实验2-（羟甲基）-1H-苯并［d］咪唑-5-羧酸的合成研究

王新芳 牟 芬 陕 洁 李文博

（昌吉学院化学化工学院 新疆 昌吉 831100）

化学是一门以实验为基础的学科，对于大学化学的教学不仅需要学生掌握物质的结构、组成以及性质，还应该通过大学化学实验培养学生实际动手操作能力、创新性思维和严谨的科学态度，以提高学生的综合素质［1］。大学“有机化学实验”是“有机化学”教学的重要组成部分，是一门独立的基础实验课。用单一的教学方法讲授基本的实验课程内容会让学生觉得枯燥无味，不能集中精力参与到实验中去，进而大大降低了学习效率，无法达到培养学生主观能动性和实际动手操作能力的教学目标。因此，在有机化学实验教学中有必要增加一些创新性且能激发学生兴趣的实验。本文推荐的缩合反应具有操作步骤简单、反应机理易懂、产物的产率与纯度高等优点，能够较好地满足学生实验在难度和时间上的要求。另外，该方法合成的化合物的结构具有较明显的波谱特征，可以促使学生进一步认识波谱学，利用波谱学开展有机化合物的结构鉴定［2］。

苯并咪唑类（benzimidazoles，BMZs）化合物是由苯环与咪唑环融合而成的具有多种生物活性的杂环化合物。因结构中含有两个N原子，可以与生物体的酶、与受体等形成氢键，还可以与过渡金属等发生配位和π-π相互作用，等［3-4］。因此苯并咪唑类化合物的化学和药理学一直是药物化学研究的热点，并且苯并咪唑是医药、化工和材料化学领域的重要中间体［5］，其衍生物具有良好的生物活性，含苯并咪唑结构单元的物质具有抗癌［6-8］、消炎抗菌［9］、抗结核［10］、抗病毒［11］、镇痛［12］、抗糖尿病［13］、杀菌［14-15］、杀虫［16-17］等作用，正因为苯并咪唑类化合物具有如此多的用途，合成这类化合物的方法层出不穷并且有很多综述从不同角度对这些方法进行了分类论述。

1 实验原理

本文报道了3，4-二氨基苯甲酸和羟基乙酸在4 mol/L的盐酸催化下加热回流获得2-（羟甲基）-1H-苯并［d］咪唑-5-羧酸的反应，该反应具有时间短、反应步骤简单，副产物少，目标化合物的产率和纯度高的特点。因此，本实验可作为一个大学有机化学教学实验。目标产物合成反应方程如图1所示：

图1 2-（羟甲基）-1H-苯并［d］咪唑-5-羧酸的合成路线

我们提出了一个可能的反应机理关于在盐酸催化下制备化合物2-（羟甲基）-1H-苯并［d］咪唑-5-羧酸（如图2），羟基乙酸夺取盐酸中质子氢形成质子化羧酸，3，4-二氨基苯甲酸的N具有孤单电子作为亲核试剂进攻羰基碳形成新的钅羊盐，质子H从氨基迁移至-OH上，然后脱水一份子的水，分子内的另一氨基作为亲核试剂进攻羰基碳，得到五员状结构的氨基正离子，质子离去得到以四面体结构中间体，在酸性条件下夺取氢形成钅羊盐，脱去一份子的水及氢质子从而形成碳氮双键，得到最终目标产物2-（羟甲基）-1H-苯并［d］咪唑-5-羧酸，见图2。

图2 2-（羟甲基）-1H-苯并［d］咪唑-5-羧酸的合成机理

2 试剂与仪器

2.1 试剂

3，4-二氨基苯甲酸、羟基乙酸、盐酸、乙腈、蒸馏水。

2.2 仪器

Brucker Equinox 55 FT-IR红外光谱仪（KBr压片法）、INOVA-400核磁共振仪（DMSO-d6为溶剂，TMS为内标）、日本Yanaco MP-S3熔点仪、紫外灯、旋转蒸发仪、恒温干燥箱、电子天平、搅拌磁子、100mL圆底烧瓶、温度计、布氏漏斗、抽滤瓶、真空泵、展开槽、层析板、毛细管。

3 实验步骤

3.1 2-（羟甲基）-1H-苯并［d］咪唑-5-羧酸的制备

将3，4-二氨基苯甲酸（1.52 g，10 mmol），羟基乙酸（1.52 g，20 mmol）和盐酸（4 M，30 mL）加入100 mL烧瓶中搅拌10分钟，然后加热回流反应6 h；混合溶液冷却至室温后得到灰色沉淀，静置，抽滤；固体粗产品用20 mL蒸馏水淋洗两次，室温再减压旋蒸除水。最后用20 mL乙腈淋洗三次，置于恒温干燥箱中干燥，即可得到浅灰色粉末状固体。恒温干燥后称重并计算产率。用核磁共振谱和红外光谱表征其结构（图3和图4）。

目标产物2-（羟甲基）-1H-苯并［d］咪唑-5-羧酸（2-（hydroxymethyl）-1H-benzo［d］imidazole-5-carboxylic acid）的产率：64%。波谱数据如下：

红外光谱分析IR（KBr压片，cm-1）：3384 s，3006 s，2967 s，2885 s，2818 s，2753 s，2589 m，1920 w，1810 w，1680 s，1635 m，1615 m，1582 m，1510 m，1455 m，1436 s，1376 w，1345 m，1313 s，1248 m，1220 m，1193 m，1126 w，1079 m，1016 w，969 w，927 w，908 w，839 m，813 m，795 w，769 m，743 w，697 w，676 w，638 w，602 w.

1H NMR（400 MHz，DMSO-d6）分析：各质子的化学位移δ（ppm）：5.007（s，2H，CH2），6.578（m，1H，OH），7.829（d，J=8.8Hz，1H，Ar-7），8.063（dd，J=1.6，1.6 Hz，1H，Ar-6），8.254（s，1H，Ar-4），13.326（s，1H，NH），14.673（s，1H，COOH）.

3.2 2-（羟甲基）-1H-苯并［d］咪唑-5-羧酸熔点测试步骤

将目标产物样品填充在毛细管中，样品高度3mm—4mm，反复敲打，并压实，确保样品无气泡；选定熔点仪的起始温度为260℃，终止温度为315℃，按照8℃/min以及2℃/min的升温程序进行试验并测定，得到样品的初熔点和终熔点。

目标产物2-（羟甲基）-1H-苯并［d］咪唑-5-羧酸（2-（hydroxymethyl）-1H-benzo［d］imidazole-5-carboxylic acid）的熔点：321℃—323℃。

4 结果与讨论

4.1 谱学分析

在目标产物的IR谱中（如图3），在3384 cm-1出现了N-H伸缩振动吸收峰，1680 cm-1出现了C=N的伸缩振动吸收峰，出现了1313 cm-1羧基的C=O特征吸收峰，1582，1510，1455，1436cm-1吸收峰归属为咪唑环和苯环骨架的特征吸收振动峰，这些峰位可以确定目标化合物成功合成。

图3 2-（羟甲基）-1H-苯并［d］咪唑-5-羧酸的IR

在目标产物的1H-NMR谱中（如图4），在δ 7.80ppm—8.30ppm出现芳环上的H质子化学位移信号，呈现出多重峰，在δ 6.57 ppm左右出现羟基H质子的化学位移信号并以单峰形式出现。氨基H化学位移在δ 13.32 ppm左右以单峰的形式出现，亚甲基H化学位移在δ 5.00 ppm左右以单峰的形式出现，苯环上的羧基H的化学位移在δ 14.67 ppm处以单峰的形式出现。

图4 2-（羟甲基）-1H-苯并［d］咪唑-5-羧酸的1H-NMR

4.2 实验中的其他事项

（1）实验预习阶段，可适当安排学生查阅相关文献资料，了解其结构、合成方法和应用情况，要求学生自主分析文献中各种合成路线优缺点，这样既能拓展相关知识背景，又能激发学生的实验兴趣。此外，教师可以布置课外思考题，提高学生的实验创新能力。

（2）本实验机理设计缩合反应，有助于加深和巩固学生对基础有机化学理论知识的理解和应用。实验内容丰富，包括热回流反应、低温控温、减压抽滤、洗涤和干燥、薄层色谱监测跟踪、熔点测定、红外光谱和核磁共振图谱的解析，等。

（3）本实验路线成熟，反应设备简单，反应条件温和，反应产物直接用洗涤干燥纯化处理即得，收率较高。

（4）本实验以3，4-二氨基苯甲酸和羟基乙酸为原料，完成全部内容大约需要6 h。化合物结构检测部分（包括薄层色谱监测、熔点测定、红外光谱和核磁共振图谱的测试与解析）可根据实验具体教学条件和实验学时情况进行合理调整。

（5）本实验可以分为两次完成，第一次实验讲解实验内容及要求，制备2-（羟甲基）-1H-苯并［d］咪唑-5-羧酸，第二次实验目标产物的确定：熔点测定、红外光谱和核磁共振表征及图谱分析。

4.3 教学效果及反思

该实验以小组或个人为单位均可进行操作。通过对教学效果观察，该实验具有如下优点：

（1）该实验设计源于真实科研结果，所以学生对实验具有高度的热情；实验的实施和结果分析都能锻炼学生综合实验能力和分析能力，激发学生主动去探究问题和解决问题。

（2）实验前后化合物的颜色明显不同，拉近学生对化学物质的距离感，给学生带来一定的神秘感，增进其学习和实验的热情，也调动了学生的积极性，潜移默化地掌握基础知识。

（3）具体实验装置、大型仪器，均可在实验教师的指导下操作，学生可以在具体的操作过程中消除科研与现实之间的隔阂，在巩固基础知识的同时获得成就感，增进学生对科研的认识及激发学生从事科研工作的热情。

5 结论

该实验适合于常量、半微量和微量级进行反应，具有原料廉价、易得、低毒；操作简单；装置简单；实验现象明显；后处理简单和产率高等特点。整个实验过程需要4h—6h，符合有机化学实验的基本要求。尽管对有些底物反应时间太长，该合成反应因为没有使用重金属催化剂而具有一定优越性。