王健春, 陳振民, 喬 良, 李雅茜, 焦曉蘭, 金嫣然

(首都師范大學(xué) 化學(xué)系,北京 100048)

二茂鐵(FcH)是具有較大空間位阻和芳香性的富電子基團(tuán)，可以很好地穩(wěn)定高活性的金屬中心或活性中間體[1]。咪唑環(huán)是生物體內(nèi)產(chǎn)生生物活性和發(fā)揮生理作用的重要基團(tuán)，咪唑環(huán)通過氮原子易產(chǎn)生多種非共價鍵相互作用, 如氫鍵和π-π相互作用等[2,3]。近年來，二茂鐵與咪唑環(huán)相連的化合物研究備受關(guān)注，原因是它們具有獨特的物理和化學(xué)性質(zhì)。咪唑環(huán)作為絡(luò)合單元，二茂鐵是一個非常穩(wěn)定的電化學(xué)單元，因此包含二茂鐵和咪唑的化合物是用于離子識別的良好受體[4]。在二茂鐵中引入咪唑或苯并咪唑等具有配位能力的基團(tuán)使其不僅成為一個金屬有機(jī)配體，而且還可以有效地增強(qiáng)配位能力或改變原有的性質(zhì)。如：二茂鐵甲酰氯與咪唑或苯并咪唑反應(yīng)生成一類新的含咪唑的二茂鐵衍生物[5]，這一類配體可以與Mo(Ⅱ)形成含有咪唑環(huán)的金屬有機(jī)配合物，這類配合物具有抗癌活性。

咪唑環(huán)既可以通過氮原子，也可以通過碳原子與二茂鐵相連，兩種連接方式形成化合物的性質(zhì)迥然不同。咪唑通過氮原子與二茂鐵環(huán)相連的化合物多見于合成性能良好的催化劑[6]或形成金屬氮雜環(huán)卡賓絡(luò)合物[7,8]。咪唑通過碳原子與二茂鐵相連的衍生物用于催化反應(yīng)的例子并不多，主要是利用咪唑環(huán)上的氮原子通過氫鍵與陰離子絡(luò)合[9]。本課題組研究并探討了雙取代二茂鐵咪唑化合物的穩(wěn)定性和離子識別功能[10]。

本文以二茂鐵為原料，通過Friedel-Crafts烷基化、Vilsmeier-Haack等反應(yīng)合成了6個新型咪唑二茂鐵(3a～3c,4a～4c)與6個新型非對稱1,1′-雙取代咪唑二茂鐵(5a～5c,6a～6c, Scheme 1),其結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR, IR和ESI-MS表征。

5和6的特點是在兩個茂環(huán)上具有不同連接方式的咪唑環(huán)，其中一個咪唑環(huán)以碳原子與茂環(huán)相連，另一個咪唑以氮原子與茂環(huán)相連。將5和6用作雙齒功能性配體,氮雜卡賓配體和離子識別方面的研究正在進(jìn)行之中。

1 實驗部分

1．1 儀器與試劑

VARIAN NMRS 600 MHz型核磁共振儀(CDCl3為溶劑，TMS為內(nèi)標(biāo))；TENSOR 27型紅外光譜儀(KBr壓片)；Waters MicYoMass QTof型質(zhì)譜儀；FLASH EA 1l12型元素分析儀。

1′-乙?；F甲醛(1)按文獻(xiàn)[11,12]方法合成，收率45.3%, m.p.85.3 ℃～86.7 ℃;其余所用試劑均為分析純，使用前均按標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行重結(jié)晶或干燥后重新蒸餾;所有反應(yīng)均在N2氣氛中進(jìn)行。

1.2 合成

(1)3的合成(以3a為例)

在反應(yīng)瓶中加入1 2.56 g(10.0mmol),醋酸銨3.85 g(50 mmol)和2,3-丁二酮(2a) 1.72 g(20.0 mmol)的甲醇(100 mL)溶液，安裝帶無水硫酸鎂和分子篩的油水分離器，攪拌下回流反應(yīng)24 h。傾入冷水(200 mL)中，用碳酸氫鈉小心調(diào)至pH 7～8(析出大量沉淀)，抽濾，濾餅干燥后經(jīng)硅膠柱色譜層析(洗脫劑:乙酸乙酯)純化得橙紅色晶體1′-乙酰基-1-(3,4-二甲基)咪唑二茂鐵(3a) 1.69 g。

用類似方法合成橙紅色晶體1′-乙?；?1-(3-乙基-4-甲基)咪唑二茂鐵(3b)和1′-乙?；?1-(3,4-二苯基)咪唑二茂鐵(3c)。

表 1 合成3～6的實驗結(jié)果Table 1 Experimental results of synthesizing 3～6

(2)4的合成(以4a為例)

在反應(yīng)瓶中加入3a1.61 g(5.0 mmol)的無水甲醇(40 mL)溶液，攪拌下分批加入硼氫化鈉(粉末)1.24 g(32.6 mmol),加畢，于室溫反應(yīng)12 h(析出大量橙黃色固體);加水10 mL,反應(yīng)1 h。減壓蒸除甲醇，過濾，濾餅用少量二氯甲烷洗滌，干燥得土黃色粉末1′-(1-羥乙基)-1-(3,4-二甲基)咪唑二茂鐵(4a) 1.47 g。

用類似方法合成土黃色粉末1′-(1-羥乙基)-1-(3-乙基-4-甲基)咪唑二茂鐵(4b)和1′-(1-羥乙基)-1-(3,4-二苯基)咪唑二茂鐵(4c)。

(3)5和6的合成(以5a為例)

在反應(yīng)瓶中加入4a324 mg(1 mmol)和1H-咪唑273 mg(4 mmol)的冰醋酸(5 mL)溶液，攪拌下于60 ℃反應(yīng)18 h(溶液顏色逐漸變紅變深)。減壓蒸除部分冰醋酸,傾入冰水中，用碳酸氫鈉中和至pH 7，二氯甲烷(30 mL)萃取，萃取液用大量水洗滌，無水硫酸鈉干燥，減壓蒸除溶劑后經(jīng)硅膠柱色譜層析[梯度洗脫劑：乙酸乙酯，V(二氯甲烷) ∶V(甲醇)=6 ∶1～1 ∶1,收集橙紅色譜帶]純化得橙紅色固體1′-(1-咪唑乙基)-1-(3,4-二甲基)咪唑二茂鐵(5a) 241 mg。

表 2 3～6的光譜數(shù)據(jù)Table 2 Spectral data of 3～6

續(xù)表2

Comp1H NMR δ(J/Hz)3b4.63(s, 2H, FcH), 4.58(s, 2H, FcH), 4.54(s, 2H, FcH), 4.31(s, 2H, FcH), 2.58(q, 2H, c-CH2), 2.32(s, 3H, b-CH3), 2.04(s, 3H, a-CH3), 1.27(t, 3H, c-CH2CH3)5a7.63(s, 1H, d-H), 7.00(s, 1H, d-H), 6.91(s, 1H, d-H), 5.19(q, J=6.6, 1H, a-H), 4.95(s, 1H, FcH), 4.91(s, 1H, FcH), 4.23(s, 1H, FcH), 4.19(s, 1H, FcH), 4.15(s, 1H, FcH), 4.13(s, 1H, FcH), 4.08(s, 1H, FcH), 3.94(s,1H, FcH), 2.14(s, 6H, b,c-CH3), 1.64(d, J=6.6, 3H, a-CH3)6b7.84(m, 1H, ArH), 7.76(m, 1H, ArH), 7.35(m, 1H, ArH), 7.24(m, 2H, ArH, d-H), 5.35(q, J=7.2, 1H, CH), 4.86(s, 2H, FcH), 4.26(s, 1H, FcH), 4.23(s, 1H, FcH), 4.20(s, 1H, FcH), 3.93(s, 1H, FcH), 2.50(q, J=7.8, 2H, c-CH2), 2.14(s, 3H, b-CH3), 1.69(d, J=7.2, 3H, CH3), 1.21(t, J=7.8, 3H, c-CH2CH3)6c7.96(s, 1H, ArH), 7.58～7.31(m, 12H, PhH, ArH, d-H), 7.10(m, 1H, ArH), 7.00(m, 1H, ArH), 5.35(q, J=7.2, 1H, a-H), 5.05(s, 2H, FcH), 4.54(s, 1H, FcH), 4.43(m, 2H, FcH), 4.19(s, 1H, FcH), 4.16(s, 1H, FcH), 4.03(s, 1H, FcH), 1.74(d, J=7.2, 3H, a-CH3)

用類似方法合成橙紅色固體1′-(1-咪唑乙基)-1-(3-乙基-4-甲基)咪唑二茂鐵(5b)和1′-(1-咪唑乙基)-1-(3,4-二苯基)咪唑二茂鐵(5c)。

以苯并咪唑代替1H-咪唑，用類似方法合成橙紅色固體1′-(1-苯并咪唑乙基)-1-(3,4-二甲基)咪唑二茂鐵(6a), 1′-(1-苯并咪唑乙基)-1-(3-乙基-4-甲基)咪唑二茂鐵(6b)和1′-(1-苯并咪唑乙基)-1-(3,4-二苯基)咪唑二茂鐵(6c)。

3～6的實驗結(jié)果見表1,光譜數(shù)據(jù)見表2。

2 結(jié)果與討論

2.1 合成

由于1在酸性條件下或在超過65 ℃時反應(yīng)容易氧化分解，所以合成3時選擇無水甲醇作溶劑。甲醇不僅沸點較低，而且可以溶解所有反應(yīng)物，使反應(yīng)在均相介質(zhì)中順利進(jìn)行。在咪唑形成的過程中，不斷有水生成，抑止了反應(yīng)正向進(jìn)行；在油水分離器中填裝分子篩和無水硫酸鎂，除去反應(yīng)體系中的水，可使反應(yīng)完全。

在4的合成中，選擇易得的硼氫化鈉做還原劑，在甲醇中反應(yīng)，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，產(chǎn)物從甲醇中析出。加水淬滅反應(yīng)，旋蒸除去甲醇，抽濾，由于產(chǎn)品在二氯甲烷中不溶，用二氯甲烷沖洗幾次濾餅就可獲得純度很高的4，方法簡單、高效。

在5和6的合成中，文獻(xiàn)[13]方法用NaOH中和醋酸，由于反應(yīng)過程放熱，且在強(qiáng)堿性條件下易發(fā)生副反應(yīng)，所以實驗中改用NaHCO3調(diào)節(jié)pH，并在冰水中不斷攪拌。在過柱時先用乙酸乙酯將未反應(yīng)的原料洗脫，再改用混合溶劑(二氯甲烷/甲醇)，并逐漸增加甲醇的含量，達(dá)到純化目的。

2.2 5和6的波譜分析

在5c的IR譜圖中，1 077 cm-1和819 cm-1為Fc的特征吸收，3 085 cm-1為C-H的伸縮振動，2 957 cm-1和2 856 cm-1分別為CH3的反對稱伸縮振動和對稱伸縮振動，含C=N雙鍵的化合物在1 690 cm-1～1 630 cm-1有明顯吸收，但咪唑中存在共軛的兩個C=N基團(tuán)，故吸收峰出現(xiàn)在1 500 cm-1。1 594 cm-1和1 661 cm-1為另一個茂環(huán)上咪唑與苯的C=N和C=C伸縮振動，1 448 cm-1和1 394 cm-1為CH3的彎曲振動。5a因為沒有苯環(huán)，1 594 cm-1處無峰。6的IR譜圖與5類似。

5c的MS最高峰并不是分子離子峰499.15，而是失去一咪唑基的FcCH+CH3分子離子峰431.2。可能是由于二個咪唑基團(tuán)的空間扭曲效應(yīng)及吸電子效應(yīng)，使得其在質(zhì)譜電離條件下較易裂解。6的MS呈現(xiàn)相似特征。

[1] Nyamori V O, Gumede M, Bala M D. Synthesis,characterisation and properties of ferrocenylalkylimidazolium salts[J].J Organomet Chem,2010,695(8):1126-1132.

[2] Yoon J, Kim S K, Singh N J,etal. Imidazolium receptors for the recognition of anions[J].Chem Soc Rev,2006,35(4):355-360.

[3] Jiang H Y, Zhou C H, Kui L,etal. Chiral imidazole metalloenzyme models:Synthesis and enantioselective hydrolysis forα-amino acid esters[J].J Mol Cat A:Chem,2006,260(1-2):288-294.

[4] Zapata F, Caballero A, Taraga A,etal. Ferrocene-substituted nitrogen-rich ring systems as multichannel molecular chemosensors for anions in aqueous environment[J].J Org Chem,2010,75:162-169.

[5] Quintal S, Matos J, Fonseca I,etal. Synthesis and properties of new trinuclear Mo(Ⅱ) complexes containing imidazole and benzimidazole ferrocene units[J].Inorganica Chimica Acta,2008,361:1584-1596.

[6] Hu B, Meng M, Wang Z,etal. A highly selective ferrocene-based planar chiral PIP(Fc-PIP) acyl transfer catalyst for the kinetic resolution of alcohols[J].J Am Chem Soc,2010,132(47):17041-17044.

[7] Coleman K S, Turberville S, Pascu S I,etal. Synthesis of a new bidentate ferrocenylN-heterocyclic carbene ligand precursor and the palladium(Ⅱ) complex trans-[PdCl2(C∧fc∧C)],where (C∧fc∧C)=1,1′-di-t-butyl-3,3′-(1,1′-dimethyleneferrocenyl)-diimidazol-2-ylidene[J].J Organomet Chem,2005,690:653-658.

[8] Wang D Y, Hu X P, Hou C J. Enantioselective Rh-catalyzed hydrogenation of 3-aryl-2-phosphonomethylpropenoates by a new class of chiral ferrocenyl diphosphine ligands[J].Org Lett,2009,11(15):3226-3229.

[9] Sukdeb S, Amrita G, Prasenjit M,etal. Specific recognition and sensing of -CN in sodium cyanide solution[J].Org Lett,2010,12(15):3406-3409.

[10] 王健春,喬良,陳振民,等. 新型1,1′-雙(4,5-二烷基)咪唑二茂鐵的合成及其晶體結(jié)構(gòu)[J].合成化學(xué),2010,18(2):172-175.

[11] Rosenblum M, Banerjee A K, Danieli N,etal. The structure and chemistry of ferrocene.Ⅶ.Bridged ferrocenes[J].J Am Chem Soc,1963,85:316-324.

[12] Sato M, Koga M, Motoyama I,etal. Syntheses and NMR spectra of the substituted methylferrocenes[J].Bull Chem Jpn,1970,43:1142-1147.

[13] Salisova M, Toma S, Solcaniova E. Synthesis and reactivity of [3]ferrocenophane-1,3-dione[J].J Organomet Chem,1977,132:419-427.