基于3-(羧甲基)-7-甲基-2-丙基-3H-苯并[d]咪唑-5-羧酸的新型锌(II)配位聚合物的合成及其晶体结构

赵明霞, 熊丽琴, 蔡永乐, 张华北, 齐传民*

(1. 山西工程技术学院 采矿工程系，山西 阳泉 045000； 2. 上海交通大学 生物医学工程学院，上海 200025；3. 北京师范大学 化学学院 教育部放射性药物重点实验室，北京 100875)

·研究论文·

基于3-(羧甲基)-7-甲基-2-丙基-3H-苯并[d]咪唑-5-羧酸的新型锌(II)配位聚合物的合成及其晶体结构

赵明霞1, 熊丽琴2, 蔡永乐1, 张华北3, 齐传民3*

(1. 山西工程技术学院 采矿工程系，山西 阳泉 045000； 2. 上海交通大学 生物医学工程学院，上海 200025；3. 北京师范大学 化学学院 教育部放射性药物重点实验室，北京 100875)

以7-甲基-2-丙基-3H-苯并[d]咪唑-5-羧酸甲酯为原料，经还原反应和水解反应两步制得配体3-(羧甲基)-7-甲基-2-丙基-3H-苯并咪唑-5-羧酸(MZ)；以Zn(NO3)2·6H2O为锌源，MZ经配位反应合成一个新型的锌(II)配合物{[Zn(MZ)2]·2H2O}n(3)，其结构经1H NMR, FT-IR， X-射线单晶衍射和元素分析表征。3属单斜晶系，P2/c空间群，晶胞参数a=0.786 42(16) nm，b=1.072 1(2) nm，c=1.725 9(3) nm，==90，β=93.63(3)，V=1.452 2(5) nm3，Dc=1.482 g·cm-3，Z=2，R1=0.059 3，wR2=0.141 5。

7-甲基-2-丙基-3H-苯并[d]咪唑-5-羧酸甲酯； 锌(II)配合物; 氢键;π—π堆积作用; 人字形结构; 合成； 晶体结构

对各种分子间相互作用的研究是超分子化学和晶体工程的一个重要内容，其中，氢键和—堆积作用是目前用来控制固体状态下分子组装和拓扑结构研究最多的相互作用[1-5]。近些年来，科学家致力于研究苯并咪唑衍生物中的弱相互作用，因为它们与DNA、蛋白质和其他生物系统的密切关系[6-8]。苯并咪唑羧酸的结构被广泛应用于药物的设计中，如5-羟色胺拮抗剂，抗肿瘤和抗丝虫病[9]，除草[10]，抗菌[11-12]，抗痉挛[13]，血管紧张素II受体拮抗剂[14-15]，对丙型肝炎病毒(HCV NS5B聚合酶抑制剂)[16-17]及杀虫化合物[18]等。由于它们的抗病毒活性以及形成超分子聚集体的可能性，对药物中各种分子相互作用的研究引起了研究人员的兴趣。然而，有关苯并咪唑酸的金属配合物的报道并不多[19-21]。

苯并咪唑酸有两个特点：(1)苯并咪唑环中的氮原子和羧酸中的氧原子都是氢键作用点，考虑到溶剂分子如水或甲醇的存在，可能用作氢键给体[22-23]；(2)由于存在苯并咪唑环，我们可以预测到—相互作用有利于超分子结构的形成[24]。

以7-甲基-2-丙基-3H-苯并[d]咪唑-5-羧酸甲酯(1)为原料，经还原反应和水解反应两步制得配体3-(羧甲基)-7-甲基-2-丙基-3H-苯并咪唑-5-羧酸(MZ, Scheme 1)；以Zn(NO3)2·6H2O为锌源，MZ经配位反应合成一个新型的锌(II)配合物{[Zn(MZ)2]·2H2O}n(3)，其结构经1H NMR, FT-IR， X-射线单晶衍射和元素分析表征。

Scheme 1

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

RY-1型熔点仪(温度未校正)；Varian 500 型核磁共振仪(DMSO-d6为溶剂，TMS为内标)；Nicolet-AVATAR 360 FT-IR 型红外光谱仪(KBr压片)；Elementar vario EL 型元素分析仪；Bruker Smart 1000 CCD 单晶衍射仪。

所用试剂均为分析纯。

1.2 合成

(1) 3-(2-乙氧基-2-羰基)-7-甲基-2-丙基-3H-苯并[d]咪唑-5-羧酸甲酯(2)的合成[21]

在反应瓶中加入1 1.0 g(4.3 mmol)，氢化钠0.31 g(13.1 mmol)和四氢呋喃20 mL，于0 ℃反应1 h;加入溴乙酸乙酯0.5 mL(13 mmol)，继续反应2 h。减压除去溶剂，残余物经硅胶柱层析(洗脱剂A：乙酸乙酯/石油醚=1/5，V/V)纯化得白色固体2 1.3 g，收率94.2%， m.p. 110～111 ℃;1H NMRδ: 7.96(s, 1H, ArH), 7.65(s, 1H, ArH), 5.30(s, 2H, CH2), 4.18(q,J=7.10 Hz, 2H, COOCH2CH3), 3.86(s, 3H, COOCH3), 2.81(t,J=7.61 Hz, 2H, CH2CH2CH3), 2.56(s, 3H, PhCH3), 1.78(m, 2H, CH2CH2CH3), 1.21(q,J=7.07 Hz, 3H, OCH2CH3), 0.98(t,J=7.38 Hz, 3H, CH2CH2CH3);13C NMRδ: 167.70, 167.08, 157.31, 134.57, 129.09, 124.23, 124.18, 108.67, 62.27, 52.05, 45.10, 29.70, 29.51, 21.47, 16.71, 14.08, 13.98； FT-IRν: 3 436.55, 2 961.37, 1 737.83, 1 699.86, 1 511.03, 1 444.16, 1 280.07, 1 209.01, 775.53 cm-1； Anal. calcd for C17H22N2O4: C 64.15, H 6.92, N 8.80; found C 64.21, H 6.88, N 8.92。

(2) MZ的合成[21]

在反应瓶中加入2 1.3 g(4.1 mmol)， 10% NaOH溶液12 mL和甲醇12 mL，升温至80 ℃回流反应3 h。冷却至室温，加蒸馏水稀释并用0.5 mol·L-1盐酸调至pH 7～8，出现大量白色沉淀，静置，抽滤，滤饼用蒸馏水洗涤，经干燥得白色固体MZ 0.98 g,收率86.7%， m.p. 187～188 ℃;1H NMRδ: 7.88(s, 1H, ArH), 7.61(s, 1H, ArH), 5.10(s, 2H, CH2), 2.80(t,J=7.46 Hz, 2H, CH2CH2CH3), 2.54(s, 3H, PhCH3), 1.78(m, 2H, CH2CH2CH3), 0.98(t,J=7.24 Hz, 3H, CH2CH2CH3);13C NMRδ: 170.08, 168.46, 158.06, 145.27, 135.27, 127.94, 124.35, 123.39, 110.01, 45.32, 28.92, 20.81, 16.78, 14.25； FT-IR ν: 3 404.59, 2 971.08, 2 876.43, 1 707.74, 1 616.63, 1 560.86, 1 522.03, 1 492.77, 1 376.31, 1 342.72, 1 272.21, 1 257.28, 1 241.90, 1 218.33, 1 191.46, 1 095.69, 1 061.06, 961.88, 895.55, 832.36, 706.01, 651.23 cm-1; Anal. calcd for C14H16N2O4: C 60.87, H 5.80, N 10.14; found C 60.80, H 5.76, N 10.22。

(3) 3的合成

搅拌下向含MZ 0.027 6 g(0.1 mmol)的6 mL的二氯甲烷和甲醇溶液(1/1,V/V)中滴加Zn(NO3)2·6H2O 0.059 4 g(0.2 mmol) 的水溶液3 mL。过滤，滤液在室温下静置3 d得无色块状晶体3 0.038 4 g, 收率59%; FT-IRν: 3 470.67, 3 058.18, 2 960.39, 2 873.76, 2 570.54, 1 638.63, 1 608.06, 1 562.75, 1 522.25, 1 437.20, 1 390.95, 1 360.56, 1 322.08, 1 298.01, 1 220.73, 788.65 cm-1; Anal.calcd for C28H34N4O10Zn: C 51.79, H 5.28, N 8.54; found C 51.58, H 5.26, N 8.59。

1.3 晶体结构测定

2 结果与讨论

2.1 晶体结构

3的晶体学数据见表1，部分键长和键角数据见表2。3的不对称单元由一个Zn(II)，两个MZ配体分子以及两个晶格水分子组成。Zn(II)的配位环境中，两个来自MZ配体的苯环上的单齿羰基氧原子，两个来自MZ配体的咪唑环上的单齿羰基氧原子(图1)。Zn—O的键长分别为Zn1—O1， 0.194 1(4) nm； Zn1—O3， 0.198 9(4) nm。这些值都符合四-配位的含氧配体的Zn(II)化合物范围[26-30]。O—Zn—O的键角也与91.8(2)～116.0(3)符合。有趣的是，Zn1…O2的距离(0.281 7 nm)显示Zn(II)与氧原子之间有弱作用力，因此，Zn(II)的配位环境也可以描述为变形八面体。而另一个没有参与配位的羰基氧原子O4，它与中心Zn(II)原子之间的距离较大(Zn1…O4=0.411 4 nm)，说明它们之间没有有效的作用力。这可能是由于丙基和MZ配体之间的空间位阻造成的。

表1 3的晶体学数据

3的晶体结构图见图1。由图1可见，含配位氧原子O1和O3B的两个MZ配体分子之间是相互平行的，而且几乎在同一个平面(不考虑丙基，羰基和氢原子)。另外两个含配位氧原子O1A和O3C的MZ配体分子之间也相互平行。平面之间的距离为0.005 3 nm。每个MZ配体都带负一价电荷。羰基(O1， C1， O2)与苯并咪唑环共面：两者之间的二面角为5.07°。另一个羰基(O3， C14，O4)则垂直于苯并咪唑环：两者之间的二面角为84.23°。此外，丙基也与苯并咪唑环垂直：两者之间的二面角为87.97°。

表2 3的部分键长和键角

#1x, y,z+3/2;#2x,y+2,z+2;#3x,y+2, z1/2。

图1 3的晶体结构图

图2为3的一维结构图。由图2可见，MZ配体连接中心Zn(II)形成了沿c方向的一维两中心的聚合链。沿a/c对角线方向看，中心Zn(II)被MZ配体连接成人字型的排列(图3)。Zn…Zn在一维链中的最短距离为0.965 0 nm。这些链进一步被水分子O1W通过氢键作用(O1W—H1WB┈O4=0.285 3(6) nm，O1W—H1WA┈O4=0.274 3(7) nm和N2—H1┈O1W=0.270 2(7) nm)连接形成了三维网络结构(图4)。每个水分子O1W都提供两个氢原子给羰基氧原子，形成了R24(8)的图解单元。同时，每个水分子O1W又接受咪唑氮上的氢原子形成N—H┈O氢键。此外，π—π堆积作用在连接相邻的链中也起重要作用。参与π—π堆积作用的苯并咪唑环之间是错位的，质心之间的距离为0.358 2 nm，平面之间的距离为0.334 9 nm(图5)。其他的苯并咪唑羧酸化合物中有相似的π—π堆积作用，比如{[CdL2H2O]·2CH3OH}n和{[CoL2(H2O)2]·2H2O}n(HL=苯并咪唑-5-羧酸)[31]。Zn…Zn在相邻链中的最短距离为0.786 4 nm，小于在同一链中的值(0.965 0 nm)。

图2 3的一维结构

图3 3的人字形结构图

图4 3的三维网络结构图

DHAD—H/nmH┈A/nmD┈A/nmD—H┈A/(°)O1WH1WBO4#40.0850.2100.2853(6)146.7O1WH1WAO4#50.0850.1940.2743(7)158.3N2H1O1W#60.0860.1840.2702(7)174.8

#4x,y+1,z+1;#5x, y, z1;#6x+1,y+1,z+1。

图5 3的π…π堆积作用

2.2 表征

3的IR图谱(图略)分析表明：3 470 cm-1处宽的吸收峰为N—H和O—H的氢键吸收峰，2 960和2 873 cm-1处的两个吸收峰为C—H伸缩振动峰。1 730～1 690 cm-1没有吸收峰，说明配体MZ的羧基完全脱质子。1 609 cm-1和1 390 cm-1处的吸收峰为羧基的不对称伸缩振动峰和对称伸缩振动峰，二者之间的差距v=219 cm-1，说明羧酸根以单齿的方式与金属配位[32]。

以7-甲基-2-丙基-3H-苯并[d]咪唑-5-羧酸甲酯为原料，经还原反应和水解反应两步制得配体3-(羧甲基)-7-甲基-2-丙基-3H-苯并咪唑-5-羧酸(MZ)；以Zn(NO3)2·6H2O为锌源，MZ经配位反应合成一个新型的锌(II)配合物{[Zn(MZ)2]·2H2O}n(3)。3中的每个Zn(II)中心分别与四个MZ分子中单齿羧基的四个O配位，形成畸变的八面体几何构型。

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Synthesis and Crystal Structure of A Novel Zinc(II) Complex Containing 3-(Carboxymethyl)-7-methyl-2-propyl-3H-benzo[d] imidazole-5-carboxylic Acid

ZHAO Ming-xia1, XIONG Li-qin2, CAI Yong-le1, ZHANG Hua-bei3, QI Chuan-min3*

(1. Department of Mining Engineering, Shanxi Institute of Technology, Yangquan 045000, China; 2. Department of Nuclear Medicine, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200025, China; 3. Key Laboratory of Radiopharmaceuticals, Ministry of Education, College of Chemistry, Beijing Normal University, Beijing 100875, China)

3-(Carboxymethyl)-7-methyl-2-propyl-3H-benzo[d]imidazole-5-carboxylic acid(MZ) was prepared from methyl 7-methyl-2-propyl-3H-benzo[d]imidazole-5-carboxylate by reduction reaction and hydrolytic reaction. A novel 3D supramolecular architecture {[Zn(MZ)2]·2H2O}n(3) was obtained through self-assembly of Zn(NO3)2·6H2O with MZ. The structure was characterized by1H NMR, FT-IR， X-ray single crystal diffraction analysis and elemental analysis. 3 belongs to monoclinic system, space groupP2/cwitha=0.786 42(16) nm,b=1.072 1(2) nm,c=1.725 9(3) nm,==90,β=93.63(3),V=1.452 2(5) nm3,Dc=1.482 g·cm-3,Z=2,R1=0.059 3,wR2=0.141 5.

methyl 7-methyl-2-propyl-3H-benzo[d]imidazole-5-carboxylate; zinc(II) complex; hydrogen bond;π—πstacking interaction; herringbone structure; synthesis; crystal structure

2016-06-17；

2016-12-21

国家自然科学基金资助项目(230100075)； 国家科技支撑资助项目(2014BAA03B03)； 山西工程技术学院引进研究生启动基金资助项目(201605002)

赵明霞(1980-)，女，汉族，河北行唐人，博士研究生，主要从事金属配合物和药物合成研究。

齐传民，教授，博士生导师， E-mail： qicmin@sohu.com

O626.23

A

10.15952/j.cnki.cjsc.1005-1511.2017.03.16154