（有机化学专业论文）咪唑衍生物及其金属配合物的合成与结构表征.pdf

摘要 ，咪唑作为一种重要的杂环化合物，具有很高的生物活性。被广泛的应用于 医药、农药、染料以及显影剂等方面。此外，咪唑类化合物作为有机含氮杂环 化合物，还具有良好的配位能力，在配位化学中占有非常重要的地位。咪唑及 其衍生物的配位聚合物，具有独特的光学性质、磁性、催化和生物活性，而且 具备复合高分子的特点，在应用新材料、分子识别和超分子自组装等方面有广 阔的应用前景。 本论文设计、合成了一系列咪唑衍生物，并对其结构进行了表征。利用水 热溶剂热合成技术，合成了一系列咪唑羧酸配位聚合物并且对其结构进行了表 征。 论文的具体内容如下： 1 、设计合成了2 一( 4 ，5 - - - 苯基咪唑- 2 - 基) 苯甲酸、4 一( 4 ，5 一二苯基咪哗一2 一基) 苯甲酸、4 ，5 一二甲基- 2 - ( 2 一羟基苯基) 咪唑、4 ，5 一二甲基一2 一( 4 一羟基苯 基) 咪唑等四种咪唑衍生物。通过红外、元素分析、核磁对其结构进行了表 征。其中，4 ，5 一二甲基- 2 - ( 2 一羟基苯基) 咪唑经过培养得到有机单晶，并表 征了其结构。 2 、利用水热溶剂热合成技术，成功合成了5 个咪唑羧酸类化合物的金属配合物。 并通过x 一射线单晶衍射测试表征了它们的结构。 关键词：咪唑；羧酸；合成；金属配位物；晶体结构 a b s t r a c t a b s t r a c t a sam a j o rk i n d o fh e t e r o c y c l i cc o m p o u n d s ，i m i d a z o l ep o s s e s v e r yh i 曲 b i o l o g i c a la c t i v i t y i tw a sw i d e l yu s e da sm a j o ri n g r e d i e n t si nm a n yp r o d u c t s ，s u c ha s m e d i c i n ed r u g ，p e s t i c i d e ，d y e s t u f f sa n dp h o t o g r a p h i cd e v e l o p e r f u t h e rm o r e ， i m i d a z o l ep l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nc o o r d i n a t i o nc h e m i s t r yc o m p o u n d sf o ri te x i b i t s v e r yg o o da b i l i t yt oc o o r d i n a t et om e t a l sw i t he l e c t r o n i cd o n o r - - - t w on a t o m si n t h e i rf o r m u l a s i m i d a z o l ea n di t sd e r i v a t i v ec o o r d i n a t i o np o l y m e r sh a v ep e c u l i a r o p t i c a lp r o p e r t i e s ，s u c ha sm a g n e t i s m ，c a t a l y t i ca n db i o l o g i c a la c t i v i t y , m o r e o v e r , h a v es o m es o r to fc h a r a c t e r so fc o m b i n e dp o l y m e r s ，i th a saw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n p r o s p e c ti nn e wm a t e r i a l s ，m o l e c u l a rr e c o g n i t i o na n ds u p r a m o l e c u l a rs e l f - a s s e m b l y i nt h i sp a p e r , w ed e s i g n e da n ds y n t h e s i z e das e r i e so fi m i d a z o l ed e r i v a t i v e s ，a n d c h a r a c t e r i z e di t ss t r u c t u r e f u r t h e r m o r e ，s e v e r a li m i d a z o l ec a r b o x y l i c a c i d c o o r d i n a t i o n p o l y m e r sw e r es y n t h e s i z e du s i n gt h o s el i g a n d sw h i c hw eh a v e s y n t h e s i z e db yh y d r o t h e r m a l s o l v o t h e r m a ls y n t h e s i st e c h n o l o g y , a n dc h a r a c t e r i z e d t h e i rs t r u c t u r eb yx - r a y c o n c r e t ec o n t e n t so ft h i sp a p e rw e r ec a r r i e do u ta sf o l l o w s ： 1 f o u ri m i d a z o l ed e r i v a t i v e s ：2 一( 4 ，5 - d i p h e n y l 一1h i m i d a z o l 一2 - y 1 ) b e n z o i ca c i d ， 4 一( 4 ，5 - d i p h e n y l - 1h i m i d a z o l - 2 一y 1 ) b e n z o i ca c i d ，2 ( 4 ，5 - d i m e t h y l - ih i m i d a z o l 2 - y 1 ) p h e n o l ，a n d4 一( 4 ，5 - d i m e t h y l - 1 h - i m i d a z o l 2 - y 1 ) p h e n o l w e r e s y n t h e s i z e d a n d c h a r a c t e r i z e db yi r ，e l e m e n t a la n a l y s i sa n d1 h n m r m o r eo v e r , a no r g a n i cc r y s t a lo f 2 - ( 4 ，5 一d i m e t h y l - 1h - i m i d a z o l 一2 y 1 ) p h e n o l w a s g o tb yr e c r y s t a l i z e d f r o mh o t e t o h h 2 0 ，a n dc h a r a c t e r i z e db yx r a y 2 f i v ei m i d a z o l ec a r b o x y l i ca c i dc o o r d i n a t i o np o l y m e r sw e r es u c c e s s f u l l y s y n t h e s i z e db yh y d r o t h e r m a l s o l v o t h e r m a ls y n t h e s i st e c h n o l o g y , a n de a c ho ft h e m w a sc h a r a c t e r i z e db yx r a y k e yw o r d s ：i m i d a z o l e ；c a r b o x y l i ca c i d ；s y n t h e s i s ；m e t a lc o o r d i n a t i o np o l y m e r ； c r y s t a ls t r u c t u r e i i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得直昌太堂或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) 彳可坡 签字日期肿年，- 月万日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南昌太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授 权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名( 手写) ：t 激导师签名( 手写) ：删 签字日期：户霸年( 月万日 签字同j 朝：沙移年f 髟月砂日 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 咪哗是一种含有两个氮原子的五元杂环化合物，作为五元杂环化合物的重 要一员，广泛存在于天然产物中f i 】，它不仅是生物体内组氨酸的组分，也是脱 氧核糖核酸( d n a ) 和核糖核酸( r n a ) 中嘌呤的组分，且在肌肽内也含有咪哗结构。 它的弱碱性在组氨酸中起传递质子、使简单酯进行水解的作用1 2 j 。咪唑作为许 多酶的活性中心功能基，参与了重要的生物化学反应，对生命活动起着十分重 要的作用1 3 1 。由于其结构的优越性、重要的生理活性、良好的反应活性以及其 他优良特性，咪唑及其衍生物的应用十分广泛。因而，百余年来咪唑及其衍生 物的合成、应用及配位聚合物的研究从未间断，至今仍十分活跃。 由于咪唑分子具有一个闭合的大键，且其中一个氮原子未成键的s p 2 轨 道上有一对孤对电子，因此它具有芳香性，既显弱酸性，又能显弱碱性。这就 决定了咪唑发生化学反应( 特别是取代反应) 的多样性，即生成衍生物的多样性 【l 】；也决定了咪唑类化合物具有诸如配位络合性，电子、质子的传递性等优良 性能；更决定了这类化合物具有广泛的应用价值。咪唑类化合物具有质子授一 受性能、共轭酸碱性能、络合配位性能，享有“生物催化剂 、“生物配体 之美誉。 1 2 咪唑类化合物的应用研究进展 早在1 8 8 2 年，就有咪唑类化合物的相关报导，由于其特殊的结构，从上个 世纪五十年代开始，对咪唑类化合物的配合物的研究越来越多。目前，抗肿瘤、 抗菌配合物的研究十分活跃，生命活动和生物配合物的化学模拟研究同益引人 关注。 第l 章绪论 1 2 1 咪唑类化合物在医药方面的应用 咪唑基是生物体内组氨酸、组氨、肌肽乃至核酸的重要组成部分，可构成 一系列具有生理活性的咪唑衍生物。例如，组氨酸在人体内起十分重要的作用， 血红蛋白中的组氨酸链节通过咪唑环与血红素的中心铁原子成键，从而增加血 红素在水中的溶解度，并帮助吸收氧和放出氧。并且组氨酸中的咪唑基还经常 是酶和蛋白质的活性中心【5 1 。 + h 组氨酸 h 2 c h c o o h i n h 2 h 组胺 h 2 c h 2 n h 2 由于咪唑类化合物的重要性质，其药用研究一直倍受关注。如嘌呤类、腺 苷类等具有抗病毒、抗肿瘤的组分，从自然界发现、分离提取后，经结构确定， 已完成全合成研究1 6 】。如下( i ) 、( 1 i ) 两个类别的咪唑衍生物等均具有抗病 毒、抗肿瘤活性，( i i ) 类咪唑衍生物具有抵抗白血病作用，至今仍用于小儿白 血病的临床治疗【7 1 。 s i i n 芏 咪唑类化合物能有效的驱除人和动物体内的蠕虫、钩虫、包虫、血吸虫、 绕线虫等寄生虫。盐酸左旋咪唑【3 1 是较早合成的咪唑类驱虫药物。苯并咪唑氨 基甲酸酯类药物1 8 1 是一类近年来发展非常迅速的抗寄生虫防治药，是许多寄生 - 2 第1 章绪论 蠕虫疾病治疗的首选药物。苯并咪唑类化合物包括一组广谱抗蠕虫药物，第一 代药物如噻苯达唑，因毒性太大，已被淘汰，目前应用的主要是甲苯咪唑、氟 苯咪唑、阿苯达唑、芬苯达唑、奥芬达唑等。奥芬达唑( o x f e n d a z o l e ) 是一种新型 的高效、广谱、低毒的苯并咪唑氨基甲酸酯类化合物，用作抗蠕虫药物，又称 砜苯咪唑或磺苯咪唑，于上世纪七十年代初由美国新泰克斯公司最先研制成功。 在我国于1 9 9 3 年被农业部批准为二类兽用新药。目前该药在国外已被广泛用于 家畜、家禽驱虫。甲硝咪唑( 1 , 2 二甲基5 硝基咪唑) ，被广泛用作兽类杀虫剂、 兽类杀菌剂及生长促进剂例。 苯并咪唑类化合物作为胃质子泵抑制剂新药，临床治疗胃溃疡疾病的效果 非常好，给研究抗胃酸分泌药提供了新的目标。从2 0 世纪7 0 年代开始，瑞典 h a s s e l 研究所 1 0 , 11 】先后成功合成了h 8 3 h 8 8 、h 8 3 6 9 ( t i m o p r a z o l e ) 和 h 1 4 9 9 4 ( p i c o p r a z o l e ) 等_ 系列苯并咪唑类化合物胃质子泵抑制剂新药，并通过 进一步的研究，确立了苯并咪唑类化合物作为胃质子泵抑制剂的地位。据此， 人们合成了奥美拉唑( o m e p r a z o l e ) 等一系列抗胃酸分泌新药i l 烈。 o n 一弋 c s o h 2 h 1 4 9 9 4 ( p i c o p r a z o l e ) c o o c h 3 c h 3 苯并咪唑由于共轭作用可增强化合物的亲电性，辐射增敏剂的增敏效果和 化合物的亲电性有关，在环的l 位或2 位引入亲水性基团后可降低脂溶性从而 降低毒性，进而可用作放射治疗中的化学增敏剂，李美佳【1 3 1 等报道了几类苯并 咪唑类增敏剂的合成方法。 1 2 2 眯唑类化合物在农药方面的应用 杂环化合物由于其特殊的效应，已成为当今农药研究开发的热点。咪唑类 化合物也是人们进行农药开发的主要结构之一，该类化合物可用作杀菌剂、杀 虫剂、除草剂和生长调节剂等。已有不少含咪唑结构的农药品种被投入市场， n弋狴 o + s 第l 章绪论 并且仍在不断进行新的研究和开发。 目前广泛应用于农业生产的咪唑类农药有： ( 1 ) 多菌灵( i ) 、苯菌灵( i i ) 训、噻菌灵( i i i ) 等杀菌剂。该类是用于防治麦类、 谷物、蔬菜、果树等多种病害的高效、低毒、广谱、内吸杀菌剂，诞生不久即 赶上了代森类杀菌剂，成为杀菌剂市场中的领头系列品种，直至目前，尚有相 当的市场，苯菌灵、噻菌灵和多菌灵三个产品的销售额仍达3 亿美元以上。 ( i u ) 图! - 1 多菌灵等农约的结构式 ( 2 ) 甲硝咪唑( ) 1 1 5 1 ，可广泛作杀灭各类滴虫、结肠小袋虫、鞭毛虫等病虫 害的兽用杀虫剂、兽用杀菌剂及生长促进剂。 ( 3 ) 拌种剂麦穗宁( v ) ，可防治小麦黑稳病、大麦白霉病、瓜类枯萎病等， 并用作牛羊等的驱虫剂【l 删。 ( 4 ) 伊迈唑( ) ，可广泛用作水果的防腐剂。与之相似的双氯苯咪唑( ) ， 可作为广谱抗真菌药【1 删。 刚t 知旺d 它c l c i ( v ) ( v i ) 图1 2 甲硝咪唑等农药的结构式 ( 5 ) 咪唑啉酮除草剂是美国氰胺公司在2 0 世纪8 0 年代初期开发成功的一 类广谱、高活性除草剂，它是1 9 7 1 年以镇静剂酞酰亚胺开始筛选的，通过一系 列结构改造，开发出以咪唑乙烟酸为代表的支链氨基酸抑制剂，已相继开发出 咪草酯( ) 、灭草烟( ) 、咪草烟( x ) 及灭草喹( ) 等优秀品种【1 7 1 。 第1 章绪论 图i - 3 咪草酯等除草剂的结构式 杂环化合物由于其特殊的效应，已成为当今农药研究开发的热点。咪唑类 化合物也是人们进行农药开发的主要结构之一，已有不少含咪唑结构的农药被 投入市场，并仍在不断进行新的此类农药的研究和开发。 1 2 3 咪唑类化合物在精细化工领域的应用 在染料方面，苯并咪唑噻碳青是不对称染料中很重要的一种，具有良好的 感光性，不对称的增感染料代表了当代感光材料所用增感染料的主流，f u j i 、 e a s t m a nk o d a k 等公司在专利中均有报道【l 引。由于在彩色感光材料中的应用日 趋广泛，它的合成研究成为照相有机物研制的重要课题【l 明。苯并咪哗类的另一 种染料苯并咪唑酮类有机染料是一类高性能的有机染料，生产难度较高。化学 分类上属于偶氮染料，但应用性能和各项牢度却是其他偶氮染料不能相提并论 的。该类染料色泽非常坚牢，适用于大多数工业部门。主要被用于高档的场合： 轿车面漆、罩光漆、修补漆和高层建筑的外墙涂料以及高档塑料制品等1 2 u j 。 在电子行业，由于咪唑类化合物具有优异的性能，可作为环氧树脂的固化 剂，在电子工业中得到重要应用1 2 1 】。目前国内咪唑类固化剂产品主要是2 甲基 咪唑与单官能团氧化物的加成产物，具有固化速度快，固化产物机械性能优良， 热变形温度较高等优点。环氧树脂固化剂的研究，一直是环氧树脂研究中最活 跃的领域，其中含氮有机物使用更多，研究较广，咪咪及其衍生物是其重要分 支。 苯并咪唑类聚合物由于咪哗环在特定环境下既可表现出一定的给电子性又 可表现出一定的吸电子性，既可吸纳质子又可释放质子，容易实现质子的输送， 将其与某些酸复合后可用作聚合物电解质膜燃料电池非水型质子导电材料1 2 2 j 。 在表面活性剂领域中，咪唑衍生物可以制成阳离子型、两性型及酰胺型表 面活性剂。在纺织行业，一些苯并咪咪类化合物用作润湿剂、增白剂、起泡剂、 第1 章绪论 软化剂、分散剂、羊毛防蛀剂等，其中氨基苯并咪唑类化合物是纺织偶氮染料 的重要中间体1 2 引。在照相行业，巯基苯并咪唑及其衍生物添加在卤化银乳剂中， 可改变乳剂照相性能，使图像效果更为清晰j 。在橡胶行业，有些苯并咪唑物 质用作硫化橡胶中的促进剂和防老剂，还可用作改性材料 2 5 j 。在食品行业，该 类物质用作发酵过程的防虫剂，水果储藏的保鲜剂、防腐剂等1 2 6 1 。在金属防腐 业，苯并咪唑炔丙基硫醚是性能优良的不锈钢缓蚀剂1 27 。在农业上，一些含氟、 含硝基的苯并咪唑用作植物病毒的防治剂1 2 引。在日用化工行业，苯并咪唑类化 合物可以吸收紫外线，可用于化妆品中，保护皮肤免受紫外线伤割2 引。 1 2 4 咪唑类化合物在其它方面的应用 咪唑因特异的质子授受性能、共轭酸碱性能及选择络合性能，被誉为生物 配体或生物催化剂，它作为许多天然酶的活性中心功能基参与一系列的重要生 物化学反应1 2 9 “3 1 ，还是许多药物、农药、酶抑制剂、“蛋白质类似物”及精细 化学品的有效结构组分【3 2 3 4 1 。近年来，选用咪唑及其衍生物构筑的多种仿生功 能体系，在超分子催化、分子和离子的选择性识别以及氨基酸的手性识别等领 域的研究异常活跃p 引。 由于咪唑裂解温度可达到5 9 0 ，其衍生物裂解温度易达到工作温度和加 工温度的要求，并且杂原子的引入有利于透明性和非线性光学性能比优化1 3 9 1 ， 是一种可用于合成有机非线性光学材料的重要物质。在有机光电领域中，咪唑 及其衍生物除了可用于有机非线性光学材料的合成，在光致变色、激光染料、 电致发光等其它方面的应用也是目前研究的热点。某些咪唑中存在若干共振结 构，受热、光、电等的作用可使分子内部结构变化而产生变色等。如2 ，2 二邻 氯苯基4 ，4 ，5 ，5 四苯基1 ，2 二咪唑( h a b i ) 是一种新型光致变色化合物，在光辐 射下它从淡黄色转变为紫红色，光致变色机理为分子的自由基解离j 。 在化学发光方面，自18 7 7 年，r a d z i s z ew s k i l 4 q 发现洛汾碱( 2 ，4 ，5 三苯基咪 唑) 在碱性介质中被过氧化氢等试剂氧化时发出绿色的光( 即化学发光) 后，在随 后的研究中洛汾碱及其衍生物的发光性能逐步被用于无机金属离子和医药学中 有机化合物的分析检测【4 2 州l 。 第l 章绪论 1 3 咪唑及其衍生物配位聚合物的研究进展 1 3 1 超分子配位聚合物 配位化学足在无机化学基础上发展起来的- f 7 交叉性学科。它所研究的主要 对象为配位化合物( c o o r d i n a t i o nc o m p o u n d s ，简称配合物) 1 4 引。早期的配位化学j 要研究以金属阳离子受体为中心( 作为酸) 和以含n 、o 、s 、p 等给体原子的配体( 中 为碱) 而形成的所谓“w e r n e r 配合物 【4 6 1 。超分子化学的奠基人之一，1 9 8 7 勾 诺贝尔奖获得者，法国著名化学家j m l e h n | 4 7 】曾多次指出，在某种意义上说， 超分子化学可以被看作是推广了的配位化学。因此近年来，超分子化学己经厅 为了配位化学发展的另一个主要领域。配位化学的建立对于打破传统的无机_ ；i ： 有机化合物的界限起了极大的推动作用，是化学科学的一次升华。自从w e m e 创建配位化学至今l o o 年以来，配位化学一直处于无机化学研究的主流，配位乍 合物以其花样繁多的价键形式和空间结构在化学理论发展、及其与其它学科白 相互渗透中，成为众多学科的交叉点。众多与配位化学有关的学者获得了诺9 尔奖，在以他们为代表的开创性成就的基础上，配位化学在其合成i 结构、t 质和理论的研究方面取得了一系列进展。设计合成具有特殊物理、化学和生耄 功能的功能性配位聚合物己经成为国际上最活跃的研究领域之一。 近年来配位超分子聚合物因其在催化化学、主客体超分子化学和分子磁性 材料、超导材料、非线形光学材料等方面的潜在应用价值而显示了诱人的应用 前景，因此其成为化学学科中最为活跃的研究领域之一。这些配合物可以通过 配位键、氢键、阳离子吨相互作用、兀讯相互作用或静电作用等自组装而成。 其研究成为化学、物理、生物、材料、信息等领域的学科交叉的研究热点。 1 3 2 咪唑配合物的研究进展 在模拟蛋白质酶的研究中，咪唑是一个很好的模型化合物。由于对该领域 的研究在生物学意义上的有重要意义，从二十世纪五十年代开始，咪唑与金属 离子形成的配合物开始引起人们的兴趣。 1 9 5 4 年，n o r m a n 等报导【4 8 1 了c d ( i i ) 和c u ( i i ) 与咪唑形成的配合物，测定 了它们的缔合常数，研究表明在溶剂中，乙醇的溶剂效应对反应的影响可以忽 第1 章绪论 略。其中n 甲基咪唑与c d ( i i ) 和c u ( i i ) 的形成常数与咪唑与c d ( i i ) 和c u ( i i ) 的相同。1 9 5 5 年，n o r m a n 等又报导【4 9 】了n i ( i i ) 与咪唑形成的配合物，用极谱 分析法和p h 值测量对n i ( i i ) 与咪唑的反应进行了研究，表明n i ( i i ) 与咪唑的配 位数为6 ，配合物的结构为八面体。并研究了反应的形成常数和摩尔消光系数。 1 9 5 8 年，b r u c e 等报导【5 0 l 了m n ( n 0 3 ) 2 和c o ( n 0 3 ) 2 与咪唑形成的配合物， 并测定了它们在2 5 c 时的缔合常数和离子强度，研究表明m n ( i i ) 和c o ( i i ) 与 咪唑形成的配位键较弱。 1 9 6 1 年，c l m r e 等报掣”j 了c o c h 与咪唑形成的配合物 c o ( i m h ) 6 】c 1 2 和 【c o ( i m ) 2 】，研究表明前者咪唑分子中一个n 原子与c o ( i i ) 相连，后者c o ( i i ) 与咪唑分子中两个n 原子相连。 1 9 6 6 年，s k l e n s k y a y a 等研究 5 2 1 了在水溶液中咪唑与c o ( i i ) 、c u ( i i ) 和n i ( i i ) 逐级配位热力学性质。用电位分析法测定了c o ( i i ) 、c u ( i i ) 和n i ( i i ) 等离子与 咪唑生成的配合物的逐级形成常数，发现按以下顺序排列： c u ( i i ) n i ( i i ) c o ( i i ) 。并根据过渡金属电子轨道和咪唑分子中氮原子供体的特 性计算并讨论了配位过程的焓变和熵变。 由于x 射线衍射技术的发展，从上个世纪七十年代开始，一些咪唑配合物 的结构开始被较清晰地推测出来。如1 9 7 2 年，c u n n a r 等人报导 s a l 了 【c u ( i m ) 4 ( s 0 4 ) 2 】的单晶结构( 见图1 4 ) ，中心铜( i i ) 离子呈畸变的八面体构型。 n q 2 ) 图1 - 4 【c u ( 1 m h ( s 0 4 h 的单晶结构 8 第1 章绪论 1 9 7 2 年，b r u n o l 5 4 1 测定了配合物 c u ( c 3 h 3 n g ( c 3 h 4 n 2 ) 2 c l 】的单晶结构( 见图 1 5 ) ，显示该结构为咪唑桥联多核铜配合物。 图1 - 5 【c u ( c 3 h 3 n 2 x c 3 h 4 n 2 ) 2 c q 的单晶结构 1 3 3 咪唑羧酸配合物的研究概况 羧基各式各样的配位方式不仅加强了化合物结构的稳定性，而且，羧基本 身的负电性与阳离子的正电性相补偿，从而减缓了抗衡离子效应，同时羧基具 有很好的柔韧性，通常能形成结构新颖的配合物。除此之外分子问的一些弱相 互作用，如氢键和舻兀堆积作用等，都进一步增强了结构的稳定性。曲于羧基 的以上特性，它被广泛地应用于配位聚合物的合成与单晶的获得。 第l 章绪论 单齿o 人 7 飞 i 豁。6 。 o ：二o 桥式羧基 双齿 r l m r l 。人。m m | 、 m r l 描。o m 四齿 r r i o o m r m 0 m |。 m o m 图l _ 6 羧基的常见配位模式 ： 将羧基引入含咪唑基化合物，设计合成了一系列的咪唑羧酸类配体，这类 配体可以兼具咪唑和羧酸类配体的优点。第一，该类配体含有丰富的氮原子和 氧原子，能与软硬程度不同的金属离子配位，氮原子与过渡金属离子配位能力 较强，而氧原子较硬，与稀土金属离子较匹配。而且其配位方式多样，既能以 单齿方式配位、又能以螯合方式配位，还能以桥连方式配位。第二，该类配体 含有丰富的氢键给体和受体，可以形成复杂的超分子氢键网络。第三，该类配 体有多个可以电离的氢原子，具有不同的电离形式，因此有可能通过改变体系 的p h 值来实现电离形式及配位方式乃至配合物结构的调控。总之，咪唑羧酸 类配体是一类能组装出结构和性质多样性的配体。 图1 7 是常见的咪唑羧酸配体，其中4 咪唑乙酸是研究较多的一元咪唑羧 酸，如m k o n d o 等人报道的【n i ( i m a ) 2 ( m e o h ) 2 】配合物p 引，如图1 8 所示。 1 0 笫i 章绪论 n n h b i 埘i 一79 常见f 咪唑羧酸陀体 。p y r ：。二 i 日f ：一! ，0 。 瓣 d 创i - 8 n i ( i m a ) 2 ( m e o h ) 2 】的分子结杠发氯键= 维结构 n i ( 1 1 ) 离f 分刖与柬f i 两个4 一咪唑己酸配体的2 个羧基氨原f 、2 个眯呻的 氯原了干u2 个甲醇分f 配他形成，六州他的八山休构型，f f _ i 通过分子州氧 键形成r = 维超分r 删扦结构。 对眯呻艘酸类配体研究最多的足4 5 一咪畔二i i f j 睃配件l5 川i oi 州为它小仪 8 l 订n o 州种 亿麒r 平多个 化点而随p l 【f , l i ( r j 4 q , q r 以形成l h l d c ， i i i d c l ，i d c o 一种；i 】离了，1 _ ) , lj l t 它足建丰f = 金属一t 伸【削位聚合物的较仆桥眦 休。罔1 9 为产* 人报道的c d ( n 0 3 ) 2 与4 ，5 - - l 睐啡州鳗 冰热条什r 反心褂 刘的维眦合物| 6 2 】。l 美州什物i y i 小埘称单兀n l 存在州个- 似休学列! f 的c d ( 1 i ) 离 r ，o j 0 雕竹的4 , 5 i 脒l 唯川隘眦体也采川阿利吓| l l j 的配似校： 利址采川 r 般撕棱台州伸的帧，连接蹦个c d i ( i i ) 离f 用f 个c d 2 ( 】i ) 离f - ， 利，采j ij 旧烈曲槎i 州他模式，连接卟c d 2 ( i i ) 高r 神1个c d ( i i ) 离r ，最终j # 成类沸 4 1 们啦金 t 一 j 帆机架嘲络结构个m 2 。l 1 2 的n 大的3 8 4 ”掩彤 f ；糊，：毫f f j 凡寸约为l4 r i m ，卜| 进存托精33 x3o a 的隧逆结构。迄今存会槲一n 机眦似 州络一la 述利，【! ： ! 仃“笼j ；结构义禽隧道 构的聚什物常少见。l & 配台物和钺 的热稳征n 年发光悱能。 h 、。l 二 驴 t h1 - 9m f ；- 物 n m c d ，( 1 ) c k ”b p y7 h 抑 n 分r 构段n 维空间坫怕 4 本论文的选题的意义和主要工作 木| 仑义土篮研究l 。作曲”： l 、台成了岍个咪雌段酸炎化舟物，刈反应原车| 的胯尔眦比、反廊黼度、应 】枷”等) 亚惠条什进 f 了探讨。通过卦外、元禁分析、质黹、他i i | 圭和x 舟 线斗 。衔剩测试埘j i 结构逝行了我征。 第1 章绪论 2 、合成了4 ，5 一二甲基一2 一( 2 一羟基苯基) 咪唑和4 ，5 一二甲基一2 一( 4 一羟基 苯基) 咪唑两个咪唑衍生物，并表征其结构，其中4 ，5 一二甲基- 2 - ( 2 一羟基苯 基) 咪唑得到了晶体，通过x 一射线单晶衍射测试确定了其结构。 3 、利用所合成的咪唑羧酸化合物，采用水热溶剂热合成技术，合成了一系 列的咪哗羧酸配位聚合物，并用元素分析，x 一射线单晶衍射测试表征其结构。 1 3 - 第2 章咪唑衍生物的合成 2 1 引言 第2 章咪唑衍生物的合成 咪唑及其衍生物的配位聚合物，具有独特的光学性质、磁性、催化和生物 活性，而且具备配合物和复合高分子的特点，在应用新材料、分子识别和超分 子自组装等方面有广阔的应用前景。设计合成具有功能性的咪唑衍生物配体， 并通过巧妙的超分子自组装形成具有多种功能性、结构新颖的配位聚合物，成 为近年来超分子配位聚合物研究领域内的热点之一。 实验试剂与设备 ( 1 ) 试验试剂 无水乙醇 a r 国药集团化学试剂有限公司； 冰乙酸 a r 国药集团化学试剂有限公司； 安息香 a r 国药集团化学试剂有限公司； 乙酸铵 c p 国药集团化学试剂有限公司； 邻羧基苯甲醛a r南通盛丰化工有限公司； 对羧基苯甲醛 a r 上海达瑞精细化学品有限公司； 对羟基苯甲醛 a r 江西洪都生物化学有限公司； 水杨醛 a r 国药集团化学试剂有限公司； 双乙酰 a r 国药集团化学试剂有限公司； n ，n 二甲基甲酰胺 a r 国药集团化学试剂有限公司； d m s o ( 二甲基亚砜) a r 天津市大茂化学试剂厂； 氯仿 ， a r 上海试剂化学有限公司； 硝酸铵 a r 宜兴市化学试剂三厂； 1 2 单质 c p 上海化学试剂公司； 其他所用试剂均为化学纯。 ( 2 ) 实验设备 精密增力电动搅拌器j j 1 型常州国华电器有限公司； 旋转蒸发仪r e 8 5 z 型巩义市英峪予华仪器厂； 1 4 第2 章咪唑衍生物的合成 循环水泵s h z - d ( i i i ) 型 电热恒温水浴锅h h s 2 型指针式 z k 8 2 a 型真空干燥箱 傅里叶红外光谱仪f t s 4 0 型 显微熔点仪( 未校正) 质谱联用仪( e s i ) b r u k e r6 0 0u l t r a s h i e l d 核磁共振仪 c c d x 射线单晶衍射仪s m a r t - 1 0 0 0 型 g a l a n z 电脑烧烤微波炉w d 7 5 0 b s 型 p e r k i ne l m e r2 4 0 b 型自动元素分析仪。 2 2 咪唑羧酸类化合物的合成 2 2 1 二苯乙二酮的合成 ( 1 ) 合成路线： 巩义市英峪予华仪器厂； 上海电子光学技术研究所沪粤 科学仪器厂： 上海市实验仪器总厂； 美国b i o r a d 公司； x 4 a 北京福凯仪器有限公司； 美国沃特斯公司； 德国b r u k e r 公司； 德国b r u k e r 公司； 广东格兰仕集团有限公司； 图2 - 1 二苯乙二酮的反应式 ： ( 2 ) 反应步骤： ， ( a ) 方法一：以醋酸铜作氧化刘6 3 1 在5 0m l 圆底烧瓶中加入4 3g 安息香，1 2 5m l 冰醋酸，2g 粉状的硝酸铵 和2 5m l2 醋酸铜溶液，加入几粒沸石，装上回流冷凝管，在石棉网上缓缓加 热并时加摇荡。当反应物溶解后，开始放出氮气，继续回流1 5h 使反应完全。 将反应混合液冷至5 0 6 0 c ，在搅拌下倒入2 0g 冰水中，析出二苯乙二酮结晶。 抽虑，用冷水充分洗涤，尽量压干，粗产物干燥后为3 i 3 5g 。产物已经足够纯 净可直接用于下一步的合成。如要制备纯品，可用7 5 的乙醇水溶液重结晶， 熔点9 4 - - 9 6 。 - 1 5 - 第2 章咪唑衍生物的合成 纯化后的二苯乙二酮为淡黄色结晶，熔点9 5 。 ( b ) 方法二：以氯化铁作氧化剂【删 在1 0 0m l 圆底烧瓶中加入1 0m l 冰乙酸、5m l 水及9 0g f e c l 3 - 6 h 2 0 ，装上回 流冷凝管，小火加热至沸，且不时地加以振荡。停止加热，待沸腾平息后，加入 2 1 2g 安息香，继续加热回流4 5 - - 一6 0m i n 。加入5 0m l 水再煮沸后，冷却反应液有 黄色固体析出。抽气过滤固体，并用冷水洗涤固体3 次。粗品约2 0 0g ，产率约 9 5 。 粗品用7 5 的乙醇重结晶可得淡黄色结晶，产量1 7 2g ，产率8 2 ，m p9 4 , - - , 9 5 。 ( 3 ) 结果与讨论 方法一：以醋酸铜作氧化剂 ( a ) i2 醋酸铜溶液的用量对产率的影响 表2 1 醋酸铜的用量对产率的影响 在其它条件保持不变的情况下，随醋酸铜用量的增加，产物产率有所增加， 在超过2 5m l 后产率无明显变化，因此醋酸铜的用量以2 5m l 为宜。 ( b ) 硝酸铵的用量对产率的影响 表2 - 2 硝酸铵的用量对产率的影响 在该反应过程中，产生的亚铜盐可不断被硝酸铵重新氧化生成铜盐，硝酸 铵本身被还原成亚硝酸铵，后者在反应条件下分解为氮气和水。因而硝酸铵的 用量对产率会产生影响，在其它条件不变化的情况下，由表可知，产率在硝酸 铵达到2 0g 后基本没有变化，因此硝酸铵的用量以2 0g 为宜。 ( c )反应时间对产率的影响 表2 3 反应时间对产率的影响 反应时间h 1 0 1 5 2 02 53 0 1 6 第2 章咪唑衍生物的合成 产率 6 7 57 5 6 反应时间对产率具有比较大的影响，反应在1 5h 后变化不大，在2 0h 后 有些许下降，因此反应时间并不是越长越好，以1 5h 为佳。 ( d ) 溶剂用量对产率的影响 表2 - 4 溶剂用量对产率的影响 作为溶剂的冰醋酸的用量对产率没什么较大的影响，在1 0 到1 2 5m l 产率 有稍微提高，但超过1 2 5m l 后产率没什么大的变化，此时冰乙酸主要起溶解产 物的作用，因此在产率不变的条件下尽量减少溶剂的量，因而选用1 2 5m l 为宜。 方法二：以氯化铁作氧化剂 ( a ) 氯化铁的用量对产率的影响 表2 5 氯化铁的用量对产率的影响 在其它反应条件不变的情况下，氯化铁的用量增大，产率也相应提高，但 超过9g 后产率无明显变化，因此氯化铁的用量以9g 为宜。 ( b ) 反应时间对产率的影响 表2 - 6 反应时间对产率的影响 产率随反应时间有所提高，在达到6 0m i n 后可达8 2 2 ，因此反应时间选 用6 0m i n 较佳。 ( c ) 溶剂冰乙酸对产率的影响 表2 7 溶剂冰乙酸对产率的影响 - 1 7 一 第2 章咪唑衍生物的合成 冰乙酸的用量对产率在低于l om l 随用量增大而增大，作为溶剂的冰醋酸 的用量在大于1 0m l 后对产率影响不大，在这种条件下，可尽少降低冰醋酸的 用量，因此选用1 0m l 为佳。 ( 4 ) 两种合成方法的比较 在本文的二苯乙二酮的合成中，以醋酸铜和氯化铁作催化剂以合成二苯乙 二酮各有优缺点。方法一中以醋酸铜作催化剂时，合成中产物的产率受更多因 素的影响，而且产率没有方法二高。然而它的操作却比方法二简便。综合考虑 还是方法二更好一些，因为它的产率更高并且反应时间更短。 ( 5 ) 产品结构鉴定 ( a ) 熔点测定 产物的熔点为9 4 - - 9 5 ( 文献值【6 3 】：9 5 ) ，说明产物可能为二苯乙二酮。 ( b ) 元素分析 计算值( c i 4 h i 0 0 2 ) ：c ，7 9 9 8 ；h ，4 7 9 。实验值：c ，7 9 0 4 ；h ，4 9 1 。 ( c ) 红外谱图 图2 2 二苯乙二酮的红外谱图 如图2 - 2 所示，其i r ( k b r 压片) v c m - 1 ：1 6 7 7 4 2 ( c = o ) ；1 6 3 2 4 7 ，1 6 0 1 6 4 ， 1 5 8 2 0 3 ( 苯环) 。产物红外谱图与标准谱图一致，产物可能是二苯乙二酮。 ( d ) 质谱 如图2 3 所示，m s ( e s i ) m z ：2 0 9 1 2 ( m + 1 ) ( 1 0 0 ) 。 1 8 第2 章咪唑衍生物的合成 苴口儿埘t 乏- 肼气仲一柚。傅。，矗1 刍。尹。 ，。妒。， 图2 - 3 二苯乙二酮的质谱图 通过熔点、元素分析、红外、分析可认定产物是二苯乙二酮。 ( 6 ) 结论 实验结果表明，以醋酸铜作氧化剂，该反应的最佳条件为：安息香：硝酸 铵：冰醋酸= l ：1 2 5 ：1 0 ，在5 催化量醋酸铜溶液催化下，回流反应1 5h ， 二苯乙二酮的产率可以达到7 5 8 ；以氯化铁作氧化剂，该反应的最佳条件为： 安息香：f e c l 3 6 h 2 0 ：冰乙酸= l ：3 3 ：1 7 5 ，以少量的水做溶剂条件下，加热 回流反应1h ，二苯乙二酮的产率可以达到8 2 2 。 - 1 9 - 第2 章咪唑衍生物的合成 2 2 22 - ( 4 ，5 二苯基咪唑一2 - 基) 苯甲酸的合成 ( 1 ) 合成路线 卧矽 l+ n h 4 a c + p h a e t o h 8 0 卜 1 2 ( 催化量l 图2 - 42 ( 4 ，5 二苯基咪唑2 基) 苯甲酸的合成反应式 ( 2 ) 反应步骤【6 5 】 依次称取2 1g ( 0 0 1m 0 1 ) 二苯7 , - - 酮、1 9 3g ( 0 0 2 5m 0 1 ) 醋酸铵( n h 公c ) ， 1 5g ( 0 0 1m 0 1 ) 邻羧基苯甲醛依次加入到1 5 0m l 的三颈瓶中， j i l 入3 0m l 无水乙 醇搅拌混合均匀后，再加入5 摩尔质量碘单质。在8 0 水浴中，电动机械搅拌， 反应lh 。反应完毕，停止加热，冷却至室温。搅拌下将反应液加入2 0 0m l 冰水 中，有大量白色沉淀生成。抽滤，滤饼用3 5 0m l 水洗涤三次，真空干燥，粗 产物用无水乙醇和d m f 的混合溶剂重结晶，得白色固体产物3 2 3g ，产率9 5 。 ( 3 ) 结果与讨论 ( a ) 反应机理 如图2 6 所示，单质碘促使二胺中间体l 的形成，然后在路易斯酸碘的催 化下与l ，2 二酮的环缩合，脱水得到眯唑异构体2 ，再经 1 ，5 】8 重排得到所 需咪唑。 j 反应结构式如下： + 2 n i - 1 4 a c+ 图2 5 一锅法合成多取代咪唑的反应式 2 0 第2 章咪唑衍生物的合成 反应历程如下f 6 5 】： 1 2 二一 p h p h h n h 2 n h 3 h 害2 n h 2 【l ，5 s h i f 1 _ | 卜 图2 - 6r a d z i s z e w s k is y n t h e s i s 反应的反虑机理 ( b ) 反应原料的摩尔配比的影响 r a d z i s z e w s k is y n t h e s i s 反应是一个吸热反应，需要一定的能量，所以在水 浴加热的条件下进行。投料时，保持二苯偶酰与邻羧基苯甲醛的物质的量相等， 通过改变醋酸铵的相对量来确定反应原料的最佳摩尔配比。 表2 8 反