盧愛黨，李林，史紹洋，姜艷軍

河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，天津 300130

實驗教學(xué)在化學(xué)類本科生教學(xué)過程中的具有舉足輕重的地位，《普通高等學(xué)校本科專業(yè)類教育質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)》中也明確要求“構(gòu)建基礎(chǔ)實驗-綜合性實驗-研究性實驗-多層次實驗教學(xué)體系，其中綜合性和研究性實驗學(xué)時不低于總實驗學(xué)時的20%[1]”。為適應(yīng)“新時代”教育的需求，河北工業(yè)大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)打破傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式，積極推進(jìn)“基礎(chǔ)-綜合-研究”三層次實驗教學(xué)體系，開設(shè)“創(chuàng)新性綜合實驗”課程；并鼓勵教師結(jié)合科學(xué)前沿與研究課題發(fā)布實驗題目供學(xué)生選擇，形成“導(dǎo)師制科研小團(tuán)隊”進(jìn)入科研實驗室開展實驗研究[2]，該課程連續(xù)開展了4學(xué)年，學(xué)生反饋收獲滿滿，調(diào)查滿意度高。本文以綜合實驗“5-溴-1-甲基蘆竹堿衍生物的制備和表征”為例進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 實驗簡介

1.1 實驗背景

成鹽是改善藥物分子理化性質(zhì)、提高其成藥性的有效手段之一，可在不改變其化學(xué)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上通過成鹽優(yōu)化其理化性質(zhì)、減少藥物的不良反應(yīng)、延長專利的保護(hù)期等[3]，如藥物鹽酸曲唑酮、磷酸氯喹、甲氨基阿維菌素苯甲酸鹽等。蘆竹堿是小麥、大麥和蘆竹等禾本植物在進(jìn)化過程中產(chǎn)生的具有化感作用的一種生物堿，具有殺蟲、殺菌、防污等活性[4,5]。前期研究發(fā)現(xiàn)，5-溴-1-甲基蘆竹堿對煙草花葉病毒具有優(yōu)秀的抑制活性[6]，為了改善其水溶性、提高化合物的穩(wěn)定性，通過本實驗的開展制備系列成鹽化合物進(jìn)而進(jìn)行深入研究。

1.2 實驗?zāi)康?/h3>

通過蘆竹堿衍生物制備和表征，達(dá)到以下教學(xué)目的：

(1)掌握幾種重要的胺類化合物反應(yīng)類型及其在官能團(tuán)轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用；

(2)熟練運(yùn)用柱層析法對化合物進(jìn)行分離純化并利用薄層層析色譜法檢測反應(yīng)的進(jìn)程；

(3)練習(xí)核磁共振數(shù)據(jù)處理軟件(MestReC)及ChemDraw繪圖軟件的使用方法，并能夠解析核磁共振波譜譜圖。

2 教學(xué)過程的組織與實施

2.1 實驗教學(xué)計劃

本實驗開設(shè)于應(yīng)用化學(xué)專業(yè)本科生四年級秋季第6-9教學(xué)周(2學(xué)分，40學(xué)時，具體實驗時間由指導(dǎo)教師和學(xué)生靈活安排)，實驗教學(xué)計劃見表1，實驗內(nèi)容可以由2-4人共同完成。

表1 實驗教學(xué)計劃

2.2 實驗方案設(shè)計及實驗原理

通過調(diào)研文獻(xiàn)并結(jié)合5-溴-1-甲基蘆竹堿結(jié)構(gòu)特點，確定實驗方案如圖1所示。實驗原理為：以5-溴吲哚為原料，首先對吲哚分子中氮原子進(jìn)行甲基化，然后與二甲胺和甲醛發(fā)生Mannich反應(yīng)制備重要中間體5-溴-1-甲基蘆竹堿，最后在不同無機(jī)酸和有機(jī)酸條件下制備得到5-溴-1-甲基蘆竹堿成鹽產(chǎn)物。第一步，5-溴吲哚與碘甲烷在氫氧化鉀作用下發(fā)生親核取代反應(yīng)(霍夫曼(Hofmann)烷基化反應(yīng))；第二步，在冰乙酸作用下，5-溴-1-甲基蘆竹堿吲哚與甲醛、二甲胺三組分發(fā)生Mannich反應(yīng)得到5-溴-1-甲基蘆竹堿；第三步，由于氨基的氮原子上有一對孤對電子，為質(zhì)子接受體，與不同的無機(jī)酸或有機(jī)酸結(jié)合生成相應(yīng)的鹽，反應(yīng)式見圖1。

圖1 5-溴-1-甲基蘆竹堿衍生物的合成

2.3 實驗過程

2.3.1 試劑和儀器

實驗藥品：5-溴吲哚、HN(CH3)2水溶液(30%)、HCHO水溶液(37%)、冰乙酸、甲醇、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、碘甲烷、二氯甲烷、乙醚、乙酸乙酯、苯甲酸、鹽酸、氫溴酸、氫碘酸等，所有試劑均為分析純，購自天津市廣達(dá)試劑。

實驗儀器：DFY-5/80型低溫恒溫反應(yīng)浴(鞏義市京華儀器有限公司)、ZNCL-BS型磁力攪拌器、Bruker Plus 400M型核磁共振波譜儀(德國Bruker)、RE-2000E型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(天津科諾儀器設(shè)備有限公司)、ME303E型電子天平(梅特勒-托利多)、Waters 3100 Mass-Dector型質(zhì)譜儀(Waters公司)、WFH-204B型三用紫外分析儀(上海馳唐電子有限公司)、X-4數(shù)字顯示顯微熔點測定儀(鞏義市予華儀器有限公司)。

2.3.2 實驗操作

2.3.2.1 5-溴-1-甲基-1H-吲哚(2)的制備

在0-5 °C、磁力攪拌條件下，將碘甲烷(6.4 g，45 mmol)滴加到5-溴吲哚(3.5 g，30 mmol)、KOH(6.7 g，120 mmol)、DMF(50 mL)的混合溶液中，滴加完畢后升至室溫繼續(xù)攪拌2 h，然后向反應(yīng)體系加入100 mL水。水相用乙酸乙酯(100 mL×3)進(jìn)行萃取，合并有機(jī)相并用水(100 mL)洗滌3次，然后用無水Na2SO4干燥后真空脫溶，殘留液無需提純得到淡黃色液體，產(chǎn)率95%，可直接進(jìn)行下一步[7]。

2.3.2.2 5-溴-1-甲基蘆竹堿(3)的制備

在0-5 °C、磁力攪拌下，向150 mL反應(yīng)器加入DMF(5 mL)、37% HCHO溶液(5 mL，61.5 mmol)、HN(CH3)230%水溶液(5 mL，33.5 mmol)，1 h后滴加2.86 mL冰乙酸，反應(yīng)15 min，再加入5-溴-1-甲基吲哚(3.2 g，15.2 mmol)反應(yīng)1.5 h后，轉(zhuǎn)移至室溫反應(yīng)6 h[6]。利用TLC點板監(jiān)測反應(yīng)完畢后，先加入飽和食鹽水，再加入NaOH(30%)水溶液調(diào)節(jié)體系pH=12-14，用CH2Cl2(30 mL)萃取三次，有機(jī)相依次用水和飽和食鹽水洗滌，合并有機(jī)相并用無水硫酸鈉干燥，過濾后真空脫溶。所得粗品經(jīng)柱層析提純(洗脫劑為V(石油醚):V(乙酸乙酯)=15:1)得到淡黃色液體，收率為85%；1H NMR(400 MHz，CDCl3)δ 7.81(d,J=2.0 Hz,1H,Ar-H)，7.29(dd,J=2.0 and 8.8 Hz,1H,Ar-H)，7.15(d,J=8.4 Hz,1H,Ar-H)，6.98(s,1H,Ar-H)，3.74(s,3H,N-CH3)，3.54(s,2H,Ar-CH2)，2.26(s,6H,N-(CH3)2)；13C NMR(100 MHz,CDCl3)δ 135.7，130.0，129.4，124.4，122.0，112.6，111.7，110.6，54.4，45.4，32.9；HRMS(ESI)calcd.for C12H16BrN2(M+H)+267.0491，found 267.0496。

2.3.2.3 5-溴-1-甲基蘆竹堿鹽(4)的制備

將5-溴-1-甲基蘆竹堿(0.17 g，0.65 mmol)溶于20 mL甲醇中，加入不同的酸(0.65 mmol)，加熱回流2 h，脫溶后，用乙醚重結(jié)晶或柱層析(V(二氯甲烷):V(甲醇)=20:1)提純得5-溴-1-甲基蘆竹堿鹽4a-4d。

3·HCl(4a)：紫色固體，收率96%，熔點220-221 °C;1H NMR(400 MHz,DMSO-d6)δ 10.76(s,1H,N+H)，8.12(s,1H,Ar-H)，7.67(s,1H,Ar-H)，7.49(d,J=8.7 Hz,1H,Ar-H)，7.33(d,J=8.7 Hz,1H,Ar-H)，4.40(d,J=4.3 Hz,2H,Ar-CH2)，3.82(s,3H,N-CH3)，2.68(d,J=4.4 Hz,6H,N-(CH3)2)；13C NMR(100 MHz,DMSO-d6)δ 135.2，134.1，129.5，124.2，121.3，112.7，112.3，102.2，50.1，40.8，32.9。

3·HBr(4b)：紫色固體，收率93%，熔點212-214 °C；1H NMR(400 MHz,DMSO-d6)δ 9.56(s,1H,N+H)，8.11(s,1H,Ar-H)，7.65(s,1H,Ar-H)，7.45(d,J=8.7 Hz,1H,Ar-H)，7.35(d,J=8.7 Hz,1H,Ar-H)，4.45(d,J=4.5 Hz,2H,Ar-CH2)，3.83(s,3H,N-CH3)，2.74(d,J=4.6 Hz,6H,N-(CH3)2)；13C NMR(100 MHz,DMSO-d6)δ 135.3，134.1，129.3，124.3，121.4，112.7，112.4，102.1，50.5，41.1，32.9。

3·HI(4c)：紫色固體，收率92%，熔點190-192 °C；1H NMR(400 MHz,DMSO-d6)δ 9.36(s,1H,N+H)，8.10(s,1H,Ar-H)，7.65(s,1H,Ar-H)，7.49(d,J=8.7 Hz,1H,Ar-H)，7.34(d,J=7.5 Hz,1H,Ar-H)，4.47(d,J=4.4 Hz,2H,Ar-CH2)，3.84(s,3H,N-CH3)，2.78(d,J=4.5 Hz,6H,N-(CH3)2)；13C NMR(100 MHz,DMSO-d6)δ 135.3，134.0，129.2，124.4，121.4，112.7，112.4，102.1，50.7，41.3，33.0。

3·苯甲酸(4d)：黃色油狀物，收率為95%；1H NMR(400 MHz,DMSO-d6)δ 7.96(d,J=7.3 Hz,2H,Ar-H)，7.91(d,J=1.5 Hz,1H,Ar-H)，7.55(t,J=7.2 Hz,1H,Ar-H)，7.40-7.47(m,4H,Ar-H)，7.56(dd,J=8.7,1.7 Hz,1H,Ar-H)，3.83(s,2H,Ar-CH2)，3.77(s,3H,N-CH3)，3.18(s,1H,CO2H),2.35(s,6H，N-(CH3)2)；13C NMR(100 MHz,DMSO-d6)δ 168.2，135.7，133.0，131.8，131.6，129.5，129.2，128.2，123.7，121.5，111.9，111.8，107.7，52.3，43.2，32.6。

本階段，實驗內(nèi)容涉及理論知識點包括胺的堿性、霍夫曼(Hofmann)烷基化反應(yīng)、Mannich反應(yīng)、胺與酸的成鹽反應(yīng)等，涉及的實驗操作包括萃取、真空脫溶、柱層析、加熱回流、抽濾、TLC監(jiān)測等。學(xué)生不僅對相應(yīng)知識點進(jìn)行復(fù)習(xí)總結(jié)，并掌握了化合物特別是特征官能團(tuán)的性質(zhì)；而且綜合運(yùn)用了有機(jī)化學(xué)實驗教學(xué)中基本實驗操作。

2.4 數(shù)據(jù)整理與討論

2.4.1 實驗過程及思考

實驗過程中通過提出問題，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考和自主學(xué)習(xí)。

(1)胺的堿性：實驗方案設(shè)計階段向?qū)W生提出問題，5-溴-1-甲基蘆竹堿分子結(jié)構(gòu)中含有兩個氮原子，與酸1:1(摩爾比)反應(yīng)時哪個氮原子與質(zhì)子進(jìn)行結(jié)合？引導(dǎo)學(xué)生回顧學(xué)過的知識點分析兩個氮原子的堿性大小，并通過后續(xù)實驗結(jié)果進(jìn)行驗證。

F2=0.012X1-0.253X2+0.102X3+0.068X4+0.438X5+0.104X6+0.459X7

(2)霍夫曼Hofmann烷基化反應(yīng)：由于氮原子上有一對孤對電子，容易與鹵代烴發(fā)生親核的取代反應(yīng)生成銨鹽。提出問題：① 反應(yīng)溶劑DMF在處理過程如何去除？② 不同鹵代烴的反應(yīng)活性大小及如何提高胺類化合物中氮原子的親核性？

(3)Mannich反應(yīng)：實驗過程中用冰乙酸催化吲哚、甲醛、二甲胺3組分發(fā)生Mannich反應(yīng)(反應(yīng)機(jī)理見圖2)，反應(yīng)條件的控制對反應(yīng)收率的影響很大。除了實驗中選擇的實驗方案外，指導(dǎo)學(xué)生查閱資料并總結(jié)還有哪些方法可以合成蘆竹堿衍生物？

圖2 Mannich反應(yīng)機(jī)理

(4)成鹽反應(yīng)：回顧酸堿理論的知識，5-溴-1-甲基蘆竹堿與不同的酸反應(yīng)是否能用酸堿質(zhì)子理論進(jìn)行解釋？

2.4.2 5-溴-1-甲基蘆竹堿的譜圖解析

根據(jù)5-溴-1-甲基蘆竹堿的氫譜譜圖(圖3)所示，N(CH3)2處的2個甲基在δ 2.26處以單峰形式出現(xiàn)，CH2處2個氫原子在δ 3.54處以單峰形式出現(xiàn)。由于吲哚結(jié)構(gòu)具有芳香性，使得與氮原子相連的CH3出現(xiàn)的單峰向低場移動至δ 3.74。吲哚骨架的5位碳上溴原子電負(fù)性強(qiáng)，使得鄰近碳上質(zhì)子受屏蔽降低，質(zhì)子位移向低場方向移動；吲哚骨架的2位、4位、6位和7位的CH化學(xué)位移分別為6.98(s)、7.81(d,J=2.0 Hz)、7.29(dd,J=2.0 and 8.8 Hz)和7.15(d,J=8.4 Hz)，4位CH由于間位碳上氫原子的影響發(fā)生耦合出現(xiàn)雙重峰，6位CH由于間位CH以及鄰位CH的共同影響發(fā)生耦合出現(xiàn)四重峰，7位CH由于鄰位CH的影響發(fā)生耦合出現(xiàn)雙重峰。高分辨質(zhì)譜數(shù)據(jù)同樣證明，得到的化合物分子量與5-溴-1-甲基蘆竹堿一致。

圖3 5-溴-1-甲基蘆竹堿的1H NMR譜圖

2.4.3 化合物4的譜圖解析

對比苯甲酸鹽4d(圖4)，N(CH3)2處的2個甲基在δ 2.35處仍出現(xiàn)一個單峰，吲哚骨架中與氮原子相連的CH3在δ 3.77處仍出現(xiàn)一個單峰；與苯甲酸成鹽后CH2處2個氫原子其化學(xué)位移向低場移動至δ 3.83處，且仍為單峰形式出現(xiàn)；大于δ 9.0處沒有出峰，而在δ 3.18出現(xiàn)一個單峰。由此確認(rèn)，與三種無機(jī)酸(強(qiáng)酸)反應(yīng)后氫離子與5-溴-1-甲基蘆竹堿形成共價鍵―N+H，在氘代試劑DMSO中陰離子與配陽離子之間為離子鍵；但苯甲酸(弱酸)酸性較弱，與5-溴-1-甲基蘆竹堿只能以分子間作用力氫鍵形式形成配合物，此時酸上的氫并沒有加到氮原子上成鍵，因此對N(CH3)2與和CH2位移的影響就沒有強(qiáng)酸那么大，類似現(xiàn)象已有文獻(xiàn)報道[8]。因此，不能用酸堿質(zhì)子理論解釋5-溴-1-甲基蘆竹堿與苯甲酸的反應(yīng)。

圖4 化合物4a和4d的1H NMR譜圖

本階段，學(xué)生在完成5-溴-1-甲基蘆竹堿衍生物制備和表征的基礎(chǔ)上，對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析及對比，最后撰寫實驗報告。數(shù)據(jù)整理過程中不僅練習(xí)核磁共振數(shù)據(jù)處理軟件(MestReC)的使用方法，也提高了對化合物的1H NMR、13C NMR和HRMS譜圖解析的能力。另外，認(rèn)真書寫實驗記錄、獨(dú)立分析實驗數(shù)據(jù)和翔實撰寫實驗報告的過程，培養(yǎng)了學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，調(diào)動了學(xué)生積極參與科研的興趣。

2.4.4 實驗安全注意事項

實驗過程中要著重強(qiáng)調(diào)用水、用電等實驗室常規(guī)安全知識；要求學(xué)生規(guī)范實驗操作流程，特別如加熱回流實驗時要先通冷凝水后開啟加熱，停止實驗時要先關(guān)閉加熱后停止通冷凝水，使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀前要認(rèn)真學(xué)習(xí)儀器使用注意事項等。針對危險化學(xué)品的使用，要求學(xué)生熟練使用化學(xué)品安全技術(shù)說明書(MSDS)對化學(xué)品信息進(jìn)行檢索，特別是具有強(qiáng)揮發(fā)性及刺激性氣味的二甲胺水溶液、鹽酸、甲醛水溶液等，具有低沸點的二氯甲烷、碘甲烷和乙醚等試劑。針對強(qiáng)揮發(fā)性和刺激性氣味的試劑注意好控制溫度和尾氣吸收等；使用低沸點試劑時要注意好防護(hù)措施，如在通風(fēng)櫥內(nèi)進(jìn)行實驗。

3 結(jié)語

本實驗設(shè)計了題為“5-溴-1-甲基蘆竹堿衍生物制備和表征”的綜合實驗，并應(yīng)用于應(yīng)用化學(xué)專業(yè)創(chuàng)新性綜合實驗教學(xué)中。從反應(yīng)原理、實驗過程及結(jié)果分析三方面開展具有生物活性的5-溴-1-甲基蘆竹堿衍生物的制備，提高學(xué)生對科學(xué)實驗的熟悉程度，使其參與并體驗到科學(xué)研究具有的挑戰(zhàn)性和嚴(yán)謹(jǐn)性，并為后續(xù)本科畢業(yè)論文做好鋪墊。在實施效果上，經(jīng)過指導(dǎo)教師的引導(dǎo)以及與學(xué)生的討論后開始實施，學(xué)生能結(jié)合不同章節(jié)知識順利完成所有操作并撰寫報告，不僅夯實了他們的理論知識和實驗技能，還能夠訓(xùn)練學(xué)生調(diào)研、閱讀及總結(jié)文獻(xiàn)的能力，并提高學(xué)生分析和解決問題的能力，有助于“新工科”專業(yè)人才的培養(yǎng)。開展5-溴-1-甲基蘆竹堿衍生物制備的綜合實驗，有助于學(xué)生構(gòu)建知識網(wǎng)絡(luò)體系的同時，強(qiáng)化課本理論知識與工程實踐的融合，培養(yǎng)學(xué)生科研興趣，并促進(jìn)新時代背景下高等院校專業(yè)人才的培養(yǎng)。