紫外光誘導1-甲基-2-苯基吲哚啉的合成與表征
——國家自然科學基金項目轉化的綜合型微量有機化學實驗

李冰，趙馨鑫，夏吾炯，杜耘辰，韓喜江

哈爾濱工業(yè)大學化工與化學學院，哈爾濱 150001

1 引言

有機化學實驗是化學及近化學專業(yè)學生的必修課程之一，是學生理論聯系實際、增強動手能力的重要環(huán)節(jié)，在高校課程體系中占有十分重要的地位[1]。伴隨著有機化學新合成方法的不斷涌現，實驗教學也應與時俱進，不能僅僅滿足于傳統(tǒng)的知識傳授、能力培養(yǎng)，更需要給學生提供接觸科技前沿的機會，拓寬其視野，并逐步幫助他們建立環(huán)保意識和可持續(xù)發(fā)展理念[2-5]。而微量的有機光化學反應恰恰滿足了這些需求，如其具有量少、高效、反應條件溫和等特點。光化學反應也是有機合成化學中的常用方法之一，但在本科生實驗教學中卻很少采用，紫外光化學合成實驗也比較少。

吲哚啉類化合物是一類重要的含氮雜環(huán)化合物，廣泛存在于天然生物堿結構中，其雜環(huán)骨架是許多生物活性物質和藥物分子的活性中心，如人體中重要的神經遞質5-羥色胺的活性部分就是吲哚胺，另外吲哚啉類染料、太陽能電池的敏化劑，具有良好的光電轉化性能，也是醫(yī)藥、植物生長調節(jié)劑的中間體。目前最直接的吲哚啉制備方法是通過催化加氫、環(huán)加成、過渡金屬催化的芳基化或烷基化等反應實現吲哚去芳香化，反應步驟較為復雜。苯胺與烯烴分子間[3 + 2]環(huán)合反應是合成吲哚啉衍生物的有效途徑，主要依靠過渡金屬催化或過渡金屬協同可見光化學反應的方法實現。

在進行國家自然科學基金項目“幾種新型有機光化學反應研究”(NSFC 21672047)的科研工作中，我們經紫外光化學方法實現了2-單取代吲哚啉以及2,2’-雙取代吲哚啉產物高區(qū)域選擇性合成，研究結果發(fā)表于有機合成領域期刊Synthesis[6]。該方法條件溫和，易于操作，同時光化學作為一種綠色環(huán)保的反應模式具有很好的科學性和趣味性，非常適用于實驗教學?；诖耍覀冞x取其中部分研究成果，設計了一個微量的紫外光化學合成實驗：苯乙烯和N-甲基鄰碘苯胺在光照下發(fā)生[3 + 2]自由基環(huán)合反應，高效合成1-甲基-2-苯基吲哚啉。避免了書本中常見的金屬催化、高溫狀態(tài)，通過紫外光化學合成，學生可以切身實際地感受到現代化學實驗中的“綠色化學”。

本實驗既包含磁力攪拌、氮氣交換、薄層色譜、柱色譜、旋轉蒸發(fā)等基本操作，也包括了核磁共振波譜圖的解析和紫外光化學反應的新知識點，產物吲哚啉骨架結構在藥物及活性物質中有著重要的作用，如毒扁豆堿(?)-Physostigmines為吲哚啉骨架天然產物，可用于治療青光眼，是一種可逆的膽堿酯酶抑制劑[7]，將實驗與日常生活相聯系，符合實驗教學綠色化、微型化[8,9]的新理念，可以幫助本科生了解有機光化學前沿進展，開拓視野，引起學生對有機化學的學習興趣。本實驗可作為具有一定有機化學實驗操作基礎的高年級本科生的拓展型或創(chuàng)新型實驗項目。

2 實驗部分

2.1 實驗目的

(1) 掌握紫外光化學實驗技術，理解自由基反應機理，掌握紫外光化學[3 + 2]環(huán)合制備吲哚啉衍生物的方法；

(2) 熟練掌握薄層色譜(TLC)、柱色譜、旋轉蒸發(fā)儀、無氧氮氣交換等基本單元操作；

(3) 掌握1-甲基-2-苯基吲哚啉化合物的鑒定方法。

2.2 實驗原理

在有機化合物分子中形成新的碳環(huán)或雜環(huán)的反應叫做環(huán)合反應，多數環(huán)合過程是由兩個反應物分子在適當位置發(fā)生縮合反應連接成一個分子，然后經分子內適當位置再環(huán)合形成新環(huán)。光化學指分子吸收光(包括紫外光和可見光)之后由基態(tài)達到激發(fā)態(tài)進而發(fā)生的化學反應行為，化學鍵在吸收光子能量之后發(fā)生均裂，形成具有不成對電子的自由基基團。分子間[3 + 2]型環(huán)合以及分子內自由基環(huán)合反應是合成五元環(huán)的重要手段，本實驗經紫外光誘導形成自由基，發(fā)生兩個分子間的自由基加成，然后再經分子內環(huán)合，獲得自由基形式[3 + 2]環(huán)合反應的五元環(huán)產物。

反應機理過程如圖1所示，在紫外光照射下，N-甲基鄰碘苯胺通過C-I鍵的均裂產生自由基中間體A和碘自由基，兩分子碘自由基結合為碘。自由基中間體A被苯乙烯捕獲得到中間體B，在碘的氧化作用下B轉化為陽離子中間體C，C經分子內的環(huán)合反應得到D。在堿的作用下，D失去質子得到吲哚啉產物。

圖1 N-甲基鄰碘苯胺與苯乙烯的紫外光[3 + 2]環(huán)合反應機理

2.3 實驗試劑與儀器：

實驗主要試劑：鄰碘苯胺，碘甲烷，氫化鈉，苯乙烯，磷酸二氫鉀，無水硫酸鈉，采購于安耐吉，四氫呋喃(干燥)，二甲基亞砜(干燥)，乙酸乙酯，石油醚，采購于泰坦科技，試劑均為99%以上分析純，未經特殊說明均可直接使用，柱硅膠200-300目(安徽良辰)，薄層硅膠板GF254 (青島譜科)。

實驗儀器及耗材：核磁共振波譜儀(瑞士Bruker AVANCE III 600M)，光反應儀(南京胥江XP-7)，旋轉蒸發(fā)儀(EYELA N-1100)，磁力攪拌器(鄭州長城85-2)，循環(huán)水真空泵(鄭州長城SHB)，紫外分析儀(上海驥輝ZF-1)，玻璃燒瓶及光反應管(北京欣維爾)。

2.4 實驗步驟：

1) N-甲基鄰碘苯胺的合成。

反應方程式如圖2所示。將鄰碘苯胺(110 mg，0.5 mmol)溶于干燥四氫呋喃(5 mL)，加入25 mL干燥雙口圓底燒瓶中，0 °C攪拌下加入氫化鈉(60 mg，1.5 mmol)，并繼續(xù)攪拌30 min，然后在室溫下滴加碘甲烷(4 μL，0.7 mmol)，攪拌10 min。加水淬滅反應，乙酸乙酯(5 mL × 3)萃取，合并有機相，飽和食鹽水洗滌、無水硫酸鈉干燥，旋轉蒸發(fā)儀蒸除溶劑，柱層析(洗脫劑為石油醚:乙酸乙酯，體積比為40 : 1)分離得到N-甲基鄰碘苯胺(104 mg，淡黃色液體，產率：90%)。N-甲基鄰碘苯胺核磁數據如下：1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 7.63-7.61 (m, 1H)，7.22-7.18 (m, 1H)，6.51 (m, 1H)，6.43-6.40 (m,1H)，4.16(s, 1H)，2.82 (s, 3H)。13C NMR (100 MHz, CDCl3) δ 148.0，138.7，129.4，118.3，109.9，85.1，30.9[10]。

圖2 N-甲基鄰碘苯胺的制備

2) 紫外光誘導苯乙烯與N-甲基鄰碘苯胺合成1-甲基-2-苯基吲哚啉。

反應方程式如圖3所示。N-甲基鄰碘苯胺(46.4 mg，0.2 mmol)置于玻璃光照管中，依次加入苯乙烯(52 mg，0.5 mmol)、2 mL DMSO，用氮氣球置換體系內的空氣20 min，光照管密封后置于300 nm的中壓汞燈下光照并攪拌反應，用TLC監(jiān)測反應進程，展開劑為石油醚:乙酸乙酯(體積比) = 50 : 1，6-8 h反應完全。反應體系加入水5 mL，乙酸乙酯(5 mL × 3)萃取，合并有機相，無水硫酸鈉干燥，旋轉蒸發(fā)儀蒸除溶劑，柱層析(洗脫劑為石油醚:乙酸乙酯(體積比) = 70 : 1)分離得到1-甲基-2-苯基吲哚啉(26.3 mg，無色液體，收率63%)。

圖3 紫外光誘導苯乙烯與N-甲基鄰碘苯胺[3 + 2]環(huán)合反應

光化學反應裝置如圖4所示，光反應儀的中壓汞燈燈管配有光源控制器，燈管置于石英冷凝套管中，通循環(huán)水進行冷卻降溫，反應管置于攪拌器上環(huán)繞冷凝套管放置進行光照，目前國內已有商業(yè)光反應裝置，也可根據需要自行組裝。

圖4 紫外光化學反應裝置

2.5 結果與討論

2.5.1 1-甲基-2-苯基吲哚啉結構表征

1) 核磁共振氫譜表征。

核磁共振波譜儀為Bruker AVANCE III 600M，以氘代氯仿(CDCl3)為溶劑，四甲基硅烷為內標，測試不限于此型號儀器，使用其他廠家以及不同型號的儀器均可獲得相近的核磁數據。

核磁氫譜(圖5)，共15個氫，所構建的五元環(huán)特征峰為高場區(qū)三組多重峰對應其一個亞甲基和次甲基氫，其中δ2.92和3.31兩個氫，是環(huán)上亞甲基峰(CH2)，由于與之相連的叔碳(CH)具有手性，使得兩個氫處于不同的空間環(huán)境，造成化學位移不同，δ4.34一個氫，為CH的氫化學位移。δ2.63處三個氫的單峰，是典型的甲基氫的化學位移特征。δ6.55-7.46低場芳香區(qū)共9個氫，為兩個苯環(huán)上的氫，其中右側苯環(huán)由于其對稱結構，因此有兩組氫化學位移相同，對應δ7.35-7.46兩組兩個氫峰。氫譜數據1H NMR (600 MHz, CDCl3)δ7.44 (dd,J= 8.0, 0.9 Hz, 2H)，7.36 (t,J= 7.5 Hz, 2H)，7.33-7.27 (m,1H)，7.14 (t,J= 7.7 Hz, 1H)，7.06 (d,J= 7.1 Hz, 1H)，6.71 (t,J= 7.4 Hz, 1H)，6.52 (d,J= 7.8 Hz, 1H)，4.34 (dd,J= 11.2, 8.8 Hz, 1H)，3.31 (dd,J= 15.6, 8.8 Hz, 1H)，2.92 (dd,J= 15.6, 11.2 Hz, 1H)，2.61 (s,3H)。

圖5 1-甲基-2-苯基吲哚啉的核磁氫譜

2) 其他鑒定方法。

實驗條件不允許測試核磁共振波譜時，可采取其他方法對產物進行定性的鑒定，如薄層色譜或質譜等。

薄層色譜法(TLC)鑒定，產物在薄層硅膠板上呈現淡紅色，可使用展開劑為石油醚:乙酸乙酯(體積比) = 50 : 1，簡便直觀鑒定產物的生成。

質譜法，產物分子量為209.12，可選擇氣質聯用儀或高分辨液質聯用進行質譜測試，經氣質聯用檢測，除可觀測到該分子離子峰，還可觀察到明顯的失去甲基的離子碎片峰m/z194.0，高分辨質譜測得[M + H]+: 210.1277，理論計算值為210.1283，二者相符。

2.5.2 對照實驗

為進一步增加學生對反應的理解，將學生分為5組，分別開展如表1所示的對照實驗，對照標準反應條件，分別采用不同的光源、添加劑以及無氮氣保護條件下進行反應，保持其他條件不變光照6-8 h，用同樣的方法進行監(jiān)測和后處理。在以上對照實驗條件下，采用不同波長光源會導致收率明顯降低，僅為20%-25%，而未加入磷酸二氫鉀時分離收率會下降至45%-50%，避光條件下則無產物生成，無氮氣保護(即在空氣中進行反應)分離收率下降至40%-45%，實驗結果表明該反應中光是必需條件，而光源、添加劑及空氣中的氧氣對反應均有較大的影響。

表1 對照實驗

2.6 實驗注意事項

(1) 光反應原料N-甲基鄰碘苯胺制備方法較多，可由教師提前處理備用，也可安排連續(xù)實驗由學生制備，亦可由學生自行檢索文獻設計其他合成方法進行準備。

(2) 光化學反應時間較長，需合理安排反應裝置搭建、反應加料、反應監(jiān)測及后處理等步驟。

(3) 溫度升高不利于目標產物的獲得，需在反應過程中通冷凝水將溫度控制在25 °C左右。

(4) 紫外光反應裝置應置于隔離裝置中，避免直接照射損傷眼睛，在取樣進行薄層色譜監(jiān)測時，需將光源關閉，可將氮氣球置于光照管口減少空氣進入機會，取樣結束繼續(xù)密封反應。

2.7 思考題

要求每位同學在完成實驗后提交實驗報告，小組分別記錄所獲得的收率，并在報告的討論部分回答以下問題：

(1) 查閱文獻了解自由基反應相關知識，并分析紫外光化學的優(yōu)缺點；

(2) 考慮本實驗可能影響收率的其他因素有哪些；

(3) 結合文獻，嘗試推斷反應可能的副產物有哪些。

3 結語

本實驗應用紫外光化學方法合成吲哚啉衍生物，具有反應條件溫和、綠色環(huán)保、易于操作等特點，避免過渡金屬的使用，避免高溫高壓反應條件，合成的吲哚啉雜環(huán)骨架是許多具有活性的生物和藥物分子的重要組成部分。將紫外光化學反應這一技術引入有機實驗本科教學中，同時鞏固萃取、旋轉蒸發(fā)、薄層色譜以及柱色譜等操作，熟悉核磁共振波譜鑒定結構的方法并簡單應用，這些能力的培養(yǎng)，為學生進行有機化學科學研究奠定了良好的基礎。一方面可激發(fā)學生對有機化學實驗的興趣，另一方面充分體現了大學化學實驗綠色化和微量化的教學改革目標，適用于本科生的實驗教學。