幾種三嗪基多哌嗪類二硫代卡巴腙衍生物的合成與表征

吳 堯，羅陳林，蔣紫薇，雷金玉，朱嘉君，蔣選豐

(1.湖北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430000； 2.黃岡師范學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，湖北 黃岡 438000)

硫代卡巴腙衍生物在熒光探針[1]、配位催化[2]、超分子自組裝[3-6]以及高分子聚合[7-8]等方面有著廣泛的應(yīng)用。因此，通過化學(xué)合成方法實(shí)現(xiàn)不同功能的硫代卡巴腙衍生物的可控制備已經(jīng)受到人們廣泛關(guān)注[9]。從文獻(xiàn)報(bào)道來看[10]，常見的鏈狀烷基胺取代的二硫代卡巴腙衍生物是通過原位反應(yīng)“一鍋法”合成得到的，但是所得化合物性質(zhì)極不穩(wěn)定，易與空氣中的氧氣反應(yīng)形成過硫化物。因此，這類鏈狀烷基胺取代的硫代羧酸衍生物很難實(shí)現(xiàn)分離與表征，并且難以在室溫下存放，進(jìn)而影響與金屬離子的配位自組裝以及硫-烯和硫-炔聚合物反應(yīng)活性。為了改善脂肪胺基二硫代卡巴腙衍生物的化學(xué)穩(wěn)定性，本課題組設(shè)計(jì)合成了一系列以1，3，5-位三嗪為中心結(jié)構(gòu)的多取代哌嗪類二硫代卡巴腙化合物，這類新穎化合物中含有的哌嗪基團(tuán)的半剛性六元環(huán)狀骨架可以通過推-拉電子效應(yīng)提高相應(yīng)硫代卡巴腙化合物的化學(xué)穩(wěn)定性[4]。本文報(bào)道的一系列含三嗪中心骨架的多哌嗪基二硫代卡巴腙衍生物具有獨(dú)特的鉗形結(jié)構(gòu)，能和過渡金屬離子形成配位作用強(qiáng)、理化性質(zhì)穩(wěn)定的超分子配合物，可應(yīng)用于重金屬離子熒光探針、OLED發(fā)光材料、VOCs熒光傳感器和超分子光開關(guān)等方面。

1 試劑與儀器

三聚氯氰、1-Boc-哌嗪、四氫呋喃、二氧六環(huán)、二硫化碳、等均為分析純。

1H NMR和13C NMR: Bruker AIVEN400(300MHz)和 Bruker AIVEN400(100MHz)(CDCl3或DMSO為溶劑，TMS為內(nèi)標(biāo))；質(zhì)譜：BIFLEX III 型FT-ICR質(zhì)譜儀(ESI)(CH3OH為溶劑)。

2 實(shí)驗(yàn)原理

根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道的合成機(jī)理，三聚氯氰分子中的3個(gè)C-Cl單鍵的親核取代活性有非常明顯的差異。具體表現(xiàn)如下：通常三聚氯氰中1-位氯的親核取代反應(yīng)在低溫下(-5 ～ 0℃)可以自發(fā)進(jìn)行。然而，當(dāng)反應(yīng)溫度升高到室溫(不高于40℃)，其中3-位氯的反應(yīng)活性被激活，可以被親核試劑取代，氯原子離去并生成1，3-位二取代產(chǎn)物。當(dāng)溫度升高到85℃到120℃區(qū)間，位于5-位的氯才能被取代，最終形成1，3，5-位三取代三嗪衍生物。很明顯，三聚氯氰分子中不同位置的C-Cl鍵的分步斷裂的活化能有較大差異。因此，本文通過改變反應(yīng)溫度將不同功能有機(jī)胺(哌嗪和烯丙基胺)分級(jí)引入到三嗪骨架上，得到一系列不同構(gòu)型的N-雜環(huán)分子，最終通過與二硫化碳在KOH的堿液中反應(yīng)生成具有特定配位和聚合功能的以三嗪為中心結(jié)構(gòu)的對(duì)稱和不非對(duì)稱取代的哌嗪類二硫代卡巴腙產(chǎn)物5、9和12，并運(yùn)用核磁共振譜儀和質(zhì)譜儀對(duì)中間產(chǎn)物和目標(biāo)分子進(jìn)行了表征。

2.1 具有單一配位或者聚合功能基團(tuán)的三嗪基多哌嗪類二硫代卡巴腙衍生物的制備

本文采用三聚氯氰和N-Boc哌嗪作為反應(yīng)原料，以碳酸鉀作為堿，在二氧六環(huán)溶液中加熱至85℃，通過“一鍋法”實(shí)現(xiàn)三聚氯氰中3個(gè)C-Cl鍵的斷裂和親核取代，生成中間體3。在第二步反應(yīng)中，利用濃鹽酸酸化脫保護(hù)生成中間體4[11]。以化合物4為原料，通過二硫化碳分子與哌嗪基團(tuán)之間的親核加成反應(yīng)生成相應(yīng)的二硫代卡巴腙產(chǎn)物(化合物5)，如圖1所示。

圖1 化合物5的合成路徑

2.2 具有多功能配位或聚合功能基團(tuán)的非對(duì)稱三嗪基多哌嗪類二硫代卡巴腙衍生物的制備

為了得到一系列不對(duì)稱的雙功能化哌嗪基二硫代卡巴腙衍生物，本文在化合物5合成方法的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)。原料三聚氯氰和N-Boc哌嗪(1∶2)，在含有碳酸鉀的二氧六環(huán)溶液中室溫?cái)嚢璺磻?yīng)，成功實(shí)現(xiàn)三聚氯氰中1，3-位兩個(gè)C-Cl鍵的斷裂和親核取代，生成中間體6。在第二步反應(yīng)中，將4-吡啶基哌嗪與化合物6(1∶1)溶解在含有碳酸鉀的二氧六環(huán)溶液中，同時(shí)升高反應(yīng)溫度至110 ℃，攪拌一天后得到化合物7。與化合物4的合成方法相同，利用濃鹽酸酸化脫保護(hù)生成中間體8。與化合物5的合成方法不同，通過改變反應(yīng)溫度成功實(shí)現(xiàn)三嗪骨架中的2，4，6-位C-Cl鍵的可控?cái)嗔巡⒎旨?jí)親核取代，從而引入不同的功能基團(tuán)得到相應(yīng)不對(duì)稱功能分子。然后，通過二硫化碳分子與化合物8中哌嗪基團(tuán)之間的親核加成反應(yīng)生成相應(yīng)的二硫代卡巴腙產(chǎn)物9，具體合成步驟如圖2所示。

圖2 化合物9的合成路徑

在上述分級(jí)合成方法基礎(chǔ)上，將具有共價(jià)交聯(lián)聚合特性的二烯丙基胺基團(tuán)引入到三嗪骨架上，得到另外一類雙功能三嗪基哌嗪二硫代羧酸模塊分子11和12。具體合成方法如圖3所示。

圖3 化合物12的合成路徑

3 合成與表征

3.1 化合物5(2，4，6-三(4-(1-二硫代羧酸基)哌嗪基)-1，3，5-三嗪鉀鹽)的合成制備與表征

化合物3 (2，4，6-三(1-Boc哌嗪基)-1，3，5-三嗪)的合成：將三聚氯氰(0.92 g,5.03 mmol)、 1-哌嗪-Boc(3.3 g，15.21 mmol)、 K2CO3(0.69 g，5 mmol)加入到80 mL四氫呋喃中，85℃攪拌回流，反應(yīng)48 h以后經(jīng)過真空旋干、水洗、過濾、烘干得到干燥的化合物3(2.70 g，收率85%)。1H NMR (300 MHz, Chloroform-d)δ3.73 (t,J=5.1 Hz, 11H), 3.44 (t,J=5.1 Hz, 12H), 1.48 (s, 27H)；13C NMR(100 MHz, Chloroform-d)δ165.39, 154.80, 79.82, 67.06, 43.03, 28.41。

化合物4(2，4，6-三(4-哌嗪基)-1，3，5-三嗪)的合成：稱取化合物3(2.80 g，4.42 mmol)，以20 mL乙醇為溶劑，加入約5 mL水和5 mL濃鹽酸(1 M)，50 ℃攪拌回流，反應(yīng)48 h。反應(yīng)完成后將溶劑旋干，加入少量水，超聲后逐滴加入NaOH濃溶液至混合物pH達(dá)到14，加入約50 mL二氯甲烷不斷攪拌并萃取，將分液后的有機(jī)相備用，將水相使用50 mL二氯甲烷進(jìn)行再次分液，重復(fù)以上萃取操作3～5次，將所有分液得到的有機(jī)相混合后使用約4 g無水硫酸鈉干燥并減壓旋干溶劑即得到化合物4(1.19 g，收率 81%)，HR-ESI-MS (CH3OH) m/z:[M+H]+, 分子式為 C15H27N9+, 理論值為334.25; 實(shí)驗(yàn)值為 334.25。

化合物5的合成：以50 mL密封直形反應(yīng)管為容器，將化合物4 (1.20 g,3.60 mmol)和KOH(0.5 g，8.93 mmol)溶于20 mL乙醇溶劑中通氮?dú)庀聰嚢瑁郎刂?0 ℃反應(yīng)過夜，密封條件下加入CS2(1 mL，15 mmol)，繼續(xù)反應(yīng)24 h，反應(yīng)完成后將溶劑旋干，加入3～5 mL甲醇，超聲溶解，再灌入約10 mL乙醚重結(jié)晶得到淡黃色粉末狀的目標(biāo)化合物5 (1.94 g，收率80 %，純度96%，熔點(diǎn)262～263 ℃)。1H NMR (300 MHz, DMSO-d6, 298 K)δ3.64 (s, 12H, ), 3.35 (s, 14H)；13C NMR (100MHz, DMSO-d6)δ214.60, 165.12, 49.33, 43.21，其核磁共振氫譜與碳譜圖分別見圖4和圖5。

圖4 化合物5的核磁共振氫譜圖

在目標(biāo)化合物5結(jié)構(gòu)中，其三嗪骨架中1，3，5-位由哌嗪二硫代羧酸基取代，是一類具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)的分子。核磁共振譜1H NMR 和13C NMR 結(jié)果表明文中所合成的目標(biāo)化合物5結(jié)構(gòu)正確，并且該化合物在空氣中可穩(wěn)定存放，其化學(xué)穩(wěn)定性較好。這種半剛性含有氮硫的三腳架配體能與各種過渡金屬離子通過強(qiáng)配位作用形成功能超分子配合物組裝體。

3.2 化合物9(2，4-二(1-二硫代羧酸基-4-哌嗪基)-6-(1-(4-吡啶基)-4-哌嗪基)-1，3， 5-三嗪鉀鹽)的合成制備與表征

化合物6 (2，4-二(1-Boc基-4-哌嗪基)-6-氯-1，3，5-三嗪)的合成：以三聚氯氰(1 g，5.46 mmol)、 1-哌嗪-Boc(1.03 g，5.50 mmol)、碳酸鉀(3.8 g，27.5 mmol)為反應(yīng)物，85℃攪拌回流，反應(yīng)48 h以后經(jīng)過真空旋干、水洗、過濾、烘干得到干燥的化合物6 (2.26 g，收率85 %)。1H NMR (300 MHz, Chloroform-d)δ3.82 (s, 8H), 3.51 (s, 8H), 1.53 (d,J=2.0 Hz, 18H)；13C NMR (100 MHz, Chloroform-d)δ165.39, 154.80, 79.82, 43.03, 28.41；HR-ESI-MS (CH3OH) m/z:[M+H]+, 分子式為 C21H34ClN7O4+,理論值為 483.24; 實(shí)驗(yàn)值為 484.6。

化合物7(2，4-二(1-Boc基-4-哌嗪基)-6-(1-(4-吡啶基)-4-哌嗪基)-1，3，5-三嗪)的合成制備：以化合物6(2.30 g，4.77 mmol)、(4-吡啶基)-1-哌嗪(0.80 g 4.91 mol)、K2CO3(1.97 g，14.31 mol)為反應(yīng)物，85℃攪拌回流，反應(yīng)48 h以后經(jīng)過真空旋干、水洗、過濾、烘干得到干燥的化合物7(2.47 g，收率 85%)。13C NMR (100MHz, Chloroform-d)δ165.35 (d,J=3.9 Hz), 154.81 , 149.33, 108.25, 79.91, 45.81, 42.74 (d,J=79.0 Hz), 28.42; HR-ESI-MS (CH3OH) m/z: [M+H]+, 分子式為C30H46N10O4+, 理論值為 611.37; 實(shí)驗(yàn)值為 611.38。

化合物8(2，4-二(1-Boc基-4-哌嗪基)-6-(1-(4-吡啶基)-4-哌嗪基)-1，3，5-三嗪)的合成制備：以化合物7(2.3 g，3.77 mmol)為反應(yīng)物。反應(yīng)完成后將溶劑旋干，加入少量水，超聲后逐滴加入NaOH濃溶液至混合物pH達(dá)到14，加入約50 mL二氯甲烷不斷攪拌并萃取，將分液后的有機(jī)相備用，將水相使用50 mL二氯甲烷進(jìn)行再次分液，重復(fù)以上萃取操作3～5次，將所有分液得到的有機(jī)相混合后使用約4 g無水硫酸鈉干燥并減壓旋干溶劑即得到化合物8(1.24 g，收率 81 %)。1H NMR (300 MHz, DMSO-d6)δ14.02 (s,1H), 9.69 (s, 4H), 8.29 (t,J=5.4 Hz, 2H), 7.25 (dd,J=14.6, 7.0 Hz, 2H), 4.18～3.87 (m, 12H), 3.09 (s, 8H); ESI-MS (CH3OH) m/z： HR-ESI-MS (CH3OH) m/z:[M+H]+, 分子式為為C20H30N10+, 理論值為411.27；實(shí)驗(yàn)值為 411.27。

化合物9的合成：以化合物8 (1.3 g，2.04 mmol)和KOH (0.68 g，12.2 mmol)為反應(yīng)物，40 ℃反應(yīng)過夜，密封條件下加入 CS2(1 mL，15 mmol)，繼續(xù)反應(yīng)24 h，反應(yīng)完成后將溶劑旋干，加入3～5 mL甲醇，超聲溶解，再灌入約10 mL乙醚重結(jié)晶得到白色粉末狀的目標(biāo)化合物9 (1.04 g,收率 80 %，純度92%，熔點(diǎn)222～223 ℃)。1H NMR (300 MHz, DMSO-d6)δ8.17 (dd,J=6.0, 2.5 Hz, 2H), 6.83 (m, 2H), 4.38 (brs, 9H), 3.81 (t,J=4.1Hz,4H), 3.65(brs, 9H), 3.37 (d,J=5.6 Hz, 5H)，具體核磁共振氫譜見圖6。

在目標(biāo)化合物9結(jié)構(gòu)中，三嗪基2，4-位被(二硫代羧酸基)-哌嗪基取代，6-位被吡啶哌嗪基取代，結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱，是一類新型的雙功能氮雜環(huán)二硫代羧酸有機(jī)配體，可通過硫代羧酸中的兩個(gè)硫原子與金(I)橋連配位形成一級(jí)超分子自組裝體。接著，未參與一級(jí)組裝的吡啶基團(tuán)可繼續(xù)與其它過渡金屬進(jìn)行二級(jí)配位組裝，從而得到結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜并且功能更加多樣的超分子聚集體。通過上述溫度控制的分級(jí)取代反應(yīng)，可以在三嗪骨架上的引入不同的功能基團(tuán)，實(shí)現(xiàn)不對(duì)稱功能模塊分子的可控合成。

圖6 化合物9的核磁共振氫譜圖

3.3 化合物12 (2，4-二(1-二硫代羧酸基-4-哌嗪基)-6-(N，N-二烯丙基)-1，3，5-三嗪) 的合成制備與表征

化合物10(2，4-二(1-Boc基-4-哌嗪基)-6-(N，N-二烯丙基)-1，3，5-三嗪)的合成制備：以化合物6(1 g ,2.07 mmol)、二烯丙胺(1.3 mL，10 mmol)、K2CO3(1.38 g，10 mmol)為反應(yīng)物，85 ℃攪拌回流，反應(yīng)48 h以后經(jīng)過真空旋干、水洗、過濾、烘干得到干燥的化合物10(0.93 g，收率82 %)。1H NMR(300 MHz, DMSO-d6)δ9.58 (s, 4H), 3.94 (t,J=5.1 Hz, 8H), 3.60 (dq,J=12.0, 6.7 Hz, 8H), 3.46 (q,J=7.0 Hz, 2H), 3.20～3.00 (m, 8H), 1.08 (t,J=7.0 Hz, 2H). 3.35 (s, 17H), 1.44 (s, 19H)。

化合物11 (2，4-二(1-氫-4-哌嗪基)-6-(N，N-二烯丙基)-1，3，5-三嗪鹽酸鹽) 的合成：以化合物10(0.9 g，1.65 mmol)為反應(yīng)物。反應(yīng)完成后將溶劑旋干，加入少量水，超聲后逐滴加入NaOH濃溶液至混合物pH達(dá)到14，加入約50 mL二氯甲烷不斷攪拌并萃取，將分液后的有機(jī)相備用，將水相使用50 mL二氯甲烷進(jìn)行再次分液，重復(fù)以上萃取操作3～5次，將所有分液得到的有機(jī)相混合后使用約4 g無水硫酸鈉干燥并減壓旋干溶劑最后酸化即得到化合物11 (0.49 g,收率85 %)。

化合物12的合成：以化合物11 (0.49 g，1.41 mmol)和 KOH (0.4 g，7.10 mol)為反應(yīng)物，40 ℃反應(yīng)過夜，密封條件下加入 CS2(1 mL，15 mmol)，繼續(xù)反應(yīng)24 h，反應(yīng)完成后將溶劑旋干，加入3～5 mL甲醇，超聲溶解，再灌入約10 mL乙醚重結(jié)晶得到白色粉末狀的目標(biāo)化合物12 (0.69 g，收率86 %，純度96%，熔點(diǎn)205～206 ℃)。1H NMR (300 MHz, DMSO-d6)δ5.82 (brs, 2H),5.11 (t,J=13.7 Hz, 4H), 4.35 (t,J=5.3 Hz, 8H), 4.09 (d,J=5.7 Hz, 4H),3.62 (t,J=5.3 Hz, 8H);13C NMR (100 MHz, DMSO-d6)δ214.73, 194, 165.28, 165.09, 134.98, 116.80, 66.51, 49.33, 48.51, 43.21, 42.40，具體核磁共振氫譜與碳譜圖見圖7和圖8。

在目標(biāo)化合物12結(jié)構(gòu)中，三嗪基1，3-位同樣被(二硫代羧酸基)-哌嗪基取代。不同的是，5-位被烯丙胺基團(tuán)取代，這類含雙鍵的硫代羧酸配體可以在與通過配位作用與過渡金屬離子組裝成超分子聚集體后再利用硫-烯自由基聚合反應(yīng)進(jìn)行光誘導(dǎo)聚合，從而得到應(yīng)用廣泛的多維多孔高分子聚合物。

圖7 化合物12的核磁共振氫譜圖

本文提供了一種三嗪基多哌嗪類二硫代卡巴腙鉀鹽的制備方法，通過1H NMR,13C NMR和HR-ESI-MS等分析測(cè)試手段對(duì)上述化合物進(jìn)行了表征，結(jié)果表明文中報(bào)道的中間化合物及目標(biāo)產(chǎn)物結(jié)構(gòu)正確。我們利用三聚氯氰中1，3，5-位3個(gè)C-Cl鍵親核取代活性的差異，通過改變反應(yīng)溫度在其3個(gè)位置上實(shí)現(xiàn)不同官能團(tuán)的分級(jí)引入，最終成功制備得到一系列穩(wěn)定的三嗪基多哌嗪二硫代卡巴腙衍生物。這類化合物是一類具有強(qiáng)配位能力和共價(jià)交聯(lián)活性的含硫有機(jī)配體和高分子聚合單體，可以通過配位作用與過渡金屬離子組裝成具有不同結(jié)構(gòu)和功能的配位聚合物和超分子聚集體。除此之外，利用硫-烯和硫-炔聚合物等自由基聚合反應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)上述化合物在多維多孔高分子聚合物的可控光誘導(dǎo)聚合中的應(yīng)用?；诖?，本課題組正在開展相關(guān)后續(xù)研究工作。