1,3,4-噁二唑-2-硫酮衍生物的合成及工藝

巨修練，胡 成

[1.武漢工程大學(xué)化工與制藥學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.綠色化工過程教育部重點實驗室(武漢工程大學(xué))，湖北 武漢 430074]

0 引 言

雜環(huán)化合物自發(fā)現(xiàn)以來已有百年的歷史，近年來隨著結(jié)構(gòu)分析與鑒定技術(shù)的進步，越來越多的雜環(huán)化合物被發(fā)現(xiàn)，雜環(huán)化合物的應(yīng)用范圍也在不斷擴展，涉及到醫(yī)藥，農(nóng)藥，食品香料，化學(xué)染料等眾多領(lǐng)域[1-2]. 噁二唑類衍生物作為雜環(huán)化合物中的一類，具有酶活性抑制[3]，消炎[4]，抗菌[5]，抗癌等廣泛的生物活性，并且具有高效低毒等優(yōu)點；另外，由噁二唑化合物形成的聚合物具有特殊的穩(wěn)定性，有些還具有良好的成膜性和電子傳輸性能，在材料領(lǐng)域也具有廣泛的應(yīng)用前景[6]. 因此，近年來噁二唑化合物的研究受到研究者的關(guān)注.孫娜波合成了一系列新型含吡唑環(huán)的1,3,4-噁二唑類衍生物并對其進行了活體殺菌活性測試，研究結(jié)果表明部分化合物對黃瓜褐斑病，黃瓜霜霉病和黃瓜菌核病均具有較好的防治效果，個別化合物在500 mg/L的劑量下對黃瓜褐斑病的防效高達90%，優(yōu)于井岡霉素，故能作為先導(dǎo)化合物開發(fā)新農(nóng)藥[7]. Ghani等人研究了噻二唑，噁二唑和三唑雜環(huán)衍生物對酪氨酸酶的抑制效果，研究結(jié)果表明連接一定的疏水基團對這三類雜環(huán)的抑制活性有一定的提高，活性動力學(xué)研究表明噁二唑雜環(huán)5-C位上的取代基對分子與酪氨酸酶結(jié)合的緊密程度起著主要作用，5-C位上長鏈的存在對該類抑制劑活性的提高有重要作用，它能更好促進抑制劑與酶的結(jié)合. 其中5-對羥基苯-1,3,4-噁二唑-2-硫酮對酪氨酸酶的抑制常數(shù)Ki值可達1.77 μmol/L[3].Lam等[8]合成了一系列1,3,4-噁二唑-2-硫酮衍生物，并均表現(xiàn)出對酪氨酸酶的高效抑制作用，其IC50在0.87～1.49 μmol/L，均高于對照曲酸. 同時其結(jié)構(gòu)與活性分析也證明了一定的疏水基團對該類化合物的活性有顯著的提高.本研究通過圖1所示合成路線合成了7個3位取代苯胺亞甲基-5-苯基-1,3,4-噁二唑-2-硫酮化合物，期望得到更好的酪氨酸酶抑制劑，進而應(yīng)用于醫(yī)藥，農(nóng)藥，化妝品等行業(yè). 同時，所有目標(biāo)化合物均通過氫核磁共振圖譜和質(zhì)譜表征確認(rèn).

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

RY-1G型熔點儀；Varian Mercury-VX 300型核磁共振儀(CDCl3,DMSO為溶劑,TMS為內(nèi)標(biāo))；TRACEMS 2000型質(zhì)譜儀.

所有試劑均為分析純,購自于國藥集團.反應(yīng)過程采用的TLC薄層硅膠板和柱層析所用的硅膠,由青島海洋硅膠干燥劑廠生產(chǎn).CS2的純化:采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的濃硫酸反復(fù)萃取至硫酸層為無色,再用蒸餾水洗滌CS2至中性,無水Na2SO4干燥,蒸餾收集48 ℃的餾分.其他試劑未經(jīng)純化直接使用.

圖1 目標(biāo)化合物的合成Fig.1 The synthetic routes of target compounds注:(a)NH2NH2·H2O,乙醇,回流；(b)CS2,KOH,乙醇,回流；(c)甲醛,胺,V(四氫呋喃)∶V(甲醇)=1∶2,室溫攪拌.R為4-NO2(4a),3-NO2(4b),2-NO2(4c),2-OCH3(4d),2-Cl(4e),4-Cl(4f),2-COOCH3(4 g).

1.2 化合物的合成

1.2.1 苯甲酰肼的合成 向100 mL的三口燒瓶中依次加入苯甲酸甲酯(1)13.6 g (0.1 mol),質(zhì)量分?jǐn)?shù)80%水合肼18.75 g (0.3 mol),無水乙醇50 mL,升溫至80 ℃回流,反應(yīng)持續(xù)6 h,TLC監(jiān)測無原料點,反應(yīng)結(jié)束,冷卻,旋蒸脫去溶劑,用少量乙醇重結(jié)晶得白色針狀固體苯甲酰肼(2),干燥后稱重為12.25 g,收率為90.1%.mp.112～114 ℃.

1.2.2 5-苯基-1,3,4-噁二唑-2-硫酮(3)的合成 向100 mL的三口燒瓶中依次加入苯甲酰肼(2)8.16 g (60 mmol)及KOH 4.032 g (72 mmol),CS26.84 g (90 mmol),無水乙醇60 mL,常溫下攪拌0.5 h后,混合液呈白色乳狀懸濁液,將混合液加熱至80 ℃回流,反應(yīng)持續(xù)8 h,TLC監(jiān)測無原料點,反應(yīng)結(jié)束,冷卻,旋蒸脫去溶劑,將固體溶于蒸餾水,用3 mol/L的鹽酸酸化至pH為4～5的得白色懸濁液,抽濾并將濾餅用乙醇重結(jié)晶得白色針狀固體5-苯基-1,3,4-噁二唑-2-硫酮(3),稱重為9.16 g,收率為85.8%,mp.218～220 ℃.1H NMR(400 MHz ,DMSO-d6) δ:7.56～7.65(m,3 H,ArH),7.86～7.88(d,2 H,ArH).

1.2.3 目標(biāo)化合物3-對硝基苯胺亞甲基-5-苯基-1,3,4-噁二唑-2-硫酮(4a)的合成 向50 mL的單口燒瓶中依次加入5-苯基-1,3,4-噁二唑-2-硫酮(3) 0.356 g (2 mmol),對硝基苯胺0.552 g(4 mmol),質(zhì)量分?jǐn)?shù)37%的甲醛溶液0.648 g(8 mmol),將其溶于THF和MeOH的混合液中[V(THF)=5 mL,V(MeOH)=10 mL],于常溫下攪拌,0.5 h后開始出現(xiàn)黃色沉淀,反應(yīng)進行4 h,TLC監(jiān)測無原料點,反應(yīng)結(jié)束,抽濾,濾餅用THF重結(jié)晶得暗黃色固體0.335 g,收率51.1%,mp.156～158 ℃.1H NMR(400 MHz,DMSO-d6) δ:5.51～5.53(d,2 H,—CH2—),6.95～6.97(d,2 H,ArH),7.47～7.55(m,3 H,ArH),7.76～7.78(d,2 H,ArH),7.98～8.00(d,2 H,ArH),8.32～8.36(t,1 H,—NH—); MS(ESI):327(M-1)-.

1.2.4 同樣的方法合成化合物4b～4h 目標(biāo)化合物3-間硝基苯胺亞甲基-5-苯基-1,3,4-噁二唑-2-硫酮(4b):黃色固體0.512 g,收率78.0%,mp.181～182 ℃.1H NMR(400 MHz,DMSO-d6)δ:5.54～5.56(d,2 H,—CH2—),7.28～7.30(d,1H,ArH),7.37～7.41(t,1 H,ArH),7.47～7.49(d,1 H,ArH),7.54～7.61(m,3 H,ArH),7.80(s,1 H,ArH),7.82～7.84(d,2 H,ArH); MS(ESI):327(M-1)-.目標(biāo)化合物3-鄰硝基苯胺亞甲基-5-苯基-1,3,4-噁二唑-2-硫酮(4c):黃色固體0.235 g,收率35.8%,mp.170～172 ℃.1H NMR(400 MHz,DMSO-d6)δ:5.73～5.75(d,2 H,—CH2—),6.84～6.88(t,1 H,ArH),7.39～7.42(d,1 H,ArH),7.51～7.61(m,4 H,ArH),7.83～7.85(d,1 H,ArH),8.08～8.10(d,1 H,ArH),8.79～8.82(t,1 H,—NH—); MS(ESI):327(M-1)-.目標(biāo)化合物3-鄰甲氧基苯胺亞甲基-5苯基-1,3,4-噁二唑-2-硫酮(4d):白色固體為0.286 g,收率45.7%,mp.134～136 ℃.1H NMR(400 MHz,CDCl3)δ:3.82(s,3 H,—OCH3),5.54～5.56(d,2 H,—CH2—),6.76(s,2 H,ArH),6.84～6.86(m,1 H,ArH),7.10～7.12(d,1 H,ArH),7.41～7.51(m,3 H,ArH),7.84～7.86(d,2 H,ArH); MS(ESI):312(M-1)-.目標(biāo)化合物3-鄰氯苯胺亞甲基-5-苯基-1,3,4-噁二唑-2-硫酮(4e): 白色固體0.215 g,收率34.4%,mp.120～121 ℃.1H NMR(400 MHz,CDCl3)δ:5.56～5.58(d,2 H,—CH2—),5.66～5.70(t,1 H,—NH—),6.70～6.74(t,1 H,ArH),7.14～7.25(m,3 H,ArH),7.42～7.52(m,3 H,ArH),7.84～7.86(d,2 H,ArH); MS(ESI):317(M-1)-.目標(biāo)化合物3-對氯苯胺亞甲基-5-苯基-1,3,4-噁二唑-2-硫酮(4f):白色固體為0.159 g,收率25.4%,mp.216～218 ℃.1H NMR(400 MHz,CDCl3)δ:6.03(d,2 H,—CH2—),7.12～7.14(d,2 H,ArH),7.37～7.41(t,2 H,ArH),7.48～7.52(t,1 H,ArH),7.82～7.84(d,2 H,ArH),7.94～7.96(d,2 H,ArH); MS(ESI):317(M-1)-.目標(biāo)化合物3-鄰羧甲酯苯胺亞甲基-5-苯基-1,3,4-噁二唑-2-硫酮(4g):白色固體0.458 g,收率67.2%,mp.158～160 ℃.1H NMR(400 MHz,CDCl3)δ:3.88(s,3 H,—COOCH3),5.60～5.62(d,2 H,—CH2—),6.73～6.77(t,1 H,ArH),7.27～7.29(d,1 H,ArH),7.41～7.47(m,3 H,ArH),7.50～7.54(t,1 H,ArH),7.88～7.90(d,2 H,ArH),7.92～7.94(d,1 H,ArH),8.83～8.87(t,1 H,—NH—);MS(ESI):340(M-1)-.

2 結(jié)果與討論

2.1 苯甲酰肼(2)的合成工藝

2.1.1 原料配比對苯甲酰肼產(chǎn)率的影響 以無水乙醇為溶劑在回流條件下反應(yīng)6 h，只改變質(zhì)量分?jǐn)?shù)80%水合肼和苯甲酸甲酯的配料摩爾比，粗產(chǎn)品用無水乙醇重結(jié)晶，結(jié)果如下：

表1 原料配比對產(chǎn)率的影響Table.1 Effect of raw material ratio on yield

結(jié)果表明質(zhì)量分?jǐn)?shù)80%水合肼與苯甲酸甲酯的配料摩爾比為3.0時，苯甲酰肼的產(chǎn)率最高，大于3.0時產(chǎn)率基本無變化.因此質(zhì)量分?jǐn)?shù)80%水合肼與苯甲酸甲酯的適原料摩爾比為3.0.

2.1.2 反應(yīng)時間對苯甲酰肼產(chǎn)率的影響 以無水乙醇為溶劑，質(zhì)量分?jǐn)?shù)80%水合肼和苯甲酸甲酯的配料摩爾比為3∶1，改變反應(yīng)時間，初產(chǎn)品用無水乙醇重結(jié)晶，結(jié)果如下：

表2 反應(yīng)時間對產(chǎn)率的影響Table.2 Effect of reaction time on yield

結(jié)果表明當(dāng)反應(yīng)時間為6 h時，苯甲酰肼的產(chǎn)率高達90.1%，延長反應(yīng)時間產(chǎn)率基本不變，基于節(jié)約能源方面的考慮，適宜的反應(yīng)時間為6 h.

2.2 5-苯基-1,3,4-噁二唑-2-硫酮(3)的合成工藝

2.2.1 CS2用量對5-苯基-1,3,4-噁二唑-2-硫酮產(chǎn)率的影響 以無水乙醇為溶劑，苯甲酰肼和KOH摩爾比為1∶1.2，改變CS2的用量，回流反應(yīng)8 h，按上述方法提純，結(jié)果如下：

表3 CS2用量對產(chǎn)率的影響Table.3 Effect of dosage of CS2 on yield

結(jié)果表明二硫化碳與苯甲酰肼的配料摩爾比為1.5時，5-苯基-1,3,4-噁二唑-2-硫酮的產(chǎn)率高達85.8%，大于1.5時，產(chǎn)率基本不變.因此，二硫化碳與苯甲酰肼的適宜配料摩爾比為1.5.

2.2.2 反應(yīng)時間對5-苯基-1,3,4-噁二唑-2-硫酮產(chǎn)率的影響 以無水乙醇為溶劑，苯甲酰肼，KOH，CS2的摩爾比為1∶1.2∶1.5，反應(yīng)回流，改變反應(yīng)時間，按上述方法提純，結(jié)果為：

表4 反應(yīng)時間對產(chǎn)率的影響Table.4 Effect of reaction time on yield

結(jié)果表明當(dāng)反應(yīng)時間為8 h時，5-苯基-1,3,4-噁二唑-2-硫酮的產(chǎn)率高達85.8%，延長反應(yīng)時間產(chǎn)率基本不變，基于節(jié)約能源方面的考慮，適宜的反應(yīng)時間為8 h.

2.3 3-取代苯胺亞甲基-5-苯基-1,3,4-噁二唑-2-硫酮化合物的合成工藝

2.3.1 溶劑對3-對硝基苯胺亞甲基-5-苯基-1,3,4-噁二唑-2-硫酮產(chǎn)率的影響 按上述反應(yīng)條件反應(yīng)，改變所用溶劑(體積均為15 mL)，粗產(chǎn)品重結(jié)晶，結(jié)果為：

表5 溶劑對產(chǎn)率的影響Table 5 Effect of solvent on yield

結(jié)果表明以V(甲醇)∶V(四氫呋喃)=2∶1的混合液為溶劑時，產(chǎn)率均高于單純以甲醇或四氫呋喃為溶劑時的產(chǎn)率.以甲醇為溶劑時，反應(yīng)過程中迅速得到絮狀沉淀，使得5-苯基-1,3,4-噁二唑-2-硫酮(3)與目標(biāo)產(chǎn)物共析導(dǎo)致大量原料包裹在絮狀沉淀中，同時還影響反應(yīng)液的攪拌，這些因素不僅會影響反應(yīng)的產(chǎn)率，同時影響目標(biāo)產(chǎn)物的分離；而以四氫呋喃為溶劑時，原料與目標(biāo)產(chǎn)物均有較好的溶解性，導(dǎo)致析出的產(chǎn)物較少而影響產(chǎn)率.因此V(甲醇)∶V(四氫呋喃)=2∶1的混合液為較適宜的溶劑.

另外，本實驗在以5-苯基-1,3,4-噁二唑-2-硫酮(3)與甲醛和胺發(fā)生Mannich反應(yīng)的過程中先嘗試了與仲胺嗎啡啉反應(yīng)預(yù)期得到對應(yīng)的Mannich堿，然而結(jié)果生成的產(chǎn)物卻不是預(yù)期的化合物，而是5-苯基-1,3,4-噁二唑-2-硫酮(3)在3-N為發(fā)生羥甲基化，嗎啡啉并沒有接到5-苯基-1,3,4-噁二唑-2-硫酮(3)上.這可能是因為5-苯基-1,3,4-噁二唑-2-硫酮(3)的親和性比嗎啡啉強，而易于與甲醛先發(fā)生親和反應(yīng)，得到的羥甲基化產(chǎn)物與嗎啡啉脫水得到Mannich堿的反應(yīng)能壘又太高，常溫下難以進行而無法得到預(yù)期產(chǎn)物.

3 結(jié) 語

本研究通過參考相關(guān)文獻和資料，設(shè)計在5-苯基-1,3,4-噁二唑-2-硫酮的3-N位通過發(fā)生Mannich反應(yīng)引入一定疏水基團，對其進行結(jié)構(gòu)修飾，通過核磁共振氫譜和質(zhì)譜結(jié)構(gòu)表征，合成了4a～4g共7個目標(biāo)化合物，大部分未見文獻報道，同時對反應(yīng)中的原料配料比，反應(yīng)時間及溶劑選擇等參數(shù)進行了工藝優(yōu)化.后續(xù)將檢測目標(biāo)化合物對酪氨酸酶的抑制活性，期望得到高效的酪氨酸酶抑制劑，以用于醫(yī)藥，農(nóng)藥及化妝品等領(lǐng)域.

致 謝

衷心感謝深圳海王藥業(yè)對該項目研究提供的資助！

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