新型1-取代-2-(1′,3′-二氧五環-4′-基)苯并咪唑的合成

呂 松， 李偉光， 袁 斌

(廣東工業大學 環境科學與工程學院，廣東 廣州 510006)

苯并咪唑是多種化工和醫藥原料的重要中間體，其衍生物具有多種生物活性，如抗艾滋病、抗癌、消炎、抗菌、抗氧化、抗高血壓和抗凝血作用等[1-5]。此外，該類化合物還可用作多種金屬的緩蝕劑[6-8]。目前，苯并咪唑類化合物的常用合成方法為：以有機羧酸和鄰苯二胺及其衍生物為原料，經酰胺化-環化反應合成。

工業上在地溝油水解制備高級脂肪酸時[9]，會產生大量的甘油副產品。為提高地溝油綜合利用水平，以地溝油水解副產物甘油為原料制備相應有機羧酸，進而合成出苯并咪唑類化合物具有顯著的經濟價值。

本文以地溝油水解副產物甘油和多聚甲醛為原料,經醇醛縮合和次氯酸鈉催化氧化反應制得1,3-二氧雜環戊-4-酸(2);2與鄰苯二胺或其衍生物進行酰胺化-環化反應高效地合成了3種新型的1-取代-2-(1′,3′-二氧五環-4′-基)苯并咪唑類化合物(3～5)，其結構經UV-Vis,1H NMR,13C NMR, IR和GC-MS表征。

Scheme 1

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

XT5B型熔點儀；Cary 100 UV-Vis型紫外可見光分析儀；Bruker AVANCE III 600 MHz型核磁共振儀[(CD3)2SO為溶劑，TMS為內標]；Thermo Fisher Nicolet 6700型傅里葉變換紅外光譜儀(涂膜或KBr壓片);Perkin Elmer 2400Ⅱ型元素分析儀。

甘油,工業級,廣州某化工廠；其余所用試劑均為分析純。

1.2 合成

(1)2的合成[10]

在反應瓶中依次加入甘油縮甲醛混合物5.2 g(0.05 mol)， 2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物(TEMPO)0.078 g(0.499 mmol)、溴化鈉1.0 g(9.72 mmol)和二氯甲烷10～15 mL，在0 ℃下，攪拌下緩慢滴加14.5%次氯酸鈉溶液37.0 g，滴畢(控制反應液pH≈10.0)，反應4h。加入無水乙醇15 mL，靜置分層，水相旋蒸除水，殘余物用二氯甲烷50 mL溶解，過濾，濾液用去離子水(2×100 mL)萃取，合并萃取液，用10%鹽酸調至pH 2～3，旋蒸除溶，殘余物加入無水乙醇40 mL，充分攪拌20 min。靜置，過濾，濾餅用無水乙醇20 mL洗滌，旋蒸除溶，殘余物加入丙酮20 mL，充分攪拌，過濾，濾液再次旋蒸得無色黏稠液體1,3-二氧雜環戊-4-酸2.26 g，產率39.7%; IRν: 3373.0, 2891.3, 1743.0, 1212.3, 1094.1 cm-1; Anal. calcd for C4H6O4: C 48.04, H6.05, found C48.10, H 6.09。

(2)3～5的合成通法

將21.18 g(0.01 mol)、 98%鄰苯二胺(或N-取代鄰苯二胺)和二甲苯20 mL加入150 mL三口燒瓶中，氮氣保護，攪拌下回流反應4～6 h。升溫至環化溫度，反應12～16 h。冷卻至室溫，減壓蒸除低沸物，殘余物用去離子水溶解，用三氯甲烷(3×30 mL)萃取，合并有機相得化合物3～5。

2-(1′,3′-二氧五環-4′-基)苯并咪唑(3): 褐色固體，收率82%, m.p.95～97 ℃;1H NMRδ: 8.41(s, 1H, 1-H), 7.61～7.78(m, 2H, 4,7-H), 7.16～7.52(m, 2H, 5,6-H), 5.76(s, 2H, 10-H), 4.50(t,J=6.0 Hz, 1H, 8-H), 2.64(d,J=1.2 Hz, 2H, 9-H);13C NMRδ: 151.72(C2), 142.16(C11), 135.28(C12), 122.76(C6), 119.54(C7), 115.66(C5), 114.55(C4), 48.82(C10), 42.39(C8), 13.91(C9); IRν: 3395(NH), 3055(CH2), 1618(C=C), 1496(C=N), 1270(C—O—C), 741(C6H4) cm-1; UV-Vis(EtOH)λ: 210, 245 nm; Anal. calcd for C10H10N2O2: C 63.15, H 5.30, N 14.73, found C 63.20, H 5.27, N 14.64。

1-N-苯基-2-(1′,3′-二氧五環-4′-基)苯并咪唑(4): 黑褐色黏稠液體，收率73%；1H NMRδ: 7.50～7.86(m, 4H, C6H4), 7.39～7.14(m, 5H, C6H5), 4.58(t,J=1.2 Hz, 1H, 8-H), 4.23 (t,J=7.5 Hz, 2H,9-H), 2.43(s, 2H, 10-H);13C NMRδ: 146.49(C2), 136.75(C12), 130.55(C11), 128.25(C4), 127.57(C7), 123.97(C5), 122.90(C6), 120.45(C13), 118.91(C14), 116.93(C15), 115.65(C16), 114.91(C17), 111.15(C18), 67.96(C10), 65.56(C8), 14.61(C9); IRν: 2923(CH2), 1666(C=C), 1595(C=C), 1498(C=N), 745(C6H4) cm-1; UV-Vis(EtOH)λ: 211, 245 nm; Anal. calcd for C16H14N2O2: C 72.16, H 5.30, N 10.52, found C 72.11, H 5.29, N 10.61。

1-N-甲基-2-(1′,3′-二氧五環-4′-基)苯并咪唑(5): 褐色粘稠液體，收率65%；1H NMRδ: 7.62～7.75(m, 2H, 4,7-H), 7.37～7.40(m, 2H, 5,6-H), 3.99(d,J=2.3 Hz, 1H, 8-H), 3.88(t,J=1.2Hz, 2H, 9-H), 2.87(s, 2H, 10-H), 2.72(s, 3H, 13-H);13C NMRδ: 152.51(C2), 134.05(C12), 126.25(C13), 124.45(C4), 123.22(C7), 122.65(C5), 115.74(C6), 32.11(C8), 31.50(C10), 30.95(C11), 12.64(C9); IRν: 2924(CH2), 1619(C=C), 1530(C=C), 1460(C=N), 748(C6H4) cm-1; UV-Vis(EtOH) λ: 210, 245 nm; Anal. calcd for C11H12N2O2: C 64.69, H 5.92, N 13.72, found C 64.65, H 5.89, N 13.69。

2 結果與討論

2.1 合成工藝優化

表1為合成中間體(2)的正交實驗結果。由表1的極差分析結果可知：各因素對2的影響次序為：氧化時間>NaBr用量>TEMPO用量>氧化溫度。綜合考慮各因素的影響，確定合成2的最佳條件為：催化劑TEMPO用量為甘油縮甲醛用量的1.5%，氧化溫度為0 ℃，氧化時間為4 h， NaBr用量為1.0 g。

表1 合成2的正交實驗結果

表2為合成化合物4的正交實驗結果。從表2可見，各因素對化合物4合成的影響次序為：酸胺原料比>環化溫度>環化時間>酰化時間。綜合考慮各因素的影響，確定合成4的最佳條件為：酸胺原料摩爾比為1/1，環化溫度為200 ℃，環化時間為16 h，酰化時間為6 h。

表2 化合物4的正交實驗結果*

*緩蝕實驗條件:Q235碳鋼，實驗溫度60 ℃，腐蝕介質為5%鹽酸，腐蝕時間為6 h，藥劑量為60 mg·L-1。

3～5結構相似，合成條件基本相同。表3為合成3～5的正交實驗結果。

表3 三種苯并咪唑最佳合成工藝條件

2.2 表征

(1) IR

由3～5的IR譜圖可知，2923～3055 cm-1處特征峰為飽和C—H鍵伸縮振動吸收峰，1450～1620 cm-1處特征峰為苯環和咪唑啉環骨架的吸收峰，741～748 cm-1處特征峰為鄰二取代苯的C—H鍵面外彎曲振動吸收峰。

(2) UV-Vis

圖3為3～5的UV-Vis譜圖。從圖3可見，化合物在210 nm和245 nm處出現了苯并咪唑環結構的特征吸收峰[12]，與鄰苯二胺的最大紫外吸收波長254 nm有顯著區別，說明鄰苯二胺參與了合成反應。

λ/nm

以地溝油水解副產物甘油和多聚甲醛為原料,高效合成了3種新型的1-取代-2-(1′,3′-二氧五環-4′-基)苯并咪唑類化合物(3～5)。3～5表現出較好的緩蝕特性，有望用于腐蝕防護。