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
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
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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
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].
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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
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.
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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
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
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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