2009年第29卷有机化学V ol. 29, 2009第6期, 985～988 Chinese Journal of Organic Chemistry No. 6, 985～988
* E-mail: wangwangzhaoyang@tom
Received June 15, 2008; revised December 20, 2008; accepted January 25, 2009.
国家自然科学基金(No. 20772035)和广东省自然科学基金博士科研启动基金(No. 5300082)资助项目.
986有机化学V ol. 29, 2009
1 实验部分
1.1 仪器和试剂
美国瓦里安 VNMR-400核磁共振仪, 溶剂DMSO- d6, 内标TMS; 美国PERKIN-ELIMER 1730 FT-IR红外光谱仪, KBr压片; DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器(河南省予华仪器有限公司); X-5型显微熔点仪(河南省予华仪器有限公司); LCQ Deca XP MAX液相谱-质谱联用仪(美国热电公司).
邻硝基苯胺、氯化亚锡、碘化钾以及各种芳香醛均为市售分析纯或化学纯试剂.
取邻硝基苯胺(1) 0.69 g (5 mmol)、取代苯甲醛6 mmol加入到150 mL的三颈烧瓶中, 酸性条件下, 40 mL 水为溶剂. 然后, 将SnCl2•2H2O (15 mol%)加入到反应瓶中, 100 ℃加热反应. 5 h后, 往体系中加入15 mol%的KI, 继续反应3 h. 反应结束后, 冷却至室温, 过滤得粗品, 无水乙醇重结晶、干燥得目标产物3. 产物结构经红外光谱、核磁共振氢谱和碳谱确定, 部分产品辅以质谱确定, 各化合物的光谱数据如下: 3a: 淡黄粉末. 1H NMR (DMSO-d6, 400 MHz) δ: 7.17～7.24 (m, 2H, Ar-H), 7.50～7.57 (m, 4H, Ar-H), 7.66 (d, J＝8.0 Hz, 1H, Ar-H), 8.18 (d, J＝8.0 Hz, 2H, Ar-H);
13C NMR (DMSO-d
6
,
100 MHz) δ: 111.98, 119.55, 123.19, 127.11, 129.62, 130.49, 144.49, 151.88; IR (KBr) v: 3047, 1589, 1540, 1443, 1409, 1483, 1275, 1118, 738, 702 cm－1; MS m/z: 193.97 (M＋).
3b: 淡黄粉末. 1H NMR (DMSO-d6, 400 MHz) δ: 5.43 (s, 1H, OH), 6.62～6.88 (m, 2H, Ar-H), 7.16～7.64 (m, 4H, Ar-H), 8.29～8.31 (m, 2H, Ar-H); 13C NMR (DMSO-d6, 100 MHz) δ: 111.59, 116.19, 122.76, 128.14, 131.24, 136.51, 143.37, 157.32; IR (KBr) v: 3376, 3027, 2807, 1611, 1591, 1515, 1443, 1275, 839, 745 cm－1; MS m/z: 210 (M＋).
3c: 淡黄粉末. 1H NMR (DMSO-d6, 400 MHz) δ: 7.20～7.23 (m, 2H, Ar-H), 7.59～7.63 (m, 2H, Ar-H), 7.65 (d, J＝8.8 Hz, 2H, Ar-H), 8.19 (d, J＝8.8 Hz, 2H, Ar-H);
豹团网13C NMR (DMSO-d
6
, 100 MHz) δ: 118.53, 122.94, 128.70, 128.79, 129.58, 129.68, 135.16, 150.85; IR (KBr) v: 3051, 1586, 1490, 1448, 1429, 1272, 831, 745, 728 cm－1.
3d: 橙黄粉末. 1H NMR (DMSO-d6, 400 MHz) δ:
7.28 (d, J＝7.6 Hz, 2H, Ar-H), 7.60～7.74 (m, 2H, Ar-H),
8.38～8.53 (m, 4H, Ar-H), 13.29 (s, 1H, N-H); 13C NMR (DMSO-d6, 100 MHz) δ: 112.41, 120.07, 123.09, 124.90, 128.03, 136.71, 148.45, 149.66; IR (KBr) v: 3042, 1604, 1515, 1434, 1353, 854, 745, 710 cm－1.
3e: 淡黄粉末. 1H NMR (DMSO-d6, 400 MHz) δ: 2.99 (s, 6H, CH3), 6.83 (d, J＝8.8 Hz, 2H, Ar-H), 7.10～7.13 (m, 2H, Ar-H), 7.40～7.57 (m, 2H, Ar-H), 7.97 (d, J＝8.8 Hz, 2H, Ar-H); 13C NMR (DMSO-d6, 100 MHz) δ: 31.35, 104.98, 112.55, 118.12, 118.69, 122.15, 128.23, 151.93, 152.97; IR (KBr) v: 3395, 3194, 2924, 1630, 1578, 1469, 1433, 1275, 1090, 837, 731 cm－1.
3f: 淡黄粉末. 1H NMR (DMSO-d6, 400 MHz) δ: 3.84 (s, 3H, CH3), 7.10～7.20 (m, 4H, Ar-H), 7.54～7.58 (m, 2H, Ar-H), 8.10～8.15 (m, 2H, Ar-H); 13C NMR (DMSO-d6, 100 MHz) δ: 55.99, 115.02, 115.43, 122.41, 123.47, 128.71, 140.15, 152.11, 161.29; IR (KBr) v: 3048, 2934, 1611, 1500, 1457, 1405, 1371, 1251, 843, 745 cm－1.
3g: 淡黄粉末. 1H NMR (DMSO-d6, 400 MHz) δ: 2.38 (s, 3H, CH3), 7.14～7.22 (m, 2H, Ar-H), 7.35 (d, J＝7.6 Hz, 2H, Ar-H), 7.49～7.64 (m, 2H, Ar-H), 8.08 (d, J＝7.6 Hz, 2H, Ar-H), 12.9 (s, 1H, N-H); 13C NMR (DMSO-
d6, 100 MHz) δ: 21.65, 111.87, 119.38, 122.43, 127.08, 128.17, 130.16, 140.22, 152.08; IR (KBr) v:
3052, 2914, 1621, 1449, 1430, 1398, 1376, 1273, 821, 746 cm－1.
3h: 淡黄粉末. 1H NMR (DMSO-d6, 400 MHz) δ: 2.38 (s, 3H, CH3), 7.17～7.22 (m, 2H, Ar-H), 7.32 (d, J＝8.0 Hz, 1H, Ar-H), 7.41～7.46 (m, 1H, Ar-H), 7.51～7.66 (m, 2H, Ar-H), 7.95 (d, J＝8.0 Hz, 1H, Ar-H), 8.02 (s, 1H, Ar-H); 13C NMR (DMSO-d6, 100 MHz) δ: 21.67, 111.95, 119.50, 122.70, 124.27, 127.69, 129.46, 131.09, 138.80, 152.04; IR (KBr) v: 3425, 3064, 2969, 1624, 1589, 1447, 1403, 1277, 838, 742cm－1.
3i: 黄粉末. 1H NMR (DMSO-d6, 400 MHz) δ: 7.12～7.20 (m, 2H, Ar-H), 7.48～7.65 (m, 2H, Ar-H),
7.73～7.81 (m, 1H, Ar-H), 8.23 (d, J＝8.0 Hz, 1H, Ar-H),
8.51 (d, J＝7.2 Hz, 1H, Ar-H), 8.92 (s, 1H, Ar-H); 13C NMR (DMSO-d6, 100 MHz) δ: 116.04, 121.39, 123.25, 124.64, 131.08, 132.98, 139.70, 148.85, 149.64; IR (KBr) v: 3108, 1620, 1520, 1476, 1435, 1348, 1227, 812, 740 cm－1.
3j: 淡黄粉末. 1H NMR (DMSO-d6, 400 MHz) δ:
No. 6 毛郑州等：由邻硝基苯胺一锅法合成苯并咪唑化合物987
7.21～7.24 (m, 2H, Ar-H), 7.59～7.64 (m, 3H, Ar-H), 7.82～7.84 (m, 1H, Ar-H), 7.93～7.96 (m, 1H, Ar-H); 13C NMR (DMSO-d6, 100 MHz) δ: 116.15, 122.86, 128.30, 130.51, 133.25, 133.90, 135.51, 139.87, 149.10; IR (KBr) v: 3059, 1619, 1593, 1440, 1421, 1269, 836, 750 cm－1.
3k: 淡黄粉末. 1H NMR (DMSO-d6, 400 MHz) δ: 3.89 (s, 3H, CH3), 6.94 (d, J＝8.0 Hz, 1H, Ar-H), 7.13～7.20 (m, 2H, Ar-H), 7.54～7.59 (m, 2H, Ar-H), 7.66 (d, J＝8.0 Hz, 1H, Ar-H), 7.78 (s, 1H, Ar-H), 9.50 (s, 1H, OH), 12.63 (s, 1H, N-H); 13C NMR (DMSO-d6, 100 MHz) δ: 56.36, 111.04, 116.30, 116.42, 120.33, 120.41, 122.09, 122.51, 148.52, 149.13, 152.47; IR (KBr) v: 3325, 2937, 1590, 1503, 1440, 1403, 1271, 1219, 1030, 744 cm－1; MS m/z: 240 (M＋).
化合物5由邻硝基苯胺(1)与对苯二甲醛(4)的反应合成, 除原料1的用量加倍外, 其他条件不变. 5: 黄粉末. 1H NMR (DMSO-d6, 400 MHz) δ: 7.16～7.30 (m, 4H, Ar-H); 7.55～7.70 (m, 4H, Ar-H), 8.36～8.40 (m, 4H, Ar-H), 13.0 (s, 2H, N-H); 13C NMR (DMSO-d6, 100 MHz) δ: 119.50, 127.58, 131.81, 135.79, 144.47, 151.31; IR (KBr) v: 3401, 3069, 1583, 1434, 1404, 1319, 1279, 1017, 741 cm－1.
2 结果与讨论
2.1 产物的结构表征
在红外光谱中, 产物在3400～3200 cm－1之间出现了N—H的特征吸收峰, 在1630～1590 cm－1之间有强的C＝N吸收峰, 1400 cm－1左右的吸收峰为苯环的骨架伸缩振动, 1275～1220 cm－1之间为与苯环相连的C—N 伸缩振动吸收峰, 800 cm－1左右可到苯环上不同取代的特征吸收峰.
在核磁共振氢谱中, 可以观察到δ 12.00以后的低场, 有一矮的单峰, 氢个数为1, 为咪唑环上的仲胺基(NH)的化学位移. 同时, 为了进一步确认化合物结构, 对部分化合物做了质谱测试, 质谱结果与计算值一致.
因此, 综合IR, 1H NMR和质谱, 可以确定2-取代苯并咪唑目标化合物已经生成.
2.2 反应条件的考察
用氯化亚锡还原芳环上的硝基是较容易进行的[20]. 这类型的反应可以在DMF、乙醇等有机溶剂中进行, 无机酸的存在可以大大提高反应的速率[21]. 鉴于此, 我们选择氯化亚锡和盐酸组成一个还原体系(整个体系中盐酸和水的组成比例是3︰5). 在常压加热的条件下, 以邻硝基苯胺和对二甲胺基苯甲醛为原料, 考察了催化剂种类、催化剂用量, 以及反应温度、时间对合成苯并咪唑化合物的影响. 所得数据如表1所示.
表1反应条件对苯并咪唑化合物合成的影响
Table1Effect of reaction conditions on the synthesis of ben-zimidazoles
Entry Cat.
Dosage of cat./
拓扑异构酶mol%
Temp./℃ Time/h Yield/%
1— 20 80 8 50
2KI 20 80 8 73
3ZnCl220 80
8
70 4KHSO420 80
8
62 5FeCl320 80
8
63 6KI 5 80 8
69
7KI 10 80 8 70
8KI 15 80 8 73
9KI 20 80 8 73
10KI 30 80 8 72
11KI 15 60 8 49
12KI 15 90 8 77
13KI 15 100 8 84
14KI 15 110 8 76
15KI 15 100 6 63
16KI 15 100 10 75 结果表明, 在几种经济易得、后处理简单的常见无
机催化剂中(表1, Entries 1～5), 虽然它们对反应都有一
化工工艺设计手册定的促进作用, 但碘化钾具有最好的催化效果(Entry 2).
催化剂用量对比试验(Entries 6～10)表明, 当碘化钾用
量为15 mol%时, 催化效果最好(Entry 8). 最佳反应温
度筛选(Entries 8, 11～14)发现, 当反应温度为100 ℃时,
苯并咪唑化合物的产率为84% (Entry 13). 同时, 最佳
反应时间筛选(Entries 13, 15, 16)的结果是反应8 h最佳脉管舒
(Entry 13).
选定在氯化亚锡和盐酸还原体系中, 在催化剂为碘
化钾(用量15 mol%)、反应温度为100 ℃、反应时间为
8 h的最佳反应条件下, 进行了系列2-取代苯并咪唑化
合物的合成.
2.3 不同底物对产率的影响
从表2所列的结果中可以看出, 原料邻硝基苯胺(1)
和取代苯甲醛2在氯化亚锡还原和碘化钾催化的共同作
用下, 利用一锅法可以顺利地生成各种2-取代苯并咪唑
(Eq. 1). 该反应条件温和, 不需要有机溶剂和麻烦的后
处理, 环境友好, 且产率最高可以达到96%(表2, Entry
8).
其中, 产物3j (表2, Entry 10)和3k (Entry 11)的产率
相对较低, 但也都在61%以上. 在合成3j时, 经常可以
观察到反应瓶上端有无透明的针状晶体出现, 因此可
能是升温过程中由于升华或水蒸气蒸馏作用导致原料
988有机化学V ol. 29, 2009
表2不同底物对苯并咪唑化合物合成的影响
Table2 The effect of different substrates on the synthesis of benzimidazoles
Entry Product Yield/%m.p./℃
1 3a 76 290～29
2 (289～291[22])
2 3b 78 229～230 (229～231[23])
3 3c 83 291～293 (292～294[24])
4 3d 66 313～314 (312～314[22])
5 3e[25]84 287～288
6 3f 70 221～222 (224～226[26])
7 3g 88 273～275 (270[24])
8 3h[27]96 212～214
9 3i 74 188～190 (189～191[28])
10 3j[29]61 218～219
11 3k 66 219～221 (224～225[23])
12 5 93 ＞310 (＞300[30])
2,4-二氯苯甲醛损失而使反应产率降低; 而3k产率较低的原因, 则可能与部分香草醛被氧化有关. 总体而
言, 当反应物芳环上取代基为供电子基团时, 产率明显升高(表2, Entries 5, 7), 且处于间位时产率高于对位(Entry 8), 而吸电子基团的影响则相反.
当用对苯二甲醛(4)与原料邻硝基苯胺(1)在相同实验条件下反应时, 也可以生成目标产物连苯并咪唑化合物5 (Eq. 2), 且产率很高, 达到93% (表2, Entry 12). 这进一步证明我们的反应条件适用范围的广泛性.
总之, 由于该方法条件温和, 氯化亚锡等试剂价格便宜, 对反应原料的结构要求也相对简单, 产物易纯化, 产率较高, 为合成苯并咪唑化合物提供了一种新的便利的合成方法, 具有较大的实用前景.
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