新型非對稱1,1′-雙取代咪唑二茂鐵的合成

王健春, 陳振民, 喬 良, 李雅茜, 焦曉蘭, 金嫣然

(首都師范大學 化學系,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，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，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注，原因是它們具有獨特的物理和化學性質(zhì)。咪唑環(huán)作為絡合單元，二茂鐵是一個非常穩(wěn)定的電化學單元，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使其不僅成為一個金屬有機配體，而且還可以有效地增強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),其結構經(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)；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′-乙酰基二茂鐵甲醛(1)按文獻[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，使用前均按標準方法進行重結晶或干燥后重新蒸餾;所有反應均在N2氣氛中進行。

1.2 合成

(1)3的合成(以3a為例)

在反應瓶中加入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′-乙酰基-1-(3-乙基-4-甲基)咪唑二茂鐵(3b)和1′-乙酰基-1-(3,4-二苯基)咪唑二茂鐵(3c)。

表 1 合成3～6的實驗結果Table 1 Experimental results of synthesizing 3～6

(2)4的合成(以4a為例)

在反應瓶中加入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12 h(析出大量橙黃色固體);加水10 mL,反應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的實驗結果見表1,光譜數(shù)據(jù)見表2。

2 結果與討論

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物，使反應在均相介質(zhì)中順利進行。在咪唑形成的過程中，不斷有水生成，抑止了反應正向進行；在油水分離器中填裝分子篩和無水硫酸鎂，除去反應體系中的水，可使反應完全。

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，隨著反應的進行，產(chǎn)物從甲醇中析出。加水淬滅反應，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[13]方法用NaOH中和醋酸，由于反應過程放熱，且在強堿性條件下易發(fā)生副反應，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，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的空間扭曲效應及吸電子效應，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構[J].合成化學,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.