咔唑类化合物研究新进展

2010 年第 30 卷 有 机 化 学 Vol. 30, 2010 第 6 期, 783～796 Chinese Journal of Organic Chemistry No. 6, 783～796 * E-mail: zhouch@swu.edu.cn; Tel.: & Fax: 023-6825416. Received July 22, 2009; revised October 20, 2009; accepted November 11, 2009. 西南大学人才引进基金(No. SWUB2006018)、西南大学高新技术培育基金(No. XSGX0602)和重庆市自然科学基金(No. CSTC2007BB5369)资助项目. ·综述与进展· 咔唑类化合物研究新进展 张飞飞 周成合* 颜建平 (西南大学化学化工学院 重庆 400715) 摘要 咔唑及其衍生物是一类重要的含氮芳杂环化合物, 分子内含有较大的共轭体系和强的分子内电子转移, 这种特 殊的刚性稠环结构使咔唑类化合物表现出许多独特的性能及生物活性, 在光电材料、染料、医药、超分子识别等多领 域具有潜在的广泛应用. 更为重要的是咔唑类化合物易于进行结构修饰, 在咔唑环上可方便地引入各种功能基, 咔唑 衍生物的合成及其开拓咔唑类化合物潜在的新用途, 成为近些年来十分活跃的研究领域, 且发展迅速. 结合自己的工 作, 参考国内外文献, 全面综述了咔唑类化合物在有机电致发光材料、光折变材料、太阳能电池材料、染料、医药和 超分子识别等领域的研究与开发新进展, 并对其发展趋势作了展望. 关键词 咔唑; 电致发光; 染料; 抗癌; 超分子识别 New Progress of Researches in Carbazole Compounds Zhang, Feifei Zhou, Chenghe* Yan, Janping (School of Chemistry and Chemical Engineering, Southwest University, Chongqing 400715) Abstract Carbazole and its derivatives are an important type of nitrogen-containing aromatic heterocyclic compounds, possess desirable electronic and charge-transport properties, as well as large π-conjugated sys- tem with rigid fused rings. These special structures of carbazole compounds endow their distinct various functions, properties and biological activities, as well as wide potential application in photoelectrical materi- als, dyes, medicinal agents, supramolecular recognition and so on. More importantly, the carbazole com- pounds are easily modified and various functional groups could be conveniently introduced into the carba- zole ring. The syntheses of carbazole derivatives and their potential applications were extensively investi- gated and have been become highly active highlight in recent years, and the progress is quite rapid. Com- bining with our researches and referring other works from literatures, this paper systematically reviews the recent advance in the research and development of carbazoles in organic electro-luminescence materials, or- ganic photorefractive materials, solar cells, dyes, medicinal chemistry, supramolecular recognition and so on. The perspectives of the foreseeable future are also presented. Keywords carbazole; electro-luminescence; dye; anticancer; supramolecular recognition 氮唑类化合物因其在医药、农药、材料等多领域广 阔的应用前景一直颇受人们的青睐[1～3]. 咔唑是一种很 重要的含氮芳杂环, 具有特殊的刚性稠环结构, 其衍生 物表现出许多独特的光电性能及生物活性. 咔唑类化合 物结构具有以下特点: (1)咔唑环易于形成相对稳定的正 离子; (2)分子内具有较大的共轭体系及强的分子内电子 转移; (3)普遍具有较高的热稳定性和光化学稳定性; (4) 咔唑环上易于进行结构修饰引入多种官能团; (5)咔唑自 身是煤焦油产品之一, 原料易得. 咔唑这种特殊结构使 其衍生物在诸如光电材料、染料、医药、超分子识别等 784 有 机 化 学 Vol. 30, 2010 领域具有潜在的广泛应用, 近些年来得到了广泛的研究 与开发. 在光电材料领域中, 咔唑类衍生物如小分子材 料 4,4'-N,N'-二咔唑联苯(CBP)和高分子聚合物材料聚乙 烯基咔唑(PVK)作为有机光电材料, 是目前研究最广 泛、效果最好的主体材料. 近几年, 随着太阳能电池器 件的快速发展, 有机光敏染料的开发越来越受到人们的 重视, 咔唑类化合物因其空穴传输性能好, 能隙高, 被 广泛用于制备有机光敏染料[4,5]. 而在医药领域, 人们已 从黄皮属植物中分离得到 60 余种具生物活性的咔唑类 生物碱[3], 其中吲哚并咔唑类生物碱因其优良的生物活 性, 引起了化学家和药学家的高度重视. 该类化合物对 蛋白激酶 C 以及拓扑异构酶 I 有着良好的抑制作用. 随 着逐渐发现咔唑类化合物呈现出宽广的生物活性, 近来 对合成类咔唑药物研究也越来越活跃. 超分子化学发展 迅速, 已延伸到超分子材料、超分子药物[6,7]等诸领域, 以咔唑环大共轭体系的刚性骨架结构为基体构筑的人 工受体、分子探针等, 其超分子识别性能优良[8～10], 相 关研究也日趋活跃. 目前对咔唑类化合物的研究与开发 工作众多, 发展迅速, 备受关注, 已有文献介绍了一些 咔唑类化合物个别领域的研究情况[3～5], 但迄今为止国 内外尚无文献报道有关咔唑类化合物在各个领域的研 发整体概况. 鉴于此, 结合我们小组的研究工作, 本文 综述了咔唑类化合物在光电材料、染料、医药和超分子 识别等诸领域的研究与开发新状况. 1 光电材料领域 有机发光材料的研究兴起于 20 世纪 70 年代, 我国 在该领域的研究与国际同步并在一些方面取得了在国 际上有重要影响的成果. 近些年来, 有机光电材料的研 究十分活跃, 光稳定性好, 光谱吸收范围宽, 以及光电 转换效率高的有机分子体系, 受到了研究工作者的极大 关注. 咔唑类化合物具有特殊的稠环结构, 大的共轭 π 电子体系赋予它强的光电性能, 使得这类化合物作为有 机光电材料的研究得以广泛展开, 是当前重点研究开发 的有机光电材料之一. 目前, 咔唑类化合物在光电材料 领域的应用研究已涉及到有机光电分子器件、电子照相 材料、太阳能电池材料、彩色液晶材料和有机光信息记 录材料等前沿科技领域, 展现出广阔的应用前景. 咔唑 类光电材料可分为有机电致发光材料、有机光折变材料 和太阳能电池材料等. 1.1 咔唑类有机电致发光材料 有机电致发光(organic electro-luminescence), 也叫 有机发光二极管(organic light-emitting diode), 简称为 OLED. 自 1987 年美国柯达公司报道有机分子电致发 光[11]和 1990 年英国剑桥大学报道聚合物电致发光以 来[12], 世界各国纷纷开展研究与开发. 该类材料具有结 构简单、成品率高、成本低、主动发光、响应速度快、 分辨率高等优点, 且具有驱动电压低、全固态、非真空、 抗震荡、耐低温(－40 )℃ 等性能, 被认为是未来最有可 能替代液晶显示器的一种新技术, 引起极大关注[13]. 咔 唑类化合物具有良好的空穴传输性、光化学稳定性、高 载流子迁移度、在紫外光范围有很强的吸收并且带隙在 3.20 eV 左右以及发可贵的蓝光等特性, 在其 3,6,9-位或 其它位碳原子上进行取代修饰, 可以得到多类发光材 料. 咔唑类发光材料已成为有机电致发光材料中重要的 一类. 从分子结构上可将咔唑类有机电致发光材料分 为: 有机小分子和高分子聚合物两大类. 1.1.1 咔唑类有机小分子电致发光材料 较早应用于发光器材的咔唑类小分子主体材料是 化合物 1a 和 2a, 其中, 化合物 1a 是目前使用最多的小 分子OLED材料, 其三重态能级只有 2.56 eV, 可用作红 光和绿光的主体材料, 而应用于蓝光器件则难以提高器 件效率[14]. 将蓝光磷光材料 FIrpic 掺杂到具有较高三重 态能级的主体材料 1b 中作为发光层[15], 可使激子直接 陷在 FIrpic 发光中心上, 避免了能量转移造成的损失, 提高了发光效率, 获得了发光率比用 1a 和 2a 作主体时 更高的器件, 得到最大外量子效率为 10.4%的蓝光器件. 化合物 2a 虽然三重态能量较高, 可以用作蓝光主体材 料, 但热稳定性不好, Tg只有 55 . ℃ 化合物 2b 是把 2a 中间的苯基换成吡啶基, 当以 FPt 掺杂制成单层器件时 可获得白光, 得到内量子效率近 100%的白光器件. 可 见主体材料的选择对蓝光器件的发光性能影响很大, 合 适的主体材料对提高蓝光磷光器件的效率有非常重要 的作用. 目前已有一些三重态能隙较高的咔唑小分子设 计合成出来, 如 3a 和 3b 等[16]. 化合物结构见 Scheme 1. Scheme 1 No. 6 张飞飞等：咔唑类化合物研究新进展 785 研究表明在咔唑环上引入一些杂环(Scheme 2), 有 助于其电致发光性能的改善. 含噁二唑/喹噁啉基的多 取代咔唑衍生物 4 和 5 的 Tg介于 104～176 ℃之间, 化 合物 5 比化合物 4 拥有更显著的电子亲和性, 都可作为 空腔传输材料用于发射绿光和黄光的 OLED 器件[17]. Scheme 2 化合物 6 (Scheme 3)是两个三苯胺取代的吲哚 [3,2-b]咔唑类化合物, 电致发光结果表明 6,12-位取代的 化合物 6b 的空腔传输性能优于 2,8-位取代的 6a, 此外, 这两种化合物都具有相对较高的 LUMO 能级, 可作为 电子阻碍层应用于 OLED 器件[18]. Scheme 3 以上大多是基于咔唑 3,6,9-位修饰得到的小分子 OLED 器件材料, 而 2,7-位取代的咔唑类化合物的报道 却较少见. 咔唑的 3,6-位被氮原子活化, 多种亲电取代 反应都易于发生在这两个位置, 因此, 2,7-位取代的咔 唑单体合成比 3,6-位取代的合成困难得多. 近几年, 随 着一些 2,7-位取代咔唑单体合成方法的建立[19], 已陆续 报道了一些 2,7-位取代的咔唑类小分子OLED器件材料 (Scheme 4). 2,7-位取代的咔唑类化合物与其它咔唑类化 合物相比拥有更大的共轭体系, 大都可发射蓝光, 是一 类非常有发展前景的 OLED 器件材料. Scheme 4 经 2,7-位连接的咔唑三聚物 7, 热稳定温度高于 300 , ℃ 能发出强的蓝色荧光, 这对于咔唑类衍生物是不寻 常的, 而 3,6-位连接的咔唑三聚体(化合物 7 的类似物, 仅仅是连接位置不同), 却只能发出弱的淡蓝色荧光, 表明 2,7-位取代的咔唑类衍生物更适合于制备OLED 器 件[20]. 化合物 8 既可作为发射层又可作为空腔传输层材 料, 可发出明亮的蓝光, 用其制备的发光器件启动电压 仅为 3.0 V, 在 5 V 时的发光效率达到 3.11 cd•A－1, 亮度 为 3062 cd•m－2[21]. 用于 OLED 中的发光材料根据发光类型可分为荧 光和磷光材料, 一般的有机材料是不发射磷光的. 荧光 发光材料是依靠单重态激子辐射衰减发光的, 电致发光 的最大内量子效率仅为 25%. 而磷光材料能够通过系间 窜越, 实现混合了单重态和三重态发光的磷光发射. 理 论上, 用这类材料制作的 OLED 器件内部量子效率可达 100%, 是一类优良的激发态发光材料. 研究发现一些 有机重金属络合物, 如 IrIII, PtII, OsII, RuII和ReI等金属络 合物都属于磷光材料, 近些年, 很多研究人员都致力于 开发新型的含有芳香胺或者噁二唑基团的金属有机络 合物. 在这些发光金属有机络合物中, IrIII 和 PtII 络合物 因具有较高的量子效率和亮度而引起人们的重视[22]. 最早报道的将 fac-三(2-苯基吡啶)铱[Ir(ppy)3]掺杂 到 CBP (1a)中制成电致磷光器件, 这种绿光 OLED 器件 最高外量子效率达到 8.0% (28 cd•A－1), 功率效率达 31 lm•W－1, 均大大超过电致荧光发光器件[23]. 该报道立即 引起人们的关注, 铱配合物电致磷光材料和器件的研究 已成为目前有机电致发光领域研究的热点. 其中, 利用 铱配合物作为磷光材料而制作的多层 OLED 器件, 其最 大外量子效率已达 19.2%, 接近器件的最大外量子效率 (20%)[24]. 金属有机铂电致磷光材料 , 如结构为 [(C^N)Pt]的化合物, 其磷光寿命普遍比铱配合物要长. 然而, 由其构造的器件易形成三线态饱和猝灭, 量子效 率通常比铱配合物要低[25]. 786 有 机 化 学 Vol. 30, 2010 多官能团铱络合物 9 是以 fac-[Ir(ppy)3]为原型合成 的, 热重分析数据表明两个化合物的起始分解温度都高 于 420 , ℃ 热稳定性好, 成膜性好. 用化合物 9a 作为磷 光掺杂剂制备的绿光发射器件: ITO/NPB (40 nm)/6% 9a:CBP (20 nm)/Mg:Ag (200 nm), 最大外量子效率为 11.6%, 最大发光效率为 38 cd•A－1, 最大功率效率达 24 lm•W－1, 性能优于传统的有机绿光 OLED器件[26]. 含咔 唑官能团的铱/铂络合物10和11电致发光的发射光颜色 可从蓝绿色至红色. 产生如此大的颜色变化, 是由于咔 唑的 2-位与 3-位都可与金属形成络合物, 这样就会形成 两种异构体, 如 10a 和 11a, 10b 和 11b 之间即为异构体, 这样就使得这些化合物的金属配体间电荷转移(MLCT) 的带隙不同, 最终其电化学发光性质都可得以调节, 这 也是首次报道利用咔唑不同位置上碳原子的电子效应 来调节金属化合物的能隙和发射性质的方法. 用化合物 11a 作为掺杂剂制成的发射绿光的 OLED 器件, 最大亮 度为 25811 cd•m－2, 最大发光效率为 31.6 cd•A－1, 最大 功能效率为 19.03 lm•W－1. 用 10b 作为荧光发射体材料 制成的发射黄光的 OLED 器件, 最大亮度为 10265 cd• m－2, 最大发光效率为 35.82 cd•A－1, 最大功能效率为 25.00 lm•W－1[27]. 化合物结构见 Scheme 5. Scheme 5 咔唑类有机小分子 OLED 器件材料因其易于提纯、 荧光量子产率和电致发光效率高、驱动电压低、强度大 和寿命长等优点, 一直倍受青睐. 咔唑类小分子材料器 件的工艺也较为成熟, 部分已进入产业化阶段. 2,7-位 取代的咔唑类化合物因拥有更大的共轭体系, 可发射蓝 光, 使其有潜力成为高荧光量子效率发光材料, 通过引 入取代基的改变可改善这类材料的成膜性、热稳定性、 溶解性及载流子传输性能等, 但是, 该类化合物的合成 仍然较难. 如何高效、简便地合成 2,7-位取代的咔唑类 化合物, 仍然有很多的工作要做. 1.1.2 咔唑类有机高分子聚合物电致发光材料 适合制备 OLED 器件的咔唑类聚合物种类很多, 聚 乙烯基咔唑(PVK, 12)是目前应用最广泛、效果最好的主 体材料(Scheme 6), 这是由于 PVK 具有良好的成膜性、 较高的玻璃化转变温度(Tg)和空穴迁移速率, 其三重态 能级也较高, 是目前研究最多的蓝色发光聚合物之一, 常被用作共混体系中的母体材料. Scheme 6 PVK拥有很强的空穴传输能力, 在OLED器件中也 常被用作空穴传输层材料. 这种空穴传输材料一方面降 低了小分子材料的结晶, 提高了器件寿命; 另一方面增 加了电子-空穴复合的机会, 提高了器件的发光效率. 在 PVK 的结构基础上, 合成了很多类似的以咔唑为侧 链的聚合物空穴传输材料. 含 N-咔唑苯基的多聚(胺-酰 胺-亚胺)类聚合物 13 (Scheme 7)中, N-咔唑苯基的引入 不仅可提高 HOMO 能级, 还可以增强这种无定形聚合 物的溶解性与成膜性, Tg介于 307～343 ℃之间, 稳定性 好 , 紫外吸收光谱在 300 nm, 最大荧光发射峰介于 449～454 nm, 在电极电势为 0.95 V 时, 发射光的颜色 能从黄色变化至绿色, 可作为空穴运输层和电变色材料 应用于 OLED 器件[28]. Scheme 7 将咔唑环引入聚合物主链得到高分子空穴传输材 料. 聚合物 14 (Scheme 8)以 N-苯基咔唑和苯乙烯基为 主链, N-苯基咔唑环的引入提高了聚合物的溶解性、热 稳定性和空穴运输性能, 苯环上烷氧基的引入一方面可 提高聚合物的溶解性, 另外可使聚合物产生增色效应, 故 14b 作为 OLED 器件材料的性能稍优于 14a, 用这两 No. 6 张飞飞等：咔唑类化合物研究新进展 787 种聚合物制成的 OLED 器件可发出蓝绿光[29]. Scheme 8 2,7-位取代的咔唑类聚合物 15～17 (Scheme 9)的性 能大都优于相应的 3,6-位取代的聚合物, 这类聚合物对 OLED 器件性能的提高有很大帮助[30,31]. Scheme 9 目前聚合物薄膜电致发光器件发展十分迅速, 该领 域的进展已足以使人们对其未来的发展充满信心. 然 而, 咔唑类高分子电致发光材料及器件仍然存在一些问 题, 如: 器件的寿命还达不到理论上的应有水平; 常常 在优化一些指标的同时, 致使其它性能变差. 因此必须 弄清其发光机理, 同时优化各项性能指标, 其中最关键 也最困难的是延长器件的使用寿命, 使其发光时间像无 机物器件那样长. 1.2 咔唑类有机光折变材料 20 世纪 90 年代, 出现了一种新型的有机光电材料 —有机光折变材料. 由于其在高密度数据存储、全息图 像加工和光放大等许多领域具有潜在的应用前景, 因 此, 在短短的十几年中, 取得了巨大进展. 在众多的有 机光折变材料中, 咔唑类材料由于其优异的性能而越来 越受到重视, 成为人们研究的重点之一. 以聚乙烯基咔 唑 (PVK)为主体的光折变复合物 , 掺杂 9-乙基咔唑 (ECZ)作为增塑剂 , 以降低材料的玻璃化转变温度 , DMNPAA(光学非线性电光活性发色团偶氮染料 2,5-二 甲基-4-(p-硝基酚偶氮))作为二阶非线性光学生色团, TNF(可见光敏化剂 2,4,7-三硝基芴酮)作为光电荷产生 体呈现了极高的光折变效应(衍射效率近100%和二波耦 合增益系数超过 220 cm－1, 外电场 E0＝90 V/μm), 超过 了已知的绝大多数无机物, 被美国《科学新闻》杂志评 为当年国际光电材料重大进展之一[32]. 在随后的十几 年内 , 科研人员制备了大量的咔唑类有机光折变材 料[33]. 大多数咔唑类衍生物都具有良好的光电导性质, 并 且主要以空穴传导为主, 咔唑生色团小分子及含咔唑基 团的聚合物光折变材料已成为光折变材料研究中的热 点. 随着取向增强效应的发现和其机理被揭示, 材料的 低 Tg 被认为对获得好的光折变效应是相当有益的. 通 过改变主链结构的方法可降低材料的 Tg, 例如将咔唑通 过亚甲基链接到聚甲基硅氧烷中(PSX-Cz, 18)代替 PVK 作为光电导聚合物, 由于聚甲基硅氧烷链的柔性, 加之 咔唑环通过一个短柔性链与之相连, 所获得的聚合物具 有较低的 Tg 温度(51 ), ℃ 材料性能得到了很大改善. PVK 和 PSX-Cz 是良好的光电导聚合物, 也是迄今研究 最广泛的两种咔唑类有机光折变材料[34]. 聚合物 19 可 作为主体材料应用于光折变材料中, 热稳定温度高于 250 ℃, 聚合物 19a 和 19b 侧链上含非线性光学生色团, 其 Tg分别为 117 和 104 , ℃ 二阶系数 d33 分别为 61.6 和 41.7 pm•V－1, 电光系数 r33在 632.8 nm 处分别为 40.5 和 17.8 pm•V－1, 二阶系数比例(d33/d31)都是 3.3. 与 19a 相 比, 聚合物 19b 因侧链生色团的 π-共轭体系更大, 而具 有更高的二阶光学非线性[35,36]. 这类聚合物的结构还有 待修饰, 以期得到玻璃化温度更低, 稳定性更好的有机 光折变材料. 化合物结构见 Scheme 10. 有机光折变聚合物由于其高光折变性能、易制备、 价格低等优点, 一经问世就引起了人们的极大兴趣. 但 是, 咔唑类有机光折变聚合物的发展才刚刚开始, 还存 在很多问题, 比如: 光折变聚合物的 Tg 难以把握. 低的 Tg 有利于发色团的取向, 也就有利于提高物质的光折变 性能; 但低的 Tg又会造成材料的机械强度不足, 光电性 能差以及耐热稳定性不好, 这都会限制它在某些领域的 应用. 所以, 如何把 Tg影响光折变聚合物性能的两个方 面有机统一起来, 制得各种性能都比较好的光折变聚合 物, 将是目前所要解决的问题之一. 由于PVK不但具有 良好的电荷运输功能, 而且与各种非线性发色团有较好 的相容性, 所以其发展比较快, 是目前研究比较深入的 一类. 这一类聚合物仍将是咔唑类光折变材料的主要研 究方向. 788 有 机 化 学 Vol. 30, 2010 Scheme 10 1.3 咔唑类太阳能电池材料 与结构和工艺复杂、成本高昂、光电压受光强影响 波动大的传统半导体固结太阳能电池相比, 聚合物太阳 能电池因其分子结构可以自行设计合成、材料选择余地 大、加工容易、毒性小和成本低等特点, 在自然资源日 趋短缺的今天引起了人们的关注[37]. 具有光电活性的 咔唑类聚合物中, 发现最早、研究最充分的聚合物太阳 能电池材料是聚乙烯基咔唑(PVK), 它的侧基上带有大 的电子共轭体系, 可吸收紫外光, 激发出的电子可以通 过相邻咔唑环形成的电荷复合物自由迁移 . 常用 I2, SbCl3, TNF 及 TCNQ(硝基二苯乙烯基苯衍生物合四氰 醌)等对其进行掺杂. 将聚乙烯基咔唑(PVK)与碳纳米管 一起制成碳纳米复合材料, 可有效提高锂电池的放电容 量[38]. 经分子计算发现聚合物20 (Scheme 11)的HOMO能 级主要是由咔唑基团决定的, LUMO 能级是由聚合物中 的吸电子基决定的, 基于此可方便地通过调节 LUMO 能级来选择最佳的太阳能电池性能, 结果显示 20a 最有 潜力成为光伏器件, 进一步优化 20a 和 20b 的聚合反应 条件, 有望获得溶解性更好、分子量更高、性能更优越 的材料来制备大容量异质结的太阳能电池器件[39]. 聚合物太阳能电池虽然具有许多无机半导体太阳 能电池所不可比拟的优点, 但毕竟起步较晚, 效率也较 低, 要想获得高效率、低成本的聚合物太阳能电池任重 道远. 今后的研究重点仍应放在以下两个方面: (1)增强 光子的吸收效率, 以提高电池的光电转换效率; (2)深入 研究器件活性层的形态, 开发出具有完美的互穿网络结 Scheme 11 构和双连续的载荷传输通道的太阳能电池. 2 染料领域 含咔唑芳杂环的染料, 颜色鲜艳、着色力强、不易 褪色[40]. 不少品种还有较强的耐酸碱性, 常用于涤纶或 混纺纤维、织物的染色及印花, 此外, 还可用于塑料等 行业的着色. 永固紫 R (21) (Scheme 12)就是一个典型的咔唑类 有机染料[41], 它是一种包含咔唑与二噁嗪结构的高级 紫色染料. 这种染料色彩鲜艳、抗迁移性强、耐光耐热、 分散性佳、遮盖力强, 对酸碱及许多溶剂也有良好的抗 耐性, 是目前公认的最优秀的紫色染料之一. Scheme 12 化合物 22 是一类含咔唑环的蒽醌类有机染料[42]. 以咔唑为核心, 经过Vilsmeier反应, 在咔唑上先引入甲 酰基, 然后再与丙二腈等反应, 合成了热稳定温度高, 视觉效果好的新型有机染料 23[43]. 化合物结构见 Scheme 13. Scheme 13 No. 6 张飞飞等：咔唑类化合物研究新进展 789 随着有机染料敏化太阳能电池研究的不断深入, 有 机染料敏化剂在数量和质量上均得到了稳步的发展. 有 机染料种类繁多, 分子结构多样, 容易修饰, 成本低, 合成工艺简单, 且电池循环易操作. 因此, 巧妙设计出 的纯有机染料在太阳能电池领域也具有相当的竞争力. 近年来, 基于纯有机染料的染料敏化纳米晶太阳能电池 (DSSC)的性能有了显著的提高. 用化合物 24 作为有机 染料层制成的太阳能电池的能量转换效率η为5.15%[44]. 发展新型高效的供体-受体 π-共轭有机染料的重要关键 是, 设计合成的染料分子的电子受体基团和 TiO2 表面 能形成强的相互作用. 化合物 25 是一类新型的供体-受 体 π-共轭咔唑类有机染料, 末端引入的羧基不仅可作为 电子受体, 还可作为结合基团附着在TiO2表面[45]. 化合 物结构见 Scheme 14. Scheme 14 3 医药领域 咔唑及其衍生物显示出很多重要的生物活性[46～48], 因此咔唑类化合物在医药领域的研究和开发备受关注. 比如, 咔唑本身就可以作为杀虫剂的稳定剂和植物生长 调节剂, 咔唑的氯代衍生物和硝基衍生物都可用于合成 杀虫剂, 3-乙酰氨基咔唑、溴代咔唑、N-甲基咔唑、4- 羟基咔唑和四氢咔唑酮等都是重要的药物中间体. 咔唑 及其衍生物在医药领域取得突破性进展, 是从人们在黄 皮属植物中分离得到了一类具有广泛生物活性的咔唑 生物碱开始的 , 咔唑生物碱主要存在于 Clausena, Murraya 和 Glycosmis 等天然植物中, 具有抗肿瘤、抗微 生物、抗组胺、抗氧化和抗炎等生理活性, 其药理活性 一直受到广泛关注. Knölker 等[3]已对一些天然咔唑类生 物碱的分离及其人工合成作了综述, 鉴于此, 本文对咔 唑类生物碱仅作简要介绍, 主要介绍近几年来咔唑类化 合物在医药领域的研究与开发新进展. 3.1 天然咔唑类生物碱 人们已从黄皮属植物中分离得到 60 余种具生物活 性的咔唑类生物碱, 根据其结构特征, 大致可分为七类, 见表 1. 可见咔唑类衍生物具有广泛的生物活性, 如抗 癌、抗微生物、抗组胺、抗氧化和抗炎等. 在众多的咔 唑生物碱中, 吲哚咔唑类生物碱因其良好的抗肿瘤活 性, 引起高度重视. 自从链霉菌星型孢子中分离得到 Staurosporine[49], 并确认其结构母环是吲哚[2,3-a]并咔 唑以来, 相继有多种吲哚并咔唑类生物碱被分离得到, 代表化合物有: K-252 系列[50], Rebecamycin 系列[51], Staurosporine 系列[52], Arcyiaflavin 系列[53], AT2433 系 列[54]和Tjipanazole系列[55]等. 化合物结构见 Scheme 15. 吲哚咔唑类生物碱能在十几年之内迅速成为研究热点, 与其良好的生理效应和药理活性是分不开的, 其主要的 生物活性包括降血压、抗真菌、抗细菌、抑制蛋白酶、 抑制血小板凝聚和抗肿瘤作用等, 尤其是抑制蛋白酶 C 和抑制拓朴异构酶 I 活性 , 以 R eb e c a my c i n 和 Staurosporine 为代表吸引了广泛的注意力, 有关这两个 化合物的文献报道很多, 其类似物以及构效关系也进行 了很多的研究, 类似物中 BMS-181176, ED749 和 NB-506 等作为抗癌药物已进入临床实验. 正是由于吲 哚咔唑类生物碱具有优越的生物活性, 开发新型的吲哚 咔唑类化合物或其类似物已成为开发咔唑类药物的研 究热点. 鉴于已有文献对吲哚咔唑类化合物及其衍生物 的抗肿瘤活性作了综述[56], 在此不再赘述. 3.2 人工合成的咔唑类化合物 天然咔唑生物碱优越的、广谱的生物活性, 引起药 物化学工作者的极大关注. 开发结构新颖的人工合成的 咔唑类化合物倍受青睐, 已成为研发咔唑类药物重要的 新 方 向 . 研 究 发 现 人 工 合 成 的 咔 唑 类 化 合 物 LCY-2-CHO [9-(2-氯苯基)-9H-咔唑-3-甲醛, 26], 具有 显著的抗炎活性, 能够抑制血小板凝聚、中性白细胞脱 粒、超氧阴离子( 2O－ )的产生以及巨噬细胞和平滑肌细胞 中 NO 的产生, 还能够诱发恶性造血细胞死亡[57,58]. N- 芳基取代的喹啉基咔唑衍生物 27 对 DPPH•自由基、超 氧阴离子自由基和羟基自由基具有较强的抗氧化活性, 在低浓度时对鼠骨髓间质干细胞增殖有很好的促进作 用[59]. 咔唑磺胺类化合物 29 是以抗肿瘤药考布他汀 A4 (Combretastatin A4, 28)为原型合成的, 体外抗肿瘤活性 显示大部分化合物都具有较强的抗人体白血病细胞活 性, 29a, 29d 和 29f 的 MIC50＜70 nmol/L, 29b, 29c 和 29e 的 MIC50 介于 70～1000 nmol/L 之间, 化合物 29a, 790 有 机 化 学 Vol. 30, 2010 表 1 代表性的咔唑生物碱 Table 1 Representative compounds of carbazole alkaloids 咔唑生物碱分类 代表性咔唑生物碱 结构式 代表性咔唑生物碱简介 含氧咔唑类生物碱 (Oxygenated carbazole al- kaloids) Murrayafoline A从 Murraya euchrestifolia 中分离得到, 具有较强的抗 真菌活性, 对 Cladosporium cucumerinum 的 MIC 为 12.5 μg•mL－1 醌式咔唑类生物碱 (Carbazolequinone alka- loids) Carbazomycin G 是 Nakamura 等于 1988 年从 Streptoverticillium 中分 离得到的, 具有中等抗真菌活性 吡喃并咔唑类生物碱 (Pyranocarbazole alkaloids) Girinimbine 是 Chakraborty 等从 M. koenigii 中分离得到的, 是第一个 被发现的吡喃[3,2-a]并咔唑类生物碱, 抗毛滴虫病活性强, MIC50 为 1.08 μg•mL－1 呋喃并咔唑类类生物碱 (Furocarbazole alkaloids) Furostifoline 于 1990 年从 Murraya euchrestifolia 中分离得到 嘧啶并咔唑类生物碱 (Pyridocarbazole alkaloids) Ellipticine是Goodwin等于 1959年从Ochrosia elliptica的树叶中分离 得到的, 常被用于治疗甲状腺癌、乳腺癌和肾癌 吲哚并咔唑类生物碱 (Indolocarbazole alkaloids) Rebeccamycin是一种自微生物 Saccharotrix aerocolonigenes培养液提 取的抗生素, 属于非喜树碱类 TopoⅠ抑制剂. 细胞毒性试验证明, rebeccamycin 对多种肿瘤细胞抑制良好 双咔唑类生物碱 (Dimeric carbazole alka- loids) Murrafoline-A 是 Furukawa 等于 1983 年从 M. euchrestifolia 中分离得 到的, 是第一个被发现的双咔唑类生物碱, 有成为癌症预防剂的潜 力 No. 6 张飞飞等：咔唑类化合物研究新进展 791 Scheme 15 29d 和 29f 的体外抗肿瘤活性显著, 值得进一步研究[60]. 早期的芳香化酶抑制剂多是一些甾体类化合物, 因甾体 类化合物的不良反应大, 故近些年非甾体类抑制剂得到 了很好的发展[61～66]. 有研究表明, 在三唑环上用芳基进 行取代, 可增强三唑与芳香化酶活性位点的结合能力, 发挥更佳抗癌效果, 且引入较大的芳香环具有更强的抑 制芳香酶能力[67], 我们小组将具有大共轭体系的咔唑 基团引入到三唑环上, 合成了具有潜在抑制芳香化酶活 性的新型化合物 30. 化合物结构见 Scheme 16. 近期, Rajakumar 等[68]报道合成了含有手性联苯的 咔唑类大环化合物 31, 抗微生物活性结果表明, 化合物 31 具有显著的抗菌和抗真菌活性, 对变形杆菌的 MIC 为 5 μg•mL－1, 对金葡球菌、伤寒沙门(氏)菌、新月弯孢 菌和链格孢菌的 MIC 为 10 μg•mL－1. 唑类化合物具有 广泛的生物活性[2,69], 特别是抗真菌领域, 已经有众多 唑类药物用于临床[70]. 大环类药物在临床得到广泛应 用, 其研究备受关注[71～76]. 含苯并咪唑鎓的咔唑环番 32 具有强的抗菌活性, 对金葡球菌的 MIC 为 8 μg• mL－1, 优于参照药物四环素(MIC＝20 μg•mL－1)[77]. 引 入咪唑的咔唑类化合物 33a～33c 对金葡球菌、大肠杆 菌、铜绿假单胞菌、变形杆菌和枯草杆菌的抑制活性普 遍高于氯霉素, 与诺氟沙星相当, 其中 33a 对金葡球菌 的 MIC 为 1 μg•mL－1, 比诺氟沙星高出 8 倍. 用三唑替 代咪唑后的咔唑类化合物 33d～33f 对白色念珠菌和烟 曲霉菌的抑制活性与临床使用的药物氟康唑相当. 这表 明咪唑基团的引入有利于增强其抗细菌活性, 而用三唑 替代咪唑后的三唑类咔唑衍生物更有利于抗真菌活性, 化合物 33a～33c 在抗细菌方面以及化合物 33d～33f 在 抗真菌方面, 显示出具有值得进一步研究的潜力. 化合 物结构见 Scheme 17. 792 有 机 化 学 Vol. 30, 2010 Scheme 16 Scheme 17 昂丹司琼(Ondansetron, 34), 化学名为 9-甲基-3-(2- 甲基-咪唑-1-基甲基)-1,2,3,9-四氢咔唑-4-酮盐酸盐二水 合物, 是一种高度选择性的 5-羟色胺 3 (5-HT3)受体拮抗 剂, 用于治疗和预防癌症患者接受细胞毒性药物化疗和 放疗引起的恶心、呕吐, 是现在临床使用最多的止吐药 之一, 其作用机制目前尚不完全清楚. 化合物35是一类 侧链为哌嗪取代的咔唑酮类新衍生物, 哌嗪基的引入能 改善分子的脂水分配系数, 初步药理试验表明化合物 35 的止吐活性与盐酸昂丹司琼相当[78]. 化合物结构见 Scheme 18. Scheme 18 迄今为止, 人们对咔唑类衍生物在医药领域的研究 仍主要集中在天然咔唑类生物碱的分离、提纯、人工合 成、生物活性研究和在天然产物的基础上进行结构修饰, 以期获得生物活性更好的化合物, 特别是针对吲哚咔唑 类化合物的研究. 一些新型的人工合成的咔唑类化合物 已显示具有较大的开发潜力. 该领域工作在一定程度上 说是刚刚起步, 相信在不久的将来, 人工合成咔唑类化 合物作为药物的研究必将成为十分活跃的领域. 4 超分子识别领域 超分子化学是一个蓬勃发展的交叉学科领域, 其研 究领域涉及分子识别、分子催化、分子自组装和超分子 药物[6,7]等. 分子识别即主体物质对客体物质选择性结 合并产生特定功能的过程, 是超分子化学的重要研究内 容, 其中荧光/磷光检测法不仅方法简便, 而且灵敏度 高、选择性好、响应时间快、容易实现现场监测(如荧 光成像技术), 并可利用光纤进行遥测, 因此在传统的 主体分子上修饰荧光团以构造新的超分子荧光/磷光传 感器, 用于识别客体分子/离子的研究一直颇受重视. 具 有共轭结构及分子内电荷转移的荧光化合物是目前研 究最为广泛的化合物之一, 由于这类化合物 π 电子有较 好的离域性, 在光照时容易发生分子整体的激发, 从而 No. 6 张飞飞等：咔唑类化合物研究新进展 793 引起分子内的电荷转移, 电子密度重新分布, 因而具有 很好的光电性能. 咔唑及其衍生物因分子内具备较大的 共轭体系及强的分子内电子转移, 是目前研究较为广泛 和活跃的有机荧光物质之一[79,80]. 利用 9-甲基丙烯酰氨咔唑(36)作为荧光载体制备的 亚硝酸根敏感化学传感器, 拥有良好的重复性、选择性, 响应时间小于 30 s, 大多数常见的共存离子都不会干扰 亚硝酸根的检测[81]. 用化合物 37 作为荧光载体制备的 碘敏感化学传感器, 响应时间小于 50 s, 可用于水样中 碘含量的测定[82]. 基于唑类化合物在医药(抗菌、抗真 菌、抗肿瘤)、农药(杀虫剂)[2]以及化学生物学(分子与离 子识别、仿酶)等相关领域的广泛应用[83～90], 我们研究 组近来也设计合成了一些新型咔唑类三唑鎓阴离子受 体(38)和咔唑类三唑阳离子探针(39), 并初步研究了化 合物 38 的阴离子识别性能[91], 结果表明大共轭体系的 咔唑环对阴离子识别与结合有较大影响. 咔唑环大的共 轭体系, 易与金属阳离子发生阳离子-π相互作用形成稳 定络合物, 研究了化合物 39 作为阳离子探针对过渡金 属离子 Zn2＋, Cd2＋, Co2＋, Cu2＋, Fe3＋, Mn2＋, Ni2＋及非过 渡金属离子 K＋, Mg2＋和 Na＋等阳离子的识别能力, 结果 表明: Co2＋与主体分子 39 的结合都较强, 其吸收光谱变 化显著, 源于过渡金属离子的 d 轨道参与配位. 对于同 一主体分子, 加入不同的金属离子其吸收光谱的变化十 分相似. 化合物结构见 Scheme 19. 近十年来, 在已报道的超分子识别体系(对阳离子、 阴离子及生物中性分子的识别等)中, 对生物中性分子 的识别报道越来越多. 生物中性分子的识别作为一类与 超分子化学密切相关的过程, 在合成化学、生命科学及 信息科学中起着愈来愈重要的作用, 研究发现咔唑官能 团在生物中性分子的识别研究中是一种十分有用的骨 架结构. 对四元 DNA 分子敏感的咔唑类化合物 40 与各 种 DNA 分子相互作用时, 其荧光强度可以增长 1～2 个 数量级, 对特定 DNA 分子敏感度高, 不仅可用于分辨 二元和四元 DNA 分子, 还是一种灵敏度高的生物传感 器材料[92]. 含咔唑与螺旋萘噁唑基的荧光发光共聚物 41, 拥有优良的粘性和导电性, 可应用于全光子分子模 型器件中[93]. 化合物结构见 Scheme 20. 此外, 化合物 42 (Scheme 21)是通过乙炔基团桥链 的咔唑类大环, 咔唑环的引入增强了整个分子的刚性, 用这种富电子刚性大环化合物 42 制成的荧光薄膜器件 对爆炸性气体的检测效率显著, 有应用于炸药感应领域 的前景[94]. 虽然基于咔唑的分子识别研究才刚刚起步, 但已显 示出较大的发展潜力. 相信随着超分子化学的发展, 尤 其是超分子化学研究与当代高科技领域的紧密结合, 除 Scheme 19 Scheme 20 分子识别外, 咔唑类化合物在超分子化学领域的研究必 将延伸到分子催化、分子和超分子器件、分子自组装、 模拟酶模型和超分子药物[6,7]等多个热点研究方向. 5 其它领域 以咔唑为原料与多种化合物反应可得到特种塑料、 橡胶, 如咔唑与酚及甲醛可缩合成酚醛线型清漆, 氨基 794 有 机 化 学 Vol. 30, 2010 Scheme 21 咔唑与二羧酸热聚成聚酰胺树脂, 具有极好的弹性和热 稳定性. 此外, 咔唑还可作为合成橡胶的改性成分, 对 多种橡胶进行改性, 以适应多种领域的要求. 聚合物 43 (Scheme 22)是以两个咔唑环为核心的三段性共聚物(聚 苯乙烯－聚苯戊二烯-聚苯乙烯)的橡胶[95]. Scheme 22 咔唑与苯酚和甲醛缩聚可制备性能优异的混凝土 减水剂, 与环氧乙烷一起可合成特种表面活性剂, 也可 合成润滑油和导热油的稳定剂. 咔唑类化合物还可用于 制备炸药、橡胶抗氧化剂等, 可作为光敏引发剂来控制 光聚合反应的进行(如苄基 9H-咔唑-9-碳连二硫酸)[96]. 此外, 咔唑的许多新用途正源源不断被开发出来, 其工 业化应用研究也十分活跃. 6 结束语 咔唑类化合物含有的刚性稠环结构、拥有的大共轭 体系、强的分子内电子转移、良好的空穴传输性以及易 于在其刚性的咔唑环上引入多种功能基等, 使得咔唑类 杂环化合物在光电材料、染料、医药和超分子识别等众 多领域已显示出广泛的潜在应用, 相关领域的研究十分 活跃, 并取得了许多重要的研究结果. 尽管如此, 在许 多领域还需进一步深入. 今后咔唑类衍生物作为有机电致发光材料的研究 重点仍需集中在提高材料发光的饱和色纯度、发光效 率、材料对载流子的传输能力以及降低材料启动电压和 延长器件寿命等方面; 作为光折变材料如何把 Tg 影响 光折变聚合物性能的两个方面有机统一起来, 制得各种 性能都比较好的咔唑类光折变材料, 将是目前所要解决 的问题之一; 咔唑类衍生物作为太阳能电池材料的研究 起步较晚, 效率也较低, 要想获得溶解性好、电子亲和 能高、载荷迁移率高、分子呈平面构型及吸收覆盖可见 光谱等的聚合物太阳能电池仍任重道远; 咔唑类衍生物 作为有机染料的研究虽早在几十年前就已开始, 但近些 年对其研究并不多, 而作为有机光敏染料的研究随着太 阳能电池材料的研究与开发将更为活跃; 在继续天然咔 唑类生物碱的分离、提纯及其结构修饰和生物活性研究 的同时, 研发结构新颖的人工合成的咔唑类化合物作为 药物的研究必将成为重要的热点领域; 用大共轭体系的 咔唑环构筑的分子探针及其人工受体用于仿生与超分 子识别的研究刚刚起步, 但随着超分子化学的蓬勃发 展, 此领域的研究必将更为活跃. 综上所述, 咔唑类化合物显示出很大的发展潜力和 宽广的潜在应用. 我们有理由相信, 随着化学、物理学、 材料学、生物学和药学等多个学科的发展, 咔唑类化合 物的研究与开发将更为活跃, 有关咔唑及其衍生物的合 成及其在材料、染料、医药、超分子化学的研究与应用 必将取得更大的突破, 必将有更多的咔唑类化合物在有 机光电材料、染料、医药和超分子化学等诸多领域得到 实际应用, 造福于人类. 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