HJCET  >> Vol. 9 No. 2 (March 2019)

    芳香醛酮与联胺的缩合反应及其晶体结构
    Condensation Reactivities and Crystal Structures of Schiff Base from Aromatic Aldehyde or Ketone with Diamine

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作者:  

潘嬿,陈明华,郑玉国,易君明:兴义民族师范学院,生物与化学学院,化学合成及环境污染控制和生态修复技术实验室,贵州 兴义

关键词:
水合肼芳香醛芳香酮席夫碱晶体结构Hydrazine Hydrate Aromatic Aldehyde Aromatic Ketone Schiff Base Crystal Structure

摘要:

在乙醇溶剂中以具有不同取代基的苯甲醛分别与水合肼进行缩合反应制备联亚胺席夫碱化合物,其结构通过1H NMR、13C NMR、元素分析及单晶X-射线衍射技术进行表征。实验结果表明:相对于苯甲醛与水合肼进行缩合反应而言,吸电子基团有利于缩合反应且产率较高,而供电子基团使反应困难且产率较低,所得席夫碱化合物晶体结构均为E构型。

Five Di-schiff base compounds were synthesized in a simple method from condensation reaction of three aromatic aldehydes and two aromatic ketones with hydrazine hydrate under reflux using ethyl alcohol as solvent, and their structures were characterized by 1H NMR, 13C NMR, elemental analysis and single X-ray diffraction. The experiment result showed that these Schiff base structures of C=N were E configurations, and aromatic aldehyde or ketone with electron withdrawing group improving the condensation reaction activity, while the electron-donating group reducing its activity.



1. 引言

席夫碱是一类由伯胺与醛、酮类活泼羰基化合物缩合反应生成具有亚胺基(-CH=N-)结构化合物的总称,由于席夫碱氮原子上具有未成对电子,因而其容易和不同的金属离子配位得到结构各异新颖的化合物,某些席夫碱配合物具有良好的杀菌、抗病毒以及抗肿瘤等多种生物活性而得到广泛的应用,部分席夫碱配合物具有特殊的催化反应性能和酶模拟功效,一些席夫碱及其配合物具有独特的磁性、光学、电化学等性质而倍受化学工作者关注 [1] [2] [3] [4] [5] 。因此,近年来席夫碱及其金属配合物的发展受到普遍重视,发展迅速,其合成及性质和应用研究已有多篇综述文献进行报道 [6] - [11] 。水合肼是联氨的水溶液,又称为水合联胺,具有很强的亲核性,易与芳香醛发生缩合反应得到双亚胺基席夫碱化合物,该席夫碱具备与金属离子配位时形成单核或双核配合物的结构,因此,近年来关于水合肼与芳香醛缩合反应制备席夫碱的合成研究逐步引起化学工作重视,如2011年Mahmoodi N O等 [12] 在KSF催化下合成系列结构对称的席夫碱,2012年吉林大学Mu Ying等 [13] 以水合肼和取代芳香醛为原料在乙醇溶剂中回流反应合成联亚胺基席夫碱,2014年Khan K M等 [14] 以水合肼与芳香醛为原料在BiCl3催化下超声波高效合成系列席夫碱,2016年张秀清等 [15] 采用邻羧基苯甲醛和水合肼两种物质通过混合溶剂法得到邻羧基苯甲醛缩水合肼席夫碱,但是关于水合肼与芳香醛、酮发生缩合反应生成联亚胺基席夫碱及其晶体结构的研究报道并不多见 [16] [17] 。

水合肼又称为水合联胺,是氨分子中一个氢原子被氨基取代后的一水合物。为了进一步了解不同类型取代基的芳香族醛或酮与水合肼进行缩合反应生成联亚胺基席夫碱的反应情况及其晶体结构,为合成新型席夫碱及开展席夫碱金属配合物的性质和应用研究提供理论参考,我们以苯甲醛、对氟苯甲醛、对甲氧基苯甲醛、苯乙酮为原料,在乙醇溶剂中分别与水合肼进行缩合反应制备联亚胺基席夫碱进行比较,通过单晶X-射线衍射表征化合物晶体结构。

2. 实验部分

2.1. 主要试剂和仪器

苯甲醛、对氟苯甲醛、对甲氧基苯甲醛、苯乙酮均为分析纯,水合肼(85%),均购自山东西亚化学工业有限公司,其余试剂均为市售分析纯,实验前未作纯化处理。

单晶X-射线衍射仪:Bruker Smart APEX II CCD单晶X-射线衍射仪(石墨单色化Mo-Ka射线,λ = 0.071073 nm,扫描方式为φ-ω,德国Bruker公司),JEOL-ECX 400 NMR核磁共振仪(日本电子株式会社),Sarteorius-BS110S电子天平(北京赛多利斯仪器系统有限公司),Vario EL III元素分析仪(德国Elementar公司)。

2.2. 标题化合物的合成

参照文献 [13] 进行,合成路线如图1所示,图中DBH为二苯甲醛缩联胺、BMBH为二对甲氧基苯甲醛缩联胺、BPEH为二苯乙酮缩联胺、BFBH为二对氟苯甲醛缩联胺。以合成化合物DBH为例:在装有回流冷确装置的250 mL三口瓶中依次加入无水乙醇150 mL、2滴冰乙酸、水合肼(85%) 1.0 mL和苯甲醛5.0 mL (0.05 mol),搅拌下缓慢加热至回流反应4小时,薄层析跟踪至反应结束,析出大量浅黄色沉淀,抽滤,反复用无水乙醇洗涤除杂,固体烘干后DMF溶解加热成饱和溶液,放置,针刺穿孔薄膜封口,数天后即可析出大量浅黄色条形晶体,收集晶体,除少许用于单晶结构测试外,其余全部烘干即得黄色固体产物。

Figure 1. The synthetic Rute of Schift base compounds

图1. 几个席夫碱化合物的合成路线图

DBH:yield:81.92%;1H NMR (400 MHz, DMSO-d6) δ:8.71 (s, 2H, -CH=N-),7.8~7.88 (d, J = 4 Hz, 4H, ArH),7.49~7.51 (d, J = 8 Hz, 6H, ArH);13C NMR (400 MHz, DMSO-d6) δ:162.00,134.08,131.84,129.56,128.81;Anal。Calcd for C14H12N2,C = 80.77,H = 5.77,N = 13.46。Found:C = 80.80,H = 5.72,N = 13.40。

BFBH:yield (93.85%);1H NMR (400 MHz, DMSO-d6) δ:8.71 (s, 2H, -CH=N-),7.91~7.95 (q, J =16 Hz, 4H, ArH),7.32~7.36 (d, J = 16 Hz, 4H, ArH);13C NMR (400 MHz, DMSO-d6) δ:161.05,131.1~131.09 (d, J = 36 Hz),116.64,116.42;Anal。Calcd for C14H10F2N2,C = 68.85,H = 4.13,N = 11.48。Found:C = 68.80,H = 4.21,N = 11.44。

BMBH:yield (80.02%);1H NMR (400 MHz, DMSO-d6) δ:7.91~7.89 (m, J = 8, 4H, -CH=N-, ArH),7.45~7.44 (t, J = 4 Hz, 6H, ArH),2.26 (s, 6H, -CH3);13C NMR (400 MHz, DMSO-d6) δ:157.68,138.30,130.22,128.79,127.06,15.18,Anal。Calcd for C16H16N2O2,C = 71.62,H = 6.02,N = 10.44。Found:C = 70.95,H = 6.11,N = 10.50。

BPEH:yield (70.69%);1H NMR (400 MHz, DMSO-d6) δ:7.91~7.90 (m, J = 4, 4H, ArH),7.45~7.44 (t, J = 4 Hz, 6H, ArH),2.26 (s, 6H, -CH3);13C NMR (400 MHz, DMSO-d6) δ:157.75,138.30,130.22,128.74,126.92,15.13;Anal。Calcd for C16H16N2,C = 81.36,H = 6.78,N = 11.86。Found:C = 80.32,H = 6.80,N = 11.88。

2.3. 晶体结构测试

选取尺寸适当大小的透明晶体置于Bruker Smart Apex II CCD单晶X-射线衍射仪上,以石墨单色化的Mo-Ka (0.071073 nm)辐射光源在θ = 1.00˚~25.00˚的范围内,以ω-φ扫描方式在室温293~296 K下进行晶胞参数测定和收集衍射数据,晶体结构解析和精修使用Shelxtl-97程序包。粗结构由直接法解出,非氢原子坐标用差值Fourier合成确定,并参照各向异性参数用全矩阵最小二乘法修正,氢原子用理论加氢方式获得。晶体结构测试条件及其晶体学数据如表1所示。

Table 1. Main crystal data of Schift base compounds

表1. 几个席夫碱化合物的主要晶体学数据表

3. 结果与讨论

醋酸用作催化剂对产率的影响:苯甲醛和对氟苯甲醛在室温下均能与水合肼发生明显化学反应现象,不同的是苯甲醛和水合肼在乙醇溶剂中混合均匀后放置片刻才发生明显化学反应并产生大量黄色沉淀,而对氟苯甲醛则在加入的过程中就能快速发生反应生成大量黄色沉淀;对甲氧基苯甲醛和苯乙酮在室温下与水合肼进行反应均观察不到明显的化学反应现象,需要在加热条件下才能观察到有沉淀现象产生,加入少许醋酸可以适当增加沉淀质量提高产率,推测醋酸在反应体系中起着催化剂作用。在合成目标产物(席夫碱)的过程中,醋酸用作催化剂对合成目标产物的产率有着不同的影响,其中在合成DBH和BFBH时醋酸的加入对产率几乎没有明显变化,推测可能是氟原子作为强吸电子基团使苯环上电子云密度降低,从而使苯环上的醛基与联胺分子中的氨基反应活性增强,产率相对较高,几滴醋酸可使DBH产率提高约15%,而对BFBH的产率提高还不到5%,影响不是很大。醋酸用作催化剂对BMBH或BPEH产率有着较大影响,在没有加入醋酸时,尽管采用加热回流反应12小时的办法试图提高产率,但是结果是产率还不到5%,但是在加入几滴醋酸作为催化剂后,均可使产率提高到70%以上,推测除了空间位阻影响因素外,可能是甲氧基或甲基作为供电子基团可使苯环上的电子云密度升高,从而使醛基与联胺分子中的氨基反应活性降低导致其产率不高。

产物的分离纯化与单晶培养:由于原料芳香醛及水合肼在乙醇溶剂中均能溶解,而席夫碱产物在乙醇或水及其混合溶剂中均不溶解或溶解度不大,故产物后处理可采用抽滤后沉淀用乙醇反复洗涤以便除去未反应的原料和其他杂质进行分离纯化。固体烘干后用DMF加热溶解成饱和透明溶液,放置数天后便可析出长条状的浅黄色晶体,推测可能是DMF暴露在空气中会吸收空气中的水分从而导致产物能够结晶析出而且能够稳定存在;尽管产物用DMSO作溶剂也可以析出晶体,但是对相同质量的产物而言,DMSO作溶剂所析出晶体的量没有用DMF作溶剂时多,推测可能是产物在DMSO中溶解度较大且溶解度受温度变化影响较小所致。

3.1. 二苯甲醛缩联胺席夫碱(DBH)晶体结构

关于二苯甲醛缩水合肼席夫碱(DBH)的合成方法文献 [14] 进行报道,其结构通过核磁共振和质谱技术进行表征,但为了进一步了解二苯甲醛缩水合肼席夫碱化合物的晶体结构,我们用DMF进行重结晶,得到浅黄色长条状晶体,晶体结构及晶胞图如图2所示。DBH为正交晶系,Pbcn空间群,经验分子式为C14H12N2,每个晶胞内有12个化合物分子。从晶体结构中可以看出,分子中两个碳氮双键均为E构型,相邻分子之间主要是通过分子两端的苯环发生C-H-π作用,作用距离分别为0.3598 nm和0.3604 nm,平均值为0.3601 nm。C=N键长值均为0.1264 nm,与文献 [18] 报道C=N键长值相似;N-N键长值为0.1401 nm,苯环上的碳键的键长值分别为0.1398 nm、0.1352 nm、0.1390 nm、0.1380 nm、0.1379 nm、0.1382 nm,平均为0.1382 nm。从键角方面来看,C(7)-N(1)-N(1)键角为111.76˚,N(1)-C(7)-C(6)键角为122.84˚, 苯环上的键角分别为120.26˚ [C(5)-C(6)-C(4)]、121.34˚ [C(3)-C(4)-C(5)]、117.53˚ [C(2)-C(3)-C(4)]、121.59˚ [C(1)-C(2)-C(3)]、120.91˚ [C(2)-C(1)-C(6)]、118.35˚ [C(1)-C(6)-C(5)],平均键角为120.00˚,与苯环的平均键角值相吻合;分子中两个苯环中心点之间的距离为0.8656 nm,两端苯环共平面,分子中所有的碳、氢、氮原子几乎在同一平面,因此可以认为整个分子式一个平面型分子。

Figure 2. The crystal structure and packing diagram of compound DBH

图2. DBH的晶体结构及晶胞图

3.2. 二对氟苯甲醛缩联胺席夫碱(BFBH)晶体结构

为了进一步了解芳香醛缩联胺席夫碱的化学反应活性及其晶体结构,我们在苯环上醛基的对位引入强吸电子基团氟原子,把反应物苯甲醛换为对氟苯甲醛进行实验对比观察,结果是在其它条件不变的情况下,观察到滴入对氟苯甲醛到乙醇和水合肼的过程中快速产生浅黄色沉淀,随着对氟苯甲醛的逐渐加入,沉淀逐渐增多,醋酸的加入以及加热对产率影响几乎没有影响。二对氟苯甲醛缩联胺席夫碱(BFBH)的晶体结构及晶胞图如图3所示,化合物BFBH为单斜晶系,P21/c空间群,经验分子式为C14H10F2N2,每个晶胞内有四个化合物分子。从晶体结构中可以看出,分子中两个碳氮双键均为E构型,相邻化合物分子之间主要通过多个氢键(C-H-F)发生相互作用,这些氢键主要发生在氟原子与苯环上的氢原子和醛基碳上的氢原子之间,如C(7)-H-F(1) (0.3503 nm)和C(2)-H-F(1) (0.3520 nm)等,对相邻分子之间的氢键进行扩展链接,可以观察到层状结构,相邻两层平面之间的距离为0.3495 nm。分子中的碳氟键键长值为0.1358 nm,碳氮双键的键长值为0.1266 nm。分子中的苯环上的碳键键长及链上碳氮双键的键长值均与化合物DBH很相似,处于正常的范围值之内,分子中氟原子、碳原子、氮原子和氢原子几乎处于同一平面,因此整个分子也是一个近平面型分子。

Figure 3. The crystal structure and packing diagram of compound BFBH

图3. BFBH的晶体结构及晶胞图

3.3. 二对甲氧基苯甲醛缩联胺席夫碱(BMBH)晶体结构

为了观察苯环上具有不同类型取代基的芳香醛与联胺进行缩合反应情况及其相对应的席夫碱化合物晶体结构,我们在苯环上引入供电子基团即甲氧基,观察对甲氧基苯甲醛与联胺的化学反应实验情况,结果是在室温下混合均匀放置几乎观察不到明显的化学反应现象,即使在加热回流反应12个小时的条件下也只生成少许浅黄色沉淀,但是在加入几滴醋酸作为催化剂后,产率可以得到较大提高。对甲氧基苯甲醛缩联胺席夫碱(BMBH)的晶体结构及晶胞图如图4所示,化合物为单斜晶系,Cc空间群,经验分子式为C16H16N2O2,每个晶胞内有4个化合物分子,分子中两个碳氮双键仍均为E构型。分子之间主要通过多个弱的氢键(C-H-O、C-H-N及C-H-C)和C-H-π发生相互作用,这些C-H-O氢键的键长值为0.3442 nm [C(11)-H-O(1)]、0.3415 nm [C(16)-H-O(1)]、0.3379 nm [C(1)-H-O(2)]等,C-H-N氢键如C(1)-H-N(2)为0.3620 nm,C-H-C氢键如C(1)-H-C(8)为0.3514 nm,苯环之间通过C-H-π作用如C(11)到C(2)之间的作用距离为0.3534 nm。分子两端甲氧基上氧原子之间的距离为1.4132 nm,甲基碳原子之间的距离为1.5540 nm。分子两端的C(1)-O(1)-C(2)和C(13)-O(2)-C(16)键角依次为119.08˚和118.22˚,两个甲氧基朝向相反,整个分子由于受到分子两端甲氧基的影响,两个苯环所在平面之间呈现8.17˚的扭转角。

Figure 4. The crystal structure and packing diagram of compound BMBH

图4. BMBH的晶体结构及晶胞图

3.4. 二苯乙酮缩联胺席夫碱(BPEH)晶体结构

通过苯环上不同类型取代基的苯甲醛与水合肼反应情况可知,苯环上具有吸电子基团时反应活性增强,供电子基团使反应活性减弱。为了进一步验证具有供电子基团的芳香醛或酮与水合肼进行反应时化学反应活性降低的实验现象,我们用苯乙酮与水合肼反应进行实验观察,结果是室温下二者几乎不反应,即使在加热回流反应12小时后也只有极少许的沉淀产生,但是在加入少许醋酸作为催化剂后,产率可以得到明显改善,推测可能受到甲基作为供电子基团和空间位阻的双重影响。苯乙酮与水合肼缩合产物席夫碱(BPEH)的晶体结构及晶胞图如图5所示,化合物为单斜晶系,P21/n空间群,经验分子式为C16H16N2,每个晶胞内有4个化合物分子,碳氮双键为E构型,相邻化合物分子之间主要通过弱的C-H-N氢键和C-H-π发生相互作用。由于甲基的空间位阻比氢原子大,致使两个甲基碳原子所在平面[C(6)-C(7)-C(8)]和[C(9)-C(10)-C(11)]具有44.30˚角度,两个碳氮双键的键长值分别为0.1277 nm [N(2)-C(9)]和0.1278 nm [N(1)-C(7)],两个苯环所在平面之间呈现出64.33˚的扭转角。

Figure 5. The crystal structure and packing diagram of compound BPBH

图5. BPEH的晶体结构及晶胞图

以上讨论了不同类型取代基(供电子基团与吸电子基团)的芳香族醛或酮与联胺进行缩合反应的情况及晶体结构,相对于苯甲醛与联胺进行缩合反应而言,除收到空间位阻的影响外,供电子基团可使化学反应活性降低,而吸电子基团则使反应活性增强。这一结论在4-二甲氨基苯甲醛与水合肼的反应中得到了进一步验证,即使在醋酸作为催化剂的情况下加热回流反应12小时也只能得到约72%的产率,产物仍为黄色固体,图6为二(4-二甲氨基)苯甲醛缩联胺席夫碱的晶体结构和晶胞图。该化合物为单斜晶系,分子式为C18H22N4,E构型,分子量为294.40 g/mol,P21/c空间群,主要晶胞参数为:a = 0.59819(6) nm,b = 0.73650(7) nm,c = 1.89711(16) nm,β = 90.430(3)˚,Z = 4,V = 0.83578(14) nm3,−5 ≤ h ≤ 7,−7 ≤ k ≤ 8,−22 ≤ l ≤ 20,F(000) = 2686,μ = 0.608 mm−1

Figure 6. The crystal structure and packing diagram of (1E,2E)-1,2-di(4-(dimethylamino) benzydene) hydrazine

图6. (1E,2E)-二(4-N,N-二甲氨基)苯甲醛缩联胺席夫碱的晶体结构及晶胞图

4. 结论

报道了不同类型取代基的芳香醛酮与联胺缩合反应制备席夫碱的反应情况及其晶体结构,所得化合物的碳氮双键均为E构型。芳香族醛酮化合物与水合肼进行反应,其反应活性不仅受空间位阻的影响,而且取代基类型的影响,其中供电子基团使化学反应活性减弱,吸电子基团使反应活性增强。

基金项目

贵州省科技厅资助项目(黔科合LH字[2016] 7038)、贵州省教育厅资助项目(2016年教改项目163号)。

NOTES

*通讯作者。

文章引用:
潘嬿, 陈明华, 郑玉国, 易君明. 芳香醛酮与联胺的缩合反应及其晶体结构[J]. 化学工程与技术, 2019, 9(2): 92-99. https://doi.org/10.12677/HJCET.2019.92014

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