CN113337139B

CN113337139B - 一种噻唑偶氮染料及其合成方法

Info

Publication number: CN113337139B
Application number: CN202110551325.9A
Authority: CN
Inventors: 杜池敏; 吴鑫; 张超; 宋艳民
Original assignee: Tianjin Quanhecheng Technology Co ltd
Current assignee: Tianjin Quanhecheng Technology Co ltd
Priority date: 2021-05-20
Filing date: 2021-05-20
Publication date: 2023-02-28
Anticipated expiration: 2041-05-20
Also published as: CN113337139A

Abstract

本申请涉及有机合成领域，具体涉及一种噻唑偶氮染料及其合成方法，该噻唑偶氮染料通过2‑N,N‑二甲基苯胺与丁二酸酐发生酰化反应、2‑氨基苯并噻唑重氮化反应生成重氮盐、酰化反应产物与重氮盐偶联得到目标产物三个步骤。通过上述步骤制备得到该偶氮噻唑染料类染料，具有较好的产率和纯度，制备方法简单，适用于大规模生产，且染料上具有活性结合位点，可以进一步进行修饰和结合，具有较好的适用前景。

Description

一种噻唑偶氮染料及其合成方法

技术领域

本申请涉及有机合成领域，更具体地说，它涉及一种噻唑偶氮染料及其合成方法。

背景技术

噻唑偶氮类化合物是一种性质出色的染料，由于其着色性能较好，颜色鲜艳，只需要少量就可以提供较为浓厚的色彩，在各个领域具有广泛的运用。

对于偶氮噻唑类染料，在其芳香环上进行修饰，可以通过电子效应形成不同波长的吸收发射性能，进而产生不同的颜色。但是现有技术中，对于偶氮噻唑类化合物的修饰较为繁琐，直接在芳香环上进行修饰的话，较为复杂，因此对于该类化合物需要有新的探索。

发明内容

为了拓展偶氮噻唑类染料的运用领域，本申请提供一种噻唑偶氮染料及其合成方法。

第一方面，本申请提供的一种噻唑偶氮染料，采用如下技术方案：

一种噻唑偶氮染料，其化学式如下：

对于该偶氮类燃料，具有如下特点：首先，苯并噻唑体系具有较好的色彩性能，色彩鲜艳。另外，通过在苯环上连接丁二酸基团，利用丁二酸基团上的羧基可以连接其他定位基团，因此该化合物可以在后续羧基上进行不同的修饰，且羧基修饰不易对偶氮键产生影响，作为一种中间产物，其修饰性能好，整体结构稳定，反应性能佳。

第二方面，本申请提供一种上述噻唑偶氮染料的合成方法，采用如下技术方案：上述噻唑偶氮染料的合成方法，具体包括如下步骤：

酰化反应：将2-N,N-二甲基苯胺(化合物Ⅰ)与丁二酸酐进行酰胺化反应，得到丁二酸单酰-(2-N,N-二甲基)苯胺(化合物Ⅱ)；

重氮化反应：将2-氨基苯并噻唑(化合物Ⅲ)进行重氮化反应，使氨基转化为重氮盐，得到2-苯并噻唑重氮盐(化合物Ⅳ)；

偶联反应：将化合物Ⅱ与化合物Ⅳ进行进一步偶联，得到目标产物；

其中，X为氯离子、磷酸二氢根离子、硫酸氢根中的一种或多种的组合。

在上述技术方案中，采用先合成丁二酸单酰胺结构再进行偶氮化反应的方式，各步骤中收率较高，纯度也较高，产生的副反应和副产物较少，容易分离，适用于工业大规模生产。

可选的，酰化反应步骤具体如下：将化合物Ⅰ和丁二酸酐溶解于溶剂Ⅰ中，充分反应后，反应液过滤后保留滤渣，即为丁二酸单酰-(2-N,N-二甲基)苯胺；所述溶剂Ⅰ选用乙腈、二氯甲烷、三氯甲烷中的任意一种，或乙腈、二氯甲烷、三氯甲烷中任意数种形成的复配体系。

选用乙腈、二氯甲烷和三氯甲烷作为溶剂，对于丁二酸酐有较好的溶解度，同时对于该步骤的目标产物——化合物Ⅱ的溶解性较差，因此在反应过程中化合物Ⅱ不断析出，一方面提高了后续分离的便利性，通过过滤即可实现分离，同时也促进反应不断向正向进行，提高化合物Ⅱ的收率和收率。

可选的，酰化反应步骤中，溶剂Ⅰ选用乙腈，化合物Ⅰ在溶剂Ⅰ中的浓度为0.1～1M，在酰化反应步骤中，对反应液进行过滤后，滤液蒸干后用乙腈进行淋洗，并与滤渣合并。

乙腈具有较高的极性，其对于丁二酸酐的溶解性较佳，通过上述技术方案，可以对溶解于乙腈中剩余的化合物Ⅱ进行进一步分离并纯化，以乙腈洗去其中残留的丁二酸酐后，得到的化合物Ⅱ与之前过滤得到的化合物Ⅱ合并，有助于提高化合物Ⅱ的收率。

可选的，酰化反应步骤中，丁二酸酐和化合物Ⅰ的物质的量之比为(1.2～2.0)∶1。

在上述技术方案中，采用丁二酸酐过量的方式，通过过量的丁二酸酐促使反应的平衡向生成化合物Ⅱ的方向移动，使得化合物Ⅰ具有较高的转化率。相较而言，由于化合物Ⅰ的价格更高，因此该方案具有更好的经济效应。同时，丁二酸酐大的用量不宜过多，否则会造成后续分离困难，产物中留存有部分丁二酸酐，进而对后续反应产生影响。

可选的，在重氮化反应步骤具体如下，将化合物Ⅲ溶解于酸Ⅰ中，再冷却至低于0℃，分批加入亚硝酸钠，继续在0℃以下充分反应后，得到含有化合物Ⅳ的混合液。

上述技术方案中，通过亚硝酸钠在酸催化下，低温下进行重氮化反应，具有较好的反应速率和反应收率，且在混合液中直接可以进行下一步反应，无需分离提纯，节约了工艺和步骤。

可选的，在重氮化反应步骤中，所述酸Ⅰ为硫酸和磷酸的混合体系，所述酸Ⅰ中，浓硫酸和磷酸的质量比为(1～5)∶1，化合物III所用质量为酸I质量的1～5％。

在上述技术方案中，采用硫酸和磷酸的混合体系，因此在重氮化之后可以得到磷酸二氢根重氮盐产物，在后续偶联反应中，磷酸二氢根在体系中不易发生其他副反应，因此最终产物中副产物较少，有助于提高最终产物的纯度。磷酸和硫酸采用上述的比例时，反应收率更好，具有更佳的经济效应。

可选的，亚硝酸钠和化合物Ⅲ的物质的量之比为(1～1.5)∶1。

在上述技术方案中，采用亚硝酸钠等当量或稍过量的方式，有助于提高重氮化反应的收率，同时亚硝酸钠稍过量也不会对反应产生较大的影响。

可选的，在偶联反应步骤中，将化合物Ⅱ事先溶解于溶剂Ⅱ中，并加入到含有化合物Ⅳ的混合液中，保持温度低于0℃，继续充分反应后，加水淬灭反应并使产物析出，过滤后保留滤渣并干燥，得到该偶氮类染料；所用的化合物Ⅱ与重氮化反应中所加入的化合物Ⅲ等当量。

上述技术方案中，偶联反应在低温下进行，因此在反应过程中收率和纯度均较高。另外，通过加水淬灭反应的方式，一方面水对酸可以进行稀释，使酸的浓度降低后停止反应的发生，同时可以通过水将最终产物沉淀出来，使之与反应体系中的其他多余的反应物处在两相中，进而提高最终产物的分离纯度，实现较好的分离和提纯效果，同时也抑制了反应的进一步进行，保护反应物中诸如二甲氨基等易受影响的位点，减少副反应的同时使反应具有较好的纯度。

可选的，在偶联反应步骤中，溶剂Ⅱ为甲醇；化合物Ⅱ在溶剂Ⅱ中的浓度为0.1～1M。

在上述技术方案中，选用甲醇作为溶剂Ⅱ，甲醇的极性适中，对化合物Ⅱ具有较好的溶解性能的同时，与酸也能形成均相体系，使反应顺利进行。控制化合物Ⅱ在甲醇中的浓度为0.1～1M，一方面具有较好的分散性能，同时在体系中整体均匀度也较好，化合物Ⅱ在缓慢加入到上述体系中后，反应可以快速进行，且收率和纯度均较高。

综上所述，本申请至少包括如下一种有益效果：

1.在本申请中，设计合成了一种苯并噻唑型偶氮类染料，通过二甲氨基的给电子性能和丁二酸单酰的反应性能，具有较好稳定性和修饰性能的偶氮类燃料。

2.在本申请中，提供了上述偶氮类燃料的合成方法，通过酰化反应、重氮化反应和偶联反应，可以得到上述偶氮类染料，具有较好的纯度、较高的收率和较简单的制备流程，适用于大规模生产的需要。

附图说明

图1为本文申请实施例1种偶氮噻唑染料的质谱图；

图2为本申请实施例1种偶氮噻唑染料在氯仿/甲醇体积比10/1展开剂种的高效液相色谱图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本申请作进一步详细说明。

实施例1，一种噻唑偶氮染料，其化学式如式Ⅴ所示。

该化合物Ⅴ的合成方法包括如下步骤。

酰化反应：将化合物I与丁二酸酐在溶剂I中进行酰化反应，反应式如式A所示。

式A

该步骤具体如下：称取化合物Ⅰ20.0g(0.147mol)，溶解于300mL乙腈(溶剂Ⅰ)中，并加入20.0g(0.2mol)丁二酸酐，在20℃下搅拌至充分反应(通过TCL点板确认原料点消失，展开剂为乙酸乙酯/石油醚体积比1/4，每30min进行一次点板检测，反应时间为1h)，随后过滤，保留滤渣，滤液蒸干后，两部分固体均用20mL乙腈淋洗，随后烘干后，即得到化合物Ⅱ，丁二酸单酰-(2-N,N-二甲基)苯胺。

化合物Ⅱ的称量后得到32.4g(0.137mol)，TLC确认基本无原料点，也无其他杂质点。通过高效液相色谱确认，化合物Ⅱ的纯度为99.9％，收率为93.3％。

重氮化反应：将化合物Ⅲ在酸I催化下，与亚硝酸胺反应，生成重氮盐，具体反应式如式B所示。

式B

该步骤具体如下：

称取化合物Ⅲ15g(0.1mol)溶解于酸Ⅰ中，酸Ⅰ选用300g硫酸和200g磷酸配置得到的混酸；加热至80℃使之充分溶解后，降温并保持整个反应体系低于0℃，在30min内均匀分批加入6.9g(0.1mol)的亚硝酸钠，随后继续低温反应至原料反应完全，通过TLC检测(展开剂为二氯甲烷/甲醇体积比10/1)原料点全部消失后，完成反应(反应时间为2h)，得到含有化合物Ⅳ的反应液。注意，在上述反应中，全程需要保持温度在0℃以下。

在该步骤中，加热温度以化合物Ⅲ充分溶解为宜，一般加热至50～80℃可满足要求。亚硝酸钠的加入速率以控制体系升温稳定为宜，当溶剂体系较大时，可适度加快。由于在本实施例中，所用的是硫酸和磷酸的混酸，因此制得的化合物IV中，部分X-为磷酸二氢根，部分为硫酸氢根。

偶联反应：将化合物Ⅳ和化合物Ⅱ进行偶联反应，制得目标产物。反应式如式C所示。

该步反应具体如下：

称取23.6g(0.1mol)化合物Ⅱ，溶解于300mL甲醇(溶剂Ⅱ)中，配置成0.33M的溶液，并预先降温至0℃以下，将上述化合物Ⅱ和甲醇的溶液缓慢在5min内加入到重氮化反应步骤中制备得到的含有化合物Ⅳ的混合液中，并在加入的过程中保持搅拌，加入完毕后，保持0℃以下继续反应完全，通过TCL点板监测，展开剂为二氯甲烷/甲醇体积比10/1，每隔0.5h点板一次，反应至2h时原料点完全消失。此时加入500mL去离子水，充分混合均匀后过滤，并用100mL水洗涤滤饼，干燥后，得到紫红色固体目标产物37.7g，通过液相色谱(展开剂：二氯甲烷/甲醇体积比10/1)检测其纯度为99.9％，收率为94.9％。

值得注意的是，化合物Ⅱ在溶剂Ⅱ中的溶液在加入到含有化合物Ⅳ的混合液中时，其加入速度依照搅拌的均匀程度和混合液的浓度可以进行微调，以化合物Ⅱ的溶剂Ⅱ溶液能够快速均匀分散至整个体系中为宜，一般加入时间在1min～10min之间不等，可以采用滴加的方式进行添加。

对于实施例1，制备得到的最终产物，其在核磁共振氢谱数据具体如下：¹HNMR(400MHz,CDCl₃):δ11.88(s,1H),8.18(d,1H),8.02(d,1H),7.53(m,2H),7.19(m,1H),6.65-6.75(m,2H),2.88(s,6H),2.65(t,2H),2.41(t,2H)ppm。

如图1所示，在质谱中可以进行确认，该化合物的主要质子峰为397和398，与预测相符。图2为上述化合物合成后再液相色谱中的表现，主要产物的保留时间为14.182min。

实施例2～5，一种噻唑偶氮染料，与实施例1的区别在于，在酰化反应步骤中，溶剂Ⅰ进行调整，具体如表1所示。

表1、酰化反应过程中溶剂选择的影响

注：在实施例2～5中，仅调整反应过程中的溶剂选择，对于后续淋洗用的溶液不做调整。通过上述数据可以看到，在本申请中，采用乙腈、二氯甲烷和三氯甲烷作为溶剂，均可以实现反应的顺利进行，采用乙腈时具有更快的反应速度，可能与乙腈的极性较高有关。甲醇会干扰丁二酸酐的反应，造成化合物I的转化率偏低，且无法反应至终点。

实施例6～15，一种偶氮噻唑类染料，与实施例1的区别在于，化合物Ⅰ、溶剂Ⅰ及丁二酸酐的用量如表2所示。

表2、酰化反应各物质用量对反应的影响

在上述实施例中，对酰化反应步骤中的各物质用量进行了调整。可见，当化合物Ⅰ和丁二酸酐的浓度低于0.1M时，整体反应需要消耗较长的时间，且由于得到的溶液中含有化合物Ⅱ的浓度较低，因此分离得到的化合物Ⅱ也较少。当化合物Ⅰ与丁二酸酐的浓度高于1M时，由于化合物Ⅰ的浓度过高，因此在反应过程始中，丁二酸基团的两端均容易发生酰化，产生杂质较多，进而使得最终产物的收率降低。

另外，对丁二酸酐的用量进行调整发现，当丁二酸酐与化合物Ⅰ等物质的量反应时，反应效率较低，且化合物Ⅰ无法反应完全，当丁二酸酐的用量过多时，则会混杂于最终产物中，造成化合物Ⅱ的纯度降低。

上述实施例共同调节了酰化反应步骤中的参数，筛选出最适合的反应条件，为实施例1所述的反应条件。在实施例1的基础上，经扩大反应实验，多次实验确认得到如下结论：在1kg的量级上，酰化反应的收率基本维持在90％以上，目标产物的纯度均在99.5％以上(事实上，超过98％的产物纯度即对下一步无明显影响)，当反应时间为1h时，均可以完全反应，因此后续实验均在实施例1的实验基础上进行。

在实施例1的基础上，进一步对重氮化反应的条件和偶联反应的条件进行调整，得到如下实施例。

实施例16～29，一种噻唑偶氮染料，与实施例1的区别在于，在重氮化反应步骤中，酸Ⅰ的具体配置比例如表3所示。在下述实施例中，亚硝酸钠和化合物Ⅱ的用量与化合物Ⅲ的用量的比值与实施例1保持不变。

表3、重氮化反应和偶联反应中酸Ⅰ配比及用量对反应的影响

在上述实施例中，当酸Ⅰ体系中存在盐酸时，重氮盐的对离子，即X，可为氯离子。当酸Ⅰ体系中存在磷酸时，X可为磷酸二氢根离子。当酸Ⅰ体系中存在硫酸时，X可为硫酸氢根离子。

在实施例16～24中，对酸Ⅰ的配方进行了调节。选用硫酸和磷酸的组合具有较好的效果。相较于选用盐酸引入氯离子，硫酸氢根和磷酸二氢根的反应性更差，不容易参与到反应中，形成的副产物也更少，得到的最终产物的纯度及产率均较高。单纯使用硫酸时，对产率有一定的影响，可能是由于浓硫酸的放热比较明显，氧化性较强造成的。

在实施例25～29中调节了化合物Ⅲ的用量，即调整了体系中的反应浓度，浓度越高反应越快，但是副反应发生的概率也越大，因此确定化合物Ⅲ在体系中以1～5％的质量分数加入，具有较好的结果。

实施例30～32，一种噻唑偶氮染料，与实施例1的区别在于，对重氮化反应中，对亚硝酸钠的用量进行调整，结果如表4所示。

表4、亚硝酸钠在重氮化反应中用量对反应的影响

通过上述实验数据可知，对于亚硝酸钠的用量调整，对整体反应的产率影响不大，但是当亚硝酸钠用量大于化合物Ⅲ的1.5倍时，可能会对二甲氨基产生一定的影响，造成产率和纯度均有所降低。

实施例33～39，一种噻唑偶氮类染料，与实施例1的区别在于，在偶联反应步骤中，对溶剂Ⅱ的选择和化合物Ⅱ在溶剂Ⅱ中的浓度进行了调整，其结果如表5所示。在上述选取中，排除了部分对于化合物Ⅱ溶解性较差的溶剂(如二氯甲烷、乙腈、石油醚、乙醚等)。另外，申请人在实验中发现，部分高沸点溶剂(如N,N-二甲基甲酰胺和二甲亚砜)中，反应尽管可以顺利进行，但是其在后续分离过程中较为困难，高沸点溶剂很难从体系中彻底清除(需要在较高的温度下真空干燥较长时间)，且分离过程中对最终产物有损耗，因此排除上述高沸点溶剂的使用，得到实施例如下。

表5、溶剂Ⅱ的选择和化合物I I的浓度对偶联反应的影响

实施例33和34分别换用了不同的醇类试剂作为溶剂，由于醇类试剂在该反应体系中不参与反应，因此醇类试剂在反应体系中使用较为合适。在醇类化合物的选择中，甲醇的极性最强，对于重氮盐的溶解性最好，因此反应效果也最好。在甲醇的加入量调整过程中，化合物Ⅱ在甲醇中的浓度越低，意味着甲醇的加入量越大，在实施例38中，甲醇加入过多，整个体系浓度过小，反应较慢。而在实施例39中，甲醇的用量过少，重氮盐Ⅱ和化合物Ⅳ没有充分接触，同样造成整体的反应速率变慢。

本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims

1.一种噻唑偶氮染料的合成方法，其特征在于，所述噻唑偶氮染料的化学式如下：

；

所述合成方法具体包括如下步骤：

酰化反应：将2-N,N-二甲基苯胺（化合物Ⅰ）与丁二酸酐进行酰胺化反应，得到丁二酸单酰-（2-N,N-二甲基）苯胺（化合物Ⅱ）；

重氮化反应：将2-氨基苯并噻唑（化合物Ⅲ）进行重氮化反应，使氨基转化为重氮盐，得到2-苯并噻唑重氮盐（化合物Ⅳ）；

（Ⅰ）

（Ⅱ）

（Ⅲ）

（Ⅳ）

其中，X为氯离子、磷酸二氢根离子、硫酸氢根中的一种或多种的组合；

酰化反应步骤具体如下：将化合物Ⅰ和丁二酸酐溶解于溶剂Ⅰ中，充分反应后，反应液过滤后保留滤渣，即为丁二酸单酰-（2-N,N-二甲基）苯胺；所述溶剂Ⅰ选用乙腈；所述化合物Ⅰ在溶剂Ⅰ中的浓度为0.1～1M，丁二酸酐和化合物Ⅰ的物质的量之比为（1.2～2.0）∶1；

重氮化反应步骤具体如下，将化合物Ⅲ溶解于酸Ⅰ中，再冷却至低于0℃，分批加入亚硝酸钠，继续在0℃以下充分反应后，得到含有化合物Ⅳ的混合液；所述酸Ⅰ为硫酸和磷酸的混合体系，所述酸Ⅰ中，浓硫酸和磷酸的质量比为（1～5）∶1，化合物III所用质量为酸I质量的1～5%。

2.根据权利要求1所述的一种噻唑偶氮染料的合成方法，其特征在于，在酰化反应步骤中，对反应液进行过滤后，滤液蒸干后用乙腈进行淋洗，并与滤渣合并。

3.根据权利要求1所述的一种噻唑偶氮染料的合成方法，其特征在于，亚硝酸钠和化合物Ⅲ的物质的量之比为（1～1.5）∶1。

4.根据权利要求1所述的一种噻唑偶氮类染料的合成方法，其特征在于，在偶联反应步骤中，将化合物Ⅱ事先溶解于溶剂Ⅱ中，并加入到含有化合物Ⅳ的混合液中，保持温度低于0℃，继续充分反应后，加水淬灭反应并使产物析出，过滤后保留滤渣并干燥，得到该偶氮类染料；所用的化合物Ⅱ与重氮化反应中所加入的化合物Ⅲ等当量。

5.根据权利要求4所述的一种噻唑偶氮染料的合成方法，其特征在于，在偶联反应步骤中，溶剂Ⅱ为甲醇；化合物Ⅱ在溶剂Ⅱ中的浓度为0.1～1M。