多羧酸受體化合物的差異性結(jié)構(gòu)構(gòu)筑與合成線路優(yōu)化*

成 昭，鄭 蕾，徐 玥，何 昊

（西安醫(yī)學(xué)院 藥學(xué)院，陜西 西安 710021）

作為一種被廣泛應(yīng)用的配體，多羧酸受體能夠以配位鍵與許多金屬形成配位化合物。典型的多羧酸受體，如乙二胺四乙酸（ethylenediamine tetraacetic acid，EDTA）、二（β-氨基乙基）乙二醇醚-N,N,N',N'-四乙酸（ethylene glycol tetraacetic acid，EGTA）以及1,2-二（2-氨基苯氧基）乙烷-N,N,N',N'-四乙酸（1,2-bis（2-aminophenoxy)ethane-N,N,N',N'-tetraacetic acid，BAPTA）[1-3]等，應(yīng)用廣泛、被人們所熟知。在多羧酸受體與目標物的識別過程中，受體的多條柔性羧酸鏈能夠形成包合空腔，將目標物包合于其中。包合空腔的尺寸與其對目標物的包合強度，則依賴于受體分子的羧酸鏈結(jié)構(gòu)。此外，多羧酸受體對目標物的識別與響應(yīng)作用，還被受體分子的電子云密度所影響[4,5]。如何基于受體與目標物在分子水平的結(jié)合機制、進行多羧酸受體的定向結(jié)構(gòu)構(gòu)筑與合成，仍是該領(lǐng)域的研究難點。

進行識別位點數(shù)目與空間排布的差異性設(shè)計，定向構(gòu)筑一系列多羧酸受體T6～T10（圖1）?；陔娮有?yīng)與識別位點設(shè)計，調(diào)控受體T6～T10所形成的包合空腔尺寸，調(diào)節(jié)T6～T10與目標物的結(jié)合強度[6,7]，為闡明多羧酸受體與目標物的可能作用機制提供研究基礎(chǔ)。

圖1 多羧酸受體T6～T10的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structures of the polycarboxyl-acid receptors T6～T10

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

XT-4型顯微熔點儀（北京泰克）；TENSOR T-27型傅里葉變換紅外光譜儀（美國布魯克）；AVANCE III 400MHz型超導(dǎo)核磁共振波譜儀（美國布魯克）；microTOF-QⅡESI-Q-TOF LC/MS/MS型飛行時間-質(zhì)聯(lián)儀（美國布魯克）。

苯胺、鄰氨基酚、鄰苯二胺、N-甲基鄰苯二胺、4-硝基鄰苯二胺、溴乙酸甲酯、二異丙基乙胺、POCl3，均為化學(xué)純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司；N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、乙腈、甲醇、無水乙醇、乙酸乙酯、石油醚、無水K2CO3、無水Na2SO4，均為化學(xué)純，天津市天力化學(xué)試劑有限公司。

1.2 合成路線

以苯胺、鄰氨基酚、鄰苯二胺、N-甲基鄰苯二胺、4-硝基鄰苯二胺、溴乙酸甲酯、POCl3等為原料，經(jīng)4步合成得到一系列多羧酸受體（化合物T6～T10），合成路線（以T8為例）見圖2。

圖2 多羧酸受體T8的合成路線Fig.2 Synthetic route of the polycarboxyl-acid receptor T8

1.2.1 化合物I的合成 合成路線中的化合物I包括N,N-二乙酸甲酯基苯胺，1-O-2-N,N-三乙酸甲酯基-2-氨基苯酚，1-N,N-2-N',N'-四乙酸甲酯基-1,2-二氨基苯，合成方法如下。

（1）N,N-二乙酸甲酯基苯胺 將苯胺（2.28mL,0.025mol）、二異丙基乙胺（21.75mL,0.125mol）、溴乙酸甲酯（11.75mL,0.125mol）于25 mL乙腈中混合均勻，80℃反應(yīng)12h。待反應(yīng)結(jié)束、冷卻，以100mL冰水稀釋、二氯甲烷（100mL×3次）萃取，無水Na2SO4干燥、旋干，柱分離（V乙酸乙酯∶V石油醚=1∶3為洗脫劑），得到N,N-二乙酸甲酯基苯胺。

（2）1-O-2-N,N-三乙酸甲酯基-2-氨基苯酚，1-N,N-2-N',N'-四乙酸甲酯基-1,2-二氨基苯 合成方法類似N,N-二乙酸甲酯基-苯胺，反應(yīng)物投入量分別為2-氨基苯酚（1.09g，0.01mol）、二異丙基乙胺（13.05mL，0.075mol）、溴乙酸甲酯（7.05mL，0.075mol）；鄰苯二胺（1.08g,0.01mol）、二異丙基乙胺（17.4mL,0.1mol）、溴乙酸甲酯（9.4mL,0.1mol）。

1.2.2 化合物II的合成 合成路線中的化合物II包括4-甲?；?N,N-二乙酸甲酯基苯胺，5-甲?；?1-O-2-N,N-三乙酸甲酯基-2-氨基苯酚，5-甲?；?1-O-2-N,N-三乙酸甲酯基-2-氨基苯酚，合成方法如下。

5～10℃下，將POCl3（2.4mL）緩慢滴加于20mL DMF中，再將上述POCl3/DMF混合物滴加至化合物I（0.01mol）的20mL DMF溶液中，75℃反應(yīng)4h。待反應(yīng)結(jié)束、冷卻，倒入100mL冰水中，抽濾，固體粗品柱分離（V乙酸乙酯∶V石油醚=1∶1為洗脫劑），得到產(chǎn)物II。

化合物I用量N,N-二乙酸甲酯基苯胺（2.37g,0.01mol），1-O-2-N,N-三乙酸甲酯基-2-氨基苯酚（3.25g,0.01mol），1-N,N-2-N',N'-四乙酸甲酯基-1,2-二氨基苯（3.96g,0.01mol）。

1.2.3 化合物S6～S10的合成 將化合物II（1mmol）與N-甲基鄰苯二胺（0.12g,1mmol，制備S6/S8/S9）或4-硝基鄰苯二胺（0.16g,1mmol，制備S7/S10）溶于20mL無水乙醇中，78℃反應(yīng)4h，待反應(yīng)結(jié)束、冷卻，旋干，柱分離（V乙酸乙酯∶V石油醚=2∶1為洗脫劑），得到化合物S6～S10。

化合物II用量4-甲?；?N,N-二乙酸甲酯基苯胺（0.27g,1mmol），5-甲?；?1-O-2-N,N-三乙酸甲酯基-2-氨基苯酚（0.35g，1mmol），5-甲?；?1-O-2-N,N-三乙酸甲酯基-2-氨基苯酚（0.42g,1mmol）。

1.2.4 化合物T6～T10的合成 當應(yīng)用于水系環(huán)境時，乙酸甲酯形式的多羧酸配體S6～S10可水解為其羧酸鹽形式，即化合物T6～T10。水解方法為：將S6（0.0367g，0.1mmol）、CsOH·H2O（0.1679g，1mmol）于10mL無水甲醇中混合均勻，80℃反應(yīng)12h。待反應(yīng)結(jié)束、冷卻，旋干，得到多羧酸配體S6的銫鹽，即化合物T6。

T7～T10的制備方法類似，反應(yīng)用量為S7（0.0398g，0.1mmol）、S8（0.0455g，0.1mmol）、S9（0.0526g，0.1mmol）、S10（0.0557g，0.1mmol）。

1.3 結(jié)構(gòu)表征

IR采用KBr壓片法對各步合成產(chǎn)物進行IR測試，波數(shù)范圍4000～400cm-1。

1H NMR以TMS為內(nèi)標、CDCl3為溶劑，進行400MHz的氫核磁共振分析。經(jīng)1H NMR、IR與MS表征，S6～S10結(jié)構(gòu)正確，經(jīng)合成引入的羰基、醚鍵等官能團均呈現(xiàn)其特征吸收，特征氫位移均能由1H NMR進行歸屬，符合預(yù)期結(jié)構(gòu)設(shè)計，各化合物的結(jié)構(gòu)表征數(shù)據(jù)如下。

（1）N,N-二乙酸甲酯基苯胺 淡黃色油狀物，產(chǎn)率88%。1H NMR（CDCl3,400MHz），δ：6.75（t,J=8.0Hz,2H,Ar-H），6.31（t,J=7.3Hz,1H,Ar-H），6.14（d,J=8.4Hz,2H,Ar-H），3.67（s,4H,2×-CH2-），3.28（s,6H,2×-CH3）。IR（KBr），ν，cm-1：3031.33（ν=C-H），2952.76、2849.55（νC-H），1742.01（νC=O），1601.25、1504.75（νC=C），1270.22（νC-O），1204.01（νC-N），752.82、693.38cm-1（δ=C-H）。ESI-MS，m/z：260.0891[M+Na]+。

（2）1-O-2-N,N-三乙酸甲酯基-2-氨基苯酚 白色粉末，產(chǎn)率89%，熔點65～66℃。1H NMR（CDCl3,400MHz），δ：6.92（d,J=3.9Hz,2H,Ar-H），6.81（d,J=7.7Hz,2H,Ar-H），4.67（s,2H,-CH2-），4.22（s,4H,2×-CH2-），3.79（s,3H,-CH3），3.73（s,6H,2×-CH3）。IR（KBr），ν，cm-1：2991.62、2953.79（νC-H），1750.68（νC=O），1590.23、1511.35（νC=C），1202.91（νC-O），750.34（δ=C-H）。ESI-MS，m/z：348.1055[M+Na]+。

（3）1-N,N-2-N',N'-四乙酸甲酯基-1,2-二氨基苯 白色粉末，產(chǎn)率89%，熔點135～136℃。1H NMR（CDCl3,400MHz），δ：7.05～7.09（m,2H,Ar-H），6.92～6.98（m,2H,Ar-H），4.32（s,8H,4×-CH2-），3.66（s,12H,4×-CH3）。IR（KBr），ν，cm-1：2954.99（νC-H），1737.74（νC=O），1595.73、1498.15（νC=C），1206.20（νC-O），768.23cm-1（δ=C-H）。ESI-MS，m/z：419.1420[M+Na]+。

（4）4-甲?；?N,N-二乙酸甲酯基苯胺 淡黃色粉末，產(chǎn)率85%，熔點58～60℃。1H NMR（CDCl3,400MHz），δ：9.79（s,1H,-CHO），7.76（d,J=7.8Hz,2H,Ar-H），6.66（d,J=8.0Hz,2H,Ar-H），4.23（s,4H,2×-CH2-），3.79（s,6H,2×-CH3）。IR（KBr），ν，cm-1：2824.47、2743.11（ν-CHO），1746.67（νC=O），1599.54、1523.10（νC=C），1207.48（νC-O），814.96cm-1（δ=C-H）。ESI-MS，m/z：288.0847[M+Na]+。

（5）5-甲?；?1-O-2-N,N-三乙酸甲酯基-2-氨基苯酚 淡黃色粉末，產(chǎn)率82%，熔點91～92℃。1H NMR（CDCl3,400MHz），δ：9.78（s,1H,-CHO），7.41（d,J=8.2Hz,1H,Ar-H），6.80（d,J=8.2Hz,2H,Ar-H），4.67（s,2H,-CH2-），4.29（s,4H,2×-CH2-），3.81（s,3H,-CH3），3.79（s,6H,2×-CH3）。IR（KBr），ν，cm-1：3078.89（ν=C-H），1747.87、1681.41（νC=O），1600.55、1519.89（νC=C），1212.84、1168.57（νC-O），869.87、801.79、760.94（δ=C-H）。ESI-MS，m/z：376.1000[M+Na]+。

（6）4-甲?；?1-N,N-2-N',N'-四乙酸甲酯基-1,2-二氨基苯 淡黃色粉末，產(chǎn)率88%，熔點114～115℃。1H NMR（CDCl3,400MHz），δ：9.84（s,1H,-CHO），7.60（s,1H,Ar-H），7.50（d,J=8.2Hz,1H,Ar-H），7.11（d,J=8.6Hz,1H,Ar-H），4.44（s,4H,2×-CH2-），4.30（s,4H,2×-CH2-），3.69（s,6H,2×-CH3），3.67（s,6H,2×-CH3）。IR（KBr），ν，cm-1：3003.45（ν=C-H），2955.46、2919.72（νC-H），1740.53（νC=O），1593.81、1505.48（νC=C），1207.25（νC-O），906.75、834.22cm-1（δ=C-H）。ESI-MS，m/z：447.1378[M+Na]+。

（7）4-（N-甲基苯并咪唑）-N,N-二乙酸甲酯基苯胺（S6）黃色固體，產(chǎn)率70%，熔點170～172℃。1H NMR（400MHz,CDCl3），δ：7.86（d,J=8.0Hz,2H,Ar-H），7.46～7.49（m,2H,Ar-H），7.11～7.14（m,2H,Ar-H），6.61（d,J=7.3Hz,2H,Ar-H），4.14（s,4H,2×-CH2-），3.71（s,6H,2×-CH3），3.26（s,3H,-CH3）。IR ν：3389.23（νN-H），2924.26（νC-H），1735.15（νC=O），1606.24、1509.23、1473.08（νC=C），1479.7cm-1（νN=H），1195.39（νC-O），757.17（δ=C-H）。ESI-MS m/z：368.1610[M+H]+。

（8）4-（4-硝基苯并咪唑）-N,N-二乙酸甲酯基苯胺（S7）紅色固體，產(chǎn)率68%，熔點132～134℃。1H NMR（400MHz,CDCl3）δ：8.45（s,1H,Ar-H），8.15（d,J=7.6Hz,1H,Ar-H），7.91（d,J=7.9Hz,2H,Ar-H），7.60（d,J=8.0Hz,1H,Ar-H），6.87（d,J=7.6Hz,2H,Ar-H），5.30（s,1H,-NH-），4.20（s,4H,2×-CH2-），3.79（s,6H,2×-CH3）。IR（KBr），ν，cm-1：3387.06（νN-H），2957.04、2920.92、2851.78（νC-H），1741.76（νC=O），1610.92、1497.82（νC=C），1176.05（νC-O），815.66、737.75（δ=C-H）。ESI-MS，m/z：421.1116[M+Na]+。

（9）5-（N-甲基苯并咪唑）-1-O-2-N,N-三乙酸甲酯基-2-氨基苯酚（S8）黃色固體，產(chǎn)率73%，熔點147～150℃。1H NMR（400MHz,CDCl3），δ：7.58（dd,J=6.0,3.1Hz,4H,Ar-H），6.99（d,J=7.6Hz,2H,Ar-H），6.81（s,1H），4.89（s,2H,-CH2-），4.31（s,4H,2×-CH2-），3.78（s,3H,-CH3），3.73（s,6H,2×-CH3），3.56（s,3H,-CH3）。ESI-MS，m/z：456.1763[M+H]+。

（10）4-（N-甲基苯并咪唑）-1-N,N-2-N',N'-四乙酸甲酯基-1,2-二氨基苯（S9）黃色固體，產(chǎn)率67%，熔點128～129℃。1H NMR（400MHz,CDCl3），δ：7.87（s,1H,Ar-H），7.66～7.68（m,1H,Ar-H），7.57～7.58（m,2H,Ar-H），7.24～7.26（m,2H,Ar-H），7.17（d,J=7.6Hz,1H,Ar-H），4.33（s,4H,2×-CH2-），4.31（s,4H,2×-CH2-），3.88（s,6H,2×-CH3），3.87（s,6H,2×-CH3），3.65（s,3H,-CH3）。IR（KBr），ν，cm-1：3171.92（νN-H），3022.32（ν=C-H），2975.51（νC-H），1682.81（νC=O），1019.17（νC-O），751.05（δ=C-H）。ESI-MS，m/z：527.2139[M+H]+。

（11）4-（4-硝基苯并咪唑）-1-N,N-2-N',N'-四乙酸甲酯基-1,2-二氨基苯（S10） 紅色固體，產(chǎn)率70%，熔點182～183℃。1H NMR（400MHz,CDCl3），δ：7.66～7.68（m,1H,Ar-H），7.52～7.53（m,2H,Ar-H），7.22～7.24（m,2H,Ar-H），7.15（d,1H,J=8.2Hz,Ar-H），4.57（s,1H,-NH-），4.35（s,4H,2×-CH2-），4.33（s,4H,2×-CH2-），3.88（s,6H,2×-CH3），3.87（s,6H,2×-CH3）。IR（KBr），ν，cm-1：3436.29（νN-H），2959.73、2928.68、2871.10（νC-H），1728.08（νC=O），1594.21（νC=C），1125.12、1073.67（νC-O），743.69（δ=C-H）。ESI-MS，m/z：558.1832[M+H]+。

2 結(jié)果與討論

多羧酸配體的合成路徑分為4步，其中，第3步苯并咪唑縮合反應(yīng)的產(chǎn)物收率相對較低，為提高合成路徑總產(chǎn)率，進行了縮合步驟的反應(yīng)影響因素考察、線路優(yōu)化與機制分析，得到了較優(yōu)縮合反應(yīng)條件。

2.1 溶劑對苯并咪唑縮合反應(yīng)的影響

控制反應(yīng)物用量為4-甲?；?N,N-二乙酸甲酯基苯胺（0.27g,1mmol）與N-甲基鄰苯二胺（0.12g,1mmol），以S6的合成為例，進行苯并咪唑縮合反應(yīng)的反應(yīng)溶劑考察。在二氯甲烷、乙醚、四氫呋喃等10種溶劑體系中[8,9]（表1），分別考察反應(yīng)4h時以提純產(chǎn)物質(zhì)量計算的產(chǎn)物收率，進而實現(xiàn)反應(yīng)溶劑優(yōu)化與篩選[10,11]。

表1 溶劑對苯并咪唑縮合反應(yīng)的影響Tab.1 Influence of solvents on the condensation reaction of benzimidazole

1,4-二氧六環(huán)做溶劑時，S6收率可達到90%，無水乙醇作反應(yīng)溶劑時，收率次之，達到70%。而1,4-二氧六環(huán)遇高熱或氧化劑均不穩(wěn)定，光照條件下或接觸氧氣時，因可能生成過氧化物，1,4-二氧六環(huán)還具有潛在爆炸危險。經(jīng)綜合考慮與反復(fù)實驗驗證，最終選取無水乙醇為反應(yīng)溶劑，應(yīng)用于乙酸甲酯型配體分子S6～S10的合成時，無水乙醇反應(yīng)體系的收率均可達到約70%。

2.2 苯并咪唑縮合反應(yīng)的反應(yīng)機理

以取代鄰苯二胺（N-甲基鄰苯二胺、4-硝基鄰苯二胺）與化合物II（芳香醛）為反應(yīng)物，通過縮合反應(yīng)制備S6～S10。其中，縮合反應(yīng)的溫度考察實驗顯示，低溫冰浴條件下，反應(yīng)4h的縮合產(chǎn)物為油狀物（a），放置數(shù)天后，油狀物發(fā)生明顯的性狀改變，得到新的黃色固體產(chǎn)物（b）。分別進行上述化合物（a）、（b）的紫外-可見與紅外光譜分析，特征譜帶均顯示出明顯差異。紫外-可見光譜中，化合物（a）的吸收譜帶峰值分別位于307.0、294.5、248.0以及212.0nm，而（b）的吸收譜帶峰值為291.0、245.0和212.0nm。紅外光譜中，（a）的特征吸收譜帶為3066.8cm-1（ν=C-H）、1681.8cm-1（νN=H）、1030.1cm-1（νC-O-C），而化合物（b）的氮氫伸縮振動為1479.7cm-1（νN=H），較化合物（a）的相應(yīng)特征峰位置紅移202.1cm-1。綜合光譜分析結(jié)果，推測該反應(yīng)的可能中間產(chǎn)物（a）為席夫堿類化合物，（b）為縮合反應(yīng)產(chǎn)物苯并咪唑結(jié)構(gòu)（圖3），紅外光譜特征氮氫伸縮振動的紅移，可能是由于咪唑環(huán)上的碳氮鍵介于碳氮單鍵與碳氮雙鍵之間，相比碳氮單鍵有所紅移。另據(jù)文獻報道[12-14]，該反應(yīng)的苯并咪唑縮合產(chǎn)物受反應(yīng)熱力學(xué)與動力學(xué)因素影響較大[15]。芳香醛與取代鄰苯二胺先加成后消去、給出席夫堿產(chǎn)物，繼而發(fā)生關(guān)環(huán)、得到苯并咪唑縮合產(chǎn)物。（a）席夫堿產(chǎn)物是速率產(chǎn)物與熱力學(xué)產(chǎn)物，在反應(yīng)中先生成，低溫條件亦可穩(wěn)定存在。（b）苯并咪唑縮合產(chǎn)物較（a）席夫堿產(chǎn)物穩(wěn)定，升高反應(yīng)溫度或延長反應(yīng)時間即能得到，經(jīng)反應(yīng)溫度與溶劑選擇，最終確定該縮合反應(yīng)的最優(yōu)反應(yīng)條件為無水乙醇反應(yīng)體系、78℃下進行回流反應(yīng)，反應(yīng)時長為4h。

圖3 苯并咪唑縮合反應(yīng)的反應(yīng)機理Fig.3 Reaction mechanism of the benzimidazole condensation

3 結(jié)論

針對多羧酸受體識別位點、包合空腔與其對目標物的包合強度等研究熱點與難點，進行多羧酸受體的定向結(jié)構(gòu)構(gòu)筑與合成。設(shè)計空間排布與數(shù)目均具有差異性的羧酸柔性鏈作為多羧酸受體識別位點，以給電子、吸電子基團引入調(diào)節(jié)多羧酸受體與目標物結(jié)合程度的強弱，合成得到多羧酸受體分子T6～T10。此外，針對合成路線中的關(guān)鍵步驟——縮合，進行反應(yīng)條件優(yōu)化與反應(yīng)機制研究，闡明了反應(yīng)機制，得到了較優(yōu)的合成反應(yīng)條件。通過多羧酸受體的差異性結(jié)構(gòu)設(shè)計、合成優(yōu)化、機制研究，為未來工作中進一步闡明多羧酸受體進行目標物識別、結(jié)合的可能作用機制提供了研究基礎(chǔ)。