CN105713015B - 一种咪唑并杂环偶氮衍生物及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于有机合成与偶氮染料领域，具体公开了一种咪唑并杂环偶氮衍生物及其制备方法和应用。所述咪唑并杂环偶氮衍生物结构式如式(1)所示：其中，杂环Het为吡啶、噻唑和嘧啶中的一种；R为C1‑C6的烷基，或是含F、Cl、Br、MeO、CN、NO2或乙酰基取代的芳基；Ar是含F、Cl、Br、MeO、CN、NO2或乙酰基取代的芳基。本发明制备方法是一种经济、简单、环保的绿色合成方法，该方法不需要加入大量的盐酸或硫酸和亚硝酸盐，也不需要预先制备重氮盐，直接在叔丁基亚硝酸酯的作用下直接生产咪唑并杂环类偶氮化合物。本发明制备咪唑并杂环偶氮衍生物具有优良荧光性质，可用于荧光染料、发光材料、杀菌剂等领域。

Description

一种咪唑并杂环偶氮衍生物及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于有机合成与偶氮染料领域，具体涉及一种咪唑并杂环偶氮衍生物及其制备方法和应用。
背景技术
由于偶氮化合物分子中含有偶氮基，其染色性能突出，在染料和发光材料中广泛应用。而咪唑并杂环类的偶氮化合物又兼具杂环化合物的一些特点，如咪唑并吡啶是一种优异的药物先导骨架，具有特定的生理活性，在农药、医药方面具有广泛的应用，如：医药上有抗焦虑药物阿吡坦，PDE抑制剂奥普力农，镇静剂唑吡坦等；农药上，咪唑并吡啶类化合物还可以做杀虫剂、杀菌剂(李兆瑞，咪唑并[1,2-a]吡啶类衍生物及螺吡咯类化合物的合成方法研究，硕士学位论文:P6)；此外，咪唑并噻唑也是一类重要的生理活性单元，咪唑并噻唑形成的衍生物在抗菌、免疫调节、抗癌、抗病毒、杀虫、抗心律失常和强心等生物活性受到广泛的关注(周丽云,咪唑并[2,1-b]噻唑衍生物的合成及生物活性进展，化学世界，2013，(5)：315－320)，因此，咪唑并杂环作为重要的双杂环分子，一方面作为电子等排体受到广泛关注，另一方面，基于咪唑并杂环骨架的官能化反应引起了人们广泛的兴趣。例如，人们已经发展了多种基于咪唑并吡啶的芳基化，硫化，烯化，羰基化和三氟甲基化反应的官能化反应。但基于咪唑并杂环的偶氮衍生物的文献报道较少，而杂环型偶氮染料具有色谱齐全，高消光系数、色泽鲜艳等特点(上海染料，谈满生，1990(4)：1-9)，在咪唑并杂环上面引入偶氮官能团，可以拓宽咪唑并杂环类化合物的适用范围，并拓展其生物活性。此外，偶氮化合物具有独特的光致顺反异构特性，不仅广泛应用于传统化学工业，还应用于光化学分子开关、主客体超分子化学识别、自组装液晶材料、生物医学成像等诸多新兴科学领域，而且开发具有高化学稳定性和热稳定性又易检测的偶氮发色团近年来受到科研工作者的高度关注。
目前，杂环偶氮化合物的制备一般采用经典的重氮化偶合反应，一般过程是首先将带有氨基的杂环与亚硝酸钠及浓硫酸(或盐酸)条件在较低温下(通常在0℃-5℃，不同的重氮化温度也不一样，从-10℃至室温都有，见：一种杂环偶氮染料的制备方法，CN105038296；一种含氟元素的染料，CN 103319380)；蓝色单偶氮染料CN 103275512)进行重氮化反应，然后在生成的重氮盐在一定温度下再与芳胺或酚类化合物发生偶合。
上述的经典重氮盐偶合制备方法存在一些缺点，一是对底物有一定限制，即杂环上应连有氨基，因只有底物上连有氨基时，才能发生相应的重氮化反应；二是重氮化反应一般在低温进行，因低温可降低重氮盐分解的温度；另外重氮化反应需消耗大量的无机酸(通常为硫酸或盐酸)，酸除用于生成亚硝酸外，主要目的是稳定生成的重氮盐，若酸用量不足，生成的重氮盐容易和未反应的芳胺发生自偶合，生成重氮氨基化合物(重氮化与偶合反应的理论研究，保山师专学报，2002，22(2)：10-13)；三是重氮盐与芳胺发生偶合时具有一定的PH依赖性，一般在弱酸性介质中，因酸性条件可增加芳胺的水溶性使反应在同一相中进行，但酸性不能太大，芳铵离子不易水解成芳胺(芳香偶氮衍合物合成策略研究的新进展，有机化学，2013，33，444－457)；四是部分偶合反应过程繁琐，如一些重氮盐还需分离出来的以利于下一步反应。且对偶合温度有相应的要求，因重氮盐易分解，偶合反应时会伴随重氮盐的分解副反应(重氮化与偶合反应的理论研究，保山师专学报，2002，22(2)：10-13；一种杂环偶氮染料的制备方法，CN 105038296)。总之，重氮化和偶合要考虑多种因素，在设计实验时需寻找最适宜条件，才能达到理想效果。
发明内容
为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种咪唑并杂环偶氮衍生物。
本发明的另一目的在于提供上述咪唑并杂环偶氮衍生物的制备方法，该制备方法是一种经济、简单、环保的绿色合成方法。
本发明的再一目的在于提供上述咪唑并杂环偶氮衍生物的应用。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种咪唑并杂环偶氮衍生物，其结构式如式(1)所示：
其中，杂环Het为吡啶、噻唑和嘧啶中的一种；R为C1-C6的烷基，也可以是含F、Cl、Br、MeO、CN、NO2或乙酰基取代的芳基；Ar是含F、Cl、Br、MeO、CN、NO2或乙酰基取代的芳基。
一种咪唑并杂环偶氮衍生物的制备方法，包括以下步骤：将式(a)化合物、式(b)化合物和催化剂按照摩尔比1:1-2:1-3加入反应溶剂中，在40-100℃下搅拌反应6小时；反应结束后冷却，抽滤，滤液旋蒸，剩余物层析，有机溶剂淋洗，TLC检测，合并含有产物的流出液并旋蒸，真空干燥得到黄色固体的目标产物即为所述咪唑并杂环偶氮衍生物；
其中，所述式(a)化合物的结构式为 中的一种；
所述式(b)化合物的结构式为
所述催化剂优选为t-BuONO(叔丁基亚硝酸酯)。
所述式(a)化合物、式(b)化合物和催化剂摩尔比优选为1:1.2:1.5。
所述反应温度优选为50℃。
所述反应溶剂为1,2-二氯乙烷。
所述抽滤是指用短硅胶柱抽滤。
所述有机溶剂优选为石油醚。
上述咪唑并杂环偶氮衍生物可用于荧光染料、发光材料、杀菌剂等领域。
本发明制备咪唑并杂环偶氮衍生物的原理如下式所示：
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
(1)目前，多数偶氮化合物采用经典的重氮化偶合反应，此方法是建立在低温下芳香伯胺的初期重氮化反应，需耗大量的强酸，接着又与一个富电子芳香化合物的进行偶合，且偶合时对具有很强的PH依赖性。针对现有合成技术的缺陷，本发明提供了更经济、更简单、更环保的绿色合成方法，该方法不需要加入大量的盐酸或硫酸和亚硝酸盐，也不需要预先制备重氮盐，直接在叔丁基亚硝酸酯的作用下直接生产咪唑并杂环类偶氮化合物。
(2)现有技术制备的偶氮化合物通常偶氮基是荧光猝灭基，但是本发明制备咪唑并杂环偶氮衍生物具有优良荧光性质，可用于荧光染料、发光材料、杀菌剂等领域。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：6-苯基-(5-苯偶氮基)咪唑[2,1-b]噻唑的合成
合成路线为：
具体包括以下步骤：
将上式(a)化合物、式(b)化合物、t-BuONO，使其摩尔比为1:1.2:1.5，其中式(a)化合物为2mmol。将反应体系在1,2-二氯乙烷50℃下搅拌反应6小时。反应结束后冷却，用短硅胶柱抽滤，滤液旋蒸，除去溶剂，剩余物用硅胶柱层析，石油醚淋洗，TLC检测，合并含有产物的流出液，旋转蒸发仪蒸馏除去溶剂，真空干燥得到红色粉末的目标产物，溶液呈黄色，产率85％，纯度为99.1％(HPLC)。
上述制备步骤中反应温度有效温度范围为40-100℃，40℃下的产率70％；100℃下的产率58％。
Red solid.85％yield.M.P.:152–153℃.
本实施例制得的目标产物的核磁共振氢谱和质谱检测数据如下：
1H NMR(500MHz,CDCl3)δ8.44(d,J＝4.0Hz,1H),8.35(d,J＝7.5Hz,2H),7.79(d,J＝7.5Hz,2H),7.48–7.43(m,4H),7.40–7.33(m,2H),6.83(d,J＝4.5Hz,1H).13C NMR(125MHz,CDCl3)δ154.1,153.0,149.9,135.7,133.0,129.4,128.9,128.7,128.7,128.3,122.9,122.09,113.0.LRMS(EI,70eV)m/z(％):304(18),303(100),253(9),207(5),135(9).HRMS(ESI)for C17H13N4S+(M+H)+:calcd305.0855,found 305.0860.
本实施例制得的目标产物荧光测试结果：1×10-5M的乙腈溶液，最大激发波长350，最大发射波长427。
本实施例制得的目标产物染色实验：将产物溶解在乙醇溶液，对纯棉白色布料进行染色，晾干后布料呈黄色。用常温自来水浸泡1天不掉色，将染色布料置于窗台风吹，日光照射1个月，色度保持完好。
实施例2：2-苯基-(3-苯偶氮基)咪唑[1,2-a]吡啶的合成
合成路线：
具体包括以下步骤：
将上式(a)化合物、式(b)化合物、t-BuONO，使其摩尔比为1:1.2:1.5，其中式(a)化合物为2mmol。将反应体系在1,2-二氯乙烷50℃下搅拌反应6小时。反应结束后冷却，用短硅胶柱抽滤，滤液旋蒸，除去溶剂，剩余物用硅胶柱层析，石油醚淋洗，TLC检测，合并含有产物的流出液，旋转蒸发仪蒸馏除去溶剂，真空干燥得到黄色粉末的目标产物，产率60％，纯度为99.3％(HPLC)。
上述制备步骤中反应温度有效温度范围40-100℃，40℃下的产率51％；100℃下的产率36％。
Red solid.60％yield.M.P.:155–156℃.
本实施例制得的目标产物的核磁共振氢谱和质谱检测数据如下：
1H NMR(500MHz,CDCl3)δ10.01(d,J＝7.0Hz,1H),8.45–8.44(m,2H),7.88(d,J＝8.5Hz,2H),7.77(d,J＝8.5Hz,1H),7.55–7.45(m,6H),7.39(t,J＝7.0Hz,1H),7.07(t,J＝7.0Hz,1H).13C NMR(125MHz,CDCl3)δ153.5,150.6,145.8,132.9,131.9,129.79,129.2,129.1,129.0,128.9,128.2,121.8,117.2,115.0.LRMS(EI,70eV)m/z(％):298(63),297(100),207(31),192(13),78(26).HRMS(ESI)for C19H15N4 +(M+H)+:calcd 299.1291,found299.1300.
本实施例制得的目标产物荧光测试结果：1×10-5M的乙腈溶液，最大激发波长370，最大发射波长435。
本实施例制得的目标产物染色实验：将产物溶解在乙醇溶液，对纯棉白色布料进行染色，晾干后布料呈黄色。用常温自来水浸泡1天不掉色，将染色布料置于窗台风吹，日光照射1个月，色度保持完好。
实施例3：2-(5-苯偶氮基)咪唑[2,1-b]噻唑-6-基-苯酚的合成
合成路线为：
具体包括以下步骤：
将上式(a)化合物、式(b)化合物、t-BuONO，使其摩尔比为1:1.2:1.5，其中式(a)化合物为2mmol。将反应体系在1,2-二氯乙烷50℃下搅拌反应6小时。反应结束后冷却，用短硅胶柱抽滤，滤液旋蒸，除去溶剂，剩余物用硅胶柱层析，石油醚淋洗，TLC检测，合并含有产物的流出液，旋转蒸发仪蒸馏除去溶剂，真空干燥得到黄色液体的目标产物，产率76％，纯度为99.3％(HPLC)。
上述制备步骤中反应温度有效温度范围40-100℃，40℃下的产率63％；100℃下的产率47％。
Red solid.76％yield(48.6mg).M.P.:171–172℃.
本实施例制得的目标产物的核磁共振氢谱检测数据如下：
1H NMR(500MHz,CDCl3)δ8.57(d,J＝6.0Hz,1H),8.50–8.48(m,1H),7.78–7.76(m,2H),7.48–7.44(m,2H),7.39–7.36(m,1H),7.39–7.26(m,1H),7.02–7.00(m,1H),6.96–6.93(m,1H),6.88(t,J＝4.5Hz,1H).13C NMR(125MHz,CDCl3)δ158.0,152.9,151.9,148.3,134.7,130.6,129.9,129.6,129.0,123.1,122.1,119.3,117.5,116.4,113.3.LRMS(EI,70eV)m/z(％):320(58),303(21),281(16),207(100),96(12).HRMS(ESI)for C17H13N4OS+(M+H)+:calcd 321.0805,found321.0808.
本实施例制得的目标产物荧光测试结果：1×10-5M的乙腈溶液，最大激发波长365，最大发射波长485。
实施例4：2-苯基-(3-苯偶氮基)咪唑[1,2-a]吡啶-8-基-甲醇的合成
合成路线：
具体包括以下步骤：
将上式(a)化合物、式(b)化合物、t-BuONO，使其摩尔比为1:1.2:1.5，其中式(a)化合物为2mmol。将反应体系在1,2-二氯乙烷50℃下搅拌反应6小时。反应结束后冷却，用短硅胶柱抽滤，滤液旋蒸，除去溶剂，剩余物用硅胶柱层析，石油醚淋洗，TLC检测，合并含有产物的流出液，旋转蒸发仪蒸馏除去溶剂，真空干燥得到黄色粉末的目标产物，产率43％，纯度为99.2％(HPLC)。
上述制备步骤中反应温度有效温度范围40–100℃，40℃下的产率32％；100℃下的产率25％。
Red solid.43％yield(28.3mg).M.P.:166–167℃.
本实施例制得的目标产物的核磁共振氢谱和质谱检测数据如下：
1H NMR(500MHz,CDCl3)δ9.80(d,J＝6.5Hz,1H),8.42–8.36(m,2H),7.83(dd,J＝8.0,1.0Hz,2H),7.51–7.42(m,5H),7.40–7.35(m,2H),6.97(t,J＝7.0Hz,1H),5.09(s,2H).13C NMR(125MHz,CDCl3)δ153.4,149.2,144.3,132.5,132.0,129.7,129.3,129.1,128.9,128.2,128.0,126.1,121.9,114.9,61.8.LRMS(EI,70eV)m/z(％):328(3),325(100),209(11),192(9),135(9).HRMS(ESI)for C20H17N4O+(M+H)+:calcd 329.1397,found 329.1396.
本实施例制得的目标产物荧光测试结果：1×10-5M的乙腈溶液，最大激发波长325，最大发射波长465。
实施例5：6-苯基-(5-苯偶氮基)咪唑[2,1-b]噻唑-2-乙酸乙酯的合成
合成路线：
具体包括以下步骤：
将上式(a)化合物、式(b)化合物、t-BuONO，使其摩尔比为1:1.2:1.5，其中式(a)化合物为2mmol。将反应体系在1,2-二氯乙烷50℃下搅拌反应6小时。反应结束后冷却，用短硅胶柱抽滤，滤液旋蒸，除去溶剂，剩余物用硅胶柱层析，石油醚淋洗，TLC检测，合并含有产物的流出液，旋转蒸发仪蒸馏除去溶剂，真空干燥得到黄色固体的目标产物，产率65％，纯度为99.2％(HPLC)。
上述制备步骤中反应温度有效温度范围40–100℃，40℃下的产率51％；100℃下的产率40％。
本实施例制得的目标产物的核磁共振氢谱和质谱检测数据如下：
1H NMR(500MHz,CDCl3)δ8.95(dd,J＝5.0,3.0Hz,1H),8.26–8.25(m,2H),7.75(d,J＝7.5Hz,2H),7.41–7.37(m,4H),7.34–7.31(m,2H),4.33(q,J＝7.0Hz,2H),1.34(t,J＝7.0Hz,3H).
13C NMR(125MHz,CDCl3)δ160.9,154.5,153.1,150.6,135.6,132.6,130.2,129.4,129.2,129.1,128.7,128.6,122.7,122.5,62.3,14.3.
LRMS(EI,70eV)m/z(％):376(43),375(59),331(100).HRMS(ESI)for
C20H17N4O2S+(M+H)+:calcd 377.1067,found 377.1074.
本实施例制得的目标产物荧光测试结果：1×10-5M的乙腈溶液，最大激发波长350，最大发射波长463。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.咪唑并杂环偶氮衍生物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将式(a)化合物、式(b)化合物和催化剂按照摩尔比1:1-2:1-3加入反应溶剂中，在40-100℃下搅拌反应6小时；反应结束后冷却，抽滤，滤液旋蒸，剩余物层析，有机溶剂淋洗，TLC检测，合并含有产物的流出液并旋蒸，真空干燥得到黄色固体的目标产物即为所述咪唑并杂环偶氮衍生物；
其中，所述式(a)化合物的结构式为 中的一种；
所述式(b)化合物的结构式为所述催化剂为叔丁基亚硝酸酯；
所述咪唑并杂环偶氮衍生物的结构式为：
2.根据权利要求1所述的咪唑并杂环偶氮衍生物的制备方法，其特征在于，所述式(a)化合物、式(b)化合物和催化剂摩尔比为1:1.2:1.5。
3.根据权利要求1所述的咪唑并杂环偶氮衍生物的制备方法，其特征在于，所述反应温度为50℃。
4.根据权利要求1所述的咪唑并杂环偶氮衍生物的制备方法，其特征在于，所述抽滤是指用短硅胶柱抽滤。
5.根据权利要求1所述的咪唑并杂环偶氮衍生物的制备方法，其特征在于，所述反应溶剂为1,2-二氯乙烷。
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