綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)：5-溴-1-甲基蘆竹堿衍生物的制備和表征

盧愛(ài)黨，李林，史紹洋，姜艷軍

河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，天津 300130

實(shí)驗(yàn)教學(xué)在化學(xué)類(lèi)本科生教學(xué)過(guò)程中的具有舉足輕重的地位，《普通高等學(xué)校本科專(zhuān)業(yè)類(lèi)教育質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》中也明確要求“構(gòu)建基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)-綜合性實(shí)驗(yàn)-研究性實(shí)驗(yàn)-多層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，其中綜合性和研究性實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)不低于總實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)的20%[1]”。為適應(yīng)“新時(shí)代”教育的需求，河北工業(yè)大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專(zhuān)業(yè)打破傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，積極推進(jìn)“基礎(chǔ)-綜合-研究”三層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，開(kāi)設(shè)“創(chuàng)新性綜合實(shí)驗(yàn)”課程；并鼓勵(lì)教師結(jié)合科學(xué)前沿與研究課題發(fā)布實(shí)驗(yàn)題目供學(xué)生選擇，形成“導(dǎo)師制科研小團(tuán)隊(duì)”進(jìn)入科研實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究[2]，該課程連續(xù)開(kāi)展了4學(xué)年，學(xué)生反饋收獲滿(mǎn)滿(mǎn)，調(diào)查滿(mǎn)意度高。本文以綜合實(shí)驗(yàn)“5-溴-1-甲基蘆竹堿衍生物的制備和表征”為例進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介

1.1 實(shí)驗(yàn)背景

成鹽是改善藥物分子理化性質(zhì)、提高其成藥性的有效手段之一，可在不改變其化學(xué)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上通過(guò)成鹽優(yōu)化其理化性質(zhì)、減少藥物的不良反應(yīng)、延長(zhǎng)專(zhuān)利的保護(hù)期等[3]，如藥物鹽酸曲唑酮、磷酸氯喹、甲氨基阿維菌素苯甲酸鹽等。蘆竹堿是小麥、大麥和蘆竹等禾本植物在進(jìn)化過(guò)程中產(chǎn)生的具有化感作用的一種生物堿，具有殺蟲(chóng)、殺菌、防污等活性[4,5]。前期研究發(fā)現(xiàn)，5-溴-1-甲基蘆竹堿對(duì)煙草花葉病毒具有優(yōu)秀的抑制活性[6]，為了改善其水溶性、提高化合物的穩(wěn)定性，通過(guò)本實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展制備系列成鹽化合物進(jìn)而進(jìn)行深入研究。

1.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

通過(guò)蘆竹堿衍生物制備和表征，達(dá)到以下教學(xué)目的：

(1)掌握幾種重要的胺類(lèi)化合物反應(yīng)類(lèi)型及其在官能團(tuán)轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用；

(2)熟練運(yùn)用柱層析法對(duì)化合物進(jìn)行分離純化并利用薄層層析色譜法檢測(cè)反應(yīng)的進(jìn)程；

(3)練習(xí)核磁共振數(shù)據(jù)處理軟件(MestReC)及ChemDraw繪圖軟件的使用方法，并能夠解析核磁共振波譜譜圖。

2 教學(xué)過(guò)程的組織與實(shí)施

2.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃

本實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)于應(yīng)用化學(xué)專(zhuān)業(yè)本科生四年級(jí)秋季第6-9教學(xué)周(2學(xué)分，40學(xué)時(shí)，具體實(shí)驗(yàn)時(shí)間由指導(dǎo)教師和學(xué)生靈活安排)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃見(jiàn)表1，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可以由2-4人共同完成。

表1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃

2.2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)原理

通過(guò)調(diào)研文獻(xiàn)并結(jié)合5-溴-1-甲基蘆竹堿結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定實(shí)驗(yàn)方案如圖1所示。實(shí)驗(yàn)原理為：以5-溴吲哚為原料，首先對(duì)吲哚分子中氮原子進(jìn)行甲基化，然后與二甲胺和甲醛發(fā)生Mannich反應(yīng)制備重要中間體5-溴-1-甲基蘆竹堿，最后在不同無(wú)機(jī)酸和有機(jī)酸條件下制備得到5-溴-1-甲基蘆竹堿成鹽產(chǎn)物。第一步，5-溴吲哚與碘甲烷在氫氧化鉀作用下發(fā)生親核取代反應(yīng)(霍夫曼(Hofmann)烷基化反應(yīng))；第二步，在冰乙酸作用下，5-溴-1-甲基蘆竹堿吲哚與甲醛、二甲胺三組分發(fā)生Mannich反應(yīng)得到5-溴-1-甲基蘆竹堿；第三步，由于氨基的氮原子上有一對(duì)孤對(duì)電子，為質(zhì)子接受體，與不同的無(wú)機(jī)酸或有機(jī)酸結(jié)合生成相應(yīng)的鹽，反應(yīng)式見(jiàn)圖1。

圖1 5-溴-1-甲基蘆竹堿衍生物的合成

2.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.3.1 試劑和儀器

實(shí)驗(yàn)藥品：5-溴吲哚、HN(CH3)2水溶液(30%)、HCHO水溶液(37%)、冰乙酸、甲醇、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、碘甲烷、二氯甲烷、乙醚、乙酸乙酯、苯甲酸、鹽酸、氫溴酸、氫碘酸等，所有試劑均為分析純，購(gòu)自天津市廣達(dá)試劑。

實(shí)驗(yàn)儀器：DFY-5/80型低溫恒溫反應(yīng)浴(鞏義市京華儀器有限公司)、ZNCL-BS型磁力攪拌器、Bruker Plus 400M型核磁共振波譜儀(德國(guó)Bruker)、RE-2000E型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(天津科諾儀器設(shè)備有限公司)、ME303E型電子天平(梅特勒-托利多)、Waters 3100 Mass-Dector型質(zhì)譜儀(Waters公司)、WFH-204B型三用紫外分析儀(上海馳唐電子有限公司)、X-4數(shù)字顯示顯微熔點(diǎn)測(cè)定儀(鞏義市予華儀器有限公司)。

2.3.2 實(shí)驗(yàn)操作

2.3.2.1 5-溴-1-甲基-1H-吲哚(2)的制備

在0-5 °C、磁力攪拌條件下，將碘甲烷(6.4 g，45 mmol)滴加到5-溴吲哚(3.5 g，30 mmol)、KOH(6.7 g，120 mmol)、DMF(50 mL)的混合溶液中，滴加完畢后升至室溫繼續(xù)攪拌2 h，然后向反應(yīng)體系加入100 mL水。水相用乙酸乙酯(100 mL×3)進(jìn)行萃取，合并有機(jī)相并用水(100 mL)洗滌3次，然后用無(wú)水Na2SO4干燥后真空脫溶，殘留液無(wú)需提純得到淡黃色液體，產(chǎn)率95%，可直接進(jìn)行下一步[7]。

2.3.2.2 5-溴-1-甲基蘆竹堿(3)的制備

在0-5 °C、磁力攪拌下，向150 mL反應(yīng)器加入DMF(5 mL)、37% HCHO溶液(5 mL，61.5 mmol)、HN(CH3)230%水溶液(5 mL，33.5 mmol)，1 h后滴加2.86 mL冰乙酸，反應(yīng)15 min，再加入5-溴-1-甲基吲哚(3.2 g，15.2 mmol)反應(yīng)1.5 h后，轉(zhuǎn)移至室溫反應(yīng)6 h[6]。利用TLC點(diǎn)板監(jiān)測(cè)反應(yīng)完畢后，先加入飽和食鹽水，再加入NaOH(30%)水溶液調(diào)節(jié)體系pH=12-14，用CH2Cl2(30 mL)萃取三次，有機(jī)相依次用水和飽和食鹽水洗滌，合并有機(jī)相并用無(wú)水硫酸鈉干燥，過(guò)濾后真空脫溶。所得粗品經(jīng)柱層析提純(洗脫劑為V(石油醚):V(乙酸乙酯)=15:1)得到淡黃色液體，收率為85%；1H NMR(400 MHz，CDCl3)δ 7.81(d,J=2.0 Hz,1H,Ar-H)，7.29(dd,J=2.0 and 8.8 Hz,1H,Ar-H)，7.15(d,J=8.4 Hz,1H,Ar-H)，6.98(s,1H,Ar-H)，3.74(s,3H,N-CH3)，3.54(s,2H,Ar-CH2)，2.26(s,6H,N-(CH3)2)；13C NMR(100 MHz,CDCl3)δ 135.7，130.0，129.4，124.4，122.0，112.6，111.7，110.6，54.4，45.4，32.9；HRMS(ESI)calcd.for C12H16BrN2(M+H)+267.0491，found 267.0496。

2.3.2.3 5-溴-1-甲基蘆竹堿鹽(4)的制備

將5-溴-1-甲基蘆竹堿(0.17 g，0.65 mmol)溶于20 mL甲醇中，加入不同的酸(0.65 mmol)，加熱回流2 h，脫溶后，用乙醚重結(jié)晶或柱層析(V(二氯甲烷):V(甲醇)=20:1)提純得5-溴-1-甲基蘆竹堿鹽4a-4d。

3·HCl(4a)：紫色固體，收率96%，熔點(diǎn)220-221 °C;1H NMR(400 MHz,DMSO-d6)δ 10.76(s,1H,N+H)，8.12(s,1H,Ar-H)，7.67(s,1H,Ar-H)，7.49(d,J=8.7 Hz,1H,Ar-H)，7.33(d,J=8.7 Hz,1H,Ar-H)，4.40(d,J=4.3 Hz,2H,Ar-CH2)，3.82(s,3H,N-CH3)，2.68(d,J=4.4 Hz,6H,N-(CH3)2)；13C NMR(100 MHz,DMSO-d6)δ 135.2，134.1，129.5，124.2，121.3，112.7，112.3，102.2，50.1，40.8，32.9。

3·HBr(4b)：紫色固體，收率93%，熔點(diǎn)212-214 °C；1H NMR(400 MHz,DMSO-d6)δ 9.56(s,1H,N+H)，8.11(s,1H,Ar-H)，7.65(s,1H,Ar-H)，7.45(d,J=8.7 Hz,1H,Ar-H)，7.35(d,J=8.7 Hz,1H,Ar-H)，4.45(d,J=4.5 Hz,2H,Ar-CH2)，3.83(s,3H,N-CH3)，2.74(d,J=4.6 Hz,6H,N-(CH3)2)；13C NMR(100 MHz,DMSO-d6)δ 135.3，134.1，129.3，124.3，121.4，112.7，112.4，102.1，50.5，41.1，32.9。

3·HI(4c)：紫色固體，收率92%，熔點(diǎn)190-192 °C；1H NMR(400 MHz,DMSO-d6)δ 9.36(s,1H,N+H)，8.10(s,1H,Ar-H)，7.65(s,1H,Ar-H)，7.49(d,J=8.7 Hz,1H,Ar-H)，7.34(d,J=7.5 Hz,1H,Ar-H)，4.47(d,J=4.4 Hz,2H,Ar-CH2)，3.84(s,3H,N-CH3)，2.78(d,J=4.5 Hz,6H,N-(CH3)2)；13C NMR(100 MHz,DMSO-d6)δ 135.3，134.0，129.2，124.4，121.4，112.7，112.4，102.1，50.7，41.3，33.0。

3·苯甲酸(4d)：黃色油狀物，收率為95%；1H NMR(400 MHz,DMSO-d6)δ 7.96(d,J=7.3 Hz,2H,Ar-H)，7.91(d,J=1.5 Hz,1H,Ar-H)，7.55(t,J=7.2 Hz,1H,Ar-H)，7.40-7.47(m,4H,Ar-H)，7.56(dd,J=8.7,1.7 Hz,1H,Ar-H)，3.83(s,2H,Ar-CH2)，3.77(s,3H,N-CH3)，3.18(s,1H,CO2H),2.35(s,6H，N-(CH3)2)；13C NMR(100 MHz,DMSO-d6)δ 168.2，135.7，133.0，131.8，131.6，129.5，129.2，128.2，123.7，121.5，111.9，111.8，107.7，52.3，43.2，32.6。

本階段，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涉及理論知識(shí)點(diǎn)包括胺的堿性、霍夫曼(Hofmann)烷基化反應(yīng)、Mannich反應(yīng)、胺與酸的成鹽反應(yīng)等，涉及的實(shí)驗(yàn)操作包括萃取、真空脫溶、柱層析、加熱回流、抽濾、TLC監(jiān)測(cè)等。學(xué)生不僅對(duì)相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行復(fù)習(xí)總結(jié)，并掌握了化合物特別是特征官能團(tuán)的性質(zhì)；而且綜合運(yùn)用了有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中基本實(shí)驗(yàn)操作。

2.4 數(shù)據(jù)整理與討論

2.4.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及思考

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)提出問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考和自主學(xué)習(xí)。

(1)胺的堿性：實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)階段向?qū)W生提出問(wèn)題，5-溴-1-甲基蘆竹堿分子結(jié)構(gòu)中含有兩個(gè)氮原子，與酸1:1(摩爾比)反應(yīng)時(shí)哪個(gè)氮原子與質(zhì)子進(jìn)行結(jié)合？引導(dǎo)學(xué)生回顧學(xué)過(guò)的知識(shí)點(diǎn)分析兩個(gè)氮原子的堿性大小，并通過(guò)后續(xù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

F2=0.012X1-0.253X2+0.102X3+0.068X4+0.438X5+0.104X6+0.459X7

(2)霍夫曼Hofmann烷基化反應(yīng)：由于氮原子上有一對(duì)孤對(duì)電子，容易與鹵代烴發(fā)生親核的取代反應(yīng)生成銨鹽。提出問(wèn)題：① 反應(yīng)溶劑DMF在處理過(guò)程如何去除？② 不同鹵代烴的反應(yīng)活性大小及如何提高胺類(lèi)化合物中氮原子的親核性？

(3)Mannich反應(yīng)：實(shí)驗(yàn)過(guò)程中用冰乙酸催化吲哚、甲醛、二甲胺3組分發(fā)生Mannich反應(yīng)(反應(yīng)機(jī)理見(jiàn)圖2)，反應(yīng)條件的控制對(duì)反應(yīng)收率的影響很大。除了實(shí)驗(yàn)中選擇的實(shí)驗(yàn)方案外，指導(dǎo)學(xué)生查閱資料并總結(jié)還有哪些方法可以合成蘆竹堿衍生物？

圖2 Mannich反應(yīng)機(jī)理

(4)成鹽反應(yīng)：回顧酸堿理論的知識(shí)，5-溴-1-甲基蘆竹堿與不同的酸反應(yīng)是否能用酸堿質(zhì)子理論進(jìn)行解釋?zhuān)?/p>

2.4.2 5-溴-1-甲基蘆竹堿的譜圖解析

根據(jù)5-溴-1-甲基蘆竹堿的氫譜譜圖(圖3)所示，N(CH3)2處的2個(gè)甲基在δ 2.26處以單峰形式出現(xiàn)，CH2處2個(gè)氫原子在δ 3.54處以單峰形式出現(xiàn)。由于吲哚結(jié)構(gòu)具有芳香性，使得與氮原子相連的CH3出現(xiàn)的單峰向低場(chǎng)移動(dòng)至δ 3.74。吲哚骨架的5位碳上溴原子電負(fù)性強(qiáng)，使得鄰近碳上質(zhì)子受屏蔽降低，質(zhì)子位移向低場(chǎng)方向移動(dòng)；吲哚骨架的2位、4位、6位和7位的CH化學(xué)位移分別為6.98(s)、7.81(d,J=2.0 Hz)、7.29(dd,J=2.0 and 8.8 Hz)和7.15(d,J=8.4 Hz)，4位CH由于間位碳上氫原子的影響發(fā)生耦合出現(xiàn)雙重峰，6位CH由于間位CH以及鄰位CH的共同影響發(fā)生耦合出現(xiàn)四重峰，7位CH由于鄰位CH的影響發(fā)生耦合出現(xiàn)雙重峰。高分辨質(zhì)譜數(shù)據(jù)同樣證明，得到的化合物分子量與5-溴-1-甲基蘆竹堿一致。

圖3 5-溴-1-甲基蘆竹堿的1H NMR譜圖

2.4.3 化合物4的譜圖解析

對(duì)比苯甲酸鹽4d(圖4)，N(CH3)2處的2個(gè)甲基在δ 2.35處仍出現(xiàn)一個(gè)單峰，吲哚骨架中與氮原子相連的CH3在δ 3.77處仍出現(xiàn)一個(gè)單峰；與苯甲酸成鹽后CH2處2個(gè)氫原子其化學(xué)位移向低場(chǎng)移動(dòng)至δ 3.83處，且仍為單峰形式出現(xiàn)；大于δ 9.0處沒(méi)有出峰，而在δ 3.18出現(xiàn)一個(gè)單峰。由此確認(rèn)，與三種無(wú)機(jī)酸(強(qiáng)酸)反應(yīng)后氫離子與5-溴-1-甲基蘆竹堿形成共價(jià)鍵―N+H，在氘代試劑DMSO中陰離子與配陽(yáng)離子之間為離子鍵；但苯甲酸(弱酸)酸性較弱，與5-溴-1-甲基蘆竹堿只能以分子間作用力氫鍵形式形成配合物，此時(shí)酸上的氫并沒(méi)有加到氮原子上成鍵，因此對(duì)N(CH3)2與和CH2位移的影響就沒(méi)有強(qiáng)酸那么大，類(lèi)似現(xiàn)象已有文獻(xiàn)報(bào)道[8]。因此，不能用酸堿質(zhì)子理論解釋5-溴-1-甲基蘆竹堿與苯甲酸的反應(yīng)。

圖4 化合物4a和4d的1H NMR譜圖

本階段，學(xué)生在完成5-溴-1-甲基蘆竹堿衍生物制備和表征的基礎(chǔ)上，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析及對(duì)比，最后撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。數(shù)據(jù)整理過(guò)程中不僅練習(xí)核磁共振數(shù)據(jù)處理軟件(MestReC)的使用方法，也提高了對(duì)化合物的1H NMR、13C NMR和HRMS譜圖解析的能力。另外，認(rèn)真書(shū)寫(xiě)實(shí)驗(yàn)記錄、獨(dú)立分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和翔實(shí)撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的過(guò)程，培養(yǎng)了學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，調(diào)動(dòng)了學(xué)生積極參與科研的興趣。

2.4.4 實(shí)驗(yàn)安全注意事項(xiàng)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要著重強(qiáng)調(diào)用水、用電等實(shí)驗(yàn)室常規(guī)安全知識(shí)；要求學(xué)生規(guī)范實(shí)驗(yàn)操作流程，特別如加熱回流實(shí)驗(yàn)時(shí)要先通冷凝水后開(kāi)啟加熱，停止實(shí)驗(yàn)時(shí)要先關(guān)閉加熱后停止通冷凝水，使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀前要認(rèn)真學(xué)習(xí)儀器使用注意事項(xiàng)等。針對(duì)危險(xiǎn)化學(xué)品的使用，要求學(xué)生熟練使用化學(xué)品安全技術(shù)說(shuō)明書(shū)(MSDS)對(duì)化學(xué)品信息進(jìn)行檢索，特別是具有強(qiáng)揮發(fā)性及刺激性氣味的二甲胺水溶液、鹽酸、甲醛水溶液等，具有低沸點(diǎn)的二氯甲烷、碘甲烷和乙醚等試劑。針對(duì)強(qiáng)揮發(fā)性和刺激性氣味的試劑注意好控制溫度和尾氣吸收等；使用低沸點(diǎn)試劑時(shí)要注意好防護(hù)措施，如在通風(fēng)櫥內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3 結(jié)語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了題為“5-溴-1-甲基蘆竹堿衍生物制備和表征”的綜合實(shí)驗(yàn)，并應(yīng)用于應(yīng)用化學(xué)專(zhuān)業(yè)創(chuàng)新性綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。從反應(yīng)原理、實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析三方面開(kāi)展具有生物活性的5-溴-1-甲基蘆竹堿衍生物的制備，提高學(xué)生對(duì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的熟悉程度，使其參與并體驗(yàn)到科學(xué)研究具有的挑戰(zhàn)性和嚴(yán)謹(jǐn)性，并為后續(xù)本科畢業(yè)論文做好鋪墊。在實(shí)施效果上，經(jīng)過(guò)指導(dǎo)教師的引導(dǎo)以及與學(xué)生的討論后開(kāi)始實(shí)施，學(xué)生能結(jié)合不同章節(jié)知識(shí)順利完成所有操作并撰寫(xiě)報(bào)告，不僅夯實(shí)了他們的理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能，還能夠訓(xùn)練學(xué)生調(diào)研、閱讀及總結(jié)文獻(xiàn)的能力，并提高學(xué)生分析和解決問(wèn)題的能力，有助于“新工科”專(zhuān)業(yè)人才的培養(yǎng)。開(kāi)展5-溴-1-甲基蘆竹堿衍生物制備的綜合實(shí)驗(yàn)，有助于學(xué)生構(gòu)建知識(shí)網(wǎng)絡(luò)體系的同時(shí)，強(qiáng)化課本理論知識(shí)與工程實(shí)踐的融合，培養(yǎng)學(xué)生科研興趣，并促進(jìn)新時(shí)代背景下高等院校專(zhuān)業(yè)人才的培養(yǎng)。