盧愛黨，李林，史紹洋，姜艷軍

河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，天津 300130

實驗教學(xué)在化學(xué)類本科生教學(xué)過程中的具有舉足輕重的地位，《普通高等學(xué)校本科專業(yè)類教育質(zhì)量國家標準》中也明確要求“構(gòu)建基礎(chǔ)實驗-綜合性實驗-研究性實驗-多層次實驗教學(xué)體系，其中綜合性和研究性實驗學(xué)時不低于總實驗學(xué)時的20%[1]”。為適應(yīng)“新時代”教育的需求，河北工業(yè)大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)打破傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式，積極推進“基礎(chǔ)-綜合-研究”三層次實驗教學(xué)體系，開設(shè)“創(chuàng)新性綜合實驗”課程；并鼓勵教師結(jié)合科學(xué)前沿與研究課題發(fā)布實驗題目供學(xué)生選擇，形成“導(dǎo)師制科研小團隊”進入科研實驗室開展實驗研究[2]，該課程連續(xù)開展了4學(xué)年，學(xué)生反饋收獲滿滿，調(diào)查滿意度高。本文以綜合實驗“5-溴-1-甲基蘆竹堿衍生物的制備和表征”為例進行詳細介紹。

1 實驗簡介

1.1 實驗背景

成鹽是改善藥物分子理化性質(zhì)、提高其成藥性的有效手段之一，可在不改變其化學(xué)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上通過成鹽優(yōu)化其理化性質(zhì)、減少藥物的不良反應(yīng)、延長專利的保護期等[3]，如藥物鹽酸曲唑酮、磷酸氯喹、甲氨基阿維菌素苯甲酸鹽等。蘆竹堿是小麥、大麥和蘆竹等禾本植物在進化過程中產(chǎn)生的具有化感作用的一種生物堿，具有殺蟲、殺菌、防污等活性[4,5]。前期研究發(fā)現(xiàn)，5-溴-1-甲基蘆竹堿對煙草花葉病毒具有優(yōu)秀的抑制活性[6]，為了改善其水溶性、提高化合物的穩(wěn)定性，通過本實驗的開展制備系列成鹽化合物進而進行深入研究。

1.2 實驗?zāi)康?/h3>

通過蘆竹堿衍生物制備和表征，達到以下教學(xué)目的：

(1)掌握幾種重要的胺類化合物反應(yīng)類型及其在官能團轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用；

(2)熟練運用柱層析法對化合物進行分離純化并利用薄層層析色譜法檢測反應(yīng)的進程；

(3)練習(xí)核磁共振數(shù)據(jù)處理軟件(MestReC)及ChemDraw繪圖軟件的使用方法，并能夠解析核磁共振波譜譜圖。

2 教學(xué)過程的組織與實施

2.1 實驗教學(xué)計劃

本實驗開設(shè)于應(yīng)用化學(xué)專業(yè)本科生四年級秋季第6-9教學(xué)周(2學(xué)分，40學(xué)時，具體實驗時間由指導(dǎo)教師和學(xué)生靈活安排)，實驗教學(xué)計劃見表1，實驗內(nèi)容可以由2-4人共同完成。

表1 實驗教學(xué)計劃

2.2 實驗方案設(shè)計及實驗原理

通過調(diào)研文獻并結(jié)合5-溴-1-甲基蘆竹堿結(jié)構(gòu)特點，確定實驗方案如圖1所示。實驗原理為：以5-溴吲哚為原料，首先對吲哚分子中氮原子進行甲基化，然后與二甲胺和甲醛發(fā)生Mannich反應(yīng)制備重要中間體5-溴-1-甲基蘆竹堿，最后在不同無機酸和有機酸條件下制備得到5-溴-1-甲基蘆竹堿成鹽產(chǎn)物。第一步，5-溴吲哚與碘甲烷在氫氧化鉀作用下發(fā)生親核取代反應(yīng)(霍夫曼(Hofmann)烷基化反應(yīng))；第二步，在冰乙酸作用下，5-溴-1-甲基蘆竹堿吲哚與甲醛、二甲胺三組分發(fā)生Mannich反應(yīng)得到5-溴-1-甲基蘆竹堿；第三步，由于氨基的氮原子上有一對孤對電子，為質(zhì)子接受體，與不同的無機酸或有機酸結(jié)合生成相應(yīng)的鹽，反應(yīng)式見圖1。

圖1 5-溴-1-甲基蘆竹堿衍生物的合成

2.3 實驗過程

2.3.1 試劑和儀器

實驗藥品：5-溴吲哚、HN(CH3)2水溶液(30%)、HCHO水溶液(37%)、冰乙酸、甲醇、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、碘甲烷、二氯甲烷、乙醚、乙酸乙酯、苯甲酸、鹽酸、氫溴酸、氫碘酸等，所有試劑均為分析純，購自天津市廣達試劑。

實驗儀器：DFY-5/80型低溫恒溫反應(yīng)浴(鞏義市京華儀器有限公司)、ZNCL-BS型磁力攪拌器、Bruker Plus 400M型核磁共振波譜儀(德國Bruker)、RE-2000E型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(天津科諾儀器設(shè)備有限公司)、ME303E型電子天平(梅特勒-托利多)、Waters 3100 Mass-Dector型質(zhì)譜儀(Waters公司)、WFH-204B型三用紫外分析儀(上海馳唐電子有限公司)、X-4數(shù)字顯示顯微熔點測定儀(鞏義市予華儀器有限公司)。

2.3.2 實驗操作

2.3.2.1 5-溴-1-甲基-1H-吲哚(2)的制備

在0-5 °C、磁力攪拌條件下，將碘甲烷(6.4 g，45 mmol)滴加到5-溴吲哚(3.5 g，30 mmol)、KOH(6.7 g，120 mmol)、DMF(50 mL)的混合溶液中，滴加完畢后升至室溫繼續(xù)攪拌2 h，然后向反應(yīng)體系加入100 mL水。水相用乙酸乙酯(100 mL×3)進行萃取，合并有機相并用水(100 mL)洗滌3次，然后用無水Na2SO4干燥后真空脫溶，殘留液無需提純得到淡黃色液體，產(chǎn)率95%，可直接進行下一步[7]。

2.3.2.2 5-溴-1-甲基蘆竹堿(3)的制備

在0-5 °C、磁力攪拌下，向150 mL反應(yīng)器加入DMF(5 mL)、37% HCHO溶液(5 mL，61.5 mmol)、HN(CH3)230%水溶液(5 mL，33.5 mmol)，1 h后滴加2.86 mL冰乙酸，反應(yīng)15 min，再加入5-溴-1-甲基吲哚(3.2 g，15.2 mmol)反應(yīng)1.5 h后，轉(zhuǎn)移至室溫反應(yīng)6 h[6]。利用TLC點板監(jiān)測反應(yīng)完畢后，先加入飽和食鹽水，再加入NaOH(30%)水溶液調(diào)節(jié)體系pH=12-14，用CH2Cl2(30 mL)萃取三次，有機相依次用水和飽和食鹽水洗滌，合并有機相并用無水硫酸鈉干燥，過濾后真空脫溶。所得粗品經(jīng)柱層析提純(洗脫劑為V(石油醚):V(乙酸乙酯)=15:1)得到淡黃色液體，收率為85%；1H NMR(400 MHz，CDCl3)δ 7.81(d,J=2.0 Hz,1H,Ar-H)，7.29(dd,J=2.0 and 8.8 Hz,1H,Ar-H)，7.15(d,J=8.4 Hz,1H,Ar-H)，6.98(s,1H,Ar-H)，3.74(s,3H,N-CH3)，3.54(s,2H,Ar-CH2)，2.26(s,6H,N-(CH3)2)；13C NMR(100 MHz,CDCl3)δ 135.7，130.0，129.4，124.4，122.0，112.6，111.7，110.6，54.4，45.4，32.9；HRMS(ESI)calcd.for C12H16BrN2(M+H)+267.0491，found 267.0496。

2.3.2.3 5-溴-1-甲基蘆竹堿鹽(4)的制備

將5-溴-1-甲基蘆竹堿(0.17 g，0.65 mmol)溶于20 mL甲醇中，加入不同的酸(0.65 mmol)，加熱回流2 h，脫溶后，用乙醚重結(jié)晶或柱層析(V(二氯甲烷):V(甲醇)=20:1)提純得5-溴-1-甲基蘆竹堿鹽4a-4d。

3·HCl(4a)：紫色固體，收率96%，熔點220-221 °C;1H NMR(400 MHz,DMSO-d6)δ 10.76(s,1H,N+H)，8.12(s,1H,Ar-H)，7.67(s,1H,Ar-H)，7.49(d,J=8.7 Hz,1H,Ar-H)，7.33(d,J=8.7 Hz,1H,Ar-H)，4.40(d,J=4.3 Hz,2H,Ar-CH2)，3.82(s,3H,N-CH3)，2.68(d,J=4.4 Hz,6H,N-(CH3)2)；13C NMR(100 MHz,DMSO-d6)δ 135.2，134.1，129.5，124.2，121.3，112.7，112.3，102.2，50.1，40.8，32.9。

3·HBr(4b)：紫色固體，收率93%，熔點212-214 °C；1H NMR(400 MHz,DMSO-d6)δ 9.56(s,1H,N+H)，8.11(s,1H,Ar-H)，7.65(s,1H,Ar-H)，7.45(d,J=8.7 Hz,1H,Ar-H)，7.35(d,J=8.7 Hz,1H,Ar-H)，4.45(d,J=4.5 Hz,2H,Ar-CH2)，3.83(s,3H,N-CH3)，2.74(d,J=4.6 Hz,6H,N-(CH3)2)；13C NMR(100 MHz,DMSO-d6)δ 135.3，134.1，129.3，124.3，121.4，112.7，112.4，102.1，50.5，41.1，32.9。

3·HI(4c)：紫色固體，收率92%，熔點190-192 °C；1H NMR(400 MHz,DMSO-d6)δ 9.36(s,1H,N+H)，8.10(s,1H,Ar-H)，7.65(s,1H,Ar-H)，7.49(d,J=8.7 Hz,1H,Ar-H)，7.34(d,J=7.5 Hz,1H,Ar-H)，4.47(d,J=4.4 Hz,2H,Ar-CH2)，3.84(s,3H,N-CH3)，2.78(d,J=4.5 Hz,6H,N-(CH3)2)；13C NMR(100 MHz,DMSO-d6)δ 135.3，134.0，129.2，124.4，121.4，112.7，112.4，102.1，50.7，41.3，33.0。

3·苯甲酸(4d)：黃色油狀物，收率為95%；1H NMR(400 MHz,DMSO-d6)δ 7.96(d,J=7.3 Hz,2H,Ar-H)，7.91(d,J=1.5 Hz,1H,Ar-H)，7.55(t,J=7.2 Hz,1H,Ar-H)，7.40-7.47(m,4H,Ar-H)，7.56(dd,J=8.7,1.7 Hz,1H,Ar-H)，3.83(s,2H,Ar-CH2)，3.77(s,3H,N-CH3)，3.18(s,1H,CO2H),2.35(s,6H，N-(CH3)2)；13C NMR(100 MHz,DMSO-d6)δ 168.2，135.7，133.0，131.8，131.6，129.5，129.2，128.2，123.7，121.5，111.9，111.8，107.7，52.3，43.2，32.6。

本階段，實驗內(nèi)容涉及理論知識點包括胺的堿性、霍夫曼(Hofmann)烷基化反應(yīng)、Mannich反應(yīng)、胺與酸的成鹽反應(yīng)等，涉及的實驗操作包括萃取、真空脫溶、柱層析、加熱回流、抽濾、TLC監(jiān)測等。學(xué)生不僅對相應(yīng)知識點進行復(fù)習(xí)總結(jié)，并掌握了化合物特別是特征官能團的性質(zhì)；而且綜合運用了有機化學(xué)實驗教學(xué)中基本實驗操作。

2.4 數(shù)據(jù)整理與討論

2.4.1 實驗過程及思考

實驗過程中通過提出問題，引導(dǎo)學(xué)生進行思考和自主學(xué)習(xí)。

(1)胺的堿性：實驗方案設(shè)計階段向?qū)W生提出問題，5-溴-1-甲基蘆竹堿分子結(jié)構(gòu)中含有兩個氮原子，與酸1:1(摩爾比)反應(yīng)時哪個氮原子與質(zhì)子進行結(jié)合？引導(dǎo)學(xué)生回顧學(xué)過的知識點分析兩個氮原子的堿性大小，并通過后續(xù)實驗結(jié)果進行驗證。

F2=0.012X1-0.253X2+0.102X3+0.068X4+0.438X5+0.104X6+0.459X7

(2)霍夫曼Hofmann烷基化反應(yīng)：由于氮原子上有一對孤對電子，容易與鹵代烴發(fā)生親核的取代反應(yīng)生成銨鹽。提出問題：① 反應(yīng)溶劑DMF在處理過程如何去除？② 不同鹵代烴的反應(yīng)活性大小及如何提高胺類化合物中氮原子的親核性？

(3)Mannich反應(yīng)：實驗過程中用冰乙酸催化吲哚、甲醛、二甲胺3組分發(fā)生Mannich反應(yīng)(反應(yīng)機理見圖2)，反應(yīng)條件的控制對反應(yīng)收率的影響很大。除了實驗中選擇的實驗方案外，指導(dǎo)學(xué)生查閱資料并總結(jié)還有哪些方法可以合成蘆竹堿衍生物？

圖2 Mannich反應(yīng)機理

(4)成鹽反應(yīng)：回顧酸堿理論的知識，5-溴-1-甲基蘆竹堿與不同的酸反應(yīng)是否能用酸堿質(zhì)子理論進行解釋？

2.4.2 5-溴-1-甲基蘆竹堿的譜圖解析

根據(jù)5-溴-1-甲基蘆竹堿的氫譜譜圖(圖3)所示，N(CH3)2處的2個甲基在δ 2.26處以單峰形式出現(xiàn)，CH2處2個氫原子在δ 3.54處以單峰形式出現(xiàn)。由于吲哚結(jié)構(gòu)具有芳香性，使得與氮原子相連的CH3出現(xiàn)的單峰向低場移動至δ 3.74。吲哚骨架的5位碳上溴原子電負性強，使得鄰近碳上質(zhì)子受屏蔽降低，質(zhì)子位移向低場方向移動；吲哚骨架的2位、4位、6位和7位的CH化學(xué)位移分別為6.98(s)、7.81(d,J=2.0 Hz)、7.29(dd,J=2.0 and 8.8 Hz)和7.15(d,J=8.4 Hz)，4位CH由于間位碳上氫原子的影響發(fā)生耦合出現(xiàn)雙重峰，6位CH由于間位CH以及鄰位CH的共同影響發(fā)生耦合出現(xiàn)四重峰，7位CH由于鄰位CH的影響發(fā)生耦合出現(xiàn)雙重峰。高分辨質(zhì)譜數(shù)據(jù)同樣證明，得到的化合物分子量與5-溴-1-甲基蘆竹堿一致。

圖3 5-溴-1-甲基蘆竹堿的1H NMR譜圖

2.4.3 化合物4的譜圖解析

對比苯甲酸鹽4d(圖4)，N(CH3)2處的2個甲基在δ 2.35處仍出現(xiàn)一個單峰，吲哚骨架中與氮原子相連的CH3在δ 3.77處仍出現(xiàn)一個單峰；與苯甲酸成鹽后CH2處2個氫原子其化學(xué)位移向低場移動至δ 3.83處，且仍為單峰形式出現(xiàn)；大于δ 9.0處沒有出峰，而在δ 3.18出現(xiàn)一個單峰。由此確認，與三種無機酸(強酸)反應(yīng)后氫離子與5-溴-1-甲基蘆竹堿形成共價鍵―N+H，在氘代試劑DMSO中陰離子與配陽離子之間為離子鍵；但苯甲酸(弱酸)酸性較弱，與5-溴-1-甲基蘆竹堿只能以分子間作用力氫鍵形式形成配合物，此時酸上的氫并沒有加到氮原子上成鍵，因此對N(CH3)2與和CH2位移的影響就沒有強酸那么大，類似現(xiàn)象已有文獻報道[8]。因此，不能用酸堿質(zhì)子理論解釋5-溴-1-甲基蘆竹堿與苯甲酸的反應(yīng)。

圖4 化合物4a和4d的1H NMR譜圖

本階段，學(xué)生在完成5-溴-1-甲基蘆竹堿衍生物制備和表征的基礎(chǔ)上，對實驗數(shù)據(jù)進行整理、分析及對比，最后撰寫實驗報告。數(shù)據(jù)整理過程中不僅練習(xí)核磁共振數(shù)據(jù)處理軟件(MestReC)的使用方法，也提高了對化合物的1H NMR、13C NMR和HRMS譜圖解析的能力。另外，認真書寫實驗記錄、獨立分析實驗數(shù)據(jù)和翔實撰寫實驗報告的過程，培養(yǎng)了學(xué)生嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度，調(diào)動了學(xué)生積極參與科研的興趣。

2.4.4 實驗安全注意事項

實驗過程中要著重強調(diào)用水、用電等實驗室常規(guī)安全知識；要求學(xué)生規(guī)范實驗操作流程，特別如加熱回流實驗時要先通冷凝水后開啟加熱，停止實驗時要先關(guān)閉加熱后停止通冷凝水，使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀前要認真學(xué)習(xí)儀器使用注意事項等。針對危險化學(xué)品的使用，要求學(xué)生熟練使用化學(xué)品安全技術(shù)說明書(MSDS)對化學(xué)品信息進行檢索，特別是具有強揮發(fā)性及刺激性氣味的二甲胺水溶液、鹽酸、甲醛水溶液等，具有低沸點的二氯甲烷、碘甲烷和乙醚等試劑。針對強揮發(fā)性和刺激性氣味的試劑注意好控制溫度和尾氣吸收等；使用低沸點試劑時要注意好防護措施，如在通風(fēng)櫥內(nèi)進行實驗。

3 結(jié)語

本實驗設(shè)計了題為“5-溴-1-甲基蘆竹堿衍生物制備和表征”的綜合實驗，并應(yīng)用于應(yīng)用化學(xué)專業(yè)創(chuàng)新性綜合實驗教學(xué)中。從反應(yīng)原理、實驗過程及結(jié)果分析三方面開展具有生物活性的5-溴-1-甲基蘆竹堿衍生物的制備，提高學(xué)生對科學(xué)實驗的熟悉程度，使其參與并體驗到科學(xué)研究具有的挑戰(zhàn)性和嚴謹性，并為后續(xù)本科畢業(yè)論文做好鋪墊。在實施效果上，經(jīng)過指導(dǎo)教師的引導(dǎo)以及與學(xué)生的討論后開始實施，學(xué)生能結(jié)合不同章節(jié)知識順利完成所有操作并撰寫報告，不僅夯實了他們的理論知識和實驗技能，還能夠訓(xùn)練學(xué)生調(diào)研、閱讀及總結(jié)文獻的能力，并提高學(xué)生分析和解決問題的能力，有助于“新工科”專業(yè)人才的培養(yǎng)。開展5-溴-1-甲基蘆竹堿衍生物制備的綜合實驗，有助于學(xué)生構(gòu)建知識網(wǎng)絡(luò)體系的同時，強化課本理論知識與工程實踐的融合，培養(yǎng)學(xué)生科研興趣，并促進新時代背景下高等院校專業(yè)人才的培養(yǎng)。