 1571, 1539, 1504, 1478, 1403, 1322, 1187, 1143, 991, 889, 831, 775 cm^-1. HRMS (ESI) calcd for C₁₅H₂₃N₄ [M+H]⁺: 259.1923, found 259.1913. Anal. calcd for C₁₅H₂₂N₄·3HCl·1.3H₂O·0.05CH₃COOC₂H₅ C 46.15, H 7.13, N 14.16; found C 46.15, H 7.16, N 14.18.

  3.2.3   化合物TDMQ30的合成

  N¹, N¹-二甲基-N³-[2-(2-乙基-8-硝基喹啉)乙基]丙烷-1, 3-二胺(7b)合成步骤与7a相同, 收率89%. ¹H NMR (400 MHz, CDCl₃) δ: 8.01 (d, J=8.4 Hz, 1H), 7.85 (d, J=7.6 Hz, 2H), 7.41 (t, J=7.6 Hz, 1H), 7.30 (d, J=8.8 Hz, 1H), 3.09 (t, J=6.4 Hz, 2H), 3.00 (t, J=6.4 Hz, 2H), 2.93 (brs, 1H), 2.61 (t, J=7.2 Hz, 2H), 2.22 (t, J=7.2 Hz, 2H), 2.20 (s, 6H), 1.65~1.58 (m, 2H); ¹³C NMR (100 MHz, CDCl₃) δ: 163.8, 147.8, 138.8, 135.9, 131.6, 127.5, 124.4, 123.6, 123.4, 57.9, 48.3, 47.9, 45.4, 38.1, 27.9. HRMS (ESI) calcd for C₁₆H₂₃N₄O₂ [M+H]⁺: 303.1821, found 303.1823.

  N¹, N¹-二甲基-N³-(2-(2-乙基-8-氨基喹啉)乙基)丙烷-1, 3-二胺(8b)合成步骤与8a相同, 收率73%. ¹H NMR (400 MHz, CDCl₃) δ: 7.94 (d, J=8.4 Hz, 1H), 7.29~7.22 (m, 2H), 7.09 (d, J=8.0 Hz, 1H), 6.88 (d, J=7.2 Hz, 1H), 5.00 (brs, 2H), 3.13~3.11 (m, 4H), 2.69 (t, J=7.2 Hz, 2H), 2.27 (t, J=7.2 Hz, 2H), 2.16 (s, 6H), 1.68~1.61 (m, 2H); ¹³C NMR (100 MHz, CDCl₃) δ: 157.8, 143.6, 137.8, 136.3, 127.2, 126.6, 121.9, 115.8, 110.0, 58.0, 49.1, 48.3, 45.5, 38.6, 28.0. HRMS (ESI) calcd for C₁₆H₂₅N₄: 273.2079 ([M+H]⁺), found 273.2083.

  TDMQ30合成步骤与TDMQ29相同, m.p. 220~222 ℃; ¹H NMR (400 MHz, D₂O) δ: 8.36 (d, J=8.4 Hz, 1H), 7.97 (d, J=8.4 Hz, 1H), 7.78 (d, J=7.2 Hz, 1H), 7.63~7.55 (m, 2H), 3.70 (t, J=7.2 Hz, 2H), 3.46 (t, J=7.2 Hz, 2H), 3.23~3.19 (m, 4H), 2.86 (s, 6H), 2.20~2.11 (m, 2H); ¹³C NMR (100 MHz, CDCl₃) δ: 158.2, 139.5, 138.2, 128.5, 127.5, 126.7, 126.2, 123.4, 123.3, 54.3, 45.7, 44.5, 42.9, 33.2, 21.2; IR (KBr) ν: 3429, 2956, 2483, 1632, 1599, 1468, 1421, 1391, 1322, 1278, 1185, 1081, 998, 968, 840, 781, 647, 570, 474 cm^-1. HRMS (EI) calcd for C₁₆H₂₄N₄: 272.2001, found 272.1995. Anal. calcd for C₁₆H₂₄N₄·2.7HCl·1.6H₂O·0.04CH₃COOC₂H₅: C 48.14, H 7.55, N 13.90; found C 48.15, H 7.24, N 13.89.

  3.2.4   紫外-可见光谱法测定化合物与铜、锌离子的络合常数

  参照文献方法^{[3, 5, 20]}, 采用紫外-可见光谱法测定化合物与铜、锌离子的络合常数.具体实验方法及步骤如下

  母液的配制:螯合剂(L)配成3 mmol·L^-1的水溶液, 竞争剂(C＝EDTA, EGTA, NTA, EDA)配成3 mmol·L^-1水溶液, CuSO₄和ZnSO₄配成15 mmol·L^-1的水溶液, 实验在Tris·HCl (20 mmol·L^-1)/NaCl (150 mmol·L^-1)缓冲溶液(pH 7.4)中进行.

  实验步骤:在5 mL离心管中加入20 μL螯合剂(L), 20 μL CuSO₄ (3 mmol·L^-1)或20 μL ZnSO₄ (3 mmol·L^-1), 20 μL竞争剂(EDTA或EGTA或NTA或EDA, 3 mmol·L^-1), 最后加入20 mmol·L^-1 Tris·HCl缓冲溶液至4 mL.化合物L, 竞争剂(EDTA或EGTA或NTA或EDA)和Cu²⁺最终浓度分别为15 μmol·L^-1.待螯合剂与金属离子相互作用达到平衡后, 反应体系中的螯合剂浓度(L)、金属离子浓度(M)、金属-螯合剂复合物(L-M)的浓度与各组分的紫外吸收变化相关, 通过紫外-可见光谱仪测试得到.紫外-可见光谱仪进行全谱扫描, 记录200~500 nm的吸收谱图, 继而采用Beer-Lambert比耳定律计算出螯合剂对不同金属离子的亲合常数.选择竞争剂(C), 竞争剂-铜离子络合物(C-M)无明显吸收的波长下计算.

  螯合剂与铜离子的络合常数为:

  Log K_app(L-Cu)=log K_app(C-Cu)+2 log(x/(1-x))

  其中, x表示铜离子与化合物络合的百分比, x=(A_L-A_L-Cu-C)/(A_L-A_Cu-L).

  3.2.5   紫外滴定法测化合物与铜离子、锌离子的络合计量比

  参照文献方法^{[3, 5, 20~22]}, 测定化合物与铜、锌离子的络合计量比.具体实验方法及步骤如下:

  母液的配制:螯合剂(L)配成3 mmol·L^-1的水溶液, CuSO₄和ZnSO₄配成15 mmol·L^-1的水溶液, 实验在Tris·HCl (20 mmol·L^-1)/NaCl (150 mmol·L^-1)缓冲溶液(pH 7.4)中进行.

  实验步骤:在5 mL离心管中加入20 μL化合物L (1.0当量), 加入不同equiv.的CuSO₄或ZnSO₄ (0.2~10当量), 最后加入Tris·HCl缓冲溶液, 使最终的溶液体积为4 mL.用紫外分光光度计进行全谱扫描, 记录200~500 nm的谱图.在某一波长下(铜离子、锌离子在此处应无明显吸收)作出物质的量与吸光度的关系图.

  辅助材料(Supporting Information)  化合物TDMQ4, TDMQ29, TDMQ30的¹H NMR, ¹³C NMR, HRMS, 以及化合物与Cu(Ⅱ)和Zn(Ⅱ)的化学计量比、络合常数的谱图.这些材料可以免费从本刊网站(http://sioc-journal.cn/)上下载.

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  图 1  CQ和PBT2的结构

  Figure 1  Structure of CQ and PBT2

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  图 2  四配位喹啉衍生物TDMQ的结构

  Figure 2  Structure of synthesized TDMQ ligands

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  图式 1  化合物TDMQ4的合成

  Scheme 1  Synthetic route for TDMQ4

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  图式 2  化合物TDMQ29和TDMQ30的合成

  Scheme 2  Synthetic route for TDMQ29 and TDMQ30

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  图 3  紫外滴定方法测试化合物TDMQ29与铜离子的计量比

  Figure 3  Determination of the stoichiometry by UV-Vis titration of TDMQ29 with Cu(Ⅱ)

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  图 4  紫外滴定方法测试化合物TDMQ29与锌离子的计量比

  Figure 4  Determination of the stoichiometry by UV-Vis titration of TDMQ29 with Zn(Ⅱ)

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  图 5  紫外-可见光谱法测定TDMQ29与铜离子的络合常数

  Figure 5  Determination of log K_app of Cu^Ⅱ-TDMQ29 by using UV-visible spectrometry

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  表 1  化合物与Cu(Ⅱ)和Zn(Ⅱ)的络合常数及络合选择性

  Table 1.  Affinity constants of TDMQ ligands for Cu(Ⅱ) and Zn(Ⅱ), and selectivity for Cu(Ⅱ) with respect to Zn(Ⅱ)

  Compd.	n	m	Log Kapp[MⅡ-L] a		CuⅡ/ZnⅡb
  			M＝CuⅡ	M＝ZnⅡ
  TDMQ4	1	2	11.7	5.3	6.4
  TDMQ29	2	2	15.7	5.8	9.9
  TDMQ30	2	3	10.1	＜3	＞7.1
  a Affinity constants of TDMQ ligands were determined by using UV-Vis spectrometry. b Selectivity of TDMQ ligands for Cu(Ⅱ) with respect to Zn(Ⅱ): log Kapp[CuⅡ-L]-log Kapp[ZnⅡ-L].

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