一類新型[60]富勒烯二氫吲哚衍生物的合成反應(yīng)研究

彭倩娜，王興宇，柴明頂，霍靖文，牟歡，李法寶

(湖北大學化學化工學院， 湖北 武漢 430062)

0 引言

1985年，Kroto等[1]在氦氣流中以激光蒸發(fā)石墨法制備出了毫克級的[60]富勒烯(C60).這是C60的初次報道.而在1990年，Kr?tschmer和Huffman通過電弧法[2]實現(xiàn)了C60的常量合成，極大地推動了富勒烯的發(fā)展.富勒烯獨特的三維全碳中空分子結(jié)構(gòu)獲得了科學界的廣泛關(guān)注，其在材料化學、生物醫(yī)學、納米技術(shù)等各個領(lǐng)域展現(xiàn)了越來越廣泛的應(yīng)用[3-6].但富勒烯在常見有機溶劑中的溶解度極其有限，限制了它在各個領(lǐng)域的發(fā)展，因此通過化學修飾的方法在富勒烯骨架上引入不同官能團以制備結(jié)構(gòu)和功能多樣的富勒烯衍生物是富勒烯化學研究的一個重要領(lǐng)域[7-8].但是，富勒烯的反應(yīng)難以直接進行，并容易生成副產(chǎn)物.因此，為促進反應(yīng)的進行，各類促進劑開始加入到富勒烯的反應(yīng)中.通過促進劑的促進作用能夠制備直接合成法不能合成的新型富勒烯衍生物，且產(chǎn)物更為單一.例如，TEMPO促進的富勒烯四氫吡啶衍生物的合成[9]，對甲苯磺酸促進的酮/芳基硼酸的胺甲基化反應(yīng)合成N-烷基化富勒烯吡咯烷[10].除此之外，還有不少過渡金屬鹽，例如醋酸錳(Mn(OAc)3·2H2O)[11]、醋酸鉛(Pb(OAc)4)[12]及醋酸銅(Cu(OAc)2·H2O)[13]，也成功地應(yīng)用到富勒烯化學的反應(yīng)歷程中.高氯酸鐵(Fe(ClO4)3·xH2O)[14]作為一種便宜、高效的金屬鹽促進劑，也常用于富勒烯化學反應(yīng)中，得到結(jié)構(gòu)新穎的富勒烯衍生物.近年來，在各種促進劑的參與下，已經(jīng)合成出了不同結(jié)構(gòu)的富勒烯衍生物[15-16].在已合成的富勒烯衍生物中，富勒烯二氫吲哚化合物具有一定的生物活性，在生物醫(yī)學領(lǐng)域具有一定應(yīng)用價值，因此備受關(guān)注，但已報道的富勒烯二氫吲哚多為N-取代富勒烯二氫吲哚衍生物[17-18]，針對N-未取代富勒烯二氫吲哚衍生物的系統(tǒng)性合成研究至今鮮有報道.因此，我們進行N-未取代富勒烯二氫吲哚的合成探索，以期拓展富勒烯反應(yīng)及其相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域.

本工作利用[60]富勒烯與芳香醛、芳香胺在高氯酸鐵/三氯化鋁促進體系下的反應(yīng)合成出N-未取代的富勒烯二氫吲哚衍生物，通過改變反應(yīng)溫度、反應(yīng)物當量等，找到制備N-未取代的富勒烯二氫吲哚的最佳反應(yīng)條件，并且在最佳條件下進行底物拓展，合成出一系列的N-未取代富勒烯二氫吲哚衍生物.并采用核磁共振譜(1H NMR和13C NMR)、傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)、紫外光譜(UV-vis)等波譜手段對目標化合物進行結(jié)構(gòu)表征和確認.

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器儀器：中國武漢物理與數(shù)學研究所WIPM400/500(400/500 MHz)核磁共振儀，BX FI-IR型傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜儀(美國Perkin-Elmet公司生產(chǎn)，KBr壓片)，恒溫加熱磁力攪拌器，AL-206型電子天平(上海，梅特勒-拖利多公司)，SHZ-Ⅲ型循環(huán)水式真空泵(上海榮生化學儀器廠)，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，氮氣保護裝置.試劑：所用試劑均為市售，試劑純度均為AR.

1.2 合成表征所有產(chǎn)物都已通過核磁共振譜(1H NMR和13C NMR)進行表征，確認了結(jié)構(gòu)，在所得的所有產(chǎn)物1H NMR譜中，我們都可以清楚地觀察到全部氫質(zhì)子的預(yù)期化學位移和裂分方式.以N-未取代富勒烯二氫吲哚3a為例(圖1)，我們可以清楚地看到化學位移在8.0以上區(qū)域，存在一個N—H質(zhì)子的單峰，而化學位移在6.5～8.0范圍內(nèi)有2個雙重峰、2個三重峰，分別代表著苯環(huán)上的4個氫質(zhì)子，每個峰形與積分值均符合理論預(yù)期情況.可以推斷其結(jié)構(gòu)與預(yù)期產(chǎn)物一致.

圖1 N-未取代富勒烯二氫吲哚3a 1H NMR 圖

在13C NMR譜中，依然以N-未取代富勒烯二氫吲哚3a為例(圖2)，C60骨架中的58個sp2碳出現(xiàn)了27個峰，其中一些峰重疊在了一起，C60剩余的兩個sp3碳出現(xiàn)兩個單峰，它們的分子結(jié)構(gòu)符合Cs對稱性，為預(yù)期產(chǎn)物結(jié)構(gòu).

圖2 N-未取代富勒烯二氫吲哚3a 13C NMR 圖

對于N-未取代富勒烯二氫吲哚3a，我們知道其分子式為C66H5N，理論分子量應(yīng)為811.042 2，而在其高分辨質(zhì)譜(MALDI-TOF MS)譜中(圖3)，可以看到所測得其實際分子量為811.041 7，誤差在合理范圍內(nèi)，因此可以推斷其符合為預(yù)期產(chǎn)物結(jié)構(gòu).

圖3 N-未取代富勒烯二氫吲哚3a MALDI-TOF MS 圖

2 結(jié)果與討論

2.1 合成條件優(yōu)化表1展示了合成N-未取代[60]富勒烯二氫吲哚的條件優(yōu)化過程.以C60與苯甲醛(1a)以及苯胺(2a)的反應(yīng)為例.最初在空氣條件下，將Pb(OAc)4作為促進劑，并以C60/苯甲醛(1a)/苯胺(2a)/促進劑為1∶10∶10∶2的比例，在180 ℃的溫度下進行反應(yīng)，并沒有產(chǎn)物生成 (序號1，表1).隨后用Mg(ClO4)2替代Pb(OAc)4參與反應(yīng)，其他條件不變的情況下，明顯有產(chǎn)物的生成 (序號2, 表1)，但產(chǎn)率較低. 繼續(xù)探索條件，發(fā)現(xiàn)在以相同比例加入Fe(ClO4)3·xH2O，產(chǎn)物產(chǎn)率有所增加 (序號3，表1)，并在此條件下，改變促進劑的量，無論增加還是減少，均產(chǎn)生微量的產(chǎn)物 (序號4和5，表1). 而促進劑的量不變的情況下，將參與反應(yīng)的苯甲醛和苯胺的量增加到20倍當量后，產(chǎn)率有所增加(序號6，表1)，但繼續(xù)增加，產(chǎn)率不增反降 (序號7，表1)，由此確定了苯胺與苯甲醛的最佳反應(yīng)當量.隨后加入與Fe(ClO4)3·xH2O相同當量的促進劑AlCl3，產(chǎn)率明顯增加 (序號8，表1).在此基礎(chǔ)上探索促進劑的當量對反應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)將促進劑的量減少后，產(chǎn)率下降 (序號9，表1). 而將促進劑的量增加，產(chǎn)率不變，但轉(zhuǎn)化率明顯下降 (序號10，表1)，因此只有當促進劑的量都為兩倍當量時，反應(yīng)效果最佳.在確定了反應(yīng)物的比例之后，降低反應(yīng)溫度，產(chǎn)率大大減少 (序號11，表1)，因此當反應(yīng)溫度為180 ℃時，反應(yīng)效果最佳. 緊接著，在反應(yīng)體系中通入氮氣，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)率有所降低 (序號12，表1)，可知空氣中的氧氣對反應(yīng)有促進作用.隨后分別探究了在沒有苯甲醛以及沒有促進劑的情況下的反應(yīng)，均不能生成預(yù)期產(chǎn)物 (序號13和14，表1)，說明苯甲醛與促進劑的存在至關(guān)重要. 接著在相同條件下，將AlCl3分別換成GaCl3、BHT、TEMPO以及TsOH·H2O，反應(yīng)效果均不理想 (序號15-18，表1). 當反應(yīng)條件為空氣，180 ℃條件下，將C60/苯甲醛/苯胺/Fe(ClO4)3·xH2O/AlCl3以1∶20∶20∶2∶2的比例溶在6 mL的鄰二氯苯(ODCB)中攪拌反應(yīng)時，可以得到最優(yōu)產(chǎn)率的N-未取代的富勒烯二氫吲哚 (序號8，表1).

表1 C60與苯甲醛及苯胺反應(yīng)條件的篩選a

在最優(yōu)條件下，我們研究了C60與各種芳香醛以及芳香胺的反應(yīng)，代表性的芳香醛包括苯甲醛(1a)、對氯苯甲醛(1b)、對溴苯甲醛(1c)、對甲基苯甲醛(1d)，典型的芳香胺包括苯胺(2a)、對氯苯胺(2b)、對溴苯胺(2c)、對甲基苯胺(2d)，上述反應(yīng)均生成了一定產(chǎn)率的N-未取代富勒烯二氫吲哚衍生物 (3a-d). 圖4列出了C60與芳香醛(1a-d)和芳香胺(2a-d)的反應(yīng)條件和產(chǎn)率.

圖4 N-未取代富勒烯二氫吲哚的合成路線

值得注意的是，當氟代苯甲醛(1e)與氟代苯胺(2e)反應(yīng)時，可以代替預(yù)期的富勒烯二氫吲哚得到另一種結(jié)構(gòu)新穎的2,3-雙(4-氟苯基)富勒烯惡唑烷衍生物(4)(圖5)，具體原因需要進一步研究.需要特別說明一點，盡管本研究報道的N-未取代富勒烯二氫吲哚(3a-d)與2,3-雙(4-氟苯基)富勒烯惡唑烷(4)產(chǎn)率均在10%左右，但在富勒烯化學修飾領(lǐng)域這是可接受的產(chǎn)率數(shù)據(jù).

圖5 富勒烯惡唑烷的合成路線

2.2 目標化合物的合成與表征

2.2.1 富勒烯二氫吲哚3a的合成 將C60(36.0 mg, 0.05 mmol)、Fe(ClO4)3·xH2O (37.2 mg, 0.10 mmol)和AlCl3(13.3 mg, 0.10 mmol)加入到50 mL三頸燒瓶中，再將6 mL的ODCB加入到上述體系中，使其充分溶解，再加入苯甲醛 (102 μL, 1.0 mmol)、苯胺 (91 μL, 1.0 mmol)，隨后在180 ℃時空氣條件下攪拌，采用薄層色譜法(TCL)監(jiān)測反應(yīng)進程，當產(chǎn)物不再增加時將反應(yīng)停止(共25 min). 停止反應(yīng)后，先采用較短的硅膠層析柱將反應(yīng)中不溶的物質(zhì)過濾，過濾下來的液體利用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀除去所有溶劑后，得到粗產(chǎn)物，然后利用柱層析法對粗產(chǎn)物進行分離純化，用純的CS2作為洗脫劑，首先過下來的是極性較小的未反應(yīng)的C60(29.5 mg, 82%)，繼續(xù)分離得到目標產(chǎn)物N-未取代富勒烯二氫吲哚3a(5.7 mg, 14%, Rf= 0.7), 熔點>300 ℃;3a:1H NMR (500 MHz, CS2/DMSO-d6)δ8.16 (s, 1H), 7.64 (d,J= 7.4 Hz, 1H), 7.24 (t,J= 7.6 Hz, 1H), 6.94 (d,J= 8.0 Hz, 1H), 6.85 (t,J=7.8 Hz, 1H);13C NMR (100 MHz, CS2/DMSO-d6) (all 2C unless indicated)δ=147.96 (1C, aryl C), 147.52, 146.75 (1C), 146.22 (1C), 144.96, 144.94, 144.86, 144.83, 144.77, 144.60, 144.35, 144.25, 143.93, 143.90 (6C), 143.41, 143.31, 141.93, 141.59, 141.55, 141.49 (4C), 141.08, 141.03, 140.98, 140.72, 139.06, 138.63, 134.88, 134.70, 129.20 (1C, aryl C), 124.51 (1C, aryl C), 123.63 (1C, aryl C), 118.00 (1C, aryl C), 109.79 (1C, aryl C), 83.44 (1C, sp3-Cof C60), 73.07 (1C, sp3-Cof C60); FT-IRν/cm-1(KBr)分別為3 393, 2 923, 1 595, 1 476, 1 427, 1 313, 1 261, 1 183, 1 037, 910, 737, 674, 574, 527; UV-vis (CHCl3)λmax/nm 256, 310, 428; HRMS (MALDI-TOF)m/z: [M]-Calcd for C66H5N 811.042 2; Found 811.041 7.

2.2.2 富勒烯二氫吲哚3b的合成 采用與化合物3a相同的合成方法，取C60(36.0 mg, 0.05 mmol)、Fe(ClO4)3·xH2O (37.2 mg, 0.10 mmol)與AlCl3(13.3 mg, 0.10 mmol)和對氯苯甲醛 (140.6 mg, 1.0 mmol)、對氯苯胺 (127.6 mg, 1.0 mmol)溶于6 mL的ODCB中，于180 ℃下反應(yīng)25 min. 柱層析色譜法分離純化，用純的CS2作為洗脫劑，首先過下來的是極性較小的未反應(yīng)的C60(32.0 mg, 89%)，繼續(xù)分離得到目標產(chǎn)物N-未取代富勒烯二氫吲哚3b(3.0 mg, 7%,Rf= 0.7), 熔點>300 ℃;3b:1H NMR (500 MHz, CS2/DMSO-d6)δ=8.36 (s, 1H), 7.62 (s, 1H), 7.19 (d,J= 8.4 Hz, 1H), 6.91 (d,J=8.4 Hz, 1H);13C NMR (125 MHz, CS2/DMSO-d6) (all 2C unless indicated)δ=149.78, 147.11, 146.89 (1C), 146.81 (1C), 146.36 (1C), 145.11, 145.08, 144.96, 144.91 (4C), 144.50, 144.48, 144.19, 144.13, 144.09, 144.02, 143.50, 143.40, 142.04, 141.68, 141.66, 141.62, 141.49, 141.21, 141.14, 141.09, 140.86, 139.83, 138.77, 134.96, 134.94, 129.07 (1C, aryl C), 125.80 (1C, aryl C), 124.65 (1C, aryl C), 121.98 (1C, aryl C), 110.51 (1C, aryl C), 83.92 (1C, sp3-Cof C60), 72.68 (1C, sp3-Cof C60); FT-IR ν/cm-1(KBr)分別為3 435, 2 920, 2 866, 1 474, 1 435, 1 373, 1 251, 1 171, 1 037, 811, 677, 574, 525; UV-vis (CHCl3)λmax/nm 256, 313, 428; HRMS (MALDI-TOF)m/z: [M]-Calcd for C66H4NCl 845.003 2; Found 845.002 8.

2.2.3 富勒烯二氫吲哚3c的合成 采用與化合物3a相同的合成方法，取C60(36.0 mg, 0.05 mmol)、Fe(ClO4)3·xH2O (37.2 mg, 0.10 mmol)與AlCl3(13.3 mg, 0.10 mmol)和對溴苯甲醛 (185.0 mg, 1.0 mmol)、對溴苯胺 (172.0 mg, 1.0 mmol)溶于6 mL的ODCB中，于180 ℃下反應(yīng)35 min. 柱層析色譜法分離純化，用純的CS2作為洗脫劑，首先過下來的是極性較小的未反應(yīng)的C60(30.0 mg, 83%)，繼續(xù)分離得到目標產(chǎn)物N-未取代富勒烯二氫吲哚3c(4.0 mg, 9%,Rf= 0.8), 熔點>300 ℃;3c:1H NMR (500 MHz, CS2/DMSO-d6)δ=8.29 (s, 1H), 7.75 (s, 1H), 7.31 (d,J= 8.4 Hz, 1H), 6.86 (d,J= 8.4 Hz, 1H);13C NMR (125 MHz, CS2/DMSO-d6) (all 2C unless indicated)δ=149.76, 147.19 (1C), 146.98, 146.88 (1C), 146.34 (1C), 145.09, 145.07, 144.95, 144.91, 144.88, 144.49, 144.44, 144.14, 144.13, 144.07, 144.01, 143.49, 143.37, 142.03, 141.67, 141.63, 141.62, 141.48, 141.21, 141.12, 141.07, 140.86, 139.83, 138.76, 134.96, 134.93, 131.84 (1C, aryl C), 127.47 (1C, aryl C), 126.25 (1C, aryl C), 110.99 (1C, aryl C), 108.98 (1C, aryl C), 83.82 (1C, sp3-C of C60), 72.61 (1C, sp3-C of C60); FT-IRν/cm-1(KBr)分別為3 393, 2 917, 2 852, 1 593, 1 471, 1 427, 1 376, 1 269, 1 183, 1 040, 870, 805, 671, 573, 526; UV-vis (CHCl3)λmax/nm 255, 309, 427; HRMS (MALDI-TOF)m/z: [M]-Calcd for C66H4NBr 888.952 7; Found 888.952 1.

2.2.4 富勒烯二氫吲哚3d的合成 采用與化合物3a相同的合成方法，取C60(36.0 mg, 0.05 mmol)、Fe(ClO4)3·xH2O (37.2 mg, 0.10 mmol)與AlCl3(13.3 mg, 0.10 mmol)和對甲基苯甲醛 (118 μL, 1.0 mmol)、對甲基苯胺 (107.2 mg, 1.0 mmol)溶于6 mL的ODCB中，于180 ℃下反應(yīng)30 min. 柱層析色譜法分離純化，用純的CS2作為洗脫劑，首先過下來的是極性較小的未反應(yīng)的C60(30.2 mg, 84%)，繼續(xù)分離得到目標產(chǎn)物N-未取代富勒烯二氫吲哚3d(3.3 mg, 8%,Rf= 0.7), 熔點>300 ℃:3d:1H NMR (500 MHz, CS2/DMSO-d6)δ=7.88 (s, 1H), 7.48 (s, 1H), 7.05 (d,J= 7.9 Hz, 1H), 6.85 (d,J= 7.9 Hz, 1H), 2.37 (s, 3H);13C NMR (125 MHz, CS2/DMSO-d6) (all 2C unless indicated)δ=150.32, 147.88, 146.73 (1C), 146.18 (1C), 145.56 (1C), 144.93, 144.89, 144.83, 144.79, 144.74, 144.61, 144.31, 144.22, 143.90, 143.85 (4C), 143.38, 143.29, 141.90, 141.57, 141.52, 141.47, 141.46, 141.05, 141.00, 140.97, 140.66, 139.61, 138.59, 134.79, 134.65, 129.71 (1C, aryl C), 126.89 (1C, aryl C), 125.08 (1C, aryl C), 123.96 (1C, aryl C), 109.96 (1C, aryl C), 83.62 (1C, sp3-C of C60), 73.12 (1C, sp3-C of C60); FT-IRν/cm-1(KBr)分別為3 438, 2 920, 2 858, 1 495, 1 462, 1 427, 1 263, 1 183, 1 043, 802, 677, 574, 525; UV-vis (CHCl3)λmax/nm 256, 308, 428; HRMS (MALDI-TOF)m/z: [M]-Calcd for C67H7N 825.057 9; Found 825.057 6.

2.2.5 2,3-雙(4-氟苯基)富勒烯惡唑烷4的合成 采用與化合物3a相同的合成方法，取C60(36.0 mg, 0.05 mmol)、Fe(ClO4)3·xH2O (37.2 mg, 0.10 mmol)與AlCl3(13.3 mg, 0.10 mmol)和對氟苯甲醛 (107 μL, 1.0 mmol)、對氟苯胺 (95 μL, 1.0 mmol)溶于6 mL的ODCB中，于180 ℃下反應(yīng)30 min. 柱層析色譜法分離純化，用純的CS2作為洗脫劑，首先過下來的是極性較小的未反應(yīng)的C60(32.0 mg, 89%)，繼續(xù)分離得到非預(yù)期2,3-雙(4-氟苯基)富勒烯惡唑烷衍生物4(4.1 mg, 9%,Rf= 0.8), 熔點>300 ℃;4:1H NMR (500 MHz, CS2/DMSO-d6)δ=8.00 (t,J= 6.1 Hz, 2H), 7.59 (t,J= 6.1 Hz, 2H), 7.28 (s, 1H), 7.11 (t,J= 8.0 Hz, 2H), 6.93 (t,J= 8.0 Hz, 2H);13C NMR (100 MHz, CS2/DMSO-d6) (all 1C unless indicated)δ=164.51 (q,JC-F= 244.8 Hz, aryl C), 159.56 (q,JC-F= 246.0 Hz, aryl C), 149.55, 148.35, 148.17, 147.71, 147.09, 146.85, 145.39, 145.37, 145.29, 145.24 (2C), 145.04 (2C), 144.99 (2C), 144.95, 144.81, 144.74, 144.33, 144.29, 144.23, 144.15, 144.00 (3C),143.89, 143.77, 143.76, 143.55, 143.54 (2C), 143.45, 141.69 (3C), 141.61 (3C), 141.57, 141.32, 141.21 (2C), 141.11, 141.10, 141.06, 140.97, 140.76, 140.74, 140.72, 140.33, 138.69, 138.62, 138.41, 138.06, 137.85 (arylC), 137.50, 137.29, 137.26, 136.48, 130.51 (q,JC-F= 7.4 Hz, 2C, aryl C), 130.36 (aryl C), 128.53 (q,JC-F= 6.9 Hz, 2C, aryl C), 115.09 (q,JC-F= 20.8 Hz, 2C, aryl C), 114.59 (q,JC-F= 20.4 Hz, 2C, aryl C), 95.26, 90.58, 83.18; FT-IRν/cm-1(KBr) 2 919, 1 560, 1 506, 1 457, 1 428, 1 224, 1 180, 1 150, 1 078, 940, 833, 804, 747, 673, 572, 526; UV-vis (CHCl3)λmax/nm 256, 317, 417; HRMS (MALDI-TOF)m/z: [M]-Calcd for C73H9F2NO 953.065 2; Found 953.064 8.

3 結(jié)論

本研究以C60與芳香醛和芳香胺為原料，在Fe(ClO4)3·xH2O/AlCl3促進體系下通過加熱合成了新型的N-未取代富勒烯二氫吲哚衍生物.采用核磁共振譜(1H NMR和13C NMR)、傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)、紫外光譜(UV-vis)等波譜手段對目標化合物進行了結(jié)構(gòu)表征，確認了結(jié)構(gòu).與傳統(tǒng)的合成方法相比，本方法具有反應(yīng)原料便宜易得、操作簡便、產(chǎn)物結(jié)構(gòu)新穎等優(yōu)點. 該化合物在醫(yī)學和材料方面有很大的應(yīng)用前景.