CN101121700A

CN101121700A - 一种有机含硫富氮化合物及其制备方法

Info

Publication number: CN101121700A
Application number: CNA2007101318242A
Authority: CN
Inventors: 郎建平; 陈阳; 李红喜; 任志刚
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2007-09-05
Filing date: 2007-09-05
Publication date: 2008-02-13

Abstract

本发明公开了一种有机含硫富氮化合物，所述有机含硫富氮化合物含有两个对称的含硫四氮唑官能团。所述化合物的制备方法为：取二硫氰基甲烷、叠氮化钠以及卤化锌混合于水中，搅拌回流，加入盐酸水溶液，过滤，滤液经静置后得到白色晶状不溶物。过滤、洗涤、干燥，获得白色晶状固体，即为所述有机含硫富氮化合物。该化合物可作为合成其它化合物的前驱物，也可以作为杀藻杀菌的化学药物，还可以作为合成金属配合物、簇合物和聚合物的多齿含硫富氮配体。所述制备方法简单，制备装置简易，原料广泛易得，无需惰性气体保护。

Description

一种有机含硫富氮化合物及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种含有两个杂环的杂环化合物，以氮原子为杂环中的杂原子，被含有硫原子的链作为键链连接；具体涉及一种有机含硫富氮化合物及其制备方法，其中的杂环是四氮唑基团。

背景技术

含四氮唑官能团化合物在工农业生产等各个领域都具有广泛的应用。

1.在生物学领域，某些生物指示剂和染色剂含有四氮唑基团，比如：2，3，5-氯化三苯基四氮唑(2，3，5-triphenyltetrazolium，缩写为TTC)是最早被人们发现的人工受氢体，也是目前在脱氢酶活性检测中应用最广泛的人工受氢体，而其盐酸盐是很好的生物活体染色剂，在细胞生物学研究中具有广泛的应用。

2.在农业科学领域，四唑化合物因其具有优良的生物活性而被人们开发作为除草剂和植物生长调节剂(张苏杭、张玉清、王新德，四唑化合物的合成及其在农业上的应用，洛阳工业高等专科学校学报，2006，16(2)，16-18)，比如：1-[5-(4-硝基苄基)-2H-四唑乙酰基]-4-芳酰氨基硫脲具有促进小麦作物生长，改善小麦产物品质的作用；α-氨基四唑的Schiff碱具有较好的植物生长激素活性，可以作为优质廉价的植物生长调节剂；3，6双(1氢-，2，3，4-四唑-5-氨基)-1，2，4，5-四嗪(BTATz)不仅具有良好的生物活性，而且可用作杀虫剂和除草剂；还有1-(2-氯苯基)-5(4H)-四唑啉酮是合成新型四唑啉酮类高效除草剂的关键中间体，该类除草剂的特点在于，通过改变它的取代基可以使其杂草谱和庄稼选择性发生巨大变化等。

3.含能材料领域。四氮唑类化合物一般具有较高的含氮量，由于高氮含能化合物具有很高的正生成焓，且分子结构中的高氮低碳氢含量不仅使其具有较高的密度，而且更容易达到氧平衡，可作为新型含能材料使用(Hiskey M，ChavezD，et al.Progress in high-nitrogen chemistry in explosives，propellants andpyrotechnics[A].Proc.27th International Pyrotechnics Seminar[C]，July16～21，USA：Colorado，2000：3-14)，因此在高能钝感炸药、可取代RDX和HMX的低特征信号低感度推进剂、发展新型无毒高效低温气体发生剂、新型观赏性的低烟或无烟烟火技术以及无焰低温灭火剂等含能领域具有广泛的应用前景。

4.医药领域。具有含硫四氮唑官能团或类似官能团的化合物在医药领域具有很高的应用价值，比如：1-甲基-5-巯基四氮唑(简称甲基巯基四唑)是头孢类抗生素第三、四、五代产品的重要中间体。以甲基巯基四唑为原料合成的第三代头孢菌类抗生素类如头孢哌酮、头孢甲肟等，在国内外抗生素类医药产品中已是主流产品，其市场份额正逐步扩大；以甲基巯基四唑为原料合成的第四代抗生素类产品头孢匹罗等，国外刚开始上市，国内正处于研究开发阶段；以甲基巯基四唑为原料合成的第五代抗生素类产品，目前国外正处于研究开发阶段，国内的研究开发刚起步。预计甲基巯基四唑的市场需求随着第三、四、五代头孢类抗生素的生产和普及应用将不断扩大。

然而，目前甲基巯基四唑的生产状况普遍存在收率低、成本高问题，特别是甲基巯基四唑的液相色谱相关杂质偏高，迫切需要改进工艺提高甲基巯基四唑的液相色谱纯度(硕士学位论文：头孢类药物中间体的合成研究，山东师范大学，吕瑞敏)。

5.配位化学领域。在当今热门的配位化学领域，含硫富氮化合物可作为潜在的多齿桥联配体与金属配位，从而合成出结构复杂并具有一定功能的金属配合物。Heinrich N.等人在“The Molecular Structure of Some Transition-MetalComplexes with 1，2，3，4-Tetrazole-5-thiolate Anions”一文中(Eur.J.Inorg.Chem.1998，93-99)较系统地研究了含硫四氮唑类官能团与Pd，Cu，Ag，Au，Hg等过渡金属的配位活性，但总体来讲，有关对该类配体的配位性能的报道并不多见。

现有技术中，四氮唑类化合物的化学合成是以胺或胺盐催化剂在有机溶剂中制备，如美国专利US 4,097,479中公开了一种5位取代的四氮唑的合成方法，用1mol腈和1mol叠氮化钠在1mol胺盐的催化作用下反应制得四氮唑。该方法需要等摩尔的胺盐作为催化剂，反应温度高，而且收率普遍较低。而且现有技术合成的都是一端含有四氮唑官能团的化合物，含有两个对称的含硫四氮唑官能团的化合物未见报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种易溶于多种溶剂(如甲醇、乙醇、丙酮、四氢呋喃、N，N′-二甲基甲酰胺等)、配位能力以及实用性强的含有两个对称的含硫四氮唑官能团的新型有机含硫富氮化合物；同时本发明还提供该化合物的制备方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种有机含硫富氮化合物，含有两个对称的含硫四氮唑官能团，由下列式(1)表示：

其具体制备方法包括以下步骤：

(1)将二硫氰基甲烷、叠氮化钠以及卤化锌以摩尔比1∶2～2.2∶0.5～2混合于水中，搅拌回流；

(2)加入浓度为3M的盐酸水溶液，过滤，接收滤液；

(3)静置上述滤液得到白色晶状不溶物；

(4)过滤、洗涤、干燥上述白色晶状不溶物，获得目标白色晶状固体，即为所需的有机含硫富氮化合物。

上文中，利用二硫氰基甲烷与叠氮化钠，通过Demko-Sharpless[2+3]环加成反应，同时在二硫氰基甲烷的原有骨架上引入两个四氮唑官能团，而硫原子在产物的结构中得到了保留。在反应中，二硫氰基甲烷与叠氮化钠的理论反应摩尔比为1∶2，但为了能让二硫氰基甲烷充分反应，叠氮化钠以稍过量为宜。卤化锌为催化剂，对于小剂量合成目标化合物来讲(目标化合物的量为10mmol左右)，卤化锌的相对用量需要较大，一般叠氮化钠与卤化锌的摩尔比约为1∶1或更大，而对于大剂量合成目标化合物来讲(目标化合物的量在1mol以上)，催化剂卤化锌的相对用量可以减少，此时叠氮化钠与卤化锌的摩尔比可以为1∶0.5。所述二硫氰基甲烷[CH₂(SCN)₂]为前驱物，所述盐酸水溶液作为酸化回流产物的酸试剂。

上述技术方案中，所述步骤(2)中，加入盐酸水溶液时的温度不低于80℃；即，在加热回流停止后，尽快将盐酸水溶液加入其中，过滤前体系温度如果太低会导致产物晶体析出，从而造成损失。

上述技术方案中，使用了水作为回流液，水的沸点在通常情况下为100℃，本发明中由于在水溶液体系中加入了二硫氰基甲烷、叠氮化钠以及卤化锌等化合物，因此溶液沸点略有上升，反应时，保证体系在沸腾状态下实现回流即可，优选的技术方案是，控制所述反应温度在105℃至115℃之间，更优选的回流温度选择在110℃左右。

上述技术方案中，步骤(1)所述卤化锌选自ZnCl₂或ZnBr₂中的一种。步骤(4)所述洗涤过程使用去离子水。

上述技术方案中，还可对产物作进一步纯化，从而获得所述有机含硫富氮化合物的无色片状晶体，以满足更高纯度的需要，所述纯化过程为：在常温下将所述白色晶状固体溶解在甲醇中，静置挥发甲醇后，析出无色片状晶体，在50℃真空干燥，即得高度纯化的所述有机含硫富氮化合物。

由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1.本发明的化合物具有两个带氢的四氮唑官能团，可以进一步在四氮唑官能团上连接其它有机基团，作为合成其它化合物的中间体；

2.本发明的化合物对金属离子配位能力强，且自身对于多种溶剂具有很好的溶解性，故可使其在多种反应环境中达到对金属配合物及簇合物的合成；

3.本发明的有机含硫富氮化合物与其它含氮化合物相比具有很高的含氮量，与其他含硫化合物相比具有无异臭的优点，而与其它多齿配体相比具有相对更多的配位点；

4.本发明产物原料来源广泛，容易获得；

5.本发明方法的反应装置简单，操作步骤少，以水作为反应回流液，无需惰性气体保护；产率在60％以上，纯度达100％；

6.作为合成本发明所述的化合物的原料，二硫氰基甲烷[CH₂(SCN)₂]本身就是一种高效杀藻杀菌化学药物，其特点在于高效低残留、适用范围广、对人/畜无害、安全无污染，是目前最佳的广谱杀藻/菌药物；而本发明所述的化合物保留了二硫氰基甲烷[CH₂(SCN)₂]的原有元素和骨架结构，因此其在杀藻杀菌方面会有更好的表现和独特的优点。

附图说明

附图1为本发明实施例一的空间结构示意图；

附图2为本发明实施例一的晶胞堆积图(虚线表示氢键作用)。

其中，○为H原子

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：参见附图1和附图2所示，一种有机含硫富氮化合物，含有两个对称的含硫四氮唑官能团，其制备方法是：

(1)将10毫摩尔份的二硫氰基甲烷[CH₂(SCN)₂]、22毫摩尔份的叠氮化钠(NaN₃)以及20毫摩尔份的氯化锌(或溴化锌)加入到250mL圆底烧瓶中，加入40mL水。混合物于105℃～115℃温度条件下搅拌回流48小时，得到白色沉淀。

(2)趁热直接将40mL的3mol/L盐酸水溶液加入到圆底烧瓶中，继续搅拌片刻后，白色沉淀溶解并得到淡黄色溶液。过滤，得到无色透明滤液。

(3)在常温下将滤液静置10小时，得到白色晶状沉淀。过滤，用去离子水洗涤五次，于50℃真空干燥得本发明产品，产率60％～70％。

参见附图1所示，本发明产品1，1′-[2-(1-氢-四氮唑基-5-巯基)]甲烷具有两个含硫四氮唑官能团。

(4)纯化

该步骤用于进一步纯化产物，以满足更高纯度的需要：将产物的白色晶状固体溶于甲醇，常温下静置挥发掉甲醇后得到无色片状晶体，晶化过程中得到了适合X-射线单晶衍射分析的1，1′-[2-(1-氢-四氮唑基-5-巯基)]甲烷单晶，再在50℃真空干燥，即得高度纯的所述有机含硫富氮化合物。

(5)对上述1，1′-[2-(1-氢-四氮唑基-5-巯基)]甲烷单晶进行红外光谱分析、元素分析、¹H NMR分析以及¹³C NMR分析，确认其结构，并证明了经过纯化后，本发明产品的纯度达到100％。

表1、表2和表3分别列出了所述含硫富氮化合物的晶体学参数及部分重要的键长、键角。

表1. 1，1′-[2-(1-氢-四氮唑基-5-巯基)]甲烷的晶体学参数

分子式分子量测试温度Z密度体积

C₃H₄N₈S₂216-80℃41.808g/cm³0.7945(4)nm³

晶系空间群晶胞参数

单斜P2₁/ca＝1.3365(3)nmb＝0.42456(8)nmc＝1.9256(6)nmβ＝133.351(18)°

表2. 1，1′-[2-(1-氢-四氮唑基-5-巯基)]甲烷的部分键长(nm)

S(1)-C(2)S(2)-C(3)N(1)-C(2)N(2)-N(3)N(4)-C(2)N(5)-N(6)N(7)-N(8)

0.1736(3)0.1743(3)0.1336(3)0.1291(3)0.1324(3)0.1352(3)0.1373(3)

S(1)-C(1)S(2)-C(1)N(1)-N(2)N(3)-N(4)N(5)-C(3)N(6)-N(7)N(8)-C(3)

0.1810(3)0.1811(3)0.1349(3)0.1360(3)0.1339(3)0.1287(3)0.1323(3)

表3. 1，1′-[2-(1-氢-四氮唑基-5-巯基)]甲烷的部分键角(°)

C(2)-S(1)-C(1)C(2)-N(1)-N(2)N(2)-N(3)-N(4)C(3)-N(5)-N(6)N(6)-N(7)-N(8)S(1)-C(1)-S(2)N(4)-C(2)-S(1)N(8)-C(3)-N(5)N(5)-C(3)-S(2)

97.66(13)108.7(2)111.7(2)108.4(2)111.6(2)115.96(16)126.3(2)109.2(2)125.4(2)

C(3)-S(2)-C(1)N(3)-N(2)-N(1)C(2)-N(4)-N(3)N(7)-N(6)-N(5)C(3)-N(8)-N(7)N(4)-C(2)-N(1)N(1)-C(2)-S(1)N(8)-C(3)-S(2)

97.15(13)105.8(2)105.0(2)106.2(2)104.6(2)108.8(2)124.9(2)125.3(2)

元素分析：实测值(％)：C，16.48；H，1.81；N，51.72；理论值(％)：C，16.66；H，1.86；N，51.82；

IR(KBr cm^-1)：3545(w)，3440(w)，3014(m)，2959(m)，2940(w)，2771(w)，2706(w)，1622(w)，1477(s)，1386(w)，1360(m)，1297(m)，1236(w)，1221(w)，1088(w)，1068(s)，1042(w)，996(m)，817(w)，787(m)，730(w)，673(m)，575(w)，487(w)。

¹H NMR(DMSO-d₆，δpm)：δ5.116(s，2H，CH₂)，δ13.199(brs，2H，CN₄H)。

¹³C NMR(DMSO-d₆，δppm)：δ36.116(CH₂)，δ153.302(tetrazolyl)。

实施例二：

重复实施例一的步骤(1)至(3)，不同点在于：混合物于105℃～115℃温度条件下搅拌回流12小时，得到白色沉淀。

经测试，产率为30％～40％。

纯化以及分析表明，获得实施例一相同的产物。

实施例三：

重复实施例一的步骤(1)至(3)，不同点在于：混合物于105℃～115℃温度条件下搅拌回流24小时，得到白色沉淀。

经测试，产率为40％～50％。

纯化以及分析表明，获得实施例一相同的产物。

实施例四：

重复实施例一的步骤(1)至(3)，不同点在于：混合物于105℃～115℃温度条件下搅拌回流96小时，得到白色沉淀。

经测试，产率为50％～60％。

纯化以及分析表明，获得实施例一相同的产物。

Claims

1.一种有机含硫富氮化合物，其特征在于：所述化合物含有两个对称的含硫四氮唑官能团，由下列式(1)表示：

2.权利要求1所述化合物的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(2)加入浓度为3M的盐酸水溶液，过滤，接收滤液；

(3)静置上述滤液得到白色晶状不溶物；

(4)过滤、洗涤、干燥上述白色晶状不溶物，获得白色晶状固体，即为权利要求1所述有机含硫富氮化合物。

3.根据权利要求2所述的有机含硫富氮化合物的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，加入盐酸水溶液时的温度不低于80℃。

4.根据权利要求2所述有机含硫富氮化合物的制备方法，其特征在于：步骤(1)所述回流搅拌反应温度在105℃～115℃之间，反应时间为48～60小时。

5.根据权利要求2所述有机含硫富氮化合物的制备方法，其特征在于：步骤(1)所述卤化锌选自ZnCl₂或ZnBr₂中的一种。

6.根据权利要求2所述有机含硫富氮化合物的制备方法，其特征在于：步骤(4)所述洗涤过程使用去离子水。

7.根据权利要求2至6中任一所述有机含硫富氮化合物的制备方法，其特征在于：在获得白色晶状固体后，对产物作进一步纯化，纯化方法为，将所述白色晶状固体溶解在甲醇中，经静置挥发后，析出无色片状晶体，在50℃真空干燥，即得高度纯化的所述有机含硫富氮化合物。