苯并咪唑及其衍生物是一类重要的生物活性物质,在药物领域具有广谱活性,如抗肿瘤[1]、抗HIV-1病毒[2]、抗高血压[3]、抗糖尿病[4]、及抗菌、抗炎、抗寄生虫等[5,6].同时,因具有优良的光学性能、丰富的π电子、良好的刚性平面结构和稳定性等优点,苯并咪唑化合物及其配合物被广泛用于分子/离子识别[7,8]、光电材料[9～11]和金属有机催化剂[12]等领域.因此,合成含苯并咪唑结构化合物对新药及新材料的研究和开发都具有十分重要的意义.研究表明,具有大范围共轭结构的电子给体能有效提高光敏材料的发光性能[9,13],咔唑是蓝色磷光主体材料中常见的分子片段[14].鉴于此,本文选用结构简单、具有优越空穴传输性能的咔唑化合物为原料,合成了具有拓展π结构的目标化合物,期待筛选和进一步合成有更佳性能的光敏材料。
     苯并咪唑衍生物的合成一般经两种途径:第一种是以邻苯二胺与羧酸或其衍生物为原料,在盐酸[15]、多聚磷酸[16]等作用下合成,这种方法通常需要强酸性条件、反应时间较长,有些反应要在高温下进行.第二种是近年来报道较多的方法,其以邻苯二胺与醛类化合物为原料,在氧化剂如DDQ[17],Me2S＋BrBr－[18],或催化剂如Co(OH)2和CoO[19],Ce(NH4)2(NO3)6[20],苯磺酸[21]等作用下经环化-氧化脱氢合成.然而,这种方法也有一些不足之处,如后处理复杂、需化学计量甚至过量的氧化剂,许多反应还产生毒性大或污染环境的副产物等.本文以咔唑为原料,经烷基化、甲酰化反应,合成N-烃基咔唑-3-甲醛,然后以无水甲醇为溶剂,所制备的N-烃基咔唑-3-甲醛与邻苯二胺在45℃、无催化剂存在下经缩合-环化“一锅”反应合成了两类含咔唑结构的苯并咪唑衍生物2和3(Scheme1)。
     1结果与讨论
     Varala[22]、杨红伟等[23]报道,邻苯二胺与两倍量的芳醛反应先生成双席夫碱中间产物,后者再重排得到1,2-二取代苯并咪唑衍生物.Lin等[24]报道,苯甲醛等与邻苯二胺反应,经单席夫碱关环生成苯并咪唑啉中间体,后者经空气中O2氧化脱氢生成2-取代苯并咪唑衍生物.崔丽君等[25]报道,4-甲基苯甲醛与邻苯二胺在等物质的量的比为1∶1时反应,同时生成经单席夫碱或双席夫碱中间体转化的两种苯并咪唑衍生物.根据实验结果,N-烃基咔唑-3-甲醛与邻苯二胺的反应也同时生成两种苯并咪唑衍生物(可能的反应机理见Scheme2),而溶剂的选择及用量、反应物配比和反应温度等均对反应结果有显著的影响(表1)。
     溶剂的选择及用量对反应产物的组成和产率有较大的影响.以10mL无水甲醇为溶剂、2.2mmolN-烯丙基咔唑-3-甲醛与1.0mmol邻苯二胺于45℃反应7h，化合物2c产率为78.6%,化合物3c产率为18.5%(表1,Entry1).选用乙腈替代甲醇作溶剂进行反应,产物2c的产率仅为35.7%,而3c的产率增大为36.3%(表1,Entry6);同时,反应混合物中还有大量原料N-烯丙基咔唑-3-甲醛未反应,即乙腈为溶剂不利于中间产物双席夫碱的生成.另外,在双席夫碱重排生成苯并咪唑类化合物的过程中需有活泼氢的参与[22],故非质子化溶剂乙腈也不利于该重排的进行.因此,乙腈为溶剂的反应,2c的产率远低于同等条件下甲醇为溶剂的反应.如将溶剂甲醇的用量增加至15或20mL,则2c产率相继下降,而3c产率相应增加,但总产率均底于表1,Entry1的97.1%(表1,Entries2,3).溶剂用量增加,反应物浓度降低,不利于生成中间产物双席夫碱,故2c产率下降;与此同时,有利于生成经由单席夫碱-苯并咪唑啉中间体所生成的产物3c。
     反应物的配比决定了产物的组成.如表1中Entry1所示,N-烯丙基咔唑-3-甲醛与邻苯二胺在等物质的量的比为2.2∶1时反应,化合物2c的产率远高于化合物3c；把两反应物的配比改为1∶1.2,45℃下将溶有2.0mmol醛的8mL无水甲醇溶液缓慢滴加到2.4mmol邻苯二胺的2mL无水甲醇溶液中,40min滴加毕,保温反应6.5h,所得化合物2c产率为34.6%,化合物3c产率为55.7%(表1,Entry5).邻苯二胺过量的情况下,反应有利于生成单席夫碱中间体及其环化产物化合物3c，但也生成了一定量的化合物2c。
      升高反应温度,有利于生成化合物3c(表1,Entry4).反应中,醛与邻苯二胺经缩合-环化反应生成中间体苯并咪唑啉,后者被空气中的O2氧化生成化合物3c,升高温度有利于氧化脱氢反应。
      2结论
      无催化剂存在下,以无水甲醇为溶剂,N-烃基咔唑-3-甲醛与邻苯二胺经缩合-环化“一锅”反应合成了两类新型含咔唑结构单元的苯并咪唑衍生物2a～2e和3a～3e.合成反应中,反应物配比、溶剂选择及其用量对反应结果的影响较大,在一定范围内温度对反应的影响相对较小.通过改变反应物的摩尔比可选择性地得到以其中一类苯并咪唑衍生物为主的产物.本合成方法具有反应条件温和、操作简便、产率理想和对环境友好等优点。
      3实验部分
      3.1仪器与试剂
      X-6显微熔点仪(北京泰克仪器有限公司,温度未经校正);Eqinox55红外光谱仪(德国Bruker公司);Inova300NB核磁共振仪(美国Varian公司);4000QTRAP质谱仪(美国ABSciex公司);CHNS/O2400有机元素分析仪(美国PerkinElmer公司).所用试剂均为市售分析纯或化学纯试剂,未进一步纯化;实验中所用水为去离子水。
      3.2实验方法
      3.2.1N-烃基咔唑-3-甲醛的合成N-烃基咔唑-3-甲醛(1)的合成方法见辅助材料。
      3.2.2含咔唑基苯并咪唑衍生物2和3的合成合成通法:25mL二口瓶中加入2.2mmolN-烃基咔唑-3-甲醛(1),10mL无水甲醇,升温至45℃使固体完全溶解,加入1.0mmol邻苯二胺,保持温度45℃,磁力搅拌下反应一定时间(TLC跟踪反应).反应毕,得黄色沉淀,滤集固体,以无水甲醇重结晶,过滤,得化合物2;重结晶母液经硅胶柱层析分离,乙酸乙酯洗脱,得化合物3.其中合成3a～3c反应7h,合成3d和3e反应6h。1-(9-乙基咔唑-3-亚甲基)-2-(9-乙基咔唑-3-基)苯并咪唑(2a):浅黄色固体,产率73.4%.m.p.153.3～154.1℃;1HNMR(CDCl3,300MHz)δ:8.53(d,J＝1.2Hz,1H。