一種以三聚氯氰為橋基的新型小分子功能活性染料的合成

張月華, 光善儀*, 郗嬌嬌, 魏　剛, 郭冰苑, 田佳嬋, 柯福佑, 徐洪耀

(1. 東華大學 a. 化學化工與生物工程學院 國家染整工程技術(shù)研究中心;b. 材料學院與纖維和高分子改性國家重點實驗室， 上海　201620)

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一種以三聚氯氰為橋基的新型小分子功能活性染料的合成

張月華1a, 光善儀1a*, 郗嬌嬌1b, 魏剛1b, 郭冰苑1a, 田佳嬋1a, 柯福佑1b, 徐洪耀1b

(1. 東華大學 a. 化學化工與生物工程學院 國家染整工程技術(shù)研究中心;b. 材料學院與纖維和高分子改性國家重點實驗室， 上海201620)

以對氨基苯甲酸甲酯和水合肼為原料，經(jīng)酰胺化反應(yīng)制得對氨基苯甲酸甲酰胺,進一步與水楊醛通過還原氨化反應(yīng)生成席夫堿(1)；以羅丹明B和水合肼為原料，1經(jīng)閉環(huán)反應(yīng)制得羅丹明B酰肼(2)； 2在四氫呋喃溶劑中與三聚氯氰經(jīng)縮合取代反應(yīng)生成一縮產(chǎn)物(3)； 3進一步在四氫呋喃中與1于45～50 ℃回流6 h，經(jīng)取代反應(yīng)生成二縮產(chǎn)物，其結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR， MS, IR和元素分析表征。

對氨基苯甲酸甲酯; 水合肼; 羅丹明B; 席夫堿; 三聚氯氰; 縮合反應(yīng); 合成

三聚氯氰是一種重要的精細化工產(chǎn)品，在醫(yī)藥農(nóng)藥工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的用途，某些反應(yīng)中可充當催化劑[1-4]，而在染料制備中常被用作活性基團。目前，大量基于三聚氯氰的新型活性染料被研究合成，這類活性染料具有能與蠶絲纖維以共價鍵結(jié)合的反應(yīng)性特點，通過活性染料染色的蠶絲織物可有效提高其水洗的牢度問題，對染料的進一步改性可實現(xiàn)織物具有不同的優(yōu)化性能，如抗紫外線[5]及抗輻射[6]等。

三聚氯氰分子中的1,3,5-三嗪環(huán)可以經(jīng)受各種苛刻條件的反應(yīng)，其中3個氯原子不但具有類似酰氯的反應(yīng)活性，且具有不同的活潑程度，可以實現(xiàn)通過控制條件分步進行[7-9]?；诹_丹明基團的熒光探針以其優(yōu)異的熒光性能被廣泛應(yīng)用于離子識別及生物監(jiān)測等領(lǐng)域[10-13,15]。羅丹明染料及其衍生物具有出色的光學物理性質(zhì)，如高消光系數(shù)、高熒光量子產(chǎn)率、耐光性和可見光區(qū)內(nèi)相對較長的發(fā)射波長等[14]。同時，羅丹明的內(nèi)酰胺結(jié)構(gòu)自身并無顏色且不產(chǎn)生熒光發(fā)射，但當與被分析物絡(luò)合并被誘導(dǎo)致內(nèi)酰胺開環(huán)時，絡(luò)合物一般呈粉紅色并顯現(xiàn)出強烈熒光[15]。另一方面，席夫堿C=N結(jié)構(gòu)中的氮原子對過渡金屬離子具有較強的親和能力，可作為金屬離子的良好配位體應(yīng)用于熒光傳感器中[16-17]。席夫堿衍生物結(jié)合熒光基團類熒光探針具有良好的協(xié)同性，較高的熱穩(wěn)定性，優(yōu)異的熒光性能及良好的生物相容性[18]。

Scheme 1

本文以活性基團為橋基，通過親核取代反應(yīng)將席夫堿結(jié)構(gòu)及羅丹明B酰肼基團連接到三嗪環(huán)上，設(shè)計并合成一種新型具有熒光探針性能的活性染料。即以羅丹明B和水合肼為原料，經(jīng)閉環(huán)反應(yīng)制得羅丹明B酰肼(2)[19]，同時，以對氨基苯甲酸甲酯和水合肼為原料，于78 ℃乙醇溶液中經(jīng)酰胺化反應(yīng)制得對氨基苯甲酸甲酰胺，再進一步與水楊醛通過還原氨化反應(yīng)制得對氨基苯甲酰水楊醛腙(1)； 2在無水THF中與三聚氯氰在N2保護下于0～5 ℃反應(yīng)12 h通過1 ∶1縮合取代生成一縮產(chǎn)物(3)； 3在四氫呋喃中進一步與1在N2保護下于45～50 ℃回流6 h通過1 ∶1縮合取代合成活性探針分子(4)，其結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR， IR， MS和元素分析表征。

1　實驗部分

1.1儀器與試劑

SGW X-4型數(shù)字顯微熔點儀； AV 400型核磁共振儀(DMSO-d6為溶劑，TMS為內(nèi)標)； Nicolet 8700型傅里葉變換紅外光譜儀(KBr壓片)；瓦里安VARIAN 310型四極桿質(zhì)譜儀；德國 Elmenter Vario EL Ⅲ 型元素分析儀。

THF， HPLC級;其余所用試劑均為分析純。

1.2合成

(1) 1的合成

將對氨基苯甲酸甲酯2.0 g(13.20 mmol)溶于無水乙醇20 mL中，劇烈攪拌下于室溫緩慢滴加98%水合肼1 mL(19.80 mmol)，滴畢，回流(78 ℃)反應(yīng)8 h至溶液呈淡黃色。冷卻至室溫，蒸除過量的水合肼和溶劑得白色對氨基苯甲酰肼粗品。將粗品1.6 g(10.50 mmol)溶于無水乙醇20 mL中，攪拌下緩慢滴加98%水楊醛1.3 mL(11.00 mmol)，加兩滴三乙胺，滴畢，回流反應(yīng)0.5 h。冷卻至室溫，用無水乙醇重結(jié)晶得金黃色片狀晶體1,產(chǎn)率86%;1H NMRδ: 6.92～6.98(d,J=12.0 Hz, 2H, ArH), 6.99～7.04(d,J=8.0 Hz, 1H, ArH), 7.29～7.35(t,J=12.0 Hz, 1H, ArH), 7.44～7.49(t,J=20.0 Hz, 1H, ArH), 7.55～7.60(d,J=12.0 Hz, 2H, ArH), 7.70～7.74(d,J=12.0 Hz, 1H, ArH), 8.05～8.08(d,J=8.0 Hz, 1H, ArCH), 9.05(s, 1H), 11.31(s, 1H), 12.79(s, 1H)； FT-IRν: 3 434(OH)， 3 256(NH2)， 3 054, 1 680, 1 657(C=O)， 1 603, 1 566, 1 521(C6H6)， 1 274(C—O) cm-1； MS(ESI)m/z: 256.0{[M+H]-}。

(2) 2的合成

在三口瓶中加入羅丹明B 1.2 g(2.50 mmol),用無水乙醇(30 mL)溶解，劇烈攪拌下于室溫緩慢滴加98%水合肼1 mL(19.80 mmol)，滴畢，回流(78 ℃)反應(yīng)2 h(溶液由暗紅色變?yōu)辄S色)。冷卻至室溫，蒸除溶劑和過量水合肼得淡黃色粗產(chǎn)物。加入新配制的1 mol·L-1鹽酸50 mL(產(chǎn)物溶解，溶液呈粉紅色)，攪拌下緩慢加1 mol·L-1氫氧化鈉溶液，調(diào)至pH 9～10(pH 6開始有淡粉色絮狀沉淀析出)，過濾，濾餅用去離子水洗滌，于50 ℃真空干燥得淡粉紅色粉末2，產(chǎn)率80%；1H NMRδ: 1.07～1.11(t,J=16.0 Hz, 12H, CH3), 3.30～3.35(q,J=12.0 Hz, 8H, CH2), 4.29(s, 2H, NH2), 6.34(s, 4H, ArH), 6.38(s, 2H, ArH), 6.99～7.00(d,J=4.0 Hz, 1H, ArH), 7.47～7.49(t,J=8.0 Hz, 2H, ArH), 7.76～7.78(d,J=4.0 Hz, 1H, ArH)； FT-IRν: 3 450(NH2)， 1 619(N—C=O)， 1 270, 1 225(C6H6O)， 825, 786, 762, 703(N—H) cm-1。

(3) 3的合成

在三口瓶中加入無水THF 100 mL，三聚氯氰295 mg(1.60 mmol)和K2CO3604 mg(4.38 mmol)，氮氣保護，攪拌下于0～5 ℃滴加2 763.6 mg(1.60 mmol)的THF(50 mL)溶液，滴畢，反應(yīng)9 h。過濾,濾餅用水洗滌干燥至恒重得粉色固體3，產(chǎn)率82%；1H NMRδ: 1.06(t,J=16.0 Hz, 12H, CH3), 3.43(q,J=8.0 Hz, 8H, CH2), 6.72(s, 4H, ArH), 7.35(s, 2H, ArH), 7.58(s, 1H, ArH), 7.72～7.76(d,J=8.0 Hz, 2H, ArH), 7.89～7.99(d,J=16.0 Hz, 1H, ArH), 11.17(s, 1H, NH); FT-IRν: 3 438(NH2), 3 054, 1 715(C=O), 1 609, 1 538(C6H6), 1 498(三嗪), 1 316(C—N)， 850(C—Cl)， 516 cm-1。

(4) 4的合成

將3 603 mg(1.00 mmol)溶于無水THF 20 mL中，N2保護，攪拌下于40～45 ℃反應(yīng)。加入NaHCO30.16 g(1.90 mmol),滴入1 268 mg(1.00 mmol)的THF溶液40 mL，滴畢，回流反應(yīng)10 h。旋蒸除溶，固體用少量蒸餾水洗滌(去除無機物縛酸劑)，用乙醇重結(jié)晶得淡粉色固體4，產(chǎn)率80%， m.p.194～196 ℃；1H NMRδ: 1.07～1.09(t,J=16.0 Hz, 12H, CH3), 2.43(s, 1H, ArCH), 3.33(q,J=8.0 Hz, 8H, CH2), 4.26(s, 1H, OH), 6.96(d,J=1.2 Hz, 1H, ArH), 6.98(s, 4H), 7.05(s, 3H, ArH), 7.39～7.40(d,J=2.0 Hz, 2H, ArH), 7.41～7.42(s, 2H, ArH), 7.43～7.44(d,J=3.0 Hz, 2H, ArH), 7.69～7.70(s, 2H, ArH), 7.71～7.72(s, 2H, ArH), 9.01(s, 2H); FT-IRν: 3 435(NH2), 2 957, 2 926(CH2), 1 724, 1 620(C=O), 1 603, 1 566, 1 521(C6H6), 1 271(C—N) cm-1； MS(ESI)m/z: 822.5 {[M-H]+}。

2　結(jié)果與討論

2.1合成

在1的合成中，加少量乙二胺催化氨與醛的反應(yīng)，采用重結(jié)晶方法進行純化。在2的合成中，pH 值不宜過低，避免產(chǎn)物結(jié)構(gòu)異構(gòu)。在3的合成中，三聚氯氰第一個氯原子活性較大，應(yīng)嚴格控制反應(yīng)在低溫下進行，保證體系無水且N2保護，反應(yīng)幾乎按計量進行。在4的合成中，可通過升高溫度到40～45 ℃，實現(xiàn)第二個活性氯原子的親核取代反應(yīng)，反應(yīng)幾乎按照計量進行。

2.2表征

2的IR分析表明，在3 450 cm-1處出現(xiàn)新的氨基吸收峰，同時在1 343 cm-1出現(xiàn)叔酰胺吸收帶，在1 619 cm-1處新形成強峰為連接N羰基的N—C=O伸縮振動峰。對比2與3的IR譜圖，1 715 cm-1處由于三嗪基團的接入導(dǎo)致羰基的C=O伸縮振動向長波數(shù)方向移動，1 498 cm-1處出現(xiàn)三嗪環(huán)的骨架振動。在4中，由于OH的接入，3 435 cm-1處峰強度相對更強更寬。

NMR分析表明，2轉(zhuǎn)化成3后，出現(xiàn)新的NH質(zhì)子吸收峰(δ11.17),說明發(fā)生了反應(yīng)。且由于三氯嗪環(huán)的加入，結(jié)構(gòu)整體共軛性增強，各特征峰位移整體向高場移動。3經(jīng)進一步縮合反應(yīng)生成 4后，δ4.26處單峰歸屬為1中與苯環(huán)相連C上的氫，由于受三嗪環(huán)的去屏蔽作用影響，2中靠近三嗪結(jié)構(gòu)苯環(huán)上質(zhì)子特征吸收峰向低場移動。δ6.96處雙重峰可歸屬為2與連接羥基C相連的苯環(huán)C上的H，受羥基給電子集團作用較苯環(huán)上的其他氫發(fā)生明顯高場位移，而末端苯環(huán)上的其他氫則由于整體共軛的增強向高場移動。

以三聚氯氰為橋基成功合成了一種新型活性染料。與其它文獻相比[2-5]，該方法反應(yīng)條件溫和易調(diào)控，產(chǎn)率高。通過控制反應(yīng)溫度及計量比即可實現(xiàn)反應(yīng)的定量進行，反應(yīng)過程無副產(chǎn)物雜質(zhì)，后續(xù)純化步驟相對簡單。

[1]De L L, Giacomelli G, Porcheddu A. An efficient route to alkyl chlorides from alcohols using the complex TCT/DMF[J].Organic Letters,2002,4(4):553-555.

[2]陳義,張艷,曾晞,等. 羅丹明-三嗪衍生物的合成及探針性質(zhì)[J].高等學?；瘜W學報,2013,34(07):1598-1605.

[3]翁佛全,田秀枝,蔣學,等. 苯氧基二氯均三嗪改性纖維素的合成與水解[J].纖維素科學與技術(shù),2013,21(1):9-15.

[4]Moni S, Shashi P, Kuldeep C,etal. Cyanuric chloride catalyzed mild protocol for synthesis of biologically active dihydro/spiro quinazolinones and quinazolinone-glycoconjugates[J].Journal of Organic Chemistry,2012,77(2):929-937.

[5]孫艷,宮國梁,趙德豐. 含三嗪類基團抗紫外輻射活性染料的合成與應(yīng)用性能[J].染料與染色,2008,45(2):14-17.

[6]Paul J, Kumar V, Varshney L. Development of a reactive red 120 dye based task-specific gamma radiation dosimeter[J].Radiation Physics & Chemistry,2014,96(3):195-200.

[7]Lu J, Qi X, Yue T,etal. Synthesis and photophysical properties of tripod BODIPY dyes bearing mono-phenolic derivatives[J].Tetrahedron,2015,71(8):1304-1310.

[8]Lazarides T, Charalambidis G, Vuillamy A,etal. Promising fast energy transfer systemviaan easy synthesis:Bodipy-porphyrin dyads connectedviaa cyanuric chloride bridge,their synthesis,and electrochemical and photophysical investigations[J].Inorganic Chemistry,2011,50(18):8926-8936.

[9]Kusic H, Koprivanac N, Bozic A L. Environmental aspects on the photodegradation of reactive triazine dyes in aqueous media[J].Journal of Photochemistry & Photobiology A Chemistry,2013,252:131-144.

[10]Chen Y, Mi Y, Xie Q,etal. A new off-on chemosensor for Al3+and Cu2+in two different systems based on a rhodamine B derivative[J].Analytical Methods,2013,5(18):4818-4823.

[11]Xu J, Hou Y, Ma Q,etal. A highly selective fluorescent probe for Cu2+based on rhodamine B derivative.[J].Spectrochimica Acta Part A Molecular & Biomolecular Spectroscopy,2014,124(8):416-422.

[12]Yang X H, Li S, Tang Z S,etal. A simple,water-soluble,Fe3+-selective fluorescent probe and its application in bioimaging[J].Chinese Chemical Letters,2014,26(1):129-132.

[13]Zhang Y, Zeng X, Mu L,etal. Rhodamine-triazine based probes for Cu2+in aqueous media and living cells[J].Sensors & Actuators B Chemical,2014,204:24-30.

[14]Ajit Kumar M, Saikat Kumar M, Debasish M,etal. Highly sensitive and selective rhodamine-based “Off-On” reversible chemosensor for tin(Sn4+) and imaging in living cells[J].Inorganic Chemistry,2013,52(19):10825-10834.

[15]Jong Woo Jeong, Boddu Ananda Rao,Young-A Son. Rhodamine-chloronicotinaldehyde-based “OFF-ON” chemosensor for the colorimetric and fluorescent determination of Al3+ions[J].Sensors and actuators B:chemical,2015,208:75-84.

[16]Lionel S, Pierre T, Eric R,etal. Synthesis,structure,and magnetic behavior of a series of trinuclear Schiff base complexes of 5f(UIV, ThIV) and 3d(CuII, ZnII) ions[J].Inorganic Chemistry,2006,45(1):83-93.

[17]Roy N, Pramanik H A R, Paul P C,etal. A highly sensitive and selective fluorescent chemosensor for detection of Zn2+based on a Schiff base[J].Spectrochimica Acta Part A Molecular & Biomolecular Spectroscopy,2015,140:150-155.

[18]Hosseini M, Ghafarloo A, Ganjali M R,etal. A turn-on fluorescent sensor for Zn2+based on new Schiff′s base derivative in aqueous media[J].Sensors & Actuators B Chemical,2014,198:411-415.

[19]Yu X, Aijun T, Peiyuan J,etal. New fluorescent rhodamine hydrazone chemosensor for Cu(II) with high selectivity and sensitivity[J].Organic Letters,2006,8(13):2863-2866.

Synthesis of A Novel Small Molecule Functional Reactive Dye with Cyanuric Chloride as the Spacer

ZHANG Yue-hua1a,GUANG Shan-yi1a*,XI Jiao-jiao1b,WEI Gang1b, GUO Bing-yuan1a,TIAN Jia-chan1a,KE Fu-you1b,XU Hong-yao1b

(a. College of Chemistry, Chemical and Biological Engineering and national dyeing and finishing engineering technology research center; b. College of materials and polymer modified National Key Laboratory, 1. Donghua University, Shanghai 201620, China)

Schiff Base(1) was prepared by reduction reaction of salicylal and amino benzoic acid amide, which was synthesied by amidation reaction of methylp-aminobenzoate and hydrazine hydrate. Rhodamine hydrazine(2) was prepared by ring-closing reaction of Rhodamine B with hydrazine hydrate.Condensation product(3)was prepared by condensation reaction of 2 and cyanuric chloride. Condensation product(4)was prepared by substitution reaction of 3 and 1 in THF at 45～50 ℃ for 6 h. The structure was characterized by1H NMR, IR, MS and elemental analysis.

methylp-aminobenzoate; hydrazine hydrate; Rhodamine B; Schiff base; cyanuric chloride; condensation reaction； synthesis

2015-11-30;

2016-06-28

國家自然科學基金資助項目(21271040, 21171034)

張月華(1991-)，女，漢族，山東臨沂人，碩士研究生，主要從事熒光探針研究。 E-mail: zhangyuehua3333@126.com

光善儀，教授， Tel. 021-67792435, E-mail: syg@dhu.edu.cn

O621.3

ADOI： 10.15952/j.cnki.cjsc.1005-1511.2016.09.15394