一种含苯并吡喃潜在染料的合成及晶体结构

吴腊梅，陈　进，蔡　烨，黄正喜，赵新筠

(中南民族大学 化学与材料科学学院, 武汉430074 )

酰胺键是有机化合物中最重要的官能团之一，是构建生物学上重要的聚合物，如肽、蛋白质、商业品尼龙等.共振理论认为酰胺键一般是平面结构，这是由于N上的孤对电子的离域到羰基C==O的π轨道上形成p-π共轭，导致CO―NH键具有大量双键的性质[1].研究者认为：N,N-二烃基酰胺的两个共振结构式一个为中性分子，另一个为两性离子[2]；而N-一烃基酰胺或伯酰胺的两个共振结构式一个为酰胺型，另一个为烯醇型(见图1).

a)中性分子; b)两性离子; c)酰胺型; d)烯醇型图1　酰胺的共振结构Fig.1　Resonance structures of amide

酰胺在不同溶剂不同催化剂体系中以不同的共振结构形式存在.酰胺共振结构随着条件及体系的改变对其化学性质起着决定性影响，通过研究体系条件可以指导和调控酰胺的化学反应.一般情况下酰胺共振结构中CO―NH键具有双键的性质，故酰胺键的亲核取代等反应相对困难，这时需要扭曲这种平面共振结构增加反应性，比如肽键的水解[3,4].而在另一种情况下要用金属催化促进酰胺的烯醇化从而对酰胺N―H键活化脱质子[5]；路易斯酸催化分别对N和O进行烷基化[6].含有酰胺键的化合物不仅化学性质随共振结构变化，分子内及分子间氢键也随共振结构而变化形成氢键聚合体[7].

酰腙是一类含有酰胺键的希夫碱类化合物，除分子中―N==C双键有E/Z异构，分子结构中也会发生类似酰胺的共振结构，由于酰胺键CO―NH具有大量双键的性质而自由旋转受阻，在核磁谱图中常出现两组信号峰，分别为：顺叠/反叠构象[8,9](如图 2).

图2　酰腙的通式和立体化学结构Fig.2　General structure and stereochemistry of acylhydrazone

苯并吡喃是由一个苯环和一个氧杂原子组成的六元杂环化合物，其衍生物是一类以苯并吡喃环为基本骨架的杂环化合物[10].本文合成了一个含有苯并吡喃环的酰腙化合物2，在其核磁谱图中只有一组信号峰出现，与文献及以前工作不相符合.通过单晶X-射线衍射测得其单晶结构为质子转移的两性离子结构，在晶体结构中，氢质子转到亚胺N原子上，形成分子内五元氢键环，连接苯甲酰部分苯环与苯并吡喃环形成一个大的平面共轭体系，分子具有强的可见光吸收, 呈现鲜红色.这种由于酰腙共振结构形成的长链共轭体系与荧光染料分子结构十分类似[11]，而化合物合成更加容易，结构修饰更加便利，在苯环部分和苯并吡喃部分引入不同基团能调控化合物的溶解性及其对可见光的吸收波长的长短即化合物颜色,通过修饰合成可望得到多种荧光染料或生物探针[12].

1　实验部分

1.1　试剂和仪器

4-N,N-二乙氨基水杨醛、乙酰乙酸乙酯、苯甲酰肼、哌啶、无水乙醇、乙酸、乙酸乙酯、石油醚，以上试剂均为分析纯.

核磁共振仪(AVANCE Ⅱ，以TMS为内标的DMSO-d6和CDCl3为溶剂，瑞士Bruker)，X-射线单晶衍射仪(SMART APEX CCD，德国Bruker)，元素分析仪(Vario EL III型，德国Elementar)，数字显示显微熔点测试仪(XT-4 型，巩义市予华仪器)，旋转蒸发仪(RE52CS，上海亚荣生化仪器)，高效薄层板(GF254，青岛海洋化工).

1.2　3-乙酰基-7-二乙氨基-2H-苯并吡喃-2-酮(化合物1)的合成

化合物1的合成反应步骤如图3所示，4-N,N-二乙氨基水杨醛(0.39 g, 2 mmol)与乙酰乙酸乙酯(0.30 mL, 2.4 mmol)按摩尔比为1∶1.2投料，2滴哌啶作催化剂, 3 mL乙醇为溶剂，回流反应2 h.期间，薄层层析监测反应, 体系由暗红色变为深红棕色.冷却后有黄色固体析出，用石油醚/乙酸乙酯(体积比为 1∶1)重结晶，得到黄色晶体，产率为78%. m.p. 155～156 ℃,1H NMR (400 MHz, CDCl3)δ: 1.26 (t,J= 7.1 Hz, 6H), 2.69 (s, 3H), 3.47 (q,J= 7.1 Hz, 4H), 6.48 (d,J= 2.2 Hz, 1H), 6.63 (dd,J= 9.1, 2.3 Hz, 1H), 7.41 (d,J= 9.0 Hz, 1H), 8.45 (s, 1H).13C NMR (100 MHz, CDCl3)δ: 12.43, 30.57, 45.14, 96.55, 108.13, 109.87, 116.03, 131.90, 147.84, 153.02, 158.73, 160.86, 195.67. Anal. calc for C15H17NO3: C 69.48, H 6.61, N 5.40; found C 69.49, H 6.58, N 5.42.

图3　化合物2的合成Fig.3　Synthesis of compound 2

1.3　N′-{1-[7-(二乙氨基)-2-氧代-2H-苯并吡喃-3-]亚乙基}苯甲酰肼(化合物2)的合成

化合物2合成的反应步骤如图 4所示.

化合物1(0.26 g, 1 mmol)与苯甲酰肼(0.16 g, 1.2 mmol)按摩尔比为1∶1.2投料，3 mL乙醇作溶剂，2滴冰醋酸做催化剂，回流反应2 h.期间，薄层层析监测反应，冷却沉淀出固体，过滤，洗涤，烘干，得红色晶体产物化合物2，产率为78%. m.p.216～217 ℃,1H NMR (400 MHz, DMSO-d6)δ: 1.14 (t,J= 6.8 Hz, 6H), 2.32 (s, 3H), 3.46 (q,J= 6.6 Hz, 4H), 6.57 (s, 1H), 6.75(d,J= 9.0 Hz, 1H), 7.41～7.55 (m, 2H), 7.56～7.71 (m, 2H), 7.79～7.98 (m, 2H), 8.09 (s, 1H), 10.72 (s,1H).13C NMR (100 MHz, CDCl3)δ: 12.42, 14.84, 44.99, 96.82, 108.50, 109.45, 127.41, 128.64, 130.26, 131.79, 133.52, 143.09, 151.48, 157.07, 161.08. Anal. calc for C22H23N3O3: C 70.01, H 6.14, N 11.13; found C 69.98, H 6.12, N 11.15. 红色固体产物化合物2溶解于乙醇中静置3 d可得到红色针状单晶，供单晶X-射线衍射实验.

1.4　晶体结构的检测

将化合物2的单晶置于X-射线单晶衍射仪上,于296(2) K, 采用石墨单色化Mo-Ka射线(λ=0.071 073 nm)为衍射光源, 晶体结构用直接法解得，采用SHELXS-97(Sheldrick,1990)[13]. 对所有非氢原子坐标, 使用全距阵最小二乘法进行各项异性温度因子修正.对与N和C原子键合的H原子, 采用骑跨式理论加氢.具体晶体参数见表1，晶体编号: CCDC 1559491.

表1　化合物2的晶体参数

2　结果与讨论

红色晶体化合物2属斜方晶系，P2(1)2(1)2空间群. 每个不对称单元包含4个分子(晶胞图如图5)，晶体结构表明化合物2氢质子转移到亚胺N上.

图5　化合物2的晶胞图Fig.5　Unit celldiagram of compound 2

化合物分子内形成两个五元氢键环(见图6a,虚线表示氢键)，这种氢键其一是由亚胺N―H与烯醇化的酰基氧负离子间形成，N2…O1距离为2.534(4) Å, H2A…O1距离为1.984(4)Å, N2H2A O1键角为120(4)°；其二是亚胺N―H与吡喃酮内酯羰基氧之间形成,N2…O2距离为2.673(4) Å, H2A…O2距离为2.101(4) Å, N2H2A O2键角为123(4)°,氢键数据见表2. 晶体结构显示分子的苯环、酰腙基团及苯并吡喃环几乎共平面，苯环和中间的苯并六元环的二面角仅仅为3.0(1)°，结果见图6及表3.由键长数据可见：C(7)―O(1)距离为1.247(5)Å, 较一般羰基碳氧双键1.23Å明显增长，较p-π共轭的吡喃酮内酯羰基碳氧双键[C(18)―O(2)距离为1.218(5)Å]稍长，说明C(7)―O(1)具有明显的部分单键性质；而C(7)―N(1)距离为1.344(5)Å, 较碳氮单键N(3)―C(19)距离1.469(8)Å短很多，甚至比芳胺的碳氮单键C(15)―N(3)Å距离1.408(7)Å更短,比分子中典型的碳氮双键C(8)―N(2)距离1.303(5)Å稍长，说明C(7)―N(1)具有碳氮双键的性质.

由晶体数据分析可知：酰胺羰基发生烯醇化，C(7)―O(1)单键化，O(1)带一个(单位)负电荷；酰胺键的C(7)―N(1)双键化，酰胺键的N(1)上的质子转移到亚胺―N(2)==C(8)的N(2)上，亚胺N(2)带一个(单位)正电荷，酰腙键形成正负电荷分离的π-π共轭共平面结构，被分子内氢键环所稳定；连接两端的苯环和芳香苯并吡喃酮环形成大的平面共轭体系，固定了酰胺键为反叠构象，―N(2)==C(8)为E型结构.

图6　化合物2的分子内氢键结构及平面结构Fig.6　Intramolecular hydrogen-bonded and planar structure of compound 2

D―H…A键长/ÅD―HH…AD…A键角/°<(DHA)N(2)―H(2A)…O(1)0．866(10)1．984(4)2．534(4)120(4)N(2)―H(2A)…O(2)0．866(10)2．101(4)2．673(4)123(4)C(13)―H(13)…O(2)#10．932．533．381(5)152．4

注：#1表示等效坐标的对称性操作为x+1/2, -y+1/2, -z

表3　化合物2的部分键长及键角

化合物2的核磁氢谱图见图7. 图7中可见：酰胺键CO―NH的化学位移在 10.72，未见关于酰胺键CO―NH旋转的两组顺叠/反叠构象的信号峰,并非文献 [9]中N原子上有大基团造成酰胺键CO―NH键旋转受阻，而是由上述的整个分子形成了大的平面共轭体系所决定的.

图7　化合物2的核磁共振氢谱Fig.7　1H NMR of compound 2

3　结语

本文以4-N,N-二乙氨基水杨醛、乙酰乙酸乙酯以及苯甲酰肼为原料，合成了含有苯并吡喃环的红色酰腙化合物2，核磁氢谱显示无关于酰胺键CO―NH旋转的顺叠/反叠构象的两组信号峰，只有1组信号峰；X-单晶衍射表明化合物是关于酰胺键CO―NH的反叠构象.由于化合物2形成了质子转移的两性离子结构，H质子从酰胺N原子上转到亚胺N原子上，使亚胺N原子带正电，羰基O原子带负电，形成了分子内五元氢键环连接苯甲酰的苯环与苯并吡喃环形成一个大的平面共轭体系, 这一晶体结构可为类似结构和此类化合物的化学反应提供有效佐证.其长链共轭结构类似于荧光染料分子的共轭结构，化合物呈现鲜红色，苯并吡喃环与N,N-二乙基氨基苯环均为较好的发色基团，在此基础上向苯环和苯并吡喃环部分引入不同的基团，为合成新型荧光染料或探针分子提供了新的思路.

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