鄰苯二胺與苯甲醛合成苯并咪唑的研究

劉賢響，蘇勝培，尹篤林，劉 姣

(石化新材料與資源精細利用國家地方聯合工程實驗室，湖南師范大學化學化工學院，湖南 長沙 410081)

苯并咪唑屬于多環芳香雜環化合物，其結構由苯環和咪唑環并合而成。苯并咪唑結構是藥物開發中重要的藥效團。苯并咪唑類化合物是有機合成領域重要的中間體之一[1]，也是一類具有廣泛生物活性的化合物，在醫藥領域如抗病毒、抗癌、抗菌、治療潰瘍、降血壓等方面應用廣泛[2]。由于具有良好的生物活性和反應活性，苯并咪唑及其衍生物的合成一直都是科學家研究的熱點[3-4]。

苯并咪唑類化合物的合成主要有兩條途徑：一是以鄰苯二胺和羧酸或羧酸衍生物(腈類、酰胺類化合物或原酸酯)縮合而成；二是鄰苯二胺與醛縮合反應，在該反應中需要加入氧化劑或催化劑，目前所用的催化劑主要有氨基磺酸[5]、三氯甲烷、雙氧水、I2[6]、DDQ、FeCl3·6H2O、KHSO4[7]、TiCl4、p-TsOH、In(OTf)3、Yb(OTf)3等，但存在反應溫度高、反應時間長、選擇性差、產率低及污染環境等缺點。因此，開發更高效和環境友好的催化劑體系合成苯并咪唑具有重要意義。

作者以鄰苯二胺和苯甲醛為原料合成苯并咪唑，考察了催化劑類型及用量、溶劑類型、反應溫度、反應時間對目標產物的影響，得到了較理想的工藝條件。

1 實驗

1.1 試劑與儀器

苯甲醛重蒸后使用，其余試劑均為分析純。

ZNCL型智能恒溫磁力攪拌器；YRT-3型數字熔點儀(溫度計未校正)；AVANCE-500MHz型超導核磁共振儀(DMSO-d6或CDCl3為溶劑，TMS 為內標)，瑞士Bruker公司。

1.2 苯并咪唑的合成

在裝有回流冷凝管、溫度計和恒壓滴液漏斗的三口燒瓶中加入5.4 g(0.05 mol)鄰苯二胺、10 mL溶劑和一定量催化劑，開啟攪拌器，向其中緩慢滴加苯甲醛2.12 g(0.02 mol)，控制滴加速率。滴畢，控制反應溫度回流一定時間，反應結束后將混合物倒入燒杯，冰水浴冷卻，結晶過濾，用氯仿和蒸餾水洗滌，抽濾，烘干，稱量，計算產率。化學反應式如下：

2 結果與討論

2.1 催化劑類型對苯并咪唑產率的影響

固定鄰苯二胺(5.4 g，0.05 mol)與苯甲醛(2.12 g，0.02 mol)物質的量比為2.5∶1，以無水乙醇為溶劑，控制反應溫度為85 ℃回流2 h，分別以偏釩酸銨、磷酸、樹脂、雙氧水、對氨基苯磺酸為催化劑(用量均為0.2 g)進行反應，結果如表1所示。

表1 催化劑類型對苯并咪唑產率的影響

由表1可知，在反應物物質的量比、反應溫度、反應時間不變的情況下，催化劑的類型對苯并咪唑產率有很大的影響。5種催化劑中，偏釩酸銨的催化效果最好，產率為71.1%；其次為雙氧水，產率為50.8%；而樹脂的催化效果最差，產率只有16.1%。故選擇適宜的催化劑為偏釩酸銨。

2.2 催化劑用量對苯并咪唑產率的影響

其它反應條件同2.1,回流時間為3 h，考察催化劑偏釩酸銨用量對苯并咪唑產率的影響，結果如圖1所示。

圖1 催化劑用量對苯并咪唑產率的影響Fig.1 Effect of catalyst dosage on the yield of benzimidazole

由圖1可知，在反應物物質的量比、反應溫度、反應時間不變的情況下，催化劑用量對苯并咪唑產率有一定的影響。催化劑用量太少，反應不完全，產率低；催化劑用量增加，產率提高；當催化劑用量為0.4 g時，產率最高；而催化劑用量超過0.4 g時，產率反而有所下降。故選擇適宜的催化劑用量為0.4 g，即m(偏釩酸銨)∶m(苯甲醛)為0.19∶1。

2.3 溶劑類型對苯并咪唑產率的影響

其它反應條件同2.1，催化劑偏釩酸銨的用量為0.4 g、回流時間為3 h，分別以無水乙醇、丙酮、N,N-二甲基甲酰胺、四氫呋喃 、三氯甲烷為溶劑進行反應，結果如表2所示。

表2 溶劑類型對苯并咪唑產率的影響

由表2可知，在反應物物質的量比、反應溫度、反應時間不變的情況下，溶劑類型對苯并咪唑產率有很大的影響。以丙酮或N,N-二甲基甲酰胺為溶劑時，產率最低，僅為10.6%和11.4%；以無水乙醇或四氫呋喃為溶劑時，產率分別為30.1%和35.6%；而以三氯甲烷為溶劑時，產率高達80.0%。故選擇適宜的溶劑為三氯甲烷。

2.4 反應溫度對苯并咪唑產率的影響

其它反應條件同2.3,以三氯甲烷為溶劑，分別在30 ℃、50 ℃、70 ℃、85 ℃、100 ℃下回流反應，結果如圖2所示。

圖2 反應溫度對苯并咪唑產率的影響Fig.2 Effect of reaction temperature on the yield of benzimidazole

由圖2可知，在反應物物質的量比、催化劑、反應時間不變的情況下，反應溫度對苯并咪唑產率有很大的影響。起初產率隨反應溫度的上升而升高；反應溫度為50 ℃時，產率最高，達72.0%；而反應溫度高于85 ℃后，產率迅速下降。這是因為，反應溫度過低，反應速度緩慢，以致反應不完全，產率低；反應溫度過高，容易發生副反應，導致產率降低。故選擇適宜的反應溫度為50 ℃。

2.5 反應時間對苯并咪唑產率的影響

其它反應條件同2.4，在50 ℃下分別回流反應2 h、3 h、4 h、5 h、7 h，結果如圖3所示。

圖3 反應時間對產率的影響Fig.3 Effect of reaction time on the yield of benzimidazole

由圖3可知，在反應物物質的量比、反應溫度、催化劑不變的情況下，反應時間對苯并咪唑產率有一定的影響。反應時間太短，反應不完全，產率低；反應時間延長，產率提高；當反應時間為4 h時，產率最高，達81.3%；而反應時間超過4 h后，產率反而有所下降。這是因為，當反應到達一定程度之后，反應物已經基本反應完全，再延長反應時間不會有原料參與反應，并且還可能導致副反應發生。故選擇適宜的反應時間為4 h。

3 結論

以鄰苯二胺與苯甲醛為原料合成苯并咪唑，確定適宜的反應條件如下：鄰苯二胺與苯甲醛物質的量比為2.5∶1、以偏釩酸銨為催化劑、m(偏釩酸銨)∶m(苯甲醛)為0.19∶1、以三氯甲烷為溶劑、反應溫度為50 ℃、反應時間為4 h，在此條件下，苯并咪唑產率高達81.3%。催化劑偏釩酸銨還可以回收利用。

[1] SAIFY Z S,AZIM M K,AHMAD W,et al.New benzimidazole derivatives as antiplasmodial agents and plasmepsin inhibitors:Synthesis and analysis of structure-activity relationships[J].Bioorg Med Chem Lett,2012,22(2):1282-1286.

[2] 李焱，馬會強，王玉爐.苯并咪唑及其衍生物合成與應用研究進展[J].有機化學，2008，28(2)：210-217.

[3] 王軍，李軍艦，初紅濤，等.微波輻射下2-苯并咪唑的綠色合成[J].化學研究與應用，2013，25(3)：423-426.

[4] 蔡佳利，李碩，周成合，等.咪唑類抗癌藥物研究進展[J].中國新藥雜志，2009，18(7)：598-608.

[5] CHAKRABARTY M,KARMAKAR S,MUKHERJI A,et al.Application of sulfamic acid as an eco-friendly catalyst in an expedient synthesis of benzimidazoles[J].Heterocycles,2006,68(5):967-974.

[6] GOGOI P,KONWAR D.An efficient and one-pot synthesis of imidazolines and benzimidazoles via anaerobic oxidation of carbon-nitrogen bonds in water[J].Tetrahedron Lett,2006,47(1):79-82.

[7] Ma H Q,Wang Y L,Wang J Y.A simple KHSO4promoted synthesis of 2-arylsubstituted benzimidazoles by oxidative condensation of aldehydes witho-phenylenediamine[J].Heterocycles,2006,68(8):1669-1673.