一个有机化学实验:萘酰亚胺化合物的合成

一个有机化学实验：萘酰亚胺化合物的合成
白翠冰;熊文章;乔瑞;杨松;刘鹏德;魏影
【摘要】The synthesis and characterization of N-butyl-4,5-dihydrazine-1,8-naphthalimide is an exploratory experiment completed by senior undergraduates. N-butyl-4,5-dihydrazine-1,8-naphthalimide was obtained by nitration, bromination, oxidation and substitution with acenaphthene as raw material. And the target compound was separated through chromatography and recrystallization. By the way of melting point, IR and 1H-NMR, the character of the compounds were confirmed. It was proposed as an Organic Chemistry experiment as it contained coupling reaction, which would be beneficial for testing theoretical level, improving the synthesis ability of students and cultivating their ability of finding and resolving problems.%介绍一个面向大学高年级本科生的综合性有机化学实验——N-丁基-4,5-二肼基-1,8-萘酰亚胺的合成与结构表征.以苊为起始原料,经过多步反应,结合层析法、重结晶等多种分离手段,最终得到目标化合物,并利用熔点测定、红外光谱和核磁共振氢谱等表征手段确定了目标化合物和中间产物的结构.该实验路线成熟可靠,涉及多种反应类型,可以检验学生理论水平和训练学生实验技能,培养学生发现问题和解决问题的能力,是一个值得推荐的有机化学实验.
【期刊名称】《广州化工》
【年(卷),期】2018(046)002
【总页数】3页(P131-132,178)
【关键词】萘酰亚胺;红外光谱:核磁共振氢谱;亲电取代;缩合反应;亲核取代
【作者】白翠冰;熊文章;乔瑞;杨松;刘鹏德;魏影
【作者单位】阜阳师范学院化学与材料工程学院,安徽阜阳 236041;阜阳师范学院化学与材料工程学院,安徽阜阳 236041;阜阳师范学院化学与材料工程学院,安徽
阜阳 236041;阜阳师范学院化学与材料工程学院,安徽阜阳 236041;阜阳师范学院化学与材料工程学院,安徽阜阳 236041;阜阳师范学院化学与材料工程学院,安徽
阜阳 236041
【正文语种】中文
【中图分类】G64;O6
萘酰亚胺类化合物因其独特的结构特点，具有荧光量子产率高、斯托克位移大、光稳定性好和结构易于修饰等特点，因而作为荧光探针、荧光增白剂、光动力药物等，得到了广泛关注和深入研究[1-4]。

研究结果表明，1,8-萘酰亚胺类化合物的4-位
和5-位一旦引入给电子基团后，由于化合物本身具有刚性平面结构和大共轭体系，分子内可以形成“Donor-Acceptor”体系(即D-A体系)，分子荧光量子产率明显提高[5]。

为了进一步拓宽萘酰亚胺类化合物的研究范围，合成得到了多种4-位和5-位双取代的萘酰亚胺类化合物，本文介绍了一种制备N-丁基-4,5-二肼基-1,8-萘酰亚胺(XB，结构如图1所示)的合成方法，可以方便的通过4-位和5-位肼基对萘酰亚胺化合物进行进一步修饰，该化合物有望成为合成萘酰亚胺类化合物的一类新型中间体。

图1 N-丁基-4,5-二肼基-1,8-萘酰亚胺的结构式Fig.1 The structure of N-butyl-
4,5-dihydrazine-1,8-naphthalimide
1 实验目的
(1)了解萘酰亚胺类化合物的结构、性质与用途。

(2) 掌握回流、重结晶和干燥等实验操作方法，学会并掌握薄层层析方法，熟练利用薄层法监测反应进程，熟练掌握化合物的熔点测定。

(3)了解并学会利用红外光谱和核磁共振氢谱解析化合物结构。

2 实验原理
本实验以苊为原料，通过取代反应、氧化反应和缩合反应，经5步反应，得到目标化合物XB。

合成路线如图2所示。

图2 N-丁基-4,5-二肼基-1,8-萘酰亚胺的合成路线Fig.2 The synthesis route of N-butyl-4,5-dihydrazine-1,8-naphthalimide
3 仪器与试剂
仪器：集热式磁力搅拌器;上海精科WRS-1B数字熔点仪;瑞士布鲁克400M核磁共振光谱仪;美国热电红外光谱仪。

试剂：苊;N-溴代丁二酰亚胺(NBS);高锰酸钾;碳酸钠;乙醇;N,N-二甲基甲酰胺(DMF);吡啶;乙二醇单甲醚;三氯甲烷;浓硝酸(65%);浓盐酸;乙酸;正丁胺;水合肼(85%)。

4 实验内容
(1)溴代
将苊(23.1 g，0.15 mol)加入80 mL二甲基甲酰胺(DMF)中，加热至45 ℃，搅拌溶解。

待其完全溶解后，加入N-溴代丁二酰亚胺(NBS，27.0 g，0.15 mol)，回流6 h。

停止反应后，倒入800 mL水中，立即析出大量固体。

抽滤，得淡黄色固体。

产品重34.5 g，产率98%。

用95%乙醇重结晶后，得到白色片状晶体DB 128.5 g，收率81%。

熔点为50.2～51.9 ℃，文献值为51～52 ℃。

(2)硝化
称取6.72 g DB1(29.0 mmol)室温溶于60 mL 乙酸中。

待其完全溶解后，用恒压滴液漏斗向其中滴入6 mL硝酸(65%)与12 mL乙酸的混合溶液，于40～45 min 内匀速滴完，整个过程控制反应温度在15～20 ℃。

室温反应10 h后，抽滤，得
黄色固体，用少量乙酸洗涤后干燥，得4.28 g，收率为53%。

乙酸重结晶后得到DB2(黄色针状固体)2.87 g，收率36%。

熔点为157.3～158.1 ℃，文献值为157～158 ℃。

(3)氧化
将吡啶与水等体积混合，待其完全冷却后，取120 mL加入圆底烧瓶中。

称取2.5 g(9.0 mmol)DB2，转移至圆底烧瓶内，室温搅拌至其完全溶解。

将3.75 g(22.5 mmol)KMnO4，分三次，间隔30 min，加入反应体系，加热回流36 h。

停止加热，冷却至室温后，抽滤，得红棕色滤液。

用浓盐酸酸化滤液至pH=3，静置冷却，有大量棕色固体析出，抽滤，干燥后得固体1.35 g，产率77.4%。

在乙酸中对其
重结晶得到DB3(红棕色晶体)1.05 g，收率77.7%。

熔点为309.7～310.1 ℃，文献值为310～311 ℃。

(4)缩合
称取0.125 g(0.388 mmol)DB3，转移到50 mL圆底烧瓶中，加入无水乙醇20 mL，搅拌得乳浊液。

向此乳浊液中加入0.5 mL正丁胺，体系逐渐澄清，加热回流，用薄层层析监测反应进程。

停止反应，将反应液趁热倒入60 mL冰水中，出
现大量黄色固体。

向其中加入15 mL饱和碳酸钠水溶液，搅拌20 min。

抽滤，用大量水洗涤滤饼，得DB4(明黄色固体)76.5 mg，产率为52%。

熔点为175.9～176.4 ℃，文献值为175.8～176.2 ℃。

(5)取代
将合成得到的76 mg(0.2 mmol)化合物DB4溶于20 mL乙二醇单甲醚中，加入
水合肼4 mL，加热回流。

利用薄层层析监测反应进程。

停止反应后，减压除去溶剂，用三氯甲烷溶解，用自制硅胶板分离展开剂为甲醇:三氯甲烷=1:15(V:V)，收
集Rf=0.8黄绿色带，用二氯甲烷淋洗，旋干，得黄色固体50 mg，产率为80%。

IR(KBr)：ν 775, 895, 1027, 1198, 1237, 1590, 1628, 1662,1710, 3089。

1H-NMR(400 MHz, DMSO, δ, ppm, TMS): 8.57(1H), 8.06(1H), 7.62 (1H),
8.47(1H), 6.71(1H), 5.24(1H), 4.12(2H), 3.37(2H), 1.78(4H), 1.11(3H)。

5 讨论
(1)在实验预习阶段，可以要求学生利用网络资源，参阅相关文献和资料，了解目
标产物的结构与性质之间的关系以及该类衍生物的常见合成方法和用途。

这样，一方面可以激发学生学习兴趣，拓展学生背景知识，另一方面可以锻炼学生文献查阅与检索能力，学会利用网络资源获得相关资料。

(2)本实验不仅涉及回流、重结晶、干燥、薄层层析等多种实验方法，还包括熔点
测定、红外光谱和核磁共振氢谱的解析等相关测试手段。

具体开课过程中，可以根据实验仪器、实验设备和实验学时等进行适当调整。

(3)虽然本实验共有5步反应，但是每步反应中产率相对较高，均在50%以上，实验难度适中。

因此，在实验过程中，教师要注意学生实验操作，注重培养学生综合实验技能，帮助学生全面掌握基本实验操作，养成良好的实验习惯。

同时，要求学生在教师的指导下能够提出对于各步反应中涉及到的反应机理，并能够对反应条件和合成路线的合理性进行说明，培养和提高学生的独立思考能力。

(4)本实验提供了的是一种4,5-位双取代的萘酰亚胺衍生物的合成通用方法，如果
使用不同的伯胺基化合物进行取代反应，可以得到对应结构的衍生物[6-7]，可以
根据实际情况使用原料安排实验。

(5)目前萘酰亚胺衍生物已有大量的研究与应用，所以教师可以选取现有相关研究
成果中的衍生物结构，作为思考题，要求学生设计实验方案，从科学性、可行性和
经济性等方面对设计方案展开分析，激发学生探索精神，增强学生自主创新意识，培养学生自主创新能力。

6 结论
通过该实验的训练，不仅进一步训练了学生的动手能力，强化了实验技能，而且巩固了学生的书本论知识，夯实了理论基础，激发了学生的学习兴趣，实现了“理论”与“实践”两个教学环节的良性互动。

参考文献
[1] 郭靖,刘庆文,杜建时,等.基于萘酰亚胺的生物硫醇探针的合成及对含硫醇氨基酸
的检测[J].分析化学,2017,45(9):1330.
[2] 高敏,于法标,陈令新.检测硫化氢分子的荧光探针[J].化学进展,2014,26(6):1065.
[3] 朱为宏,田禾,朱世琴.有机分子电致发光材料进展[J].化学进展,2002,14(1):18.
[4] 王辉, Ponmani Jeyakkumar, Sangaraiah Nagaraja,等.苝类化合物研究与应
用[J].化学进展,2015,27(6):704.
[5] 欧植泽,李青青,倚娜,等.三联吡啶—萘酰亚胺二元化合物的合成及其与DNA的
相互作用[J].影像科学与光化学,2017,35(4):563.
[6] Xu Z C, Qian X H, Cui J N. Colorimetric and Ratiometric Fluorescent Chemosensor with a Large Red-Shift in Emission: Cu(Ⅱ)-Only Sensing by Deprotonation of Secondary Amines as Receptor Conjugated to Naphthalimide Fluorophore[J]. Org. Lett.,2005,7:3029.
[7] Xu Z C, Xiao Y, Qian X H, et al. Ratiometric and Selective Fluorescent Sensor for CuⅡ Based on Internal Charge Transfer (ICT)[J]. Org.
Lett.,2005,7,889.。