菲并咪唑磺酸（羧酸）衍生物的合成與表征

李秋林，謝鵬，李書緯，喬鵬程，柒鑫，趙冰，2

菲并咪唑磺酸（羧酸）衍生物的合成與表征

李秋林1，謝鵬1，李書緯1，喬鵬程1，柒鑫1，趙冰1，2

（齊齊哈爾大學 1. 化學與化學工程學院，2. 黑龍江省表面活性劑與工業助劑重點實驗室，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

盡管菲并咪唑衍生物具有優良的光化學性能，但其較差的水溶性在一定程度上限制了其應用范圍．將磺酸（羧酸）基團引入到菲并咪唑結構，旨在設計和合成水溶性菲并咪唑衍生物．以9，10-菲醌、乙酸銨、對氨基苯磺酸（甲酸）、苯甲醛為原料，采用“一鍋法”將磺酸（羧酸）基團引入到菲并咪唑結構中，合成了菲并咪唑磺酸（羧酸）衍生物．通過優化反應物的物質的量比、催化劑種類和用量、反應溶劑等因素，確定了合成菲并咪唑磺酸（羧酸）衍生物的較佳反應條件，產物收率在75%～89%．采用熔點、紅外光譜、核磁氫譜和碳譜對所合成的菲并咪唑磺酸（羧酸）衍生物的結構進行表征和確認．

菲并咪唑；磺酸（羧酸）衍生物；合成；條件優化；結構表征

咪唑類衍生物廣泛存在于DNA和蛋白質等物質中，表現出重要的生物活性．而且，咪唑結構中含有2個共振的氮原子，具有特殊共軛結構，使咪唑類化合物兼具酸性和堿性的結構特征，并可以與強堿作用成鹽，這些結構特征使咪唑類衍生物在化工產品中間體的生產中起到重要的作用．因此，近年來對于咪唑衍生物的設計、合成及應用受到廣大研究者的普遍關注．其中，菲并咪唑是咪唑類衍生物的重要一類，其良好的剛性結構和發光性能被廣泛應用于熒光傳感領域[1-5]．

文獻[6]報道了通過硼氟化合物修飾菲并咪唑環上1號位的氮原子，使咪唑環的熒光發射峰由450 nm紅移到600 nm，實現了熒光發射光譜的紅移及裸眼觀測．文獻[7]報道了通過亞胺鍵鏈接合成了熒光素-菲并咪唑雙熒光團的熒光探針分子，并應用于pH的檢測．該探針分子通過分子內氫鍵向去質子化作用的轉化過程實現了分子內電子的定向流動，導致了熒光信號的變化．此外，文獻[8]報道了菲并咪唑-噻吩的衍生物在有機發光半導體（Organic Electroluminescence Display，OLED）中的應用．文中指出該類菲并咪唑衍生物具有良好的光性能，并且隨著電壓的增加，器件的電致發光強度增加，并且此類化合物相對于其它發光材料具有更高的光量子產率．在生物領域，咪唑衍生物也表現出有一定性能．近期，文獻[9]報道了臨床觀察甲巰咪唑聯合比索洛爾可以通過下調甲狀腺激素及糖代謝水平具有顯著療效．文獻[10]報道了含肼基基團的Schiff堿類菲并咪唑衍生物的良好抗菌性能．這說明咪唑類衍生物，尤其菲并咪唑衍生物在發光材料和抗菌材料領域具有廣闊的應用空間．因此，設計和合成結構多樣的菲并咪唑衍生物具有重要的研究意義．

由于菲并咪唑的剛性結構，大部分文獻報道菲并咪唑衍生物的水溶性較差，在一定程度上限制了菲并咪唑衍生物的應用范圍．因此，本文將磺酸（羧酸）基團引入到菲并咪唑結構中，設計和合成了菲并咪唑磺酸（羧酸）衍生物，旨在提高菲并咪唑衍生物的水溶性，拓展菲并咪唑衍生物的應用領域．

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

X-6精細顯微熔點測試儀（北京泰克儀器有限公司）；Spectrum GX型傅里葉變換紅外光譜儀（KBr壓片，北京華海恒輝科技有限公司）；Bruker AV400/600型超導核磁共振儀（TMS為內標，美國Bruker公司）；Vario EL元素分析儀（德國Elementar公司）．

9，10-菲醌，取代的苯甲醛，對氨基苯磺酸，對氨基苯甲酸（AR，上海阿拉丁試劑有限公司）；乙酸銨，碳酸鈉，冰乙酸，乙酸乙酯，石油醚，乙醇（AR，天津市富宇精細化工有限公司）．實驗中采用的試劑和溶劑均未進行預處理．

1.2 目標產物的合成與表征

1.2.1 菲并咪唑磺酸衍生物的合成 菲并咪唑磺酸衍生物的合成路線見圖1．依次將0.624 g 9，10-菲醌（3 mmol）、0.519 g對氨基苯磺酸（3 mmol）、0.94 g乙酸銨（6 mmol）、0.6 mL苯甲醛（6 mmol）加入到三口燒瓶中，再加入0.5 mL冰乙酸為催化劑，25 mL乙醇作為溶劑．攪拌，并將反應混合物加熱至回流，反應2 h左右．反應結束后降溫，將混合物加入到200 mL的蒸餾水中．采用5%的Na2CO3水溶液調節混合物的pH至7左右，析出大量固體．過濾，濾餅反復用蒸餾水洗滌，得到粗產物．粗產物用乙酸乙酯重結晶得到目標產物4-（2-苯基-[9，10-]-1-菲并咪唑-2-）苯磺酸，收率86%，熔點＞300 ℃．IR（KBr，cm-1）：3 396，3 014，1 654，1 546，1 458，1 180，1 036，863，754，719；1H NMR（600 MHz，DMSO-6）：8.889（，=4.8 Hz，2H，ArH），8.876（，2H，ArH），8.818（，=5.0 Hz，1H，ArH），8.529（，=4.2 Hz，2H，ArH），7.765（，=4.2 Hz，2H，ArH），7.665～7.784（m，2H，ArH），7.401～7.649（m，4H，ArH），7.390（，=5.6 Hz，2H，Ar）．

圖1 菲并咪唑磺酸衍生物的合成路線

采用0.624 g 9，10-菲醌（3 mmol）、0.519 g對氨基苯磺酸（3 mmol）、0.94 g乙酸銨（6 mmol）、0.732 g對羥基苯甲醛（6 mmol）為原料，合成目標產物4-[2-（4-羥基苯基）-[9，10-]-1-菲并咪唑-2-]苯磺酸，收率89%，熔點＞300 ℃．IR（KBr，cm-1）：3 375，3 134，1 652，1 608，1 505，1 033，754，722；1H NMR（600 MHz，DMSO-6）：10.41（s，1 H，OH），8.836（，=5.4 Hz，2H，ArH），8.718（，=4.8 Hz，2H，ArH），8.299（，=4.8 Hz，2H，ArH），7.759～7.804（m，4H，ArH），7.664（，=4.8 Hz，2H，ArH），7.371（，=4.8 Hz，2H，ArH），7.074（，=5.4 Hz，2H，ArH）．

采用0.624 g 9，10-菲醌（3 mmol）、0.519 g對氨基苯磺酸（3 mmol）、0.94 g乙酸銨（6 mmol）、0.842 g對氯苯甲醛（6 mmol）為原料，合成目標產物4-[2-（4-氯苯基）-[9，10-]-1-菲并咪唑-2-]苯磺酸，收率80%，熔點＞300 ℃．IR（KBr，cm-1）：3 205，1 602，1 557，1 495，1 102，1 021，803，746；1H NMR（600 MHz，DMSO-6）：8.892（，=4.8 Hz，2H，ArH），8.675（，=5.0 Hz，2H，ArH），8.346（，=5.0 Hz，2H，ArH），8.529（，=4.2 Hz，2H，ArH），8.315（，=4.5 Hz，2H，ArH），7.665～7.784（m，2H，ArH），7.401～7.649（m，2H，ArH），7.390（，=5.6 Hz，2H，Ar）．

1.2.2 菲并咪唑羧酸衍生物的合成 菲并咪唑羧酸衍生物的合成路線見圖2．依次將0.624 g 9，10-菲醌（3 mmol）、0.411 g對氨基苯甲酸（3 mmol）、1.024 g乙酸銨（6 mmol）、0.6 mL苯甲醛（6 mmol）加入到三口瓶中，再加入0.5 mL冰乙酸為催化劑，25 mL乙醇作為溶劑．攪拌，加熱至回流．反應過程中采用TLC監測跟蹤反應情況（展開劑為石油醚∶乙酸乙酯=7∶3），溶液逐漸變淺，反應2 h后，停止反應．將反應混合物倒入燒杯中，并加入200 mL蒸餾水．采用5%的Na2CO3水溶液調節混合物的pH至7左右，有大量固體析出，過濾，濾餅用水洗滌，干燥后得到粗產物．粗產物經乙酸乙酯重結晶后得到目標產物4-（2-苯基-[9，10-]-1-菲并咪唑-1-）苯甲酸，收率75%，熔點＞300 ℃．IR（KBr，cm-1）：3 588，3 104，1 521，1 486，1 179，775，719；1H NMR（600 MHz，DMSO-6）：13.079（s，1H，COOH），8.798（，=4.8 Hz，2H，ArH），8.512（，=4.2 Hz，2H，ArH），8.035（，=4.2 Hz，4H，ArH），7.744～7.780（m，3H，ArH），7.630（，=4.2 Hz，2H，ArH），7.002～7.126（m，4H，ArH）．

圖2 菲并咪唑羧酸衍生物的合成路線

采用0.624 g 9，10-菲醌（3 mmol）、0.411 g 4-氨基苯甲酸（3 mmol）、1.024 g乙酸銨（6 mmol）、0.732 g對羥基苯甲醛（6 mmol）為原料，合成目標產物4-[2-（4-羥基苯基）-[9，10-]-1-菲并咪唑-1-]苯甲酸，收率80%，熔點＞300 ℃．IR（KBr，cm-1）：3 609，3 043，1 527，1 475，1 238，1 175，756，724；1H NMR（600 MHz，DMSO-6）：13.168（s，1H，COOH），9.916（，=4.2 Hz，1H，OH），8.810（，=4.8 Hz，2H，ArH），8.545（，=4.2 Hz，2H，ArH），8.158（，=4.2 Hz，4H，ArH），7.744（，=4.8 Hz，2H，ArH），7.612（，=4.2 Hz，2H，ArH），6.977～6.992（m，4H，ArH）．

采用0.624 g 9，10-菲醌（3 mmol）、0.411 g對氯苯甲酸（3 mmol）、1.024 g乙酸銨（6 mmol）、0.842 g對氯苯甲醛（6 mmol）為原料，合成目標產物4-[2-（4-氯苯基）-[9，10-]-1-菲并咪唑-1-]苯甲酸，收率82%，熔點＞300 ℃．IR（KBr，cm-1）：3 608，3 343，1 671，1 455，1 175，756，724；1H NMR（600 MHz，DMSO-6）：13.073（s，1H，COOH），8.826（，=4.8 Hz，2H，ArH），8.731（，=4.2 Hz，2H，ArH），8.204（，=4.2 Hz，4H，ArH），7.852（，=4.8 Hz，2H，ArH），7.690（，=4.2 Hz，2H，ArH），6.961～6.983（m，4H，ArH）．

2 結果與討論

2.1 菲并咪唑磺酸衍生物的結構表征

采用紅外光譜和核磁氫譜對所合成的菲并咪唑磺酸（羧酸）衍生物進行了結構表征．4-（2-苯基-[9，10-]-1-菲并咪唑-2-）苯磺酸的紅外光譜見圖3a．由圖3a可見，在3 396 cm-1出現一個尖峰，可歸屬為游離羥基O-H的伸縮振動峰，在3 000 cm-1以上存在明顯的羥基締合的寬峰，這些結構說明目標產物中存在游離和締合的羥基．此外，在1 180，1 036 cm-1處出現強吸收尖峰，可歸屬為S-O鍵的伸縮振動．1 654 cm-1處的中強峰為C=N雙鍵的伸縮振動．1 594，1 457 cm-1處的中強峰可歸屬為苯環的骨架振動．紅外光譜的結果初步說明目標產物為菲并咪唑修飾的苯磺酸衍生物．

4-（2-苯基-[9，10-]-1-菲并咪唑-2-）苯磺酸的核磁氫譜見圖3b．由圖3b可見，所有的質子峰的化學位移均出現在7～9之間，共17個質子（分子式為C27H18N2O3S）．核磁氫譜中沒有出現苯磺酸羥基O-H氫質子，可能是由于活潑氫被氘代試劑取代的原因．這些結果符合化合物4-（2-苯基-[9，10-]-1-菲并咪唑-2-）苯磺酸的結構特征，說明目標化合物為4-（2-苯基-[9，10-]-1-菲并咪唑-2-）苯磺酸．

圖3 4-（2-苯基-[9，10-d]-1H-菲并咪唑-2-）苯磺酸的紅外光譜和核磁氫譜

2.2 菲并咪唑羧酸衍生物的結構表征

4-[2-（4-羥基苯基）-[9，10-]-1-菲并咪唑-1-]苯甲酸的紅外光譜和核磁氫譜見圖4．由圖4a可見，3 609 cm-1處的尖峰為游離羥基O-H的伸縮振動峰，3 000 cm-1的寬峰為羥基締合峰，1 611 cm-1的強峰為C=N雙鍵的伸縮振動峰，1 237，1 175 cm-1為C-O的伸縮振動．根據紅外光譜數據初步判斷，該化合物結構為4-[2-（4-羥基苯基）-[9，10-]-1-菲并咪唑-1-]苯甲酸．同樣采用核磁氫譜進一步對化合物的結構進行表征和確認（見圖4b）．由圖4b可見，化學位移值為13.23處的質子峰歸屬為羧酸上的氫質子，化學位移值9.92為羥基O-H氫質子，7～9之間為芳香氫質子．所有氫質子數量和裂分與4-[2-（4-羥基苯基）-[9，10-]-1-菲并咪唑-1-]苯甲酸的結構一致．因此，紅外光譜和核磁氫譜數據的結果表明，所合成的化合物為目標產物4-[2-（4-羥基苯基）-[9，10-]-1-菲并咪唑-1-]苯甲酸．

圖4 4-[2-（4-羥基苯基）-[9，10-d]-1H-菲并咪唑-1-]苯甲酸的紅外光譜和核磁氫譜

2.3 菲并咪唑磺酸（羧酸）衍生物的合成工藝優化

以4-（2-苯基-[9，10-]-1-菲并咪唑-2-）苯磺酸為模型化合物，探討了反應物的物質的量比、反應時間、反應溫度等條件對反應收率的影響．采用9，10-菲醌、對氨基苯磺酸、乙酸銨和苯甲醛為原料，通過“一鍋法”四組分偶聯反應制備目標產物4-（2-苯基-[9，10-]-1-菲并咪唑-2-）苯磺酸．首先，探討了4種反應物的物質的量比對反應收率的影響．以無水乙醇為溶劑，加入0.5 mL冰醋酸作為催化劑，回流反應2 h后，反應物的物質的量比對產率的影響見表1．由表1可見，為了保證反應充分進行，反應過程中乙酸銨的用量為9，10-菲醌的2倍．當對氨基苯磺酸和苯甲醛用量與9，10-菲醌相同時，產物收率為65%；只提高對氨基苯磺酸的用量，產物的收率沒有發生明顯變化，為67%；只提高苯甲醛用量時，產物的收率明顯上升，為85%；對氨基苯磺酸和苯甲醛用量同時增加時，產物收率與只提高苯甲醛用量時沒有明顯變化，為86%．結果表明，苯甲醛用量對反應產率的影響較大．適量增加苯甲醛用量有利于提高產物的收率．原因可能是因為苯甲醛揮發性較強，隨著反應的進行，反應體系中有效的苯甲醛濃度逐漸減少，如果投料量過少，無法保證其反應充分進行．因此，后續合成菲并咪唑磺酸（羧酸）衍生物的過程中采用9，10-菲醌、乙酸銨、對氨基苯磺酸、苯甲醛的物質的量比為1∶2∶1∶2．

表1 反應物的物質的量比對產率的影響

在確定了反應物的物質的量比的基礎上，進一步討論了反應中催化劑種類和用量對反應的影響．9，10-菲醌、乙酸銨、對氨基苯磺酸、苯甲醛的物質的量比為1∶2∶1∶2，以無水乙醇為溶劑，回流反應2 h后，不同催化劑種類和用量對產物收率的影響見表2．由表2可見，反應不加催化劑時，反應10 h后，產物的收率僅為25%．加入質子酸（濃鹽酸和濃硫酸）時，反應收率有所增加；以冰醋酸為溶劑時，反應2 h后，收率即可達到85%；改用三氟乙酸和對甲苯磺酸時，反應收率均不理想．由此可見，采用冰醋酸為催化劑時反應收率較高，即冰醋酸更能有效促進反應進行．質子酸、三氟乙酸、對甲苯磺酸均不能達到理想的催化效果．因此，后續反應采用冰醋酸為催化劑．

表2 不同催化劑種類和用量對產率的影響

注：a為反應時間10 h．

在上述結果的基礎上，9，10-菲醌、乙酸銨、對氨基苯磺酸、苯甲醛的物質的量比為1∶2∶1∶2，以冰醋酸為催化劑，對反應溶劑的選擇進行了優化，分別采用甲醇、乙醇、冰乙酸、N，N-二甲基甲酰胺和四氫呋喃為溶劑，回流條件下，反應結果見表3．由表3可見，采用甲醇為溶劑反應2 h，通過TLC觀察幾乎未見到有產物生成；繼續延長反應時間至10 h，TLC上發現少量產物點，原因可能是由于反應溫度較低，無法提供反應所需的熱量．采用乙醇為溶劑時，反應2 h時分離產率為85%；延長反應時間（4 h），產率沒有顯著增加．采用冰乙酸為溶劑時，分離產率為72%，收率適中．以N，N-二甲基甲酰胺和四氫呋喃為溶劑時，反應均能進行，但產率較低．在冰乙酸、N，N-二甲基甲酰胺和四氫呋喃中反應時，雖然反應能夠進行，但是后處理過程需要加水處理，產物損失嚴重，對產物的收率影響較大．

表3 不同反應溶劑比對收率的影響

綜上，通過優化反應條件，確定了合成4-（2-苯基-[9，10-]-1-菲并咪唑-2-）苯磺酸的較佳反應條件應為：9，10-菲醌、乙酸銨、對氨基苯磺酸、苯甲醛的物質的量比為1∶2∶1∶2，冰醋酸為催化劑，在乙醇為溶劑的條件下，反應2 h時，產物的分離產率為85%．4-[2-（4-羥基苯基）-[9，10-]-1-菲并咪唑-2-]苯磺酸、4-[2-（4-氯苯基）-[9，10-]-1-菲并咪唑-2-]苯磺酸、4-（2-苯基-[9，10-]-1-菲并咪唑-1-）苯甲酸、4-[2-（4-羥基苯基）-[9，10-]-1-菲并咪唑-1-]苯甲酸、4-[2-（4-氯苯基）-[9，10-]-1-菲并咪唑-1-]苯甲酸均參考上述條件合成，產率在75%～89%之間．說明該反應條件對菲并咪唑磺酸（羧酸）衍生物的合成具有一定的普遍性．

3 結語

采用9，10菲醌、乙酸銨、對氨基苯磺酸和取代苯甲醛為原料，“一鍋法”合成了3個菲并咪唑磺酸衍生物；采用9，10菲醌、乙酸銨、對氨基苯甲酸和取代苯胺為原料，“一鍋法”合成了3個菲并咪唑羧酸衍生物．通過優化模型反應的物質的量比、催化劑種類和用量、反應溶劑等因素，確定了合成菲并咪唑磺酸（羧酸）衍生物的較佳反應條件為，9，10-菲醌、乙酸銨、對氨基苯磺酸、苯甲醛的物質的量比為1∶2∶1∶2，冰醋酸為催化劑，乙醇為溶劑，產物產率在75%～89%之間．通過熔點、紅外光譜、核磁氫譜和碳譜對所合成的6個菲并咪唑磺酸（羧酸）衍生物的結構進行了表征，確認了合成的化合物為目標產物．通過本文的研究，為設計和合成水溶性菲并咪唑衍生物提供了新的思路和方法．

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Synthesis and characterization of sulfonic acid（carboxylic acid）derivatives based on phenanthroimidazole

LI Qiulin1，XIE Peng1，LI Shuwei1，QIAO Pengcheng1，QI Xin1，ZHAO Bing1，2

（1. School of Chemistry and Chemical Engineering，2. Heilongjiang Provincial Key Laboratory of Surface Active Agent and Auxiliary，Qiqihar University，Qiqihar 161006，China）

Although phenanthroimidazole derivatives have manifested excellent optical properties，most of their solubility in water were relatively poor which restrained their applications in the many fields．The sulfonic and carboxylic groups were functionally introduced into the moiety of phenanthroimidazole in order to design，synthesize and improve the solubility of phenanthroimidazole derivatives．Sulfonic acid and carboxylic acid derivatives based on phenanthroimidazole were synthesized by the“one-pot”reaction of 9，10-phenanthraquinone，ammonium acetate，-aminobenzene sulfonic acid（carboxylic acid） and benzaldehyde through the introduction of sulfonic and carboxylic groups．The optimized reaction conditions were obtained by the adjustment of the quantity ratio of raw materials，the type and amount of catalyst，and solvents with the moderate yield from 75% to 89%．The structures for synthesized sulfonic acid（carboxylic acid）derivatives based on phenanthroimidazole were characterized and determined by the method of melting point，IR，1H and13C NMR．

phenanthroimidazole；sulfonic and carboxylic acid derivatives；synthesis；optimization；structural characterization

O69

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2022.02.009

1007-9831（2022）02-0047-06

2021-10-29

黑龍江省大學生創新創業訓練計劃項目（202010232004）

李秋林（1999-），女，四川綿陽人，在讀本科生．E-mail：1685953216@qq.com

趙冰（1977-），女，遼寧遼陽人，教授，博士，從事熒光探針的合成及性能研究．E-mail：zhao_submit@aliyun.com