趙明霞, 熊麗琴, 蔡永樂, 張華北, 齊傳民*

(1. 山西工程技術學院 采礦工程系，山西 陽泉 045000； 2. 上海交通大學 生物醫(yī)學工程學院，上海 200025；3. 北京師范大學 化學學院 教育部放射性藥物重點實驗室，北京 100875)

·研究論文·

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

趙明霞1, 熊麗琴2, 蔡永樂1, 張華北3, 齊傳民3*

(1. 山西工程技術學院 采礦工程系，山西 陽泉 045000； 2. 上海交通大學 生物醫(yī)學工程學院，上海 200025；3. 北京師范大學 化學學院 教育部放射性藥物重點實驗室，北京 100875)

以7-甲基-2-丙基-3H-苯并[d]咪唑-5-羧酸甲酯為原料，經還原反應和水解反應兩步制得配體3-(羧甲基)-7-甲基-2-丙基-3H-苯并咪唑-5-羧酸(MZ)；以Zn(NO3)2·6H2O為鋅源，MZ經配位反應合成一個新型的鋅(II)配合物{[Zn(MZ)2]·2H2O}n(3)，其結構經1H NMR, FT-IR， X-射線單晶衍射和元素分析表征。3屬單斜晶系，P2/c空間群，晶胞參數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； 鋅(II)配合物; 氫鍵;π—π堆積作用; 人字形結構; 合成； 晶體結構

對各種分子間相互作用的研究是超分子化學和晶體工程的一個重要內容，其中，氫鍵和—堆積作用是目前用來控制固體狀態(tài)下分子組裝和拓撲結構研究最多的相互作用[1-5]。近些年來，科學家致力于研究苯并咪唑衍生物中的弱相互作用，因為它們與DNA、蛋白質和其他生物系統(tǒng)的密切關系[6-8]。苯并咪唑羧酸的結構被廣泛應用于藥物的設計中，如5-羥色胺拮抗劑，抗腫瘤和抗絲蟲病[9]，除草[10]，抗菌[11-12]，抗痙攣[13]，血管緊張素II受體拮抗劑[14-15]，對丙型肝炎病毒(HCV NS5B聚合酶抑制劑)[16-17]及殺蟲化合物[18]等。由于它們的抗病毒活性以及形成超分子聚集體的可能性，對藥物中各種分子相互作用的研究引起了研究人員的興趣。然而，有關苯并咪唑酸的金屬配合物的報道并不多[19-21]。

苯并咪唑酸有兩個特點：(1)苯并咪唑環(huán)中的氮原子和羧酸中的氧原子都是氫鍵作用點，考慮到溶劑分子如水或甲醇的存在，可能用作氫鍵給體[22-23]；(2)由于存在苯并咪唑環(huán)，我們可以預測到—相互作用有利于超分子結構的形成[24]。

以7-甲基-2-丙基-3H-苯并[d]咪唑-5-羧酸甲酯(1)為原料，經還原反應和水解反應兩步制得配體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為鋅源，MZ經配位反應合成一個新型的鋅(II)配合物{[Zn(MZ)2]·2H2O}n(3)，其結構經1H NMR, FT-IR， X-射線單晶衍射和元素分析表征。

Scheme 1

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

RY-1型熔點儀(溫度未校正)；Varian 500 型核磁共振儀(DMSO-d6為溶劑，TMS為內標)；Nicolet-AVATAR 360 FT-IR 型紅外光譜儀(KBr壓片)；Elementar vario EL 型元素分析儀；Bruker Smart 1000 CCD 單晶衍射儀。

所用試劑均為分析純。

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]

在反應瓶中加入1 1.0 g(4.3 mmol)，氫化鈉0.31 g(13.1 mmol)和四氫呋喃20 mL，于0 ℃反應1 h;加入溴乙酸乙酯0.5 mL(13 mmol)，繼續(xù)反應2 h。減壓除去溶劑，殘余物經硅膠柱層析(洗脫劑A：乙酸乙酯/石油醚=1/5，V/V)純化得白色固體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]

在反應瓶中加入2 1.3 g(4.1 mmol)， 10% NaOH溶液12 mL和甲醇12 mL，升溫至80 ℃回流反應3 h。冷卻至室溫，加蒸餾水稀釋并用0.5 mol·L-1鹽酸調至pH 7～8，出現大量白色沉淀，靜置，抽濾，濾餅用蒸餾水洗滌，經干燥得白色固體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

攪拌下向含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。過濾，濾液在室溫下靜置3 d得無色塊狀晶體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 晶體結構測定

2 結果與討論

2.1 晶體結構

3的晶體學數據見表1，部分鍵長和鍵角數據見表2。3的不對稱單元由一個Zn(II)，兩個MZ配體分子以及兩個晶格水分子組成。Zn(II)的配位環(huán)境中，兩個來自MZ配體的苯環(huán)上的單齒羰基氧原子，兩個來自MZ配體的咪唑環(huán)上的單齒羰基氧原子(圖1)。Zn—O的鍵長分別為Zn1—O1， 0.194 1(4) nm； Zn1—O3， 0.198 9(4) nm。這些值都符合四-配位的含氧配體的Zn(II)化合物范圍[26-30]。O—Zn—O的鍵角也與91.8(2)～116.0(3)符合。有趣的是，Zn1…O2的距離(0.281 7 nm)顯示Zn(II)與氧原子之間有弱作用力，因此，Zn(II)的配位環(huán)境也可以描述為變形八面體。而另一個沒有參與配位的羰基氧原子O4，它與中心Zn(II)原子之間的距離較大(Zn1…O4=0.411 4 nm)，說明它們之間沒有有效的作用力。這可能是由于丙基和MZ配體之間的空間位阻造成的。

表1 3的晶體學數據

3的晶體結構圖見圖1。由圖1可見，含配位氧原子O1和O3B的兩個MZ配體分子之間是相互平行的，而且?guī)缀踉谕粋€平面(不考慮丙基，羰基和氫原子)。另外兩個含配位氧原子O1A和O3C的MZ配體分子之間也相互平行。平面之間的距離為0.005 3 nm。每個MZ配體都帶負一價電荷。羰基(O1， C1， O2)與苯并咪唑環(huán)共面：兩者之間的二面角為5.07°。另一個羰基(O3， C14，O4)則垂直于苯并咪唑環(huán)：兩者之間的二面角為84.23°。此外，丙基也與苯并咪唑環(huán)垂直：兩者之間的二面角為87.97°。

表2 3的部分鍵長和鍵角

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

圖1 3的晶體結構圖

圖2為3的一維結構圖。由圖2可見，MZ配體連接中心Zn(II)形成了沿c方向的一維兩中心的聚合鏈。沿a/c對角線方向看，中心Zn(II)被MZ配體連接成人字型的排列(圖3)。Zn…Zn在一維鏈中的最短距離為0.965 0 nm。這些鏈進一步被水分子O1W通過氫鍵作用(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)連接形成了三維網絡結構(圖4)。每個水分子O1W都提供兩個氫原子給羰基氧原子，形成了R24(8)的圖解單元。同時，每個水分子O1W又接受咪唑氮上的氫原子形成N—H┈O氫鍵。此外，π—π堆積作用在連接相鄰的鏈中也起重要作用。參與π—π堆積作用的苯并咪唑環(huán)之間是錯位的，質心之間的距離為0.358 2 nm，平面之間的距離為0.334 9 nm(圖5)。其他的苯并咪唑羧酸化合物中有相似的π—π堆積作用，比如{[CdL2H2O]·2CH3OH}n和{[CoL2(H2O)2]·2H2O}n(HL=苯并咪唑-5-羧酸)[31]。Zn…Zn在相鄰鏈中的最短距離為0.786 4 nm，小于在同一鏈中的值(0.965 0 nm)。

圖2 3的一維結構

圖3 3的人字形結構圖

圖4 3的三維網絡結構圖

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。

圖5 3的π…π堆積作用

2.2 表征

3的IR圖譜(圖略)分析表明：3 470 cm-1處寬的吸收峰為N—H和O—H的氫鍵吸收峰，2 960和2 873 cm-1處的兩個吸收峰為C—H伸縮振動峰。1 730～1 690 cm-1沒有吸收峰，說明配體MZ的羧基完全脫質子。1 609 cm-1和1 390 cm-1處的吸收峰為羧基的不對稱伸縮振動峰和對稱伸縮振動峰，二者之間的差距v=219 cm-1，說明羧酸根以單齒的方式與金屬配位[32]。

以7-甲基-2-丙基-3H-苯并[d]咪唑-5-羧酸甲酯為原料，經還原反應和水解反應兩步制得配體3-(羧甲基)-7-甲基-2-丙基-3H-苯并咪唑-5-羧酸(MZ)；以Zn(NO3)2·6H2O為鋅源，MZ經配位反應合成一個新型的鋅(II)配合物{[Zn(MZ)2]·2H2O}n(3)。3中的每個Zn(II)中心分別與四個MZ分子中單齒羧基的四個O配位，形成畸變的八面體幾何構型。

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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

國家自然科學基金資助項目(230100075)； 國家科技支撐資助項目(2014BAA03B03)； 山西工程技術學院引進研究生啟動基金資助項目(201605002)

趙明霞(1980-)，女，漢族，河北行唐人，博士研究生，主要從事金屬配合物和藥物合成研究。

齊傳民，教授，博士生導師， E-mail： qicmin@sohu.com

O626.23

A

10.15952/j.cnki.cjsc.1005-1511.2017.03.16154