實驗2-（羥甲基）-1H-苯并［d］咪唑-5-羧酸的合成研究

王新芳 牟 芬 陜 潔 李文博

（昌吉學院化學化工學院 新疆 昌吉 831100）

化學是一門以實驗為基礎的學科，對于大學化學的教學不僅需要學生掌握物質的結構、組成以及性質，還應該通過大學化學實驗培養學生實際動手操作能力、創新性思維和嚴謹的科學態度，以提高學生的綜合素質［1］。大學“有機化學實驗”是“有機化學”教學的重要組成部分，是一門獨立的基礎實驗課。用單一的教學方法講授基本的實驗課程內容會讓學生覺得枯燥無味，不能集中精力參與到實驗中去，進而大大降低了學習效率，無法達到培養學生主觀能動性和實際動手操作能力的教學目標。因此，在有機化學實驗教學中有必要增加一些創新性且能激發學生興趣的實驗。本文推薦的縮合反應具有操作步驟簡單、反應機理易懂、產物的產率與純度高等優點，能夠較好地滿足學生實驗在難度和時間上的要求。另外，該方法合成的化合物的結構具有較明顯的波譜特征，可以促使學生進一步認識波譜學，利用波譜學開展有機化合物的結構鑒定［2］。

苯并咪唑類（benzimidazoles，BMZs）化合物是由苯環與咪唑環融合而成的具有多種生物活性的雜環化合物。因結構中含有兩個N原子，可以與生物體的酶、與受體等形成氫鍵，還可以與過渡金屬等發生配位和π-π相互作用，等［3-4］。因此苯并咪唑類化合物的化學和藥理學一直是藥物化學研究的熱點，并且苯并咪唑是醫藥、化工和材料化學領域的重要中間體［5］，其衍生物具有良好的生物活性，含苯并咪唑結構單元的物質具有抗癌［6-8］、消炎抗菌［9］、抗結核［10］、抗病毒［11］、鎮痛［12］、抗糖尿病［13］、殺菌［14-15］、殺蟲［16-17］等作用，正因為苯并咪唑類化合物具有如此多的用途，合成這類化合物的方法層出不窮并且有很多綜述從不同角度對這些方法進行了分類論述。

1 實驗原理

本文報道了3，4-二氨基苯甲酸和羥基乙酸在4 mol/L的鹽酸催化下加熱回流獲得2-（羥甲基）-1H-苯并［d］咪唑-5-羧酸的反應，該反應具有時間短、反應步驟簡單，副產物少，目標化合物的產率和純度高的特點。因此，本實驗可作為一個大學有機化學教學實驗。目標產物合成反應方程如圖1所示：

圖1 2-（羥甲基）-1H-苯并［d］咪唑-5-羧酸的合成路線

我們提出了一個可能的反應機理關于在鹽酸催化下制備化合物2-（羥甲基）-1H-苯并［d］咪唑-5-羧酸（如圖2），羥基乙酸奪取鹽酸中質子氫形成質子化羧酸，3，4-二氨基苯甲酸的N具有孤單電子作為親核試劑進攻羰基碳形成新的钅羊鹽，質子H從氨基遷移至-OH上，然后脫水一份子的水，分子內的另一氨基作為親核試劑進攻羰基碳，得到五員狀結構的氨基正離子，質子離去得到以四面體結構中間體，在酸性條件下奪取氫形成钅羊鹽，脫去一份子的水及氫質子從而形成碳氮雙鍵，得到最終目標產物2-（羥甲基）-1H-苯并［d］咪唑-5-羧酸，見圖2。

圖2 2-（羥甲基）-1H-苯并［d］咪唑-5-羧酸的合成機理

2 試劑與儀器

2.1 試劑

3，4-二氨基苯甲酸、羥基乙酸、鹽酸、乙腈、蒸餾水。

2.2 儀器

Brucker Equinox 55 FT-IR紅外光譜儀（KBr壓片法）、INOVA-400核磁共振儀（DMSO-d6為溶劑，TMS為內標）、日本Yanaco MP-S3熔點儀、紫外燈、旋轉蒸發儀、恒溫干燥箱、電子天平、攪拌磁子、100mL圓底燒瓶、溫度計、布氏漏斗、抽濾瓶、真空泵、展開槽、層析板、毛細管。

3 實驗步驟

3.1 2-（羥甲基）-1H-苯并［d］咪唑-5-羧酸的制備

將3，4-二氨基苯甲酸（1.52 g，10 mmol），羥基乙酸（1.52 g，20 mmol）和鹽酸（4 M，30 mL）加入100 mL燒瓶中攪拌10分鐘，然后加熱回流反應6 h；混合溶液冷卻至室溫后得到灰色沉淀，靜置，抽濾；固體粗產品用20 mL蒸餾水淋洗兩次，室溫再減壓旋蒸除水。最后用20 mL乙腈淋洗三次，置于恒溫干燥箱中干燥，即可得到淺灰色粉末狀固體。恒溫干燥后稱重并計算產率。用核磁共振譜和紅外光譜表征其結構（圖3和圖4）。

目標產物2-（羥甲基）-1H-苯并［d］咪唑-5-羧酸（2-（hydroxymethyl）-1H-benzo［d］imidazole-5-carboxylic acid）的產率：64%。波譜數據如下：

紅外光譜分析IR（KBr壓片，cm-1）：3384 s，3006 s，2967 s，2885 s，2818 s，2753 s，2589 m，1920 w，1810 w，1680 s，1635 m，1615 m，1582 m，1510 m，1455 m，1436 s，1376 w，1345 m，1313 s，1248 m，1220 m，1193 m，1126 w，1079 m，1016 w，969 w，927 w，908 w，839 m，813 m，795 w，769 m，743 w，697 w，676 w，638 w，602 w.

1H NMR（400 MHz，DMSO-d6）分析：各質子的化學位移δ（ppm）：5.007（s，2H，CH2），6.578（m，1H，OH），7.829（d，J=8.8Hz，1H，Ar-7），8.063（dd，J=1.6，1.6 Hz，1H，Ar-6），8.254（s，1H，Ar-4），13.326（s，1H，NH），14.673（s，1H，COOH）.

3.2 2-（羥甲基）-1H-苯并［d］咪唑-5-羧酸熔點測試步驟

將目標產物樣品填充在毛細管中，樣品高度3mm—4mm，反復敲打，并壓實，確保樣品無氣泡；選定熔點儀的起始溫度為260℃，終止溫度為315℃，按照8℃/min以及2℃/min的升溫程序進行試驗并測定，得到樣品的初熔點和終熔點。

目標產物2-（羥甲基）-1H-苯并［d］咪唑-5-羧酸（2-（hydroxymethyl）-1H-benzo［d］imidazole-5-carboxylic acid）的熔點：321℃—323℃。

4 結果與討論

4.1 譜學分析

在目標產物的IR譜中（如圖3），在3384 cm-1出現了N-H伸縮振動吸收峰，1680 cm-1出現了C=N的伸縮振動吸收峰，出現了1313 cm-1羧基的C=O特征吸收峰，1582，1510，1455，1436cm-1吸收峰歸屬為咪唑環和苯環骨架的特征吸收振動峰，這些峰位可以確定目標化合物成功合成。

圖3 2-（羥甲基）-1H-苯并［d］咪唑-5-羧酸的IR

在目標產物的1H-NMR譜中（如圖4），在δ 7.80ppm—8.30ppm出現芳環上的H質子化學位移信號，呈現出多重峰，在δ 6.57 ppm左右出現羥基H質子的化學位移信號并以單峰形式出現。氨基H化學位移在δ 13.32 ppm左右以單峰的形式出現，亞甲基H化學位移在δ 5.00 ppm左右以單峰的形式出現，苯環上的羧基H的化學位移在δ 14.67 ppm處以單峰的形式出現。

圖4 2-（羥甲基）-1H-苯并［d］咪唑-5-羧酸的1H-NMR

4.2 實驗中的其他事項

（1）實驗預習階段，可適當安排學生查閱相關文獻資料，了解其結構、合成方法和應用情況，要求學生自主分析文獻中各種合成路線優缺點，這樣既能拓展相關知識背景，又能激發學生的實驗興趣。此外，教師可以布置課外思考題，提高學生的實驗創新能力。

（2）本實驗機理設計縮合反應，有助于加深和鞏固學生對基礎有機化學理論知識的理解和應用。實驗內容豐富，包括熱回流反應、低溫控溫、減壓抽濾、洗滌和干燥、薄層色譜監測跟蹤、熔點測定、紅外光譜和核磁共振圖譜的解析，等。

（3）本實驗路線成熟，反應設備簡單，反應條件溫和，反應產物直接用洗滌干燥純化處理即得，收率較高。

（4）本實驗以3，4-二氨基苯甲酸和羥基乙酸為原料，完成全部內容大約需要6 h。化合物結構檢測部分（包括薄層色譜監測、熔點測定、紅外光譜和核磁共振圖譜的測試與解析）可根據實驗具體教學條件和實驗學時情況進行合理調整。

（5）本實驗可以分為兩次完成，第一次實驗講解實驗內容及要求，制備2-（羥甲基）-1H-苯并［d］咪唑-5-羧酸，第二次實驗目標產物的確定：熔點測定、紅外光譜和核磁共振表征及圖譜分析。

4.3 教學效果及反思

該實驗以小組或個人為單位均可進行操作。通過對教學效果觀察，該實驗具有如下優點：

（1）該實驗設計源于真實科研結果，所以學生對實驗具有高度的熱情；實驗的實施和結果分析都能鍛煉學生綜合實驗能力和分析能力，激發學生主動去探究問題和解決問題。

（2）實驗前后化合物的顏色明顯不同，拉近學生對化學物質的距離感，給學生帶來一定的神秘感，增進其學習和實驗的熱情，也調動了學生的積極性，潛移默化地掌握基礎知識。

（3）具體實驗裝置、大型儀器，均可在實驗教師的指導下操作，學生可以在具體的操作過程中消除科研與現實之間的隔閡，在鞏固基礎知識的同時獲得成就感，增進學生對科研的認識及激發學生從事科研工作的熱情。

5 結論

該實驗適合于常量、半微量和微量級進行反應，具有原料廉價、易得、低毒；操作簡單；裝置簡單；實驗現象明顯；后處理簡單和產率高等特點。整個實驗過程需要4h—6h，符合有機化學實驗的基本要求。盡管對有些底物反應時間太長，該合成反應因為沒有使用重金屬催化劑而具有一定優越性。