吡唑啉類化合物的典型合成及新應(yīng)用

常金宇，張福群，崔俊杰

吡唑啉類化合物的典型合成及新應(yīng)用

常金宇1，張福群1，崔俊杰2

（1. 沈陽化工大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110142； 2. 中國石油大學(xué)（北京），北京 102249）

吡唑啉類化合物作為一種五元氮雜環(huán)類物質(zhì)，具有結(jié)構(gòu)多樣性和獨(dú)特性，在生物醫(yī)藥、光電材料、航空燃料等領(lǐng)域具有廣泛的用途。對制備吡唑啉類化合物的環(huán)加成反應(yīng)法、酮連氮內(nèi)環(huán)化法、重氮鹽與肼類反應(yīng)法等典型合成方法，吡唑啉類化合物在生物醫(yī)藥、熒光探針、防腐材料、航空燃料領(lǐng)域的新應(yīng)用進(jìn)行了綜述。

吡唑啉；抗腐蝕；燃料

吡唑啉化合物作為一種結(jié)構(gòu)多樣的五元氮雜環(huán)物質(zhì)，在各個領(lǐng)域都具有廣泛的用途。在防腐材料領(lǐng)域，吡唑啉所含有的氮雜原子是已知的有效的腐蝕抑制劑[1]；在生物醫(yī)藥領(lǐng)域，吡唑啉類衍生物具有高生物活性[2]，通常被用作抗癌、抗結(jié)核、抗抑郁等的藥物[3-5]；在航空燃料領(lǐng)域，吡唑啉類衍生物可通過脫氮反應(yīng)合成具有高張力能、高體積熱值的三元環(huán)類高能燃料[6]。因此，吡唑啉類化合物的合成方法及新應(yīng)用研究一直是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。本文對吡唑啉類化合物的典型合成方法和應(yīng)用進(jìn)行了綜述。

1 吡唑啉的合成路線

1.1 環(huán)加成反應(yīng)法

吡唑啉類化合物的制備方法有很多，其中比較主流的合成方法有如下幾種：Mannich堿與肼類反應(yīng)[7]，重氮鹽與肼反應(yīng)[8]，不飽和酮與肼反應(yīng)[9]，環(huán)加成反應(yīng)[10-11]和酮聯(lián)氮內(nèi)環(huán)化反應(yīng)[12]。本文著重介紹環(huán)加成反應(yīng)法、重氮鹽與肼反應(yīng)法、酮連氮內(nèi)環(huán)化法和不飽和酮與肼反應(yīng)法。Kula等[10]將二芳基二偶氮甲烷作為三原子組分與(E)-3,3,3-三氯-1-硝基丙烯進(jìn)行[3+2]區(qū)域選擇性的環(huán)加成反應(yīng)，合成了帶有兩個相鄰的苯環(huán)的吡唑啉類化合物（圖1），并通過分子電子密度理論對該反應(yīng)的過程進(jìn)行了機(jī)理探討。

圖1 重氮甲烷與烯烴環(huán)加成合成吡唑啉[10]

除[3+2]環(huán)加成反應(yīng)外，1,3-偶極環(huán)加成反應(yīng)也是合成吡唑啉化合物的常用手段。Wang等[13]在室溫下使用302 nm的手持式紫外線燈對二芳酰四唑輻射2 h得到取代吡唑啉（圖2），為吡唑啉化合物提供了一種溫和的光催化的方法，此方法具有良好的溶劑相容性、官能團(tuán)耐受性和區(qū)域選擇性。

圖2 1,3-偶極環(huán)加成合成吡唑啉[13]

1.2 重氮鹽與肼類反應(yīng)法

Turkan等[8]以4-溴苯胺、亞硝酸鈉為原料反應(yīng)合成4-溴苯胺重氮鹽，重氮鹽再與苯甲酰乙酸乙酯偶聯(lián)生成乙基2-（（4-溴苯基）二氮烯基）3-氧代乙基乙酸苯甲酰乙酯，最后在低溫環(huán)境下加入不同類別肼類化合物得到一系列吡唑啉類衍生物（圖3），產(chǎn)率在40%～70%范圍內(nèi)。

圖3 重氮鹽與肼類反應(yīng)法合成吡唑啉[8]

1.3 酮連氮內(nèi)環(huán)化法

Kukharev等[12]通過碘單質(zhì)在氫氣氣氛下催化酮連氮，合成了2-吡唑啉類化合物（圖4），獲得甲基取代的2-吡唑啉產(chǎn)率可達(dá)94%。Xia等[14]通過Lewis酸性金屬鹽對不同支鏈基團(tuán)酮連氮進(jìn)行催化反應(yīng)，考察了不同金屬鹽對酮連氮環(huán)化合成2-吡唑啉反應(yīng)的影響，研究結(jié)果表明FeCl3有著最高的催化效果。

圖4 酮連氮法合成吡唑啉[12]

1.4 不飽和酮與肼反應(yīng)法

Amir等[9]通過使用水合肼作為環(huán)化試劑并用鹽酸進(jìn)行催化反應(yīng)，合成了3-(4-聯(lián)苯基)-5-取代苯基-2-吡唑啉（圖5）。首先以芳香醛和4-乙酰基聯(lián)苯為原料，在KOH的乙醇溶液中合成查爾酮，再加入環(huán)化試劑水合肼，在HCl催化下反應(yīng)生成3-(4-聯(lián)苯基)-5-取代苯基-2-吡唑啉，吡唑啉產(chǎn)物經(jīng)過苯甲酰氯處理后可以得到新的吡唑啉類衍生物。

圖5 不飽和酮與肼合成吡唑啉[9]

2 吡唑啉類化合物的應(yīng)用

2.1 吡唑啉類化合物在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用

吡唑啉類化合物由于其特殊的結(jié)構(gòu)在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用尤其廣泛[15-17]。Kumar等[18]通過吡唑啉環(huán)炔與2-溴-N-芳基乙酰胺間的1,3-偶極環(huán)加成反應(yīng)，設(shè)計(jì)和合成了一系列新的吡唑啉酰胺基的1,2,3-三唑雜化物。并對所有新合成的化合物進(jìn)行了包括大腸桿菌、枯草桿菌、金黃色葡萄球菌、黑曲霉和白色念珠菌在內(nèi)的微生物菌株體外評估。Rasal等[19]設(shè)計(jì)并合成了一系列3-三氟甲基吡唑和吡唑啉-吡咯衍生物相連的化合物，并對NCI 60個癌癥細(xì)胞系進(jìn)行了進(jìn)一步的體外細(xì)胞抑制活性篩選。其中化合物(E)-1-(4-(3-(三氟甲基)-1H-吡唑-1-基)苯基)-3-(1H-吡咯-2-基)丙-2-烯-1-酮和(E)-1-(4-(3-(三氟甲基)-1H-吡唑-1-基)-3-甲基苯基)-3-(1H-吡咯-2-基)丙-2烯-1-酮抗增生活性明顯，在10 μmol·L-1濃度下的生長百分比分別為-77.10%和-92.13%。羅杰偉等[20]通過不飽和醛酮加成反應(yīng)合成了化合物[3-(4-N,N- dimethyl-pyenyl)-5-Anthracen-9-yl]-Pyrazoline和化合物[3-ferroceny-5-(Anthracen-9-yl)-Pyrazoline]并進(jìn)行了抗菌活性試驗(yàn)，兩種物質(zhì)均顯示了較好的抗菌效果，其中3-(4-N,N-dimethyl-pyenyl)-5-Anthracen-9- yl]-Pyrazoline抗菌效果較好，認(rèn)為其連接的N,N-二甲基苯環(huán)可能起到了關(guān)鍵的抗菌作用。韓金良等[21]設(shè)計(jì)合成了一系列含鹵素的吡唑啉化合物，并進(jìn)行了體外抗腫瘤細(xì)胞實(shí)驗(yàn)展現(xiàn)出了明顯的抗活效果。張應(yīng)鵬等[22]合成了14種吡唑啉化合物并對三類癌細(xì)胞株進(jìn)行體外抗腫瘤活性實(shí)驗(yàn)，均有一定的抑制作用。何冬梅等[23]以孕烯醇酮為原料α,β-不飽和酮與肼的反應(yīng)得到了4種具有吡唑啉結(jié)構(gòu)的甾體芳雜環(huán)化合物。并采用MTT法對三類癌細(xì)胞株進(jìn)行體外抗腫瘤活性實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明4種具有吡唑啉結(jié)構(gòu)的甾體芳雜環(huán)化合物均表現(xiàn)出很好的生長抑制活性。

2.2 吡唑啉類化合物在熒光探針領(lǐng)域的應(yīng)用

在熒光探針領(lǐng)域，由于吡唑啉類衍生物的-π共軛五元氮雜環(huán)結(jié)構(gòu)[4,24]，過渡金屬離子和其產(chǎn)生配位作用，在于其絡(luò)合后產(chǎn)生熒光特性，可以被作為熒光探針對各種金屬離子檢測。羅杰偉等[25]以9-蒽醛為熒光基團(tuán)，嗎啉環(huán)和吡唑環(huán)為識別基團(tuán),合成了一種新型熒光探針1,5-二苯基-3-(10-(嗎啉甲基)蒽-2-基)吡唑啉（PMAP）。探針PMAP對Fe3+、Cu2+的識別效果良好，通過熒光光譜實(shí)驗(yàn)測得探針PMAP對Fe3+、Cu2+的熒光量子產(chǎn)率分別從0.14降到0.05和0.14降到0.04。張應(yīng)鵬等[26]設(shè)計(jì)合成了1-（2-羥基苯基）-4-（9-蒽基）-3-苯并噻唑基吡唑啉（P1）,通過紫外吸收和熒光光譜法研究了化合物與金屬離子的識別特性，通過熒光光譜實(shí)驗(yàn)測得探針 P1對Cu2＋的熒光量子產(chǎn)率從0.24降低至0.065，證明了熒光探針P1可以高效的識別Cu2+。

2.3 吡唑啉類化合物在防腐材料領(lǐng)域的應(yīng)用

唑類雜環(huán)化合物是廣泛使用的有機(jī)緩蝕劑，吡唑啉是典型的含氮雜環(huán)化合物，添加緩蝕劑防腐尤為重要[27]。鄒立科等[28]合成了一類吡唑啉衍生物作為金屬酸洗緩蝕劑并選用3-苯基-5-（對二甲氨基苯基）-4,5-二氫-lH-吡唑啉進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過在不同溫度下，不同酸濃度下，不同濃度緩蝕劑的條件下介紹了其緩蝕性能。研究結(jié)果表明在30 ℃下，1 mol·L-1鹽酸中使用質(zhì)量濃度為160 mg·L-1的3-苯基-5-（對二甲氨基苯基）-4,5-二氫-lH-吡唑啉對Q235碳鋼的緩蝕率可達(dá)92.21%。Lgaz等[1,29]合成了兩種吡唑啉化合物2-（4-（5-（對甲苯基）-4,5-二氫-1H-吡唑-3-基）苯氧基）乙酸（PYR-1）和2-（4-（5-（4-硝基苯基）-4,5-二氫-1H-吡唑-3-基）苯氧基）乙酸（PYR-2），兩種吡唑啉化合物提高了在30 ℃的1 mol·L-1鹽酸中碳鋼的抗腐蝕性能。PYR-1和PYR-2的最大抑制效率分別為94%和88%（基于電化學(xué)結(jié)果）。吡唑啉在室溫下能夠延緩腐蝕，在較高溫度下表現(xiàn)出高抑制效率。

2.4 吡唑啉類化合物在航空燃料領(lǐng)域的應(yīng)用

吡唑啉化合物中的2-吡唑啉化合物由于其結(jié)構(gòu)上含有（C=N-NH-C）的功能基團(tuán)，該功能基團(tuán)在高溫環(huán)境下容易發(fā)生脫氮反應(yīng)，進(jìn)而形成三元環(huán)結(jié)構(gòu)[30]。周恩眾[31]通過以5-甲基-3,5-二丙基-2-吡唑啉為中間體合成了一種新型高能燃料，并測得其凈熱值為43.58 MJ·kg-1。經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)不僅高于汽油和柴油等傳統(tǒng)陸地燃料，也高于JP-10、RJ-7等航天燃料[32]。

3 結(jié) 論

吡唑啉化合物由于其特殊的結(jié)構(gòu)多樣性，可以在自身的氮雜環(huán)上引入各種需要的取代基來改變其內(nèi)部結(jié)構(gòu)性質(zhì)來達(dá)到預(yù)期性能，進(jìn)而可以廣泛地使用在各個領(lǐng)域。在合成方法方面，環(huán)加成反應(yīng)、重氮鹽與肼類反應(yīng)法、酮聯(lián)氮內(nèi)環(huán)化法各有優(yōu)缺點(diǎn)，研究人員可依據(jù)取代基的不同適當(dāng)選擇。在應(yīng)用方面，吡唑啉類化合物在抗腐蝕材料、新型高能燃料領(lǐng)域的應(yīng)用較少，是未來發(fā)展的重要方向。

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Typical Synthesis and New Applications of Pyrazoline Compounds

1,1,2

（1. College of Environmental and Safety Engineering, Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang Liaoning 110142, China; 2. China University of Petroleum (Beijing), Beijing 102249, China）

Pyrazoline compounds as a kind of five-membered nitrogen heterocyclic compounds, with structural diversity and uniqueness, have a wide range of applications in biomedical, optoelectronic materials, aviation fuel and other fields. In this paper, the typical synthesis methods for the preparation of pyrazoline compounds were introduced, such as cycloaddition reaction, keto-nitrogen cyclization, diazonium salt and hydrazine reaction. New applications of pyrazoline compounds in biomedicine, fluorescent probes, preservative materials and aviation fuels were reviewed.

Pyrazoline; Anticorrosion; Fuel

2021-09-02

常金宇（1996-），男，遼寧省錦州市人，碩士研究生，2019年畢業(yè)于沈陽化工大學(xué)安全工程專業(yè)，研究方向：新型燃料合成、制備及過程安全工作。

張福群（1973-），男，教授，博士學(xué)位，研究方向：化工企業(yè)危險(xiǎn)源辨識與控制。

TQ03-39

A

1004-0935（2021）11-1704-04