一種含苯并吡喃潛在染料的合成及晶體結(jié)構(gòu)

吳臘梅，陳　進(jìn)，蔡　燁，黃正喜，趙新筠

(中南民族大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院, 武漢430074 )

酰胺鍵是有機(jī)化合物中最重要的官能團(tuán)之一，是構(gòu)建生物學(xué)上重要的聚合物，如肽、蛋白質(zhì)、商業(yè)品尼龍等.共振理論認(rèn)為酰胺鍵一般是平面結(jié)構(gòu)，這是由于N上的孤對(duì)電子的離域到羰基C==O的π軌道上形成p-π共軛，導(dǎo)致CO―NH鍵具有大量雙鍵的性質(zhì)[1].研究者認(rèn)為：N,N-二烴基酰胺的兩個(gè)共振結(jié)構(gòu)式一個(gè)為中性分子，另一個(gè)為兩性離子[2]；而N-一烴基酰胺或伯酰胺的兩個(gè)共振結(jié)構(gòu)式一個(gè)為酰胺型，另一個(gè)為烯醇型(見(jiàn)圖1).

a)中性分子; b)兩性離子; c)酰胺型; d)烯醇型圖1　酰胺的共振結(jié)構(gòu)Fig.1　Resonance structures of amide

酰胺在不同溶劑不同催化劑體系中以不同的共振結(jié)構(gòu)形式存在.酰胺共振結(jié)構(gòu)隨著條件及體系的改變對(duì)其化學(xué)性質(zhì)起著決定性影響，通過(guò)研究體系條件可以指導(dǎo)和調(diào)控酰胺的化學(xué)反應(yīng).一般情況下酰胺共振結(jié)構(gòu)中CO―NH鍵具有雙鍵的性質(zhì)，故酰胺鍵的親核取代等反應(yīng)相對(duì)困難，這時(shí)需要扭曲這種平面共振結(jié)構(gòu)增加反應(yīng)性，比如肽鍵的水解[3,4].而在另一種情況下要用金屬催化促進(jìn)酰胺的烯醇化從而對(duì)酰胺N―H鍵活化脫質(zhì)子[5]；路易斯酸催化分別對(duì)N和O進(jìn)行烷基化[6].含有酰胺鍵的化合物不僅化學(xué)性質(zhì)隨共振結(jié)構(gòu)變化，分子內(nèi)及分子間氫鍵也隨共振結(jié)構(gòu)而變化形成氫鍵聚合體[7].

酰腙是一類含有酰胺鍵的希夫堿類化合物，除分子中―N==C雙鍵有E/Z異構(gòu)，分子結(jié)構(gòu)中也會(huì)發(fā)生類似酰胺的共振結(jié)構(gòu)，由于酰胺鍵CO―NH具有大量雙鍵的性質(zhì)而自由旋轉(zhuǎn)受阻，在核磁譜圖中常出現(xiàn)兩組信號(hào)峰，分別為：順疊/反疊構(gòu)象[8,9](如圖 2).

圖2　酰腙的通式和立體化學(xué)結(jié)構(gòu)Fig.2　General structure and stereochemistry of acylhydrazone

苯并吡喃是由一個(gè)苯環(huán)和一個(gè)氧雜原子組成的六元雜環(huán)化合物，其衍生物是一類以苯并吡喃環(huán)為基本骨架的雜環(huán)化合物[10].本文合成了一個(gè)含有苯并吡喃環(huán)的酰腙化合物2，在其核磁譜圖中只有一組信號(hào)峰出現(xiàn)，與文獻(xiàn)及以前工作不相符合.通過(guò)單晶X-射線衍射測(cè)得其單晶結(jié)構(gòu)為質(zhì)子轉(zhuǎn)移的兩性離子結(jié)構(gòu)，在晶體結(jié)構(gòu)中，氫質(zhì)子轉(zhuǎn)到亞胺N原子上，形成分子內(nèi)五元?dú)滏I環(huán)，連接苯甲酰部分苯環(huán)與苯并吡喃環(huán)形成一個(gè)大的平面共軛體系，分子具有強(qiáng)的可見(jiàn)光吸收, 呈現(xiàn)鮮紅色.這種由于酰腙共振結(jié)構(gòu)形成的長(zhǎng)鏈共軛體系與熒光染料分子結(jié)構(gòu)十分類似[11]，而化合物合成更加容易，結(jié)構(gòu)修飾更加便利，在苯環(huán)部分和苯并吡喃部分引入不同基團(tuán)能調(diào)控化合物的溶解性及其對(duì)可見(jiàn)光的吸收波長(zhǎng)的長(zhǎng)短即化合物顏色,通過(guò)修飾合成可望得到多種熒光染料或生物探針[12].

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1　試劑和儀器

4-N,N-二乙氨基水楊醛、乙酰乙酸乙酯、苯甲酰肼、哌啶、無(wú)水乙醇、乙酸、乙酸乙酯、石油醚，以上試劑均為分析純.

核磁共振儀(AVANCE Ⅱ，以TMS為內(nèi)標(biāo)的DMSO-d6和CDCl3為溶劑，瑞士Bruker)，X-射線單晶衍射儀(SMART APEX CCD，德國(guó)Bruker)，元素分析儀(Vario EL III型，德國(guó)Elementar)，數(shù)字顯示顯微熔點(diǎn)測(cè)試儀(XT-4 型，鞏義市予華儀器)，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(RE52CS，上海亞榮生化儀器)，高效薄層板(GF254，青島海洋化工).

1.2　3-乙?；?7-二乙氨基-2H-苯并吡喃-2-酮(化合物1)的合成

化合物1的合成反應(yīng)步驟如圖3所示，4-N,N-二乙氨基水楊醛(0.39 g, 2 mmol)與乙酰乙酸乙酯(0.30 mL, 2.4 mmol)按摩爾比為1∶1.2投料，2滴哌啶作催化劑, 3 mL乙醇為溶劑，回流反應(yīng)2 h.期間，薄層層析監(jiān)測(cè)反應(yīng), 體系由暗紅色變?yōu)樯罴t棕色.冷卻后有黃色固體析出，用石油醚/乙酸乙酯(體積比為 1∶1)重結(jié)晶，得到黃色晶體，產(chǎn)率為78%. m.p. 155～156 ℃,1H NMR (400 MHz, CDCl3)δ: 1.26 (t,J= 7.1 Hz, 6H), 2.69 (s, 3H), 3.47 (q,J= 7.1 Hz, 4H), 6.48 (d,J= 2.2 Hz, 1H), 6.63 (dd,J= 9.1, 2.3 Hz, 1H), 7.41 (d,J= 9.0 Hz, 1H), 8.45 (s, 1H).13C NMR (100 MHz, CDCl3)δ: 12.43, 30.57, 45.14, 96.55, 108.13, 109.87, 116.03, 131.90, 147.84, 153.02, 158.73, 160.86, 195.67. Anal. calc for C15H17NO3: C 69.48, H 6.61, N 5.40; found C 69.49, H 6.58, N 5.42.

圖3　化合物2的合成Fig.3　Synthesis of compound 2

1.3　N′-{1-[7-(二乙氨基)-2-氧代-2H-苯并吡喃-3-]亞乙基}苯甲酰肼(化合物2)的合成

化合物2合成的反應(yīng)步驟如圖 4所示.

化合物1(0.26 g, 1 mmol)與苯甲酰肼(0.16 g, 1.2 mmol)按摩爾比為1∶1.2投料，3 mL乙醇作溶劑，2滴冰醋酸做催化劑，回流反應(yīng)2 h.期間，薄層層析監(jiān)測(cè)反應(yīng)，冷卻沉淀出固體，過(guò)濾，洗滌，烘干，得紅色晶體產(chǎn)物化合物2，產(chǎn)率為78%. m.p.216～217 ℃,1H NMR (400 MHz, DMSO-d6)δ: 1.14 (t,J= 6.8 Hz, 6H), 2.32 (s, 3H), 3.46 (q,J= 6.6 Hz, 4H), 6.57 (s, 1H), 6.75(d,J= 9.0 Hz, 1H), 7.41～7.55 (m, 2H), 7.56～7.71 (m, 2H), 7.79～7.98 (m, 2H), 8.09 (s, 1H), 10.72 (s,1H).13C NMR (100 MHz, CDCl3)δ: 12.42, 14.84, 44.99, 96.82, 108.50, 109.45, 127.41, 128.64, 130.26, 131.79, 133.52, 143.09, 151.48, 157.07, 161.08. Anal. calc for C22H23N3O3: C 70.01, H 6.14, N 11.13; found C 69.98, H 6.12, N 11.15. 紅色固體產(chǎn)物化合物2溶解于乙醇中靜置3 d可得到紅色針狀單晶，供單晶X-射線衍射實(shí)驗(yàn).

1.4　晶體結(jié)構(gòu)的檢測(cè)

將化合物2的單晶置于X-射線單晶衍射儀上,于296(2) K, 采用石墨單色化Mo-Ka射線(λ=0.071 073 nm)為衍射光源, 晶體結(jié)構(gòu)用直接法解得，采用SHELXS-97(Sheldrick,1990)[13]. 對(duì)所有非氫原子坐標(biāo), 使用全距陣最小二乘法進(jìn)行各項(xiàng)異性溫度因子修正.對(duì)與N和C原子鍵合的H原子, 采用騎跨式理論加氫.具體晶體參數(shù)見(jiàn)表1，晶體編號(hào): CCDC 1559491.

表1　化合物2的晶體參數(shù)

2　結(jié)果與討論

紅色晶體化合物2屬斜方晶系，P2(1)2(1)2空間群. 每個(gè)不對(duì)稱單元包含4個(gè)分子(晶胞圖如圖5)，晶體結(jié)構(gòu)表明化合物2氫質(zhì)子轉(zhuǎn)移到亞胺N上.

圖5　化合物2的晶胞圖Fig.5　Unit celldiagram of compound 2

化合物分子內(nèi)形成兩個(gè)五元?dú)滏I環(huán)(見(jiàn)圖6a,虛線表示氫鍵)，這種氫鍵其一是由亞胺N―H與烯醇化的?；踟?fù)離子間形成，N2…O1距離為2.534(4) ?, H2A…O1距離為1.984(4)?, N2H2A O1鍵角為120(4)°；其二是亞胺N―H與吡喃酮內(nèi)酯羰基氧之間形成,N2…O2距離為2.673(4) ?, H2A…O2距離為2.101(4) ?, N2H2A O2鍵角為123(4)°,氫鍵數(shù)據(jù)見(jiàn)表2. 晶體結(jié)構(gòu)顯示分子的苯環(huán)、酰腙基團(tuán)及苯并吡喃環(huán)幾乎共平面，苯環(huán)和中間的苯并六元環(huán)的二面角僅僅為3.0(1)°，結(jié)果見(jiàn)圖6及表3.由鍵長(zhǎng)數(shù)據(jù)可見(jiàn)：C(7)―O(1)距離為1.247(5)?, 較一般羰基碳氧雙鍵1.23?明顯增長(zhǎng)，較p-π共軛的吡喃酮內(nèi)酯羰基碳氧雙鍵[C(18)―O(2)距離為1.218(5)?]稍長(zhǎng)，說(shuō)明C(7)―O(1)具有明顯的部分單鍵性質(zhì)；而C(7)―N(1)距離為1.344(5)?, 較碳氮單鍵N(3)―C(19)距離1.469(8)?短很多，甚至比芳胺的碳氮單鍵C(15)―N(3)?距離1.408(7)?更短,比分子中典型的碳氮雙鍵C(8)―N(2)距離1.303(5)?稍長(zhǎng)，說(shuō)明C(7)―N(1)具有碳氮雙鍵的性質(zhì).

由晶體數(shù)據(jù)分析可知：酰胺羰基發(fā)生烯醇化，C(7)―O(1)單鍵化，O(1)帶一個(gè)(單位)負(fù)電荷；酰胺鍵的C(7)―N(1)雙鍵化，酰胺鍵的N(1)上的質(zhì)子轉(zhuǎn)移到亞胺―N(2)==C(8)的N(2)上，亞胺N(2)帶一個(gè)(單位)正電荷，酰腙鍵形成正負(fù)電荷分離的π-π共軛共平面結(jié)構(gòu)，被分子內(nèi)氫鍵環(huán)所穩(wěn)定；連接兩端的苯環(huán)和芳香苯并吡喃酮環(huán)形成大的平面共軛體系，固定了酰胺鍵為反疊構(gòu)象，―N(2)==C(8)為E型結(jié)構(gòu).

圖6　化合物2的分子內(nèi)氫鍵結(jié)構(gòu)及平面結(jié)構(gòu)Fig.6　Intramolecular hydrogen-bonded and planar structure of compound 2

D―H…A鍵長(zhǎng)/?D―HH…AD…A鍵角/°<(DHA)N(2)―H(2A)…O(1)0．866(10)1．984(4)2．534(4)120(4)N(2)―H(2A)…O(2)0．866(10)2．101(4)2．673(4)123(4)C(13)―H(13)…O(2)#10．932．533．381(5)152．4

注：#1表示等效坐標(biāo)的對(duì)稱性操作為x+1/2, -y+1/2, -z

表3　化合物2的部分鍵長(zhǎng)及鍵角

化合物2的核磁氫譜圖見(jiàn)圖7. 圖7中可見(jiàn)：酰胺鍵CO―NH的化學(xué)位移在 10.72，未見(jiàn)關(guān)于酰胺鍵CO―NH旋轉(zhuǎn)的兩組順疊/反疊構(gòu)象的信號(hào)峰,并非文獻(xiàn) [9]中N原子上有大基團(tuán)造成酰胺鍵CO―NH鍵旋轉(zhuǎn)受阻，而是由上述的整個(gè)分子形成了大的平面共軛體系所決定的.

圖7　化合物2的核磁共振氫譜Fig.7　1H NMR of compound 2

3　結(jié)語(yǔ)

本文以4-N,N-二乙氨基水楊醛、乙酰乙酸乙酯以及苯甲酰肼為原料，合成了含有苯并吡喃環(huán)的紅色酰腙化合物2，核磁氫譜顯示無(wú)關(guān)于酰胺鍵CO―NH旋轉(zhuǎn)的順疊/反疊構(gòu)象的兩組信號(hào)峰，只有1組信號(hào)峰；X-單晶衍射表明化合物是關(guān)于酰胺鍵CO―NH的反疊構(gòu)象.由于化合物2形成了質(zhì)子轉(zhuǎn)移的兩性離子結(jié)構(gòu)，H質(zhì)子從酰胺N原子上轉(zhuǎn)到亞胺N原子上，使亞胺N原子帶正電，羰基O原子帶負(fù)電，形成了分子內(nèi)五元?dú)滏I環(huán)連接苯甲酰的苯環(huán)與苯并吡喃環(huán)形成一個(gè)大的平面共軛體系, 這一晶體結(jié)構(gòu)可為類似結(jié)構(gòu)和此類化合物的化學(xué)反應(yīng)提供有效佐證.其長(zhǎng)鏈共軛結(jié)構(gòu)類似于熒光染料分子的共軛結(jié)構(gòu)，化合物呈現(xiàn)鮮紅色，苯并吡喃環(huán)與N,N-二乙基氨基苯環(huán)均為較好的發(fā)色基團(tuán)，在此基礎(chǔ)上向苯環(huán)和苯并吡喃環(huán)部分引入不同的基團(tuán)，為合成新型熒光染料或探針?lè)肿犹峁┝诵碌乃悸?

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