CN102659666B

CN102659666B - 一类咔唑衍生物，其制备方法及应用

Info

Publication number: CN102659666B
Application number: CN 201210135946
Authority: CN
Inventors: 尚学芳; 汪应灵; 耿明江; 袁建梅; 郭亚萍; 靳平宁; 王雷; 贾申钰; 韩杰
Original assignee: Xinxiang Medical University
Current assignee: Xinxiang Medical University
Priority date: 2012-05-04
Filing date: 2012-05-04
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2032-05-04
Also published as: CN102659666A

Abstract

本发明公开了一类具有通式Ⅰ的新的含有酚羟基的咔唑衍生物、它们的制备方法以及它们的用途，特别是用于生物、环境和药物等样品中含氧阴离子的定量检测的用途。

Description

一类咔唑衍生物，其制备方法及应用

技术领域

本发明涉及化学合成领域，具体涉及一类新的含有酚羟基的咔唑衍生物及其制备方法，本发明还公开了该咔唑衍生物的用途。

背景技术

由于咔唑在染料、农业、光电材料、合成树脂等方面的广泛应用，咔唑衍生物的制备也应运而生。咔唑衍生物的合成多集中于N-取代咔唑类、咔唑酮类、吲哚并咔唑类、茚并吡咯并咔唑类、咔唑聚合物等。

众多的无机和有机阴离子在生命过程和环境监控等研究领域具有十分重要的作用。因此，如何检测、分离和识别阴离子的研究越来越受到人们的关注。设计和合成生物学、医学和环境中重要阴离子的识别受体分子已成为当今超分子化学领域十分活跃的研究课题。咔唑类的阴离子受体因其是良好的荧光基团，可在中性pH值条件下与阴离子发生配位作用而受到人们的关注。由于含有羟基的药剂具有氧化力极强、杀灭微生物的生化反应速度极快的特性，进一步设计、合成羟基类配体对于主客体化学的发展更有意义。

发明内容

本发明选择以咔唑为原料，设计合成了一系列含有酚羟基的咔唑衍生物。经初步试验显示，本发明化合物能结合阴离子，对含氧阴离子的结合能力较强，伴随明显的荧光响应，可用于生物、环境和药物等样品中含氧阴离子的定量检测。

本发明设计合成的新的含有酚羟基的咔唑衍生物，通式如下：

其中R是H；OCH₃；Br；NO₂；Cl；I。

通式Ⅰ化合物的制备方法如下：

Figure 201210135946X100002DEST_PATH_IMAGE003

其中R是H；OCH₃；Br；NO₂；Cl；I。

该制备方法中，由化合物Ⅴ制备化合物Ⅳ时，在0℃-2℃下，向化合物Ⅴ中滴加磺酰氯，室温反应4-6小时得到化合物Ⅳ，化合物Ⅴ与磺酰氯的投料摩尔比为1：2~3。

由化合物Ⅳ制备化合物Ⅲ时，化合物Ⅳ在冰醋酸中与发烟硝酸经低温、60℃、75℃和110℃反应得到，化合物Ⅳ与发烟HNO₃的摩尔比为1：2~2.5。

由化合物Ⅲ制备化合物Ⅱ时，化合物Ⅲ与水合肼在乙醇中回流反应8-12小时得到，水合肼过量且靶/碳作催化剂，靶/碳的量为化合物Ⅲ的1/4~1/2。

由化合物Ⅱ制备化合物Ⅰ时，化合物Ⅱ与化合物Ⅵ在乙醇中回流反应6-12小时得到化合物Ⅰ，化合物Ⅱ与化合物Ⅵ的投料比为1：2~3。

由上述方法制备所得的化合物Ⅰ，经分析测试，化合物Ⅰ具有检测阴离子的用途。采用紫外－可见吸收光谱法、荧光发射光谱法和核磁共振氢谱方法测试了其对醋酸根离子、磷酸二氢根离子、氟离子、氯离子、溴离子及碘离子的选择性识别特性，检测限研究表明N,N’-二(1’-亚甲基-2’-羟基-3’-溴苯) -3,6-二氯-1,8－二氨基咔唑化合物可定量检测μmol·L^-1水平的醋酸根离子。

紫外－可见吸收光谱法：将本发明所合成的化合物即主体：N,N’-二(1’-亚甲基-2’-羟基苯)-3,6-二氯-1,8-二氨基咔唑、N,N’-二(1’-亚甲基-2’-羟基-3’-甲氧基苯)-3,6-二氯-1,8-二氨基咔唑、N,N’-二(1’-亚甲基-2’-羟基-3’-溴苯) -3,6-二氯-1,8-二氨基咔唑、N, N’-二(1’-亚甲基-2’-羟基-3’-硝基苯) -3,6-二氯-1,8-二氨基咔唑均配成1×10^－ ³ mol/L的二甲基亚砜溶液，阴离子四丁基铵盐分别是四丁基醋酸铵、四丁基磷酸二氢铵、四丁基氟化铵、四丁基氯化铵、四丁基溴化铵、四丁基碘化铵均配成2×10^－ ³ mol/L的二甲基亚砜溶液。分别移取0.2 ml主体溶液于一系列5 ml比色管中，每支比色管中加入一定体积的阴离子的四丁基铵盐溶液，然后用二甲基亚砜稀释至刻度，得到一系列化合物浓度恒定，阴离子浓度不同的溶液，混合均匀后测其吸收光谱，二甲基亚砜溶剂作参比。测试结果如下：N,N’-二(1’-亚甲基-2’-羟基苯)-3,6-二氯-1,8-二氨基咔唑对CH₃COO^－的键合常数为(1.25±0.7)×10⁵、对H₂PO₄ ^－的键合常数小于10、对F^－的键合常数为(2.36±0.5)×10⁴、对Cl^－、Br^－、I^－的键合能力较弱可忽略；N,N’-二(1’-亚甲基-2’-羟基-3’-甲氧基苯) -3,6-二氯-1,8-二氨基咔唑对CH₃COO^－的键合常数为(1.38±0.3)×10⁴、对H₂PO₄ ^－的键合常数小于10、对F^－的键合常数为(6.63±0.2)×10³、对Cl^－、Br^－、I^－的键合能力较弱可忽略；N,N’-二(1’-亚甲基-2’-羟基-3’-硝基苯) -3,6-二氯-1,8-二氨基咔唑对CH₃COO^－的键合常数为(2.12±0.5)×10⁵、对H₂PO₄ ^－的键合常数为(1.41±0.5)×10³、对F^－的键合常数为(8.65±0.3)×10³、对Cl^－、Br^－、I^－的键合能力较弱可忽略；N,N’-二(1’-亚甲基-2’-羟基3’-硝基苯)- 3,6-二氯-1,8- 二氨基咔唑对CH₃COO^－的键合常数为(2.52±0.7)×10⁵、对H₂PO₄ ^－的键合常数为(6.15±0.2)×10⁵、对F^－的键合常数为(1.99±0.6)×10⁵、对Cl^－、Br^－、I^－的键合能力较弱可忽略。

荧光发射光谱法：将本发明所合成的化合物即主体：N,N’-二(1’-亚甲基-2’-羟基苯) -3,6-二氯-1,8-二氨基咔唑、N,N’-二(1’-亚甲基-2’-羟基-3’-甲氧基苯)-3,6-二氯-1,8-二氨基咔唑、N,N’-二(1’-亚甲基-2’-羟基-3’-溴苯) -3,6-二氯-1,8-二氨基咔唑、N,N’-二(1’-亚甲基-2’-羟基-3’-硝基苯) -3,6-二氯-1,8-二氨基咔唑均配成1×10^－ ³ mol/L的二甲基亚砜溶液，阴离子四丁基铵盐分别是四丁基醋酸铵、四丁基磷酸二氢铵、四丁基氟化铵、四丁基氯化铵、四丁基溴化铵、四丁基碘化铵均配成2×10^－ ³ mol/L的二甲基亚砜溶液。分别移取0.2 ml主体溶液于一系列5 ml比色管中，每支比色管中加入一定体积的阴离子的四丁基铵盐溶液，然后用二甲基亚砜稀释至刻度，得到一系列化合物浓度恒定，阴离子浓度不同的溶液，混合均匀后测其荧光发射光谱，二甲基亚砜溶剂作参比。N,N’-二(1’-亚甲基-2’-羟基苯) -3,6-二氯-1,8-二氨基咔唑对CH₃COO^－的键合常数为(1.25±0.7)×10⁵、对H₂PO₄ ^－的键合常数小于10、对F^－的键合常数为(2.36±0.5)×10⁴、对Cl^－、Br^－、I^－的键合能力较弱可忽略；N,N’-二(1’-亚甲基-2’-羟基-3-甲氧基苯) -3,6-二氯-1,8-二氨基咔唑对CH₃COO^－的键合常数为(1.38±0.3)×10⁴、对H₂PO₄ ^－的键合常数小于10、对F^－的键合常数为(6.63±0.2)×10³、对Cl^－、Br^－、I^－的键合能力较弱可忽略；N,N’-二(1’-亚甲基-2’-羟基-3’-溴苯) -3,6-二氯-1,8-二氨基咔唑对CH₃COO^－的键合常数为(2.12±0.5)×10⁵、对H₂PO₄ ^－的键合常数为(1.41±0.5)×10³、对F^－的键合常数为(8.65±0.3)×10³、对Cl^－、Br^－、I^－的键合能力较弱可忽略；N,N’-二(1’-亚甲基-2’-羟基-3’-硝基苯) -3,6-二氯-1,8-二氨基咔唑对CH₃COO^－的键合常数为(2.36±0.5)×10⁵、对H₂PO₄ ^－的键合常数为(7.58±0.2)×10⁵、对F^－的键合常数为(2.11±0.3)×10⁵、对Cl^－、Br^－、I^－的键合能力较弱可忽略。

核磁方法：将本发明所合成的化合物和四丁基铵盐的阴离子配成0.1 mol/L的DMSO-d₆溶液，分别移取50 μl主体溶液注入6支核磁管中，依次加入0、25、50、75、100和250 μl的阴离子的DMSO-d ₆溶液。然后加DMSO-d₆溶液定容至0.5 ml。测试结果表明：主体和阴离子是通过酚羟基上的氢、咔唑上的NH和阴离子形成氢键作用的。

检测限：N,N’-二(1’-亚甲基-2’-羟基-3’-溴苯) -3, 6-二氯-1,8-二氨基咔唑对CH₃COO^－荧光识别的最低限实验表明，当该化合物的浓度为3.0 × 10⁻⁷ mol·L^-1时, 对CH₃COO^－的检测限为4.7 × 10⁻⁷ mol·L^-1，相应的荧光强度增加1.3倍。表明化合物对醋酸根离子的检测的最低限在μmol·L^-1的水平。同时，在优化条件下，探针的荧光强度与所加CH₃COO^－的浓度有良好的线性关系（0-2μmol·L^-1），表明可定量检测0-2μmol·L^-1范围内的CH₃COO^－。

本发明合成路线合理可行，步骤简单，条件温和，收率较高，对含氧阴离子的结合能力较强且对醋酸根离子的检测的最低限在μmol·L^-1的水平。

本发明突出的实质性的特点和积极效果可以从下述实施例中得以体现，但是它们并不是对本发明作任何限制。

具体实施方式

实施例1 3,6-二氯咔唑的合成

向500 mL三口圆底烧瓶中加入20g (0.12mol) 咔唑，200mL CH₂Cl₂，装有温度计、机械搅拌并留出气口。悬浊液冷却到0 ℃，激烈搅拌下，滴加SO₂Cl₂(19.2 mL, 0.24 mol)，滴加速度是温度不超过2℃。滴加完毕，冰浴撤下，将混合液室温搅拌4 h。将沉淀过滤，用CH₂Cl₂洗，干燥得17.668 g 3,6-二氯咔唑的粗品，其中可能含有少量的3-氯咔唑。将粗品悬浮于500 mL正己烷中，煮沸30 min。过滤去除悬浮物，得纯品（17.130 g，60.6 %）。熔点：205-206℃。

1,8-二硝基-3,6-二氯咔唑的合成

向500 mL三口圆底烧瓶中加入28.32 g（0.12 mol）3,6-二氯咔唑，冰醋酸96 mL，醋酸酐72 mL，装有机械搅拌、温度计、滴液漏斗。将溶液冷却到1℃，开始滴加发烟HNO₃（总体积为14.4 mL， 0.35 mol）。滴加约1/8体积的发烟HNO₃后，撤去冷浴，换上油浴。混合液加热到60℃，保持在此温度，直到剩余一半发烟HNO₃。在滴加过程中，继续加热到75℃。滴加完毕后，体系温度升到 110℃，保持在此温度10 min。悬浊液热过滤，产品用热的冰醋酸30 mL 和乙醚洗，得28.73 g产品，产率73.4%。 m.p 288-289℃。¹H NMR (CDCl₃):11.40 (s, 1H, carbaz-NH ), 8.48，8.48 (d, 2H, carbaz-H), 8.39,8.38 (d, 2H, carbaz-H)。

1,8-二氨基-3,6-二氯咔唑的合成

向250 mL圆底烧瓶中加入2.00g (6.13 mol)的3,6-二氯-1,8-二硝基咔唑，5% Pd/C（200 mg），水合肼（5ml），CH₃CN（100mL），磁搅拌。加热回流8 h。过滤除去催化剂，旋去溶剂得灰色（略有点发绿色）的固体。将其用过硅胶柱纯化，淋洗剂：CH₂Cl₂:CH₃OH=99:1到49:1 ），得灰色粉末（1.452 g, 产率89%）。m.p：300℃分解。¹H NMR (CDCl₃):10.66 (s, 1H, carbaz-NH ), 7.32 (s, 2H, carbaz-H), 6.64 (s, 2H, carbaz-H), 5.32 (s,4H, -NH₂)。

N,N’-二(1’-亚甲基-2’-羟基苯)-3,6-二氯-1,8-二氨基咔唑

100ml圆底烧瓶中加入1,8-二氨基- 3,6-二氯咔唑(1 mmol, 265 mg) 、水杨醛(2 mmol, 244 mg) 和35 ml无水乙醇。混合液加热回流4 h，冷却、抽滤、乙醚洗涤得黄色粗品产物。乙醇重结晶得目标产物。产率：89%。¹H NMR (DMSO-d₆ ): δ 12.17 (s, 2H, OH), 11.88 (s, 1H, NH), 9.07 (s, 2H), 8.27 (d, 2H), 7.78 (d, 2H), 7.48 (d, 4H), 7.03 (d, 4H). 元素分析：计算值C₂₆H₁₇Cl₂N₃O₂: C, 65.83; H, 3.61; N, 8.86; 实验值： C, 65.77; H, 3.84; N, 8.63. ESI-MS (m/z): 472.3 (M-H)^-。

N, N’-二(1’-亚甲基-2’-羟基-3’-甲氧基苯)-3,6-二氯-1,8-二氨基咔唑

100ml圆底烧瓶中加入1,8-二氨基-3,6-二氯咔唑(1 mmol, 265mg) 、3’-甲氧基水杨醛(2 mmol, 304 mg) 和35 ml无水乙醇。混合液加热回流6 h，冷却、抽滤、乙醚洗涤得黄色粗品产物。乙醇重结晶得目标产物。产率：92%。¹H NMR (DMSO-d₆ ): δ 12.24 (s, 2H, OH), 11.84 (s, 1H, NH), 9.05 (s, 2H), 8.25 (s, 2H), 7.47 (d, 2H), 7.35 (d, 2H), 7.17 (d, 2H), 6.94 (t, 2H), 3.84 (s, 6H)。元素分析：计算值C₂₈H₂₁Cl₂N₃O₂: C, 62.93; H, 3.96; N, 7.86; 实验值：C, 63.02; H, 3.66; N, 7.89。ESI-MS (m/z): 532.2 (M-H)^-。

N, N’-二(1’-亚甲基-2’-羟基-3’-溴苯)-3, 6-二氯-1,8-二氨基咔唑

100ml圆底烧瓶中加入1,8-二氨基- 3,6-二氯咔唑(1 mmol, 265mg) 、3’-溴水杨醛(2 mmol, 402 mg) 和35 ml无水乙醇。混合液加热回流6 h，冷却、抽滤、乙醚洗涤得黄色粗品产物。乙醇重结晶得目标产物。产率：94%。¹H NMR (DMSO-d₆ ): δ 11.95 (d, 2H,), 9.02 (s, 2H, CH), 8.25 (d, 2H), 8.04 (d, 2H), 7.58 (m, 2H), 7.44 (d, 2H), 7.00(d, 2H). 元素分析：计算值C₂₆H₁₅Br₂Cl₂N₃O₂: C, 49.40; H, 2.39; N, 6.65; 实验值：C, 49.31; H, 2.46; N, 6.58。ESI-MS (m/z): 628.0 (M-H)^-。

N,N’-二(1’-亚甲基-2’-羟基-3’-硝基苯)-3, 6-二氯-1,8-二氨基咔唑

100ml圆底烧瓶中加入1,8-二氨基- 3,6-二氯咔唑(1 mmol, 265mg) 、3’-硝基水杨醛(2 mmol, 334 mg) 和35 ml无水乙醇。混合液加热回流6 h，冷却、抽滤、乙醚洗涤得黄色粗品产物。乙醇重结晶得目标产物。产率：91%。¹H NMR (DMSO-d₆ ): δ 12.07 (s, 2H, OH), 11.17 (s, 1H, NH), 10.27 (s, 2H), 9.21(s, 2H), 8.80 (d, 2H), 8.32 (d, 2H), 8.16 (d, 4H), 7.58 (d, 4H), 7.58 (d, 4H). 元素分析：计算值C₂₆H₁₇Cl₂N₃O₂: C, 65.83; H, 3.61; N, 8.86; Found: C, 65.77; H, 3.84; N, 8.63. ESI-MS (m/z): 472.3 (M-H)^-。

实施例2 紫外－可见吸收光谱实验

将本发明合成的化合物N, N’-二(1’-亚甲基-2’-羟基-3’-溴苯)-3,6-二氯-1,8-二氨基咔唑即主体配成1×10^-3 mol/L的二甲基亚砜溶液，阴离子四丁基铵盐分别是四丁基醋酸铵、四丁基磷酸二氢铵、四丁基氟化铵、四丁基氯化铵、四丁基溴化铵、四丁基碘化铵均配成2×10^-3 mol/L的二甲基亚砜溶液。移取0.2 ml主体溶液于一系列5 ml比色管中，每支比色管中加入一定体积的阴离子的四丁基铵盐溶液，然后用二甲基亚砜稀释至刻度，得到一系列主体浓度恒定，阴离子浓度不同的溶液，混合均匀后测其吸收光谱，二甲基亚砜溶剂作参比。化合物与阴离子的结合常数列于表1。

表1 化合物与不同阴离子的结合常数

阴离子	结合常数
		AcO⁻	(2.12±0.49)×10⁵
F⁻	(8.65±0.32)×10³
		H₂PO₄ ⁻	(1.41±0.52)×10³
Cl⁻ (Br⁻ or I⁻)	ND

^a所有阴离子都以四丁基铵盐的形式加入，

^bND：光谱响应较小，结合常数无法计算。

实验结果表明：在所研究的阴离子中，N,N’-二(1’-亚甲基-2’-羟基-3’-溴苯)- 3,6-二氯-1,8-二氨基咔唑对AcO⁻显示了最强的的结合能力，对Cl^－、Br^－、I^－的键合能力较弱可忽略。

实施例3 荧光发射光谱实验

将本发明合成的化合物N,N’-二(1’-亚甲基-2’-羟基-3’-溴苯)-3,6-二氯-1,8-二氨基咔唑即主体配成1×10^-3 mol/L的二甲基亚砜溶液，阴离子四丁基铵盐分别是四丁基醋酸铵、四丁基磷酸二氢铵、四丁基氟化铵、四丁基氯化铵、四丁基溴化铵、四丁基碘化铵均配成2×10^-3 mol/L的二甲基亚砜溶液。移取0.2 ml主体溶液于一系列5 ml比色管中，每支比色管中加入一定体积的阴离子的四丁基铵盐溶液，然后用二甲基亚砜稀释至刻度，得到一系列化合物浓度恒定，阴离子浓度不同的溶液，混合均匀后测其荧光发射光谱，二甲基亚砜溶剂作参比。

表2 化合物与不同阴离子的结合常数

阴离子	结合常数
		AcO⁻	(5.08±0.81)×10⁵
F⁻	(9.18±0.24)×10³
		H₂PO₄ ⁻	(7.42±0.06)×10³
Cl⁻ (Br⁻ or I⁻)	ND

^a所有阴离子都以四丁基铵盐的形式加入，

^bND：光谱响应较小，结合常数无法计算。

实验结果表明：在所研究的阴离子中，N,N’-二(1’-亚甲基-2’-羟基-3’-溴苯)- 3,6-二氯-1,8-二氨基咔唑对AcO⁻显示了最强的的结合能力，对Cl^－、Br^－、I^－的键合能力较弱可忽略，上述结论与紫外-可见光谱实验结果一致。另外，对于同种阴离子，荧光光谱所得结合常数数据与紫外-可见光谱的数据在同一数量级，由此证实了所得结合常数的准确性。

实施例4 核磁实验

将本发明所合成的化合物N,N’-二(1’-亚甲基-2’-羟基-3’-溴苯)-3,6-二氯-1,8-二氨基咔唑和四丁基铵盐的阴离子配成0.1 mol/L的DMSO-d₆溶液，分别移取50 μl主体溶液注入6支核磁管中，依次加入0、25、50、75、100和250 μl的阴离子的DMSO-d ₆溶液。然后加DMSO-d₆溶液定容至0.5 ml。测试结果表明：主体和阴离子是通过酚羟基上的氢、咔唑上的NH和阴离子形成氢键作用的。

实施例5 检测限实验

为了考察能检测出阴离子时所需化合物的最小浓度，本发明进行了检测限研究。通过N,N’-二(1’-亚甲基-2’-羟基-3’-溴苯)-3,6-二氯-1,8-二氨基咔唑对CH₃COO^－荧光识别的最低限实验研究可看出，当该化合物的浓度为3.0 × 10⁻⁷ mol·L^-1时, 对CH₃COO^－的检测限为4.7 × 10⁻⁷ mol·L^-1，相应的荧光强度增加1.3倍。表明化合物对醋酸根离子的检测的最低限在μmol·L^-1的水平。同时，在优化条件下，探针的荧光强度与所加CH₃COO^－的浓度有良好的线性关系（0-2μmol·L^-1），表明可定量检测0-2μmol·L^-1范围内的CH₃COO^－。

Claims

1.一类含有酚羟基的咔唑衍生物，其结构如下式I所示：

其中R是H；OCH₃；Br；NO₂；Cl；I。

2.权利要求1的化合物的制备方法，包括：

其中R是H；OCH₃；Br；NO₂；Cl；I。

3.权利要求2的制备方法，由化合物Ⅴ制备化合物Ⅳ时，在0℃-2℃下，向化合物Ⅴ中滴加磺酰氯，室温反应4-6小时得到化合物Ⅳ，化合物Ⅴ与磺酰氯的投料摩尔比为1：2~3。

4.权利要求2的制备方法，由化合物Ⅳ制备化合物Ⅲ时，化合物Ⅳ在冰醋酸中与发烟硝酸经0℃-5℃、60℃、75℃和110℃反应得到化合物Ⅲ，化合物Ⅳ与发烟HNO₃的摩尔比为1：2~2.5。

5.权利要求2的制备方法，由化合物Ⅲ制备化合物Ⅱ时，化合物Ⅲ与水合肼在乙醇中回流反应8-12小时得到化合物Ⅱ，水合肼过量且钯/碳作催化剂，钯/碳的量为化合物Ⅲ的1/4~1/2。

6.权利要求2的制备方法，由化合物Ⅱ制备化合物Ⅰ时，化合物Ⅱ与化合物Ⅵ在乙醇中回流反应6-12小时得到化合物Ⅰ，化合物Ⅱ与化合物Ⅵ的投料比为1：2~3。

7.按照权利要求1所述的化合物的用途，其特征在于：在醋酸根离子、磷酸二氢根离子、氟离子、氯离子、溴离子及碘离子的识别性质研究中，对含氧阴离子显示较强的结合能力，主客体的作用过程伴随明显的荧光响应，可用作对含氧阴离子的一种检测工具。

8. 按照权利要求7所述的化合物的用途，其特征在于：通式I化合物对醋酸根离子的检测的最低限在μmol·L^-1的水平。