综合型有机化学实验设计：一种磺酰胺类化合物的制备*

贺 彦，王有娣，黎卓熹，徐娟娟

(广州新华学院药学院，广东 广州 510520)

有机化学实验是高等院校医药类、化学类等专业学生的专业必修课程。通过有机化学实验，不仅可以让学生掌握冷凝回流、蒸馏、萃取、重结晶、柱层析等一系列制备合成的综合操作技能[1]，而且对于锻炼学生的分析能力、理论联系实际能力有至关重要的作用，其教学质量与专业人才培养质量密切相关，也是培养学生创新思维及科研思维的重要桥梁[2-3]。习近平总书记在全国教育大会上对高等教育发展做出要“着重培养创新型、复合型、应用型人才”的重要指示[4]。随着有机化学学科的发展及其在医药、化工等领域的应用研究不断深入，合成具有应用研究价值或生物活性的有机化合物成为了研究热点，使得有机合成中所涉及到的化合物分子结构越来越复杂多样，只有不断更新实验教学项目，增加综合型、创新性实验的比例，加入开放性实验[5]，才能真正达到通过实验教学培养应用实践能力的目的，提升学生综合能力及应用型人才的培养质量[6]。

磺酰胺类化合物作为抗菌药物具有抗菌谱广、性质稳定等优点，已在临床应用较长时间，随后又发现这类化合物具有抗病毒、抗肿瘤等多种药理活性[7]；氮杂吲哚类化合物因为与嘌呤、吲哚等生物分子具有相似的结构，它作为这些分子的生物电子等排体可能具有抗病毒、抗菌等药理作用[8]，也被广泛用于医药、食品等领域。因此，设计、制备一种具有氮杂吲哚环的磺酰胺类化合物具有潜在意义[9]。通过设计制备N-[3-[(5-氯-1H-吡咯并[2,3-b]吡啶-3-基)羰基]-2,4-二氟苯基]-1-丙磺酰胺的综合型有机化学实验，让学生系统学习及掌握亲核取代反应、亲核加成反应、氧化还原反应等过程及相关实验操作，熟悉仪器谱图并分析化合物结构，以提升学生的综合实验技能，达到设计实验的教学目标。

1 实验目的

(1)通过阅读教材及查阅文献，了解磺酰胺类化合物的研究进展；

(2)掌握磺酰胺类化合物的合成路线、合成方法；

(3)掌握亲核取代反应、亲核加成反应、去质子化过程、氧化反应的概念及应用；

(4)熟悉薄层色谱法跟踪反应进程、柱层析法分离纯化化合物的应用；

(5)培养学生利用质谱及核磁共振谱图解析化合物结构的能力。

2 实验原理

磺酰胺的合成方法较多，主要包括以下途径：一是在碱催化下使胺与磺酰氯发生亲核取代制备[10-11]，二是用过渡金属催化磺酰胺与卤代烃等发生偶联反应制备[12]，三是用磺酸盐与胺发生取代反应制备等[7]。本实验选择在碱的催化作用下，利用取代芳胺与磺酰氯发生亲核取代反应的经典方法合成磺酰胺类化合物，该方法产率较高。目标化合物合成路线如图1所示。

各步反应原理为：以2，4-二氟苯胺与丙基磺酰氯为起始原料，4-二甲氨基吡啶(DMAP)为催化剂，二氯甲烷为溶剂，发生亲核取代反应制备磺酰胺化合物，生成N-(2，4-二氟苯基)丙烷-1-磺酰胺(化合物1)，吡啶作为碱用以中和反应生成的副产物HCl。在二异丙基氨基锂(LDA)强碱性试剂作用下使化合物1去质子，形成碳负离子[13]，然后作为亲核试剂与N-甲酰吗啉发生亲核取代反应，生成N-(2，4-二氟-3-甲酰基苯基)-1-丙烷磺酰胺(化合物2)。由于温度较高时，生成的碳负离子稳定性降低，副反应增多，因此LDA去质子化过程需在-78 ℃条件下进行[13]。化合物2的羰基碳受氧原子影响表现出正电性，5-氯-7-氮杂吲哚由于吲哚环的C-3位较活泼，易在碱性条件下去质子化生成碳负离子，然后作为亲核试剂进攻苯环侧链的羰基，形成的氧负离子质子化后得到仲醇，生成N-(3-((5-氯-1H-吡咯并[2,3-b]吡啶-3-基)羟基甲基)-2，4-二氟苯基)-1-丙磺酰胺(化合物3)。2,3-二氯-5,6-二氰基苯醌(DDQ)是一种强氧化试剂，广泛应用于有机合成反应中，包括醇氧化、脱氢芳构化、氧化偶联等多类氧化反应[14-15]，因此本实验利用DDQ进行醇氧化反应，将化合物3的苄基位醇羟基氧化成羰基，得到目标产物。

图1 目标化合物的合成路线Fig.1 Synthesis route of the target compound

3 仪器与试剂

3.1 实验仪器

UV-2201紫外可见分光光度计，日本岛津公司；Varian MercuryPlus-400核磁共振波谱仪，TMS为内标；Agilent 1200 LC/MSD高效液相色谱质谱仪，安捷伦科技有限公司；PSL-1810低温恒温反应槽，东京理化器械；PHS-3C pH测试仪，上海雷磁仪器厂；集热恒温加热磁力搅拌器等。

3.2 实验试剂

2，4-二氟苯胺、丙基磺酰氯、N-甲酰吗啉、5-氯-7-氮杂吲哚、DDQ、DMAP、LDA、1，4-二氧六环，分析纯，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；二氯甲烷、甲醇，分析纯，天津富宇精细化工有限公司；吡啶，分析纯，上海展云化工有限公司；四氢呋喃(THF)、无水硫酸钠(Na2SO4)、碳酸钾(K2CO3)、饱和碳酸氢钠、乙酸乙酯，分析纯，天津市大茂化学试剂厂；HCl(1 mol/L)、HCl(3 mol/L)、丙酮，分析纯，广州化学试剂厂。

4 实验步骤

4.1 N-(2，4-二氟苯基)丙烷-1-磺酰胺(化合物1)的制备

在室温下，向装有搅拌磁子的50 mL三口圆底烧瓶中加入2，4-二氟苯胺(0.65 g，5 mmol)、吡啶(0.43 mL，5.25 mmol)、DMAP(25.6 mg，0.21 mmol)及10 mL无水二氯甲烷，然后逐滴滴加丙基磺酰氯(0.59 mL，5.25 mmol)，微沸，冷凝回流过夜，减压蒸馏得浓缩油状液，将油状液溶于乙酸乙酯中，依次用CuSO4水溶液、1 mol/L HCl、蒸馏水、饱和食盐水洗涤，收集有机相，薄层色谱(TLC)以乙醚和乙酸乙酯体积比为6∶1的展开剂检测确定化合物1的Rf值0.33，用无水Na2SO4干燥，过滤，减压蒸馏除去低沸点溶剂，真空干燥得棕褐色固体1.05 g，产率89%。

4.2 N-(2，4-二氟-3-甲酰基苯基)-1-丙烷磺酰胺(化合物2)的制备

称取化合物1(0.94 g，4 mmol)溶于10 mL无水THF中，并在-78 ℃条件下逐滴滴加LDA (2 mol/L，5 mL，0.01 mol)，不断搅拌，在-78 ℃反应4 h，然后将N-甲酰吗啉(0.58 g，5 mmol)溶于5 mL THF并加入到上述反应液中，将得到的混合物微热至环境温度并反应过夜，同时重复该反应一次。反应结束后，在0 ℃条件下用1 mol/L HCl缓慢淬灭到pH为7，再用乙酸乙酯萃取，合并有机层，用饱和食盐水洗涤，再用无水Na2SO4干燥，过滤，减压蒸馏，真空干燥，得到的粗固体用乙酸乙酯/庚烷(1∶3)进行研磨得到化合物0.35 g，产率33%，TLC法以乙醚和乙酸乙酯体积比为2∶1的展开剂检测确定化合物2的Rf值0.58。

4.3 N-(3-((5-氯-1H-吡咯并[2,3-b]吡啶-3-基)羟基甲基)-2，4-二氟苯基)-1-丙磺酰胺(化合物3)的制备

向放有搅拌磁子的50 mL圆底烧瓶中依此加入化合物2(0.29 g，1.1 mmol)、5-氯-7-氮杂吲哚(0.17 g，1.1 mmol)、15 mL甲醇/水(1∶1)及K2CO3(1.0 g，7.2 mmol)，在室温下搅拌反应过夜，用3 mol/L HCl调节pH至7。除去挥发物，用乙酸乙酯萃取，合并有机层并用无水Na2SO4干燥，过滤，减压蒸馏，粗产物通过TLC法以二氯甲烷和丙酮体积比为4∶1的展开剂检测确定Rf值0.38为化合物3，用柱层析法以二氯甲烷和丙酮体积比为4∶1的洗脱液将粗产物分离提纯，浓缩干燥后得褐色固体0.30 g，产率65%。

4.4 N-[3-[(5-氯-1H-吡咯并[2,3-b]吡啶-3-基)羰基]-2,4-二氟苯基]-1-丙磺酰胺(化合物4)的制备

向放有搅拌磁子的50 mL圆底烧瓶中加入化合物3(0.25 g，0.6 mmol)及10 mL 1，4-二氧六环，溶解后依此加入DDQ(0.18 g， 0.78 mmol)和0.2 mL水，反应混合物在室温下搅拌2 h，然后用饱和碳酸氢钠淬灭。将残留物用水稀释，用THF/乙酸乙酯(1∶1)萃取，合并有机层，依此用饱和碳酸氢钠、饱和食盐水洗涤，再用无水Na2SO4干燥，过滤，减压蒸馏，粗产物通过TLC法以二氯甲烷和甲醇体积比为15∶1的展开剂检测确定Rf值0.52为目标化合物4，用柱层析法以二氯甲烷和甲醇体积比为15∶1的洗脱液将粗产物分离提纯，浓缩干燥后得米白色固体0.16 g，产率63.3%。

5 结果与讨论

5.1 化合物结构表征

本实验利用核磁共振氢谱等对化合物进行结构表征，通过实践分析图谱数据来巩固提高学生的理论基础[16]，并可进一步引导学生通过各化合物特征峰的化学位移，来验证不同的化学取代基或结构对化学位移的影响，促进对理论知识的理解认知。各化合物的1H NMR数据表征及目标化合物的质谱结果如下：

N-(2，4-二氟苯基)丙烷-1-磺酰胺(化合物1)的核磁图谱数据表征：1H NMR(400 MHz，CDCl3)δ 7.62～7.58(m，1H，ArH)，6.96～6.91(m，2H，ArH)，6.44(s，1H，SO2NH)，3.08～3.04(m，2H，CH2)，1.92～1.87(m，2H，CH2)，1.07(t，J=7.2 Hz，3H，CH3)。

N-(2，4-二氟-3-甲酰基苯基)-1-丙烷磺酰胺(化合物2)的核磁图谱数据表征：1H NMR(400 MHz，CDCl3)δ 10.36(s，1H，CHO)，7.90～7.84(m，1H，ArH)，7.10～7.05(m，1H，ArH)，6.67(s，1H，SO2NH)，3.10(t，J=7.6 Hz，2H，CH2)，1.94～1.88(m，2H，CH2)，1.08(t，J=7.2 Hz，3H，CH3)。

N-(3-((5-氯-1H-吡咯并[2，3-b]吡啶-3-基)羟基甲基)-2，4-二氟苯基)-1-丙磺酰胺(化合物3)的核磁图谱数据表征：1H NMR (400 MHz，CDCl3)δ 9.81(s，1H，NH)，8.23(d，J=2.0 Hz，1H，PyH)，8.02(d，J=2.0 Hz，1H，PyH)，7.59～7.56(m，1H，ArH)，7.15(t，J=2.0 Hz，2H，CH，SO2NH)，7.03～6.98(m，1H，ArH)，6.48(d，J=8.0 Hz，1H，ArCH)，3.10～3.03(m，3H，CH2，OH)，1.91～1.85(m，2H，CH2)，1.03(t，J=7.2 Hz，3H，CH3)。

N-[3-[(5-氯-1H-吡咯并[2,3-b]吡啶-3-基)羰基]-2,4-二氟苯基]-1-丙磺酰胺(化合物4)的核磁图谱数据表征及质谱结果：1H NMR (400 MHz，DMSO-d6)δ 13.16(s，1H，NH)，9.79(s，1H，SO2NH)，8.46(t，J=2.0 Hz，2H，PyH)，8.32(s，1H，CH)，7.61～7.59(m，1H，ArH)，7.32～7.29(m，1H，ArH)，3.16～3.12(m，2H，CH2)，1.78～1.72(m，2H，CH2)，0.99～0.95(t，J=7.2 Hz，3H，CH3)。LCMS (ESI)：414.0[M+H]+，436.0[M+Na]+。

5.2 注意事项

(1)DMAP作为碱性催化剂催化酰化转移的活性极高，在反应过程中需控制反应原料的滴加速度，使得反应物接触更充分，反应更完全。

(2)LDA为强碱性试剂，对空气及水蒸气比较敏感，易发生副反应，需将仪器预先烘干并保持干燥，而且涉及-78 ℃低温反应，滴加过程需控制速度缓慢滴加，并保证充分搅拌，操作需严谨。

(3)调节pH时需用pH测试仪或试纸随时监控，防止调节失败。

(4)DDQ遇水易分解，需干燥保存。

5.3 集中讨论思考题

(1)磺酰胺类化合物的合成方法有哪些？各种方法分别有什么优缺点？

(2)合成化合物1步骤中，粗产物为何依此用CuSO4水溶液、1 mol/L HCl、蒸馏水、饱和食盐水洗涤？

(3)制备化合物2步骤中，用1 mol/L HCl缓慢淬灭反应的原理是什么？

(4)制备化合物3步骤中，反应结束后为何要将反应液调节pH至7？

(5)制备化合物4步骤中，用饱和碳酸氢钠淬灭反应的原理是什么？萃取得到的有机相为何要依此用饱和碳酸氢钠、饱和食盐水洗涤？

5.4 实验过程监测

实验采用了大量的薄层色谱法来进行监测，操作简易方便，实验结果鲜明直观，学生可在短时间内判断是否有新化合物生成、反应是否完成彻底，同时可引导学生初步判定化合物的性质，进一步结合化合物的比移值(Rf值)与结构式来分析实验结果。如图2所示，化合物2比化合物1的Rf值小，可分析是由于化合物2的苯环上引入了醛羰基，使得化合物2的极性增大；化合物4比化合物3的Rf大，可分析是由于酮羰基极性较醇羟基低，同时酮羰基与苯环形成了π-π共轭，使得化合物4的极性降低。

图2 化合物2(a)与化合物4(b)的薄层色谱图Fig.2 TLC figures of compound 2 (a)and compound 4 (b)

6 结 语

本实验设计了制备具有氮杂吲哚结构单元的磺酰胺类化合物N-[3-[(5-氯-1H-吡咯并[2,3-b]吡啶-3-基)羰基]-2,4-二氟苯基]-1-丙磺酰胺，实验操作步骤较丰富，涉及反应类型与反应机理较多，耗时较长，因此适合高年级段的学生作为开放性实验开展，建议2人一组，要求学生提前复习相关实验过程的反应机理。

在实验过程中，使用核磁共振波谱仪等现代分析检测仪器来辅助完成实验，训练学生综合实验能力，并融合了波谱分析课程的结构表征与分析，使学生从微观的角度进一步认识化合物，有助于提升其数据分析及思维能力；另外还初步引入了药物化学的“药效团”概念，可引导学生后续继续查阅文献开展更深入的调研，锻炼文献检索、数据筛查等科研能力。通过多课程内容交叉融合，使得实验更具趣味性、应用性，以达到全面培养学生综合能力的效果，为学生以后进行相关科学领域研究奠定基础。