8-羟基喹啉的分子结构与配位化学研究进展

8-羟基喹啉（8-Hydroxyquinoline，简称 8-HQ）是一种兼具芳香环、羟基与氮杂环的杂环化合物，其独特的分子结构赋予了优异的配位能力，可与多数金属离子形成稳定配合物，在荧光材料、催化、生物医药、金属防腐等领域应用广泛。近年来，随着材料化学与配位化学的交叉融合，它的分子结构修饰、配位机制解析及功能化配合物开发均取得显著进展，为其在高端领域的应用奠定了基础。本文从分子结构特性、配位化学核心机制及近年研究热点三方面，系统梳理8-羟基喹啉的研究进展。

一、分子结构特性：配位能力的结构基础

8-羟基喹啉的分子结构以喹啉环为母体（由苯环与吡啶环稠合而成），在喹啉环的8位（吡啶环氮原子邻位）连接一个羟基（-OH），分子式为 C₉H₇NO，分子量145.16，其结构特性直接决定了配位活性与化学稳定性，核心特征可概括为三点：

（一）双配位位点：羟基氧与吡啶氮的协同作用

8-羟基喹啉分子中存在两个关键配位位点 —— 羟基上的氧原子（O） 与吡啶环上的氮原子（N） ，二者在空间位置上呈“邻位分布”（O 与 N 的原子间距约 0.28 nm），可形成“O,N-双齿螯合”结构：

羟基氧原子具有两对孤对电子，且因羟基的极性（O-H 键键能约 464 kJ/mol，易发生质子解离），在碱性或中性环境中可解离为 O⁻，增强电子给予能力；

吡啶环氮原子的孤对电子处于Sp² 杂化轨道，未参与环共轭体系，可直接作为电子供体与金属离子结合；

这种“O,N-双齿”结构使8-羟基喹啉能与金属离子形成稳定的五元螯合环（金属-M 与 O、N 的键长通常在 0.19-0.22 nm 之间），螯合环的环张力小、稳定性高（稳定常数 logK 通常为10⁵-10¹⁵，如与 Al³⁺的 logK 约11.7，与 Zn²⁺的 logK 约 8.4），远超单齿配体的配位稳定性，是其成为优良螯合剂的核心原因。

（二）共轭体系：光学与电子性能的支撑

8-羟基喹啉的喹啉环为共轭体系（π 电子总数10，符合休克尔 4n+2 规则），羟基与喹啉环形成 p-π 共轭，使分子具有优异的光物理性能：

分子在紫外光区有强吸收（最大吸收波长 λmax 约 240 nm、310 nm），在特定溶剂中（如乙醇、二氯甲烷）可发出蓝色荧光（发射波长 λem 约 400-450 nm），且荧光量子产率较高（纯品量子产率约 0.15-0.25）；

共轭体系的存在使分子的电子云密度分布均匀，不仅提升了化学稳定性（不易被氧化或水解），还能通过电子离域调节配位后配合物的电子结构 —— 例如，8-羟基喹啉与金属离子配位后，共轭体系可通过“金属-配体电荷转移（MLCT）”或“配体-金属电荷转移（LMCT）”过程，改变配合物的光学性能（如荧光波长红移、发光强度增强），为其在荧光材料领域的应用提供结构基础。

（三）结构可修饰性：功能拓展的关键

8-羟基喹啉的苯环与吡啶环上存在多个可取代位点（如5位、7 位），通过引入不同官能团（如烷基、卤素、氨基、羧基、磺酸基），可调控其溶解性、配位选择性及功能特性：

引入亲水基团（如磺酸基、羧基）可改善8-羟基喹啉的水溶性（未修饰的8-HQ在水中溶解度仅约 0.05 g/L，5-磺酸基 -8-羟基喹啉溶解度可达10g/L 以上），使其适用于水溶液体系的金属离子检测或催化反应；

引入疏水基团（如辛基、十二烷基）可增强其与有机相的相容性，用于制备有机发光材料或金属萃取剂；

引入荧光增强基团（如苯并噻吩、萘环）可进一步提升配合物的荧光量子产率，例如 6-(苯并噻吩-2 - 基)-8-羟基喹啉与 Al³⁺的配合物，荧光量子产率可达 0.85，远高于未修饰的 8-HQ-Al 配合物（约 0.3）。

二、配位化学核心机制：从单金属螯合到多核组装

8-羟基喹啉的配位化学研究围绕“金属离子类型-配位环境-配合物结构与性能”的关联展开，近年研究重点集中在配位模式多样性、多核配合物组装及配位动力学三方面，核心机制可分为三类：

（一）单金属离子的螯合配位：经典双齿配位模式

8-羟基喹啉与单金属离子（如 Al³⁺、Zn²⁺、Cu²⁺、Fe³⁺）的配位以“O,N-双齿螯合”为经典模式，配合物的结构的配位数与金属离子的价态、半径及配位环境密切相关：

对于三价金属离子（如 Al³⁺、Fe³⁺，离子半径 0.053-0.064 nm），通常形成1:3 型配合物（M:L=1:3） ，金属离子配位数为 6（每个 8-HQ 提供2个配位位点），配合物呈八面体构型 —— 例如，8-羟基喹啉与 Al³⁺形成的三 (8-羟基喹啉) 铝（Alq₃）是典型的 OLED 电子传输材料，Al³⁺处于八面体中心，与三个8-羟基喹啉的 O、N 原子形成六个配位键，分子对称性高，热稳定性优异（分解温度约 410℃）；

对于二价金属离子（如 Zn²⁺、Cu²⁺，离子半径 0.060-0.073 nm），可形成1:2 型配合物（M:L=1:2），配位数为 4（四面体或平面正方形构型）—— 例如，Zn²⁺与8-羟基喹啉的配合物（Znq₂）呈四面体构型，具有良好的荧光性能（λem 约 500 nm），可用于生物成像；而 Cu²⁺与 8-HQ 的配合物（Cuq₂）因 Cu²⁺的 d⁹电子构型，呈平面正方形构型，具有顺磁性，可作为催化剂或磁性材料；

配位环境（如溶剂极性、pH值）会影响配合物的稳定性：在酸性条件下（pH＜5），8-羟基喹啉的羟基不易解离，配位能力减弱；在碱性条件下（pH7-10），羟基解离为 O⁻，电子给予能力增强，配合物稳定性显著提升；但强碱性条件（pH＞12）下，金属离子可能形成氢氧化物沉淀，反而抑制配位。

（二）多核配合物的组装：桥连配位与超分子结构

近年研究发现，8-羟基喹啉及其衍生物可通过“桥连配位”模式与多个金属离子形成多核配合物（双核、三核或多核簇），桥连位点主要为羟基氧原子（可同时与2个或3个金属离子结合），这类配合物因具有独特的电子结构与功能，成为研究热点：

双核配合物：常见于过渡金属离子（如 Cu²⁺、Ni²⁺），两个金属离子通过两个8-羟基喹啉的羟基氧原子桥连，形成“M-O-M”核心结构 —— 例如，Cu²⁺与 5-氯 -8-羟基喹啉形成的双核配合物 [Cu₂(5-Cl-8-HQ)₄(H₂O)₂]，两个 Cu²⁺通过羟基氧桥连，配位数均为 5，配合物具有优异的催化活性，可在常温下催化苯甲醛氧化为苯甲酸，转化率达 92%；

多核簇配合物：对于稀土金属离子（如 Eu³⁺、Tb³⁺），因离子半径较大（0.089-0.103 nm）且配位数高（通常为 8-10），8-羟基喹啉可作为桥连配体与多个稀土离子形成簇状配合物 —— 例如，Eu³⁺与它形成的四核配合物 [Eu₄(8-HQ)₁₂(OAc)₄]（OAc⁻为醋酸根），Eu³⁺通过它的 O 原子与醋酸根的 O 原子共同桥连，配合物具有强红色荧光（Eu³⁺的特征发射波长 615 nm），荧光寿命长达1.2 ms，可用于高灵敏度荧光传感器；

多核配合物的组装还可通过超分子作用（氢键、π-π 堆积）进一步形成一维链状、二维层状或三维网状结构 —— 例如，Zn²⁺与 8-HQ 的配合物通过喹啉环间的 π-π 堆积（层间距约 0.35 nm）形成二维层状结构，层间通过氢键连接为三维网络，这种结构使配合物具有较高的比表面积（约150 m²/g），可作为吸附材料去除水中的重金属离子。

（三）配位动力学与反应机制：从静态结构到动态过程

传统研究多聚焦于8-羟基喹啉配合物的静态结构，近年随着原位表征技术（如原位 XRD、原位紫外-可见光谱）的发展，其配位动力学与反应机制研究取得突破，核心发现包括：

配位反应速率：8-羟基喹啉与金属离子的配位反应速率受温度、pH值及金属离子浓度影响，在 25℃、pH8 的条件下，与 Al³⁺的配位反应半衰期约为10-15分钟，与 Zn²⁺的半衰期约为 5-8分钟，反应速率较快，可用于实时检测金属离子；

配体交换反应：8-羟基喹啉配合物在溶液中存在配体交换平衡，例如 Alq₃与其他配体（如 β- 二酮类）可发生配体交换，生成混合配体配合物，通过调控配体交换程度可精准调节配合物的光学性能 —— 例如，Alq₃与乙酰丙酮的配体交换产物，荧光发射波长从 520 nm 红移至 550 nm，且量子产率提升 20%；

催化反应中的配位机制：在催化领域，8-羟基喹啉配合物的活性中心为金属离子，配位环境通过“电子效应”与“空间效应”影响催化活性 —— 例如，Cuq₂催化 CO 氧化反应时，Cu²⁺的配位环境（配位数、配体电子效应）会影响 CO 的吸附能力：当 Cu²⁺配位数为4时，CO 吸附能很低（约-0.8 eV），催化活性很高，CO 转化率可达 95%。

三、配位化学的近年研究热点与应用拓展

基于分子结构修饰与配位机制的深入研究，8-羟基喹啉配位化学的应用领域不断拓展，近年研究热点主要集中在以下三方面：

（一）功能化配合物在光电子材料中的应用

8-羟基喹啉配合物因优异的光学性能与电子传输能力，在 OLED、量子点、光探测器等光电子材料中应用广泛，近年研究重点为“高性能配合物设计”：

OLED 材料优化：通过修饰8-羟基喹啉的分子结构（如引入咔唑、三苯胺等电子给体基团），调控配合物的 HOMO-LUMO 能级差，提升电子传输速率与发光效率 —— 例如，7-(咔唑-9-基)-8-羟基喹啉与 Al³⁺的配合物，电子迁移率达1.2×10⁻⁴ cm²/(V・s)，比 Alq₃（约 2×10⁻⁵ cm²/(V・s)）提升6倍，基于该配合物的 OLED 器件，最大外量子效率达 8.5%；

量子点表面修饰：8-羟基喹啉及其衍生物可作为量子点（如 CdSe/ZnS 量子点）的表面配体，通过配位作用改善量子点的分散性与光稳定性 —— 例如，5-氨基 -8-羟基喹啉修饰的 CdSe/ZnS 量子点，在水中的分散性良好，且荧光量子产率保持 80%以上（未修饰量子点仅为 40%），可用于生物荧光成像。

（二）金属离子检测与吸附：高选择性配位体系

8-羟基喹啉及其衍生物因对特定金属离子的高配位选择性，在环境监测与水质净化领域的研究备受关注：

荧光传感器：利用“配位诱导荧光变化”（如荧光增强、猝灭或波长移动）设计高选择性传感器 —— 例如，5-甲酰基 -8-羟基喹啉对 Fe³⁺具有专一识别性，未配位时荧光较弱，与 Fe³⁺配位后形成稳定配合物，荧光强度增强5倍，检测限低至 0.1 μmol/L，可用于自来水样中 Fe³⁺的检测；

重金属吸附材料：将8-羟基喹啉通过化学键合（如硅烷偶联剂）负载于载体（如二氧化硅、活性炭）表面，制备吸附材料 —— 例如，其改性的介孔二氧化硅，对水中的 Pb²⁺吸附容量达120 mg/g，吸附选择性远高于其他金属离子（如Ca²⁺、Mg²⁺），且可重复使用5次以上，吸附容量保留率达 90%。

（三）生物医药领域：抗菌与抗肿liu配合物开发

8-羟基喹啉配合物因金属离子与配体的协同作用，具有优异的抗菌、抗肿liu活性，近年成为生物医药领域的研究热点：

抗菌材料：Cu²⁺、Zn²⁺的8-羟基喹啉配合物对革兰氏阳性菌（如金黄色葡萄球菌）与革兰氏阴性菌（如大肠杆菌）均有抑制作用 —— 例如，Znq₂对金黄色葡萄球菌的最低抑菌浓度（MIC）为8μg/mL，远低于其单体（MIC=64 μg/mL），其抗菌机制为配合物破坏细菌细胞膜，抑制细菌 DNA 复制；

抗肿liu药物：8-羟基喹啉与稀土金属离子（如Gd³⁺、Eu³⁺）的配合物具有抗肿liu活性，且毒性低于传统化疗药物 —— 例如，Gd³⁺-8-HQ配合物对肝ai细胞（HepG2）的半数抑制浓度（IC₅₀）为 25 μmol/L，对正常肝细胞（LO2）的IC₅₀为100μmol/L，具有良好的肿liu选择性，其作用机制为配合物诱导肿liu细胞凋亡，同时可作为MRI造影剂，实现“诊断-处理”一体化。

四、总结与展望

8-羟基喹啉的分子结构特性（双配位位点、共轭体系、可修饰性）使其成为配位化学领域的重要配体，近年在单金属螯合、多核配合物组装及配位动力学研究方面均取得显著进展，推动了其在光电子材料、环境监测、生物医药等领域的应用。未来研究可从三方面突破：

精准结构设计：结合量子化学计算（如 DFT）预测8-羟基喹啉衍生物的配位性能，设计具有特定配位选择性与功能的配体，满足高端应用需求；

动态配位过程研究：利用原位表征技术与分子模拟，深入解析配位反应的动态过程，为催化、传感等领域的机制优化提供理论支撑；

多功能材料开发：推动8-羟基喹啉配合物向“多功能集成”方向发展（如“光致发光-催化-吸附”一体化材料），拓展其在新兴领域（如柔性电子、精准医疗）的应用。

8-羟基喹啉的配位化学研究兼具理论价值与应用前景，随着研究的深入，其在多学科交叉领域的作用将愈发重要。

本文来源于黄骅市信诺立兴精细化工股份有限公司官网 http://www.xnlxgroup.com/