咔唑及其衍生物的应用进展

因杂环化合物的特性结构，咔唑已经成为近年来国内精细化工行业中的热点。自然界中大多数咔唑均来自煤炭，从焦油中获得的，它有耐高温和紫外光的优点，具有良好的发展前景。随着科学技术的发展，咔唑的用途渐渐被开发起来，在医药，农药，材料助剂，染料等领域显示出良好发展前景。本文主要介绍了咔唑及其衍生物在燃料，颜料，光电导材料，医药，离子及分子识别等领域中的应用。

咔唑是重要的含氮原子的杂环，咔唑分子独特的NH单元是一个阴离子识别点，其衍生物可能具有更优越的性能。从结构上看咔唑是两个苯环并了一个吡咯环，又名二苯并吡咯、9-氮芴、9-氮杂芴分子。它具有二重对称轴，且具有大的共轭平面，具有较大范围的π电子，因而具有较好的光谱信号[1]。

图1-1咔唑结构式

咔唑，分子式为C12H9N，分子量为167.20。咔唑是含有氮原子的非常重要的杂环，它是重要的精细化学品的中间体[2]。

自然界中大多数咔唑均来自煤炭，从焦油中获得的，它是煤焦油具有较高经济价值的成分之一。咔唑具有耐高温和抗紫外线的优点，广泛用于汽车面漆和耐热塑料的上色[3]。咔唑衍生物是具有出色的导热性，导电性，离子交换和其他物理性能的单体聚合物。因此，咔唑及其衍生物的合成是当前研究的热点之一。此外，咔唑具有很强的热稳定性和光化学稳定性，咔唑的结构易于修饰，咔唑环易于形成稳定的阳离子。咔唑还具有良好的传输能力和廉价的原料，咔唑衍生物广泛用于聚合物材料领域[4]。

咔唑的9位含有氮原子。咔唑分子的1、4、5和8位是活性位点（见图1-1），因此可以进行卤化，硝化和其他衍生反应。我们对咔唑氟取代和甲基甲基的四个衍生物：1位和4位的氟取代衍生物，1位和8位甲基取代衍生物，进行了光谱和能量计算。与位置2和3的修饰相比，位置1和4的取代咔唑的合成更容易，位置5和8同理[5]。

由邻氨基联苯通过闭环反应获得咔唑，具有高的共轭度，并且可以应用于多种聚合物材料。

1.染料领域的应用

我们国家自古以来就是一个纺织业为重要经济来源的国家，20世纪以来随着纺织业的迅速发展和国民经济实力的提升，我国对染料及印染助剂的需求日益增多,在我国的染料行业咔唑及其衍生物有着很普遍的应用[6]。3-氨基咔哇与四氯苯酿缩合其产物与其他有机化合物进行一系列反应得到了三苯二嚷嗦类的蓝色直接染料。咔唑还可以跟有机物反应可以生产色酚染料和还原染料[7]。

CZ1和CZ2属于色酚染料，用于染黑。CZ3和CZ4是还原染料，它们具有良好的耐洗性和耐光性。这两种还原染料主要用于棉布的印染，也可以用于维尼纶、纤维、亚麻、巨石及其混纺织物的印染。但是，它们的收率低，合成过程更复杂，经济效率低[8]。

2.颜料领域的应用

伴随着有机染料的技术进步而逐渐发展，在市场上出现了有机颜料,有机颜料已经应用到了多种领域。

咔唑的N原子具有极弱的碱性，能够跟KOH反应得到钾盐。咔唑被乙基化以获得N-乙基咔唑，其可以进一步与各种有机物质反应以制备咔唑二恶嗪，由于这是一种粗制颜料产品，因此在使用前需要先进行着色。这种染料在我国有很好的应用市场[9-10]。这种有机颜料是蓝紫色的，具有出色的色强度和亮度，以及优异的耐热性和抗渗透性。它用于高质量领域，例如油漆、油墨、涂料和塑料。它是有机颜料中质量的，与酞菁和其他颜料混合的颜料仍保持原始的优异性能[11]。

3.光电导材料的领域

随着21世纪信息时代的到来，以及传统无机半导体材料本身的缺点，适应半导体器件的薄膜变得越来越困难，因为薄膜需要可折叠和柔性[12]。四十多年来，科学家逐渐将研究方向转移到有机半导体材料的合成和研究上。有机半导体材料具有无机半导体材料无与伦比的特性，例如易于控制结构，易于制造软器件，批量生产后的成本更低以及功耗更低[12]。

作为新一代的平板显示设备（OLED），有机电致发光设备在笔记本计算机、移动电话、数码相机、壁挂电视和军事领域中具有广泛的应用。制作有机光电导体时，应选择适当的电荷传输材料。电荷传输材料可分为空穴传输材料和电子传输材料，空穴传输材料传输正电，而电子传输材料传输负电。咔唑衍生物可用作非常好的空穴传输材料，并在OLED生产中具有广泛的应用。Promarak等[13]科学家在咔唑的第9位引入了一个菊花基团，并成功合成了一系列蓝色发光材料。更多的咔唑被各种取代基形成的发光材料的不断报道，证明了咔唑及衍生物在光电导材料领域的重要性[13]。

4.医药领域的应用

科学家发现咔唑及其衍生物有很多生物活性，因此，咔唑及其衍生物在医药领域有着重要作用。

咔唑衍生物可以选择性地与HTG G-四链体DNA结合[11]，这里的G-四链体DNA是许多抗癌药物的靶标，咔唑化合物与二级结构DNA结合能有效阻止癌细胞的扩散，此外咔唑化合物在临床上还有抗菌、抗肿瘤、抗老年痴呆、抗糖尿病等作用，所以咔唑的临床诊断意义重大[14]。

5.离子及分子识别领域的应用

一些研究人员致力于通过咔唑衍生物的受体化合物识别和感测阴离子，咔唑衍生物的分子骨架易于进行各种化学修饰以引入不同的官能团。

咔唑类化合物具有良好的氢键功能。氢键是目前阴离子受体设计中使用最广泛的一种作用力[13]。到目前为止，在阴离子的结合和传感方面取得了重大进展。这部分是由于发现了利用主要的n–h官能团和中性和阳离子C–h氢键供体构建有效阴离子结合受体的方法，以及未充分探索的强定向非共价相互作用，如卤素键和阴离子−π互动[15]。

6.总结

在我国的燃料，颜料，光电导材料，医药，离子及分子识别等行业中咔唑及其衍生物有着很普遍的应用，咔唑还具有良好的空穴传输能力和廉价的原料，咔唑衍生物广泛用于聚合物材料领域。它被各种取代基形成的发光材料的不断报道，证明了咔唑及衍生物在光电导材料领域的重要性。还有它的阴离子识别在环境，生物以及医学研究领域中有重要的应用，不仅如此在临床上还有抗菌、抗肿瘤、抗老年痴呆、抗糖尿病等作用，所以咔唑的临床诊断意义重大。

参考文献

[1] 邢玉麟. 新型咔唑衍生物的合成研究[D]. 西北师范大学, 2007。

[2] 杨吉东. 苯并咔唑和吲哚并咔唑类化合物的合成反应研究[D]. 兰州大学, 2014.

[3] 董伟. 含咔唑类聚合物合成及其光导性能研究[D]. 哈尔滨理工大学, 2008.

[4] 孟娜娜. 咔唑类衍生物的设计,合成及其理论研究[D]. 东北师范大学, 2014.

[5] 魏金贝. 咔唑衍生物的合成,结构及其光电性能研究[D]. 吉林大学, 2017.

[6] 恩里科·克莱门蒂, 乔吉纳·科伦吉乌.化学键合模型概念的发展——从原子和分子轨道到化学轨道(Evolution of Concepts to Model Chemical Binding:From Atomic and Molecular Orbitals to Chemical Orbitals)[J]. 化学通报:印刷版, 2008, 071(008): 563-600.

[7] 赵阳. 新型非共轭连接咔唑材料的设计,合成与性能研究[D]. 吉林大学, 2013.

[8] 牛奔. 咔唑衍生物与硅中心螺双芴衍生物基有机发光材料的理论研究[D]. 东北师范大学, 2006.

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[10] 倪海伟. 咔唑衍生物及其配合物的合成、结构、性质与理论研究[D]. 宁夏大学, 2015.

[11] 郝国艳. 咔唑衍生物与DNA相互作用,细胞成像和细胞活性研究[D]. 山西大学.

[12] 赵永亮. 咔唑基异丙醇胺衍生物的合成与生物活性研究[D]. 贵州大学, 2019.

[13]  Santos-Figueroa L. E., Moragues M. E., Climent E., et al. Chromogenic and fluorogenic chemosensors and reagents for anions. A comprehensive review of the year 2009[J]. Chemical Society Reviews, 2013, 42(8):3489-3613.

[14] 90 Years of Chemical Bonding, J. Comput. Chem., Special Issue, 2007, vol. 28.

[15] 苏宇, 廖显威, 刘珊, 等. 三种黄酮类化合物荧光光谱的量子化学研究[J]. 光谱学与光谱分析, 2006(06):560-564.