摘要:
(8-羟基-2-喹啉基)甲基 (8-羟基-2-喹啉基)甲基膦酸酯(I)已被合成作为一种模型化合物,并通过双金属离子协同催化水解进行了研究。二价金属离子,如Zn²+、Ni²+、Co²+、Cu²+,以及三价铝离子Al³+,仅形成1:1的复合物,其中金属离子通过与I的两个8-羟基喹啉基团的配位作用而被隔离。在这些复合物中,>PO₂⁻连接基团指向远离金属离子的方向,因此金属离子并不催化水解反应。
分光光度滴定法测定I与La³+的相互作用表明,溶液中存在(I)La和(I)La₂两种复合物,其结合常数对数值分别为(log K_as1=6.54,log K_as2=4.81),大于La³+与8-羟基-2-甲基喹啉形成复合物的结合常数对数值(log K_as<4.0)。结合常数K_as的显著值提示La³+与I的两个8-羟基喹啉配基及膦酸酯连接基团的负电荷>PO₂⁻均发生相互作用。La³+是I水解的有效催化剂。
研究I在不同[La³+]浓度下的水解速率表明,水解过程经由两种反应路径进行:
(i) 具有(I)La₂化学计量的复合物的自发水解;
(ii) La³+促进的(I)La₂复合物水解。
另一方面,去除I的两个8-羟基喹啉基团中的一个,生成(8-羟基-2-喹啉基)甲基甲基膦酸酯(II),形成1:1的(II)La复合物。此复合物在水解上呈惰性,但能被游离的La³+催化。因此,(I)La₂的显著自发水解归因于双金属离子在催化中的协同作用。
pH-速率关系支持(I)La₂自发水解的机制,即复合物(I)La₂(OH₂)ₙ⁻¹(OH)内在分子内羟基配位的La³+进行攻击。已测定(I)La₂(OH₂)ₙ中水的pKa值为7.19,及(I)La₂(OH₂)ₙ⁻¹(OH)水解的速率常数为1.36×10⁻³ s⁻¹。
La³+促进的(I)La₂(X)ₙ(II)La(X)ₙ(X=H₂O或HO⁻)水解对[La³+]和[HO⁻]的依赖性,与过渡态组成{(I)La₂(X)ₙ}{La(OH)(2+)}和{(II)La(X)ₙ}{La(OH)(2+)}一致。
(I)La₂(X)ₙ和(II)La(X)ₙ经由La(OH)(2+)催化的二分子水解速率常数分别为2.62×10⁻¹和7.61×10⁻² M⁻¹ s⁻¹。这些二级速率常数的相似性表明,一个8-羟基喹啉基团(可能偏离的配基)与La³+配位,有效关联离去基团的氧阴离子及>PO₂⁻的负电荷,通过路易斯酸催化激活I和II。
基于对I在P-O键断裂条件下水解速率常数的估算,(I)La₂(OH₂)ₙ⁻¹(OH)的自发水解速率提高约10¹³倍,归因于路易斯酸活化{La³+配位负电荷>PO₂⁻和离去氧}与第二La³+配位羟基的分子内亲核攻击的协同作用。