CN109503505A - 一种5-取代四氮唑类化合物的合成方法 - Google Patents

一种5-取代四氮唑类化合物的合成方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种5‑取代四氮唑类化合物的合成方法,该合成方法的过程为:向高压釜中加入式(Ⅰ)所示的腈类化合物、叠氮化钠、铁酸镍和羧酸铵基离子交换树脂,再加入有机溶剂进行环化反应,反应结束后反应液经过滤、酸洗、脱溶和重结晶后,得到式(Ⅱ)所示的5‑取代四氮唑类化合物,收率为85‑95%,纯度≥99%;式(Ⅰ)和式(Ⅱ)中,取代基R1为苯基、取代苯基、C1~C3烷基或胺基;取代苯基的取代基为甲基、甲氧基、F或硝基。本发明的5‑取代四氮唑类化合物合成方法,采用协同催化的铁酸镍和羧酸铵基离子交换树脂组合催化剂,将羧酸铵基固载化,不仅反应底物普适性好,反应收率高,而且催化剂易分离和回收套用,降低了生产成本和三废排放量。

Description

一种5-取代四氮唑类化合物的合成方法
技术领域
本发明涉及一种5-取代四氮唑类化合物的合成方法。
背景技术
5-取代基四氮唑是一类非常重要的有机合成中间体,被广泛应用于医药和农药品种的合成。它们主要以腈类化合物和叠氮化钠为原料来制备,按照所用催化剂的不同,其催化合成方法主要有:(1)三氯化铝或溴化锌催化法,Katritzky A R等(Journal of OrganicChemistry, 2010, 75(19): 6468-6476)报道腈类化合物与叠氮化钠在AlCl3或ZnBr2催化下合成5-取代四氮唑类化合物,三者摩尔配比为1:1.1~3:1~4,反应温度为66~153℃,反应时间为12~40h,反应液经酸化、萃取、脱溶和重结晶等后处理,得到相应产品,5-脂肪基四氮唑类化合物收率为10~32%,5-芳香基四氮唑类化合物收率为68~94%。该方法反应底物普适性差,三废多。(2)铁酸镍和醋酸铵催化法,Fatemeh Abrishami等(Appl. Organometal.Chem. 2015, 29: 730–735)报道了腈类化合物与叠氮化钠在铁酸镍和醋酸铵催化下合成5-取代四氮唑类化合物,四者摩尔配比为1:1.3:0.05:1,反应温度为100℃,反应时间为1~3h,反应液经过滤、酸化、萃取、脱溶和重结晶等后处理,得到相应产品,5-甲基四氮唑类化合物收率为94%,5-芳香基四氮唑类化合物收率为80~98%。该方法反应底物普适性好,收率高,但催化剂醋酸铵用量大,并且不能回收套用,导致三废多。
发明内容
针对存在的上述技术问题,本发明的目的在于提供一种高效和清洁的5-取代四氮唑类化合物合成方法,本发明采用铁酸镍和羧酸铵基离子交换树脂为催化剂,将羧酸铵基固载化,不仅反应底物普适性好,反应收率高,而且催化剂易分离和回收套用,降低了生产成本和三废排放量。
本发明采用铁酸镍和带羧酸铵基的大孔离子交换树脂为催化剂(平均孔径≥10nm),起协同催化作用。在孔道内,局部高浓度的叠氮化钠与羧酸铵基发生反应生成叠氮化铵(加大了叠氮化钠的溶解度),叠氮化铵与腈类化合物在铁酸镍的催化作用下生成络合物铁酸镍-四氮唑中间态,该中间态再与Na+结合脱去铁酸镍得到5-取代四氮唑化合物的钠盐,催化剂铁酸镍和羧酸铵基循环参与下次反应。
在本发明中,研究了胺基或烷基或取代苯基四氮唑化合物的合成,均取得了高收率,将上述催化剂回收套用5次,反应收率没有明显降低。证明铁酸镍和带羧酸铵基的大孔离子交换树脂为催化剂,具有良好的催化活性和使用寿命,这主要是该组合催化剂起协同催化作用,提高了反应活性,同时在大孔道树脂内进行反应,起到富集作用,提高了反应浓度,也降低了催化剂用量。反应一段时间后,带羧酸铵基的大孔离子交换树脂催化剂可以先后用盐酸和氨水进行离子交换反应而再生,保持催化活性和使用寿命。
在本发明中,采用的大孔弱酸性离子交换树脂催化剂(使用前须先进行酸化、氨化反应形成羧酸铵基),大孔弱酸性离子交换树脂的型号为 D113、D115和D152等,均表现出良好的反应活性,合成5-苯基四氮唑化合物的收率在89~92%之间。本发明还使用了其它多种小孔径弱酸性阳离子交换树脂(平均孔径为2~6nm),如型号为116、C122和C206等弱酸性离子交换树脂,几乎不反应或反应收率很低。分析原因,可能是小孔径树脂不利于铁酸镍-四氮唑化合物中间态的生成。
本发明内容描述如下:
一种5-取代四氮唑类化合物的合成方法,其特征在于以铁酸镍和羧酸铵基离子交换树脂为催化剂,将腈类化合物、叠氮化钠、铁酸镍、羧酸铵基离子交换树脂和有机溶剂混合后,升温进行环化反应,反应结束后,反应液依次经过滤、酸洗、脱溶和重结晶后,得到所述5-取代四氮唑类化合物,收率为85-95%,纯度≥99%;所述腈类化合物的化学结构式如式(Ⅰ)所示,所述5-取代四氮唑类化合物的化学结构式如式(Ⅱ)所示;
式(Ⅰ)和式(Ⅱ)中,取代基R1为苯基、取代苯基、C1~C3烷基或胺基;取代苯基的取代基为甲基、甲氧基、F或硝基。
所述的一种5-取代四氮唑类化合物的合成方法,其特征在于所述羧酸铵基离子交换树脂为带有羧酸铵基的大孔弱酸性离子交换树脂;所述大孔弱酸性离子交换树脂的平均孔径≥10nm,氢离子质量全交换容量≥9mmol/g。
所述的一种5-取代四氮唑类化合物的合成方法,其特征在于所述大孔弱酸性离子交换树脂的型号为D113、D115或D152。
所述的一种5-取代四氮唑类化合物的合成方法,其特征在于所述带有羧酸铵基的大孔弱酸性离子交换树脂的制备方法为:先将所述大孔弱酸性离子交换置于盐酸溶液中搅拌酸化后,将树脂从盐酸溶液中取出并用蒸馏水洗涤至中性,然后置于氨水中进行搅拌氨化,过滤,过滤得到的树脂用蒸馏水洗涤至中性后,干燥,即制得所述带有羧酸铵基的大孔弱酸性离子交换树脂。
所述的一种5-取代四氮唑类化合物的合成方法,其特征在于,腈类化合物、叠氮化钠、铁酸镍以及羧酸铵基离子交换树脂内的羧酸铵基的摩尔配比为1 : 1~1.5 : 0.01~0.2 :0.01~0.2,优选为1 : 1.1~1.3 : 0.08~0.12 : 0.08~0.12。
所述的一种5-取代四氮唑类化合物的合成方法,其特征在于有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、四氢呋喃或甲苯;腈类化合物在所述有机溶剂中的浓度为0.1~10mol/L,优选为1~5mol/L。
所述的一种5-取代四氮唑类化合物的制备方法,其特征在于进行环化反应的温度为50~150℃,优选为80~120℃;进行环化反应的时间为4~10h,优选为6~8h。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明,但本发明的保护范围并不限于此。
实施例1 制备带羧酸铵基的大孔径离子交换树脂
在500mL烧瓶中加入45g大孔弱酸性阳离子交换树脂(采用的大孔弱酸性阳离子交换树脂为:氢离子质量全交换容量≥10.8mmol/g的 D113树脂、氢离子质量全交换容量≥10mmol/g的D115树脂或氢离子质量全交换容量≥9mmol/g的D152树脂),再加入150mL的6mol/L盐酸水溶液,在常温常压下搅拌4h,过滤得到的树脂用蒸馏水洗涤至洗涤液呈中性,再置于90mL浓度为25%的氨水溶液中搅拌4h,抽滤,抽滤得到的树脂用蒸馏水洗涤至洗涤液呈中性,真空干燥,即制得带羧酸铵基的大孔离子交换树脂(平均孔径≥10nm),备用。
实施例2 合成5-苯基四氮唑
在带有机械搅拌的250ml高压釜中,依次加入10.3g(0.1mol)苯甲腈、7.8g(0.12mol)叠氮化钠、2.34g(0.01mol)铁酸镍、0.93g的实施例1方法制备的带羧酸铵基的D113大孔离子交换树脂(含0.01mol羧酸铵基,氢离子质量全交换容量≥10.8mmol/g,平均孔径≥10nm),加入50mL的DMF溶剂,搅拌升温至100℃,于常压下反应8h。
反应结束后,过滤,滤饼为催化剂,滤饼用10mL乙酸乙酯洗涤(洗涤3次),真空干燥,待重复套用(将所述催化剂回收套用5次,反应收率没有明显降低)。合并的滤液用6mol/L的盐酸调节PH至中性,然后加入30mL乙酸乙酯提取有机相,提取的有机相再用30mL水洗涤(洗涤2次),有机相再进行干燥、脱溶后得到白色固体物,再进行重结晶(重结晶所用溶剂为体积比为3:1乙酸乙酯和正己烷的混合液),过滤再干燥得到13.23g纯品5-苯基四氮唑,收率为90%,纯度为99%。
实施例3 合成5-甲基四氮唑
将4.1g(0.1mol)乙腈代替10.3g(0.1mol)苯甲腈,其它反应条件和实验操作同实施例2,最后得到纯品5-甲基四氮唑,收率为87%,纯度为99%。
实施例4 合成5-胺基四氮唑
将4.2g(0.1mol)腈胺代替10.3g(0.1mol)苯甲腈,其它反应条件和实验操作同实施例2,最后得到纯品5-胺基四氮唑,收率为89%,纯度为99%。
实施例5 合成5-异丙基四氮唑
将6.9g(0.1mol)异丙腈代替10.3g(0.1mol)苯甲腈,其它反应条件和实验操作同实施例2,最后得到纯品5-异丙基四氮唑,收率为85%,纯度为99%。
实施例6 合成5-(4-甲基苯基)四氮唑
将11.7g(0.1mol)4-甲基苯甲腈代替10.3g(0.1mol)苯甲腈,其它反应条件和实验操作同实施例2,最后得到纯品5-(4-甲基苯基)四氮唑,收率为91%,纯度为99%。
实施例7 合成5-(4-甲氧基苯基)四氮唑
将13.3g(0.1mol)4-甲氧基苯甲腈代替10.3g(0.1mol)苯甲腈,其它反应条件和实验操作同实施例2,最后得到纯品5-(4-甲氧基苯基)四氮唑,收率为93%,纯度为99%。
实施例8 合成5-(4-氟苯基)四氮唑
将12.1g(0.1mol)4-氟苯甲腈代替10.3g(0.1mol)苯甲腈,其它反应条件和实验操作同实施例2,最后得到纯品5-(4-氟苯基)四氮唑,收率为94%,纯度为99%。
实施例9 合成5-(4-硝基苯基)四氮唑
将14.8g(0.1mol)4-硝基苯甲腈代替10.3g(0.1mol)苯甲腈,其它反应条件和实验操作同实施例2,最后得到纯品5-(4-硝基苯基)四氮唑,收率为95%,纯度为99%。
实施例10 合成5-(2-硝基苯基)四氮唑
将14.8g(0.1mol)2-硝基苯甲腈代替10.3g(0.1mol)苯甲腈,其它反应条件和实验操作同实施例2,最后得到纯品5-(2-硝基苯基)四氮唑,收率为88%,纯度为99%。
实施例11 合成5-(2-甲氧基苯基)四氮唑
将13.3g(0.1mol)2-甲氧基苯甲腈代替10.3g(0.1mol)苯甲腈,其它反应条件和实验操作同实施例2,最后得到纯品5-(2-甲氧基苯基)四氮唑,收率为85%,纯度为99%。
实施例12 合成间苯二-5-四氮唑
将12.8g(0.1mol)间苯二甲腈代替10.3g(0.1mol)苯甲腈,其它反应条件和实验操作同实施例2,最后得到纯品间苯二-5-四氮唑,收率为83%,纯度为99%。
实施例13 合成5-苯基四氮唑
将1.0g的实施例1方法制备的带羧酸铵基的D115大孔离子交换树脂(含0.01mol羧酸铵基,氢离子质量全交换容量≥10mmol/g,平均孔径≥10nm),代替0.93g的实施例1方法制备的带羧酸铵基的D113大孔离子交换树脂(含0.01mol羧酸铵基,氢离子质量全交换容量≥10.8mmol/g,平均孔径≥10nm),其它反应条件和实验操作同实施例2,最后得到纯品5-苯基四氮唑,收率为89%,纯度为99%。
实施例14 合成5-苯基四氮唑
将1.11g的实施例1方法制备的带羧酸铵基的D152大孔离子交换树脂(含0.01mol羧酸铵基,氢离子质量全交换容量≥9mmol/g,平均孔径≥10nm),代替0.93g的实施例1方法制备的带羧酸铵基的D113大孔离子交换树脂(含0.01mol羧酸铵基,氢离子质量全交换容量≥10.8mmol/g,平均孔径≥10nm),其它反应条件和实验操作同实施例2,最后得到纯品5-苯基四氮唑,收率为92%,纯度为99%。
实施例15 合成5-苯基四氮唑
将6.5g(0.1mol)叠氮化钠代替7.8g(0.12mol)叠氮化钠,其它反应条件和实验操作同实施例2,最后得到纯品5-苯基四氮唑,收率为81%,纯度为99%。
实施例16 合成5-苯基四氮唑
将1.17g(0.005mol)铁酸镍代替2.34g(0.01mol)铁酸镍,其它反应条件和实验操作同实施例2,最后得到纯品5-苯基四氮唑,收率为80%,纯度为99%。
实施例17 合成5-苯基四氮唑
将实施例2的带羧酸铵基的D113大孔离子交换树脂的添加量由0.93g替换为0.47g,其它反应条件和实验操作同实施例2,最后得到纯品5-苯基四氮唑,收率为76%,纯度为99%。
实施例18 合成5-苯基四氮唑
将50mL的THF溶剂代替50mL的DMF溶剂,其它反应条件和实验操作同实施例2,最后得到纯品5-苯基四氮唑,收率为86%,纯度为99%。
实施例19 合成5-苯基四氮唑
将50mL甲苯溶剂代替50mL的DMF溶剂,其它反应条件和实验操作同实施例2,最后得到纯品5-苯基四氮唑,收率为85%,纯度为99%。
实施例20 合成5-苯基四氮唑
将50mL二甲基亚砜溶剂代替50mL的DMF溶剂,其它反应条件和实验操作同实施例2,最后得到纯品5-苯基四氮唑,收率为91%,纯度为99%。
实施例21 合成5-苯基四氮唑
将搅拌升温至50℃代替搅拌升温至100℃,其它反应条件和实验操作同实施例2,最后得到纯品5-苯基四氮唑,收率为67%,纯度为99%。
本说明书所述的内容仅仅是对发明构思实现形式的列举,本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式。

Claims (7)

1.一种5-取代四氮唑类化合物的合成方法,其特征在于以铁酸镍和羧酸铵基离子交换树脂为催化剂,将腈类化合物、叠氮化钠、铁酸镍、羧酸铵基离子交换树脂和有机溶剂混合后,升温进行环化反应,反应结束后,反应液依次经过滤、酸洗、脱溶和重结晶后,得到所述5-取代四氮唑类化合物,收率为85-95%,纯度≥99%;所述腈类化合物的化学结构式如式(Ⅰ)所示,所述5-取代四氮唑类化合物的化学结构式如式(Ⅱ)所示;
式(Ⅰ)和式(Ⅱ)中,取代基R1为苯基、取代苯基、C1~C3烷基或胺基;取代苯基的取代基为甲基、甲氧基、F或硝基。
2.根据权利要求1所述的一种5-取代四氮唑类化合物的合成方法,其特征在于所述羧酸铵基离子交换树脂为带有羧酸铵基的大孔弱酸性离子交换树脂;所述大孔弱酸性离子交换树脂的平均孔径≥10nm,氢离子质量全交换容量≥9mmol/g。
3.根据权利要求2所述的一种5-取代四氮唑类化合物的合成方法,其特征在于所述大孔弱酸性离子交换树脂的型号为D113、D115或D152。
4.根据权利要求3所述的一种5-取代四氮唑类化合物的合成方法,其特征在于所述带有羧酸铵基的大孔弱酸性离子交换树脂的制备方法为:先将所述大孔弱酸性离子交换置于盐酸溶液中搅拌酸化后,将树脂从盐酸溶液中取出并用蒸馏水洗涤至中性,然后置于氨水中进行搅拌氨化,过滤,过滤得到的树脂用蒸馏水洗涤至中性后,干燥,即制得所述带有羧酸铵基的大孔弱酸性离子交换树脂。
5. 根据权利要求1所述的一种5-取代四氮唑类化合物的合成方法,其特征在于,腈类化合物、叠氮化钠、铁酸镍以及羧酸铵基离子交换树脂内的羧酸铵基的摩尔配比为1 : 1~1.5 : 0.01~0.2 : 0.01~0.2,优选为1 : 1.1~1.3 : 0.08~0.12 : 0.08~0.12。
6.根据权利要求1所述的一种5-取代四氮唑类化合物的合成方法,其特征在于有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、四氢呋喃或甲苯;腈类化合物在所述有机溶剂中的浓度为0.1~10mol/L,优选为1~5mol/L。
7.根据权利要求1所述的一种5-取代四氮唑类化合物的制备方法,其特征在于进行环化反应的温度为50~150℃,优选为80~120℃;进行环化反应的时间为4~10h,优选为6~8h。
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