苯并咪唑衍生物的合成_晶体结构及量子化学计算(精)

2004年第24卷第3期,300~305
有机化学
Chinese J ournal of Organic Chemistry
Vol.24,2004
No.3,300~305
研究论文
苯并咪唑衍生物的合成、晶体结构及量子化学计算
卑凤利陈海群杨绪杰陆路德汪信
(南京理工大学化工学院材料化学实验室南京210094
摘要合成了两种苯并咪唑衍生物:2 苄基-苯并咪唑(1和1 苄基 2 苯基-苯并咪唑(2.用元素分析、红外光谱和核磁共振氢谱对产物进行了表征,并且测定了它们的单晶结构.化合物1属正交晶系,空间群Pbca,a=0 93783(6nm,b=
0 97155(6nm,c=2 49187(16nm,V=2 2705(2nm3,D c=1 218g/cm3,Z=8,F(000=880, =0 073m m-1,R=
0 0816,wR=0 1698,GOF=0 948.化合物2属单斜晶系,空间群P21/c,a=0
60272(12nm,b=1 7059(3nm,c=1 5257
(3nm, =91 45(3 ,V=1 5682(5nm3,D c=1 204g/cm3,Z=4,F(000=600, =0 071mm-1,R=0 0730,wR=
0 1215,GOF=1 191.采用量子化学方法,在B3LYP/6 31G*水平上计算了标题化合物1和2的优化构型、电荷分布和热力
学函数.
关键词苯并咪唑,晶体结构,量子化学计算
Synthesis,Crystal S tructure and Quantum Chemical Calculation of
Benzimidazole Derivatives
B EI,Feng Li
C HEN,Hai Qun YANG,Xu Jie LU,Lu De W ANG,Xin
(Materials Chemistry Laboratory,N an jin g University o f Science and Technology,Nan j ing210094
Abstract Two benzimidazole derivatives,2 benzyl 1H benzimidazole(1and1 benzyl 2 phenyl 1H benzimidazole
(2,were synthesized and characterized by elemental analysis,IR and1H NMR spectra.Their crystal structures were
determined by X ray single crystal diffraction.The compoud1belongs to orthorhombic system with space group Pbca, a=0 93783(6nm,b=0 97155(6nm,c=2 49187(16nm,V=2 2705(2nm3,D c=1 218g/cm3,Z= 8,F(000=880, =0 073mm-1,R=0 0816,wR=0 1698,GOF=0 948.The compoud2belongs to monoclinic system with space group P21/c,a=0 60272(12nm,b=1 7059(3nm,c=1 5257(3nm, =
91 45(3 ,V=1 5682(5nm3,D c=1 204g/cm3,Z=4,F(000=600, =0 071mm-1,R=0 0730,wR
=0 1215,GOF=1 191.The DF T B3LYP methods with6 31G*basis set have been applied to optimization of the title compounds1and2.Their charges distribution and thermodynamic function were investigated.
Keywords benzimidazole derivative,crystal structure,quantum chemical calculation
苯并咪唑衍生物及其金属配合物一直都是研究热点[1~6],之所以引起人们极大的研究兴趣,主要是由于这类化合物具有良好的生物活性[7,8].苯并咪唑是一个有趣的杂环化合物,许多药物是苯并咪唑衍生物或其配合物[9~12].其中最重要的两类是抗寄生虫药和质子泵抑制剂.1961年人们发现了噻并达唑具有抗肠道线虫作用,由此导致苯并咪唑类驱虫药的发展[13].苯并咪唑衍生物作为配体与过渡金属离子形成的配合物,可用于生物分子的模拟,例如维生素B12 (Vita mine B12就是苯并咪唑核苷酸与可啉环系(Corrin ring的内络盐[18].苯并咪唑衍生物还可用作铜铝等金属防腐剂、光敏剂、无银照相、表面活性剂、荧光增白剂及光敏染料[14~17]等.苯并咪唑可用作抗辐射剂[18],效果达90%.聚苯并咪唑[19]由于高热稳定性、化学稳定性、低温稳定性及粘结性好,又具不燃性及抗吸潮性,已广泛用于太空服装等空间
E mail:wxin@;Tel:025 *******;Fax:025 *******.
Received August12,2003;revised Oc tober13,2003;accepted November14,2003.
国家自然科学基金(No.50372028资助项目.
用材料.本文报道了两种苯并咪唑衍生物:2 苄基-苯并咪唑(1和1 苄基 2 苯基-苯并咪唑(2的晶体结构和量子化学计算结果.
1 实验
1.1 仪器和试剂
Perkin El mer240C元素分析仪;Bruke r VECTOR 22型红外光谱仪(KBr压
片;Bruke r DRX 300MHz核磁共振仪,D MF 为溶剂;Mo K ( =0 071073nmSieme ns CCD SMAR T1000型X射线衍射仪.所用试剂均为市售分析纯.
1.2 标题化合物的合成
1.2.1 2 苄基-苯并咪唑的合成
室温(30 下,将5mmol邻苯二胺粉末(白色与5 mmol苯乙酸(无色晶体溶于乙二醇溶液中,加热回流6h,反应体系颜色为红色,停止反应并用冰水冷却,得到红色粗产物.用少量冷无水乙醇洗涤,室温干燥,重结晶得到标题化合物2 苄基-苯并咪唑.产率65%,1H N MR(DMF,300 MHz :4 40(s,C H2,7 67~8 23(m,9H,Ar H;IR
(KBr :3622,3458,3162,3028,2927,2987,2854,1612,
1567,1511,1444,1383,1348,1220,1021,907,876,835, 756,715c m-1.Anal.calcd for
C14H12N2:C80 73,H5 81,N 13 46;found C80 56,H6 26,N13 78.
1.2.2 1 苄基 2 苯基-苯并咪唑的合成
室温(30 下,将5mmol邻苯二胺粉末(白色与5 mmol苯甲酸(无色晶体溶于乙二醇溶液中,加热回流6h,反应体系颜色为黄色,停止反应并用冰水冷却,得到黄色中间粗产物2 苯基-苯并咪唑,产率82%.将中间产物2 苯基-苯并咪唑与适量的苄氯和
K2CO3,溶于甲醇/水溶液中,加热回流3h,得到棕色沉淀,过滤、室温干燥,重结晶得到标题化合物1 苄基 2 苯基-苯并咪唑,产率30%.1H NMR(D MF, 300MHz :4
85(s,CH2,7 13~8 67(m,14H,Ar H;IR (KBr :3107,3048,2915,2948,2847,1609,1509,1438, 1387,1351,1212,1019,910,878,837,757,713c m-1. Anal.calcd for C20H16N2:C84 47,H5 68,N9 86;found C 84 21,H5 80,N9 96.
1.3 晶体结构测定
将适量产物1和2分别溶于乙醇溶液中,在室温下缓慢挥发,约三周后得到红色1和黑色2单晶.选取大小适合的化合物1的单晶(0 38mm 0 16mm 0 12mm和化合物2的单晶(0 42mm 0 18mm 0 12mm分别置于Sie mens CCD SMAR T1000型X射线衍射仪上,用石墨单色化的Mo K ( =0 071073nm射线进行数据收集.其中化合物1在1 63 28 36 范围内,以 /2 扫描方式,于293(2K下共收集到14953个衍射点,独立衍射点2802个(R i nt=0 1635,其中1171个可观测点[I>2 (I]用于晶体结构解析,最终差值残余电子密度的最高峰为563e/nm3,最低峰为-487e/ nm3.其晶体属正交晶系,空间群Pbca,a=0 93783(6nm,b=0 97155(6nm,c=2 49187(16nm,V=2 2705(2nm3, D c=1 218g/c m3,Z=8,F(000=880, =0 073mm-1, R=0 0816,wR=0 1698,GOF=0 948;化合物2在1 79
27 46 范围内,以 /2 扫描方式,于293(2K下共收集到4242个衍射点,独立衍射点2547个(R i nt=0 0334,其中2056个可观测点[I>2 (I]用于晶体结构解析,最终差值残余电子密度的最高峰为126e/nm3,最低峰为-135e/nm3,其晶体属单斜晶系,空间群P21/c,a=0 60272(12nm, b=1 7059(3nm,c=1 5257(3nm, =91 45(3 ,V= 1 5682(5nm3,D c=1 204g/c m3,Z=4,F(000=600, = 0 071mm-1,R=0 0730,wR=0 1215,GO F=1 191.全部强度数据经经验吸收校正.晶体结构采用S HELEXS97软件[20]由直接法解出,全部氢原子由理论加氢得到.全部非氢原子的坐标和各向异性热参数经全矩阵最小二乘法修正收敛.
1.4 计算方法
以Hype rc he m程序搭建模型,以AM1方法[21]优化构型为初始值,借助Gaussia n98[22]程序Be rny能量梯度法[23]对标题物的分子几何实施DF T B3LYP/6 31G*水平的全优化计算.收敛精度取程序内定值.振动分析无虚频,证明所得优化构型对应势能面上极小点.基于统计热力学[24]方法,求得了200~1200K温度范围的标准热力学函数.所有计算在PI V 微机和Compaq ALP HA DS20E服务器上进行.
2 结果与讨论
2.1 晶体结构描述
标题化合物1和2的晶体结构测定过程及相关数据列于表1;晶体结构实验键长、键角及理论计算键长、键角列于表2;图1和图2分别为化合物1的分子结构透视图和晶胞堆积图;图3和图4分别为化合物2的分子结构透视图和晶胞堆积图.化合物1和2的计算几何的原子标号与晶体结构相一致,见图1和图3.由表2可知,两个化合物的苯并咪唑环骨架上的各原子之间的键长均介于单、双键之间,因而在分子中电子具有高度的离域作用,且与已报道的苯并咪唑衍生物的键长基本相符[25].咪唑环上的内环键角基本上接近109 ,苯环上内环键角基本上接近120 ,与所报道的相关化合物的键角基本相符[26].由于化合物2的N(2原子上连接了苄基,导致其N(2 C(7键长(0 13876nm比相应的化合物1中的N(1 C(7键(0 1345nm略长一些.苯并咪唑环骨架上9个原子共面,构成的最小二乘面(A方程:化合物1为4 343x-1 720y+21 640z=2 921[最大偏离原子为N(2,偏差为0 0031(2nm];化合物2为2 5224x+15
2492y+ 2 6106z=1 0275[最大偏离原子为C(7,偏差为0 0005 nm].从标题化合物1的晶胞堆积图看,分子间氢键是以N(1 H N(2#[#所表示的等效位置为:1/2-x,1/2+ y,z]形式存在,N(1 H N(2#之间的平均距离为0 2871(3nm,N(1 H之间的距离为0 08593nm,H N(2#之间的距离为0 20237nm,键角N(1 H N(2为
301
No.3卑凤利等:苯并咪唑衍生物的合成、晶体结构及量子化学计算
168 46 .标题化合物1在晶胞中沿b轴方向形成一维链状分子间氢键结构.另外,从表2可知,晶体结构实测键长比采用密度泛函理论,在B3LYP/6 31G*水平上计算
所得键长略短一些,这是由于晶体中分子受晶体场作用所致;而计算键角则与实验键角基本相符.
表1 标题化合物1和2的晶体数据测定和结构修正
Table1 Crystal data and structure refinement for1and2
Identification code12
Empirical formula C14H12N2C20H16N2
Formula weigh t208.26284.35
T emperature/K293(2293(2
Wavelength/nm0.0710730.071073
Crystal system,space group Orthorhombic,Pbca Monoclinic,P21/c
Uni t cell dimensi ons a=0.93783(6nm a=0.60272(12n m
b=0.97155(6nm b=1.7059(3nm
c=2.49187(16nm c=1.5257(3n m
=90 =90
=90 =91.45(3
=90 =90
Volume/n m3 2.2705(2 1.5682(5
Z,Calculated density/(Mg m-38, 1.2184, 1.204
Absorpti on coefficient/mm-10.0730.071
F(000880600
Crystal size/mm30.38 0.16 0.120.42 0.18 0.12
range for data collection/( 1.63~28.36 1.79~27.46
Li miting indices-12 h 10-12 k 12
-32 l 290 h 7
-21 k 22-19 l 19
14953/28024242/2547
Reflections collected/unique[R(int=0.1635][R(int=0.0334]
Absorpti on correction Empirical Empirical
Refi nement method Full matrix least squares on F2Full matrix least squares on F2 Data/restraints/parameters2802/0/1462547/0/200
Goodness of fi t on F20.948 1.191
Final R indices[I>2 (I]R1=0.0816R1=0.0730
wR2=0.1698wR2=0.1215
Extinction coefficient0.062(60.0114(13
Largest diff.peak and hole/(e nm-3563and-487126and-135
302 有机化学Vol.24,2004
表2 标题化合物的实验和计算键长(nm、键角(
Table 2 Bond lengths (nmand angles ( of the title compounds by experiment and calculation
1
2
实验值计算值实验值计算值N(1 C(70.
1345(30.1381N(1 C(70.1323(20.1366N(1
C(10.1383(30.1384N(1 C(200.1392(20.1445N(
2 C(70.1315(30.1312N(2 C(150.1385(20.1423N(2 C(60.1391(30.1390N(2
C(70.13876(180.1439C(1 C(60.1384(30.1417N(2 C(80.1459(20.1497C(1
C(20.1391(40.1396C(1 C(20.1389(30.1405C(2 C(30.1376(40.1393C(1
C(60.1395(20.1421C(3 C(4
0.1379(50.1409C(2 C(30.1383(30.1411C(7 N(1 C(1107.0(2107.25C(7 N(1
C(20105.35(12103.31C(7 N(2 C(6104.5(2105.09C(15 N(2 C(7106.25(12105.96N(1 C(7 C(8121.9(3121.80N(2 C(7 C(6125.33(14124.22C(7 C(8 C(9112.7(2113.71N(2 C(8
C(9113.53(13114.15C(10 C(9 C(14119.0(4118.61C(12 C(13 C(14120.61(17120.12C(10 C(9 C(8
120.1(3
120.42
C(13 C(14 C(9
120.91(17
120.31
图1 标题化合物1的分子结构图Figure 1 Molecular structure of the title compound 1
图2 标题化合物1的晶胞堆积图Figure 2 Crystal packing of the ti tle compound 1
图3 标题化合物2的分子结构图F igure 3 Molecular structure of the title compound 2
图4 标题化合物2的晶胞堆积图
Figure 4 Crystal packing of the title compound 2
303
No.3卑凤利等:苯并咪唑衍生物的合成、晶体结构及量子化学计算
2.2 TG/DTA
在等速升温、氮气保护下,对标题化合物1和2进行了TG/D TA分析.TG表明,化合物1在200~300 范围内已分解完全;而2在250 才开始分解,直到800 分解仍未完全,这说明2比1的热稳定性好.化合物2在250~500 的温度区间内出现一个持续的热分解过程,失重74%;在500~ 700 区间内TG曲线上出现平台(无重量损失,但对应的DTA曲线上却出现了很强的放热峰,这可能是由于稠环化作用所致,稠环化是
一个放热过程,但无重量损失;700 以后再次出现失重,直到800 仍未分解完全,这可能对应稠环的分解,但由于稠环较为稳定,所以800 时分解仍未完全.
2.3 标题化合物分子的电荷分布及热力学函数计算
运用Gaussian98程序,在B3LYP/6 31G*水平上计算了两个化合物分子中各原子的净电荷分布和热力学性质,结果见表3和表4.从表3可知,N(1和N(2原子的净电
荷最大,在-0 55787~-0 72939e之间.另外,对比化合物1和2可知:1 取代作用使得1位N原子所带负电荷有大幅下降(由-0 72939降至-0 56109.整个体系其它原子电荷分布趋于均匀化,这主要是由于电子的离域作用使体系的自由能达到最小.
表3 原子净电荷数(e
Table3 Atomic net charges(e
21
N(1-0.5530N(1-0.7294
N(2-0.5611N(2-0.5479
C(150.3314C(10.3482
C(200.2390C(60.2271
C(60.0964C(70.5174
C(8-0.3381C(8-0.4341
表4 化合物1和2的热力学性质
Table4 Thermodynamic properties of1and2at different temperatures a
Compd.T/K
C0p,m/
(J mol-1 K-1
S0m/
(J mol-1 K-1
H0m/
(kJ mol-1
298.2222.48481.5635.51 400297.4557.6662.07 1600407.3700.69133.37 800477.73828.21222.36 1000525.4940.25322.96 1200559.191039.19431.6
298.2294.74578.2847.27 400394.38679.0982.46 2600544.14869.49177.39
800640.81040.24296.56 1000706.411190.71431.67 1200753.351323.87577.89 在全优化构型和振动分析基础上,按统计热力学公式求得标题物在298~1200K 温度范围的标准恒压热容C0P,m,标准熵S0m和标准焓H0m,择少数列于表4.由表4可见,随温度升高各热力学函数值均增大,这是由于分子振动的贡献随温度升高而大幅度增加.通过拟合求得H0m与温度之间具有良好的线性关系,相关系数为1为0 996;2为0 987.
References
1Ewa,S.;Jerzy,S.Pol.J.Chem.1979,53,2339.
2M alatesh, A.P.;Timmanagoud, D. B.Transition Met.Chem.
1998,13,423.
3M atthews, C.J.;William, C.;Heath,S.L.;Martin,N. C.;
Strart Hill,M.N.Inorg.Chem.1998,37,199.
4Gayathri,V. E.;Leelamani,G.N.;Gowda,M.N.;Reddy,
G.K.N.Polyhedron1999,18,2351.
5Rajnikanr, F.;David,J.W.A cta Cry sta llogr.1995,C51, 2388.
6Neil,J. C.;Eberhard,.Chem.1997,42, 3485.
7Bei, F.L.;Jian, F. F.;Yang,X.J.;Lu,L.D.;Wang, X.;Raj,S.S.S.;Fun,H.K.Acta Crystallogr.2000,C56, 718.
8Ozbey,S.;Ide,S.;Kendi, E.J.Mol.Struct.1998,442,
23.
9David,S.S.;Abhijit,M.;David,M.P.Chem.Rev.1993, 93,2295.
10Raban,M.;Chang,H.;Craine,L.;Hortelano, .
Chem.1985,50,2005.
11Cole, E.R.;Crank,G.;Sheikh, A.S.J.Chromatogr.
1973,78,323.
12Chaudhury,S.;Debroy, A.;Mahajan,M.P.Can.J.Chem.
1982,60,1122.
13Bai,X.Flotation Rea gent,Metallurgy Industry Publi shing House, Beiji ng,1981(in Chinese.
(百熙,浮选药剂,冶金工业出版社,北京,1981.
14Chauhan,P.M.S.;B hakuni, D.S.Indian J.Chem.1986, 25B,1146.
15Matthews, C.J.;Clegg,W.;Elsegood,M.R.J.;Leese,T.
A.;Thorp, D.;Thornton,P.;Lockhart,J. C.J.Chem.
Soc.,Dalton Trans.1996,1531.
16Albada,G.V.;Lakin,M.T.;Velaman,N.;Spek, A.L.;
Reedijk,J.I norg.Chem.1995,34,4910.
17Raban,M.;Chang,H.;Craine,L.;Hortelano, .
Chem.1985,50,2205.
18Han, C. L.;Song,X. P.T he Me dicine Produce Technique, Science and Technology Literature Publishi ng House,Beijing, 2000(in Chinese.
(韩长日,宋小平,药物制造技术,科学技术文献出版社,北京,2000.
304 有机化学Vol.24,2004
No. 3 19 20 21 22 卑凤利等: 苯并咪唑衍生物的合成、晶体结构及量子化学计算 305 Ueda, M. ; Sato , M. ; Mochizuki, A . Macromolecules 1985, 18 , 2723. Sheldrick, G. M . SH ELXTL 97, Program for Crystal Structure Refinement, University of Gottingen, Germany, 1997. Dewar, M . J. S. ; Zoebisch, E. G. ; Healy, E. F. J . Am . Chem. Soc. 1985, 107, 3902. Frisch, J. ; Trucks, G. W. ; Schlegel, H. B. ; Scuseria, G. E. ; Robb, M. A. ; Cheeseman, J. R. ; Zakrzewski, V. G. ; Montgomery, J. A. , Jr . ; Stratmann, R. E. ; Burant, J. C. ; Dapprich, S. ; Millam, J. M. ; Daniels, A. D. ; Kudin, K. N. ; Strain, M . C. ; Farkas, O. ; Tomasi, J. ; Barone, V. ; Cossi, M. ; Cammi, R. ; M ennucci, B. ; Pomelli, C. ; Adamo, C. ; Clifford, S. ; Ochterski, J. ; Petersson, G. A . ; Ayala, P. Y. ; Cui, Q. ; Morokuma, K. ; Malick, D. K. ; Rabuck, A. D. ; Raghavachari, K. ; Foresman, J. B. ; Cioslowski, J. ; Ortiz, J. V. ; Baboul, A . G. ; Stefanov, B. B. ; Liu, G. ; Liashenko , A. ; Piskorz, P. ; Komaromi, I. ; Gomperts, R. ; Martin, R. L. ; Fox, D. J. ; Keith, T. ; Al Laham, M. A. ; Peng, C. Y. ; Nanayakkara, A. ; Gonzalez, C. ; Challacombe, M. ; Gill, P. M. W. ; Johnson, B. ; Chen, W. ; Wong , M . W. ; Andres, J. L. ; Gonzalez, C. ; Head Gordon, M . ; Replogle, E. S. ; Pople, 28 27 26 25 24 23 J. A . Gaussian 98, Revision A. 7, Gaussian, Inc. , Pittiburgh PA, 1998. Peng, C. ; Ayala, P. Y. ; Schlegel, H. B. ; Frisch, M. J. J . Comput . Chem. 1996, 17 , 49. Xiao, H. M . ; Li, Y. F. The Band and Electronic Structrue f or Metal Az ides , Science Press, Beijing, 1996 ( in
Chinese . ( 肖鹤鸣, 李永富, 金属叠氮化物的能带和电子结构, 科学出版社, 北京, 1996. Ozbey, S. ; Ide, S. ; Kendi, E. J . Mol . Struct. 1998, 442, 23. Rajnikant, W. D. J. ; Tranter, G. A cta Crystallogr . 1995, C51, 2388. Pople, J. A. ; Schlegel, H. B. ; Krishnan, R. ; Defrees, D. J. ; Binkley, J. S. ; Frisch, M. J. ; Whiteside, R. A. ; Hout, R. F. ; Hehre, W. J. Int. J . Quantum Chem. , Quantum Chem. Symp . 1981, 15 , 269. Xiao, J. J. ; Zhang, J. ; Yang, D. ; Xiao, H. M. Acta Chim. Sinica 2002, 60 , 2110 ( in Chinese . ( 肖继军,
张骥, 杨栋, 肖鹤鸣, 化学学报, 2002, 60, 2110. ( Y0308123 QIN, X. Q. ; DONG, H. Z.。