杯[4]芳烴四噻吩衍生物的合成*

周小強(qiáng),蔡秀琴,陳 克,雷康佳

(渭南師范學(xué)院 化學(xué)與材料學(xué)院,陜西 渭南 714099)

杯芳烴(Calixarene)是對叔丁基苯酚單元和甲醛通過縮合反應(yīng)制得的具有獨特空腔的一類大環(huán)化合物,其環(huán)腔尺寸易于調(diào)節(jié)且具有很高的熱穩(wěn)定性,易于官能團(tuán)化修飾[1],被廣泛應(yīng)用于分子離子選擇性識別、催化反應(yīng)、萃取分離和功能性材料等領(lǐng)域[2-5]。杯芳烴擁有特殊的結(jié)構(gòu)和多個活性中心,經(jīng)過修飾后可實現(xiàn)對不同配位體的靈活選擇,得到結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)良、類型多樣、穩(wěn)定性好的固相,為難以分離的固相提供了更多的選擇性和可能性。將杯芳烴及其衍生物與層析技術(shù)結(jié)合,可提高檢測的準(zhǔn)確性和分析的靈敏度,在復(fù)雜樣品的分離和分析中具有廣闊的應(yīng)用前景[6]。

與其他杯芳烴相比,杯[4]芳烴更易合成,構(gòu)象易于調(diào)節(jié),其衍生物的合成研究也逐漸增多。杯[4]芳烴上沿的芳環(huán)和下沿的酚羥基經(jīng)官能團(tuán)化修飾后,既能制備出新性能的杯[4]芳烴衍生物,同時也可起到擴(kuò)大空穴的作用。杯[4]芳烴上沿的修飾多通過杯芳烴脫去叔丁基后經(jīng)過原位磺化、胺解等反應(yīng)制備杯[4]芳烴衍生物[7]。杯[4]芳烴下沿的衍生基團(tuán)有席夫堿、酰胺、醚、鹵素等[8]。目前,杯[4]芳烴下沿二取代衍生物的合成相關(guān)研究較多,而下沿四取代衍生物因空間位阻效應(yīng)影響顯著導(dǎo)致其合成研究較少[9-11]。杯[4]芳烴四取代衍生物擴(kuò)大了其絡(luò)合空腔,衍生基團(tuán)中引入N、O、S等雜原子,可增加絡(luò)合的作用位點[9,12]。作者以對叔丁基杯[4]芳烴為起始底物,合成一種含N-亞甲基噻吩基酰胺結(jié)構(gòu)的四取代杯[4]芳烴衍生物。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

對叔丁基杯[4]芳烴：安耐吉化學(xué)公司;甲苯、丙酮、四氫呋喃：分析純,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司,經(jīng)鈉砂無水處理再蒸餾后待用;氯乙酸乙酯、二氯亞砜、二氯甲烷、K2CO3、KI、NaOH：均為分析純,市售。

核磁共振波譜儀： Avance Ⅲ 600 MHz,CDCl3、DMSO-d6為溶劑,TMS為內(nèi)標(biāo),紅外光譜儀： Tensor Ⅱ,KBr壓片法,Bruker。

1.2 目標(biāo)化合物的合成

以對叔丁基杯[4]芳烴(Ⅰ)為起始底物,與氯乙酸乙酯發(fā)生取代反應(yīng)制得對叔丁基杯[4]四取代乙酸乙酯(Ⅱ),Ⅱ在堿性條件下水解得到杯[4]芳烴四乙酸(Ⅲ),再與二氯亞砜反應(yīng)得到杯[4]芳烴四乙酰氯(Ⅳ),最終與2-噻吩甲胺發(fā)生反應(yīng)得到對叔丁基杯[4]四噻吩衍生物(Ⅴ),合成路線見圖1。

圖1 杯[4]芳烴四噻吩衍生物(Ⅴ)的合成路線

1.2.1 對叔丁基杯[4]芳烴四乙酸乙酯(Ⅱ)的合成

將1.944 g(3 mmol)對叔丁基杯[4]芳烴、767 μL(7.2 mmol)氯乙酸乙酯、1 g(7.2 mmol) K2CO3和0.120 g(0.72 mmol) KI加入裝有50 mL無水丙酮的三口燒瓶中,氮氣保護(hù)、t=70 ℃回流10 h后向反應(yīng)體系補(bǔ)加1 g(7.2 mmol) K2CO3、1.2 g(7.2 mmol) KI和767 μL(7.2 mmol)氯乙酸乙酯,氮氣保護(hù)下回流7 d,薄層色譜監(jiān)測反應(yīng)進(jìn)程,直至化合物Ⅰ轉(zhuǎn)化完全。使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀移除大部分溶劑后用質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%的鹽酸洗滌,過濾、干燥得到2.5 g白色粉末,即對叔丁基杯[4]四取代乙酸乙酯(Ⅱ),收率為83%。

1.2.2 杯[4]芳烴四乙酸(Ⅲ)的合成

依次將0.75 g(1 mmol)化合物Ⅱ、56 mL乙醇和7.5 mLw(NaOH)=15%溶液加入圓底燒瓶后加熱回流2 h,再向反應(yīng)體系補(bǔ)加15 mLw(NaOH)=15%溶液,繼續(xù)回流24 h直至水解完全,使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀移除大部分溶劑,剩余物質(zhì)倒入100 mL冰水中,滴加3 mol/L鹽酸至pH=1,抽濾、烘干得到產(chǎn)物Ⅲ白色粉末0.8 g,收率為84%。

1.2.3 杯[4]芳烴四噻吩衍生物(Ⅴ)的合成

依次將0.45 g(0.56 mmol)化合物Ⅲ、72 mL甲苯,1 125 μL(15.4 mmol)二氯亞砜加入圓底燒瓶中加熱回流3.5 h,使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀移除溶劑,再加入45 mL二氯甲烷,減壓蒸餾帶出殘余的二氯亞砜,烘干后得到產(chǎn)物杯[4]芳烴四乙酰氯(Ⅳ)[13]。向化合物Ⅳ中加入45 mL甲苯和247 μL(2.4 mmol) 2-噻吩甲胺,加熱回流直至反應(yīng)完全(約10 h),蒸出溶劑,得到粗產(chǎn)物。通過柱層析分離純化 [V(氯仿)∶V(丙酮)=10∶3為淋洗劑],得到0.1 g黃色固體杯[4]芳烴四噻吩衍生物(Ⅴ),收率為13%。

2 結(jié)果與討論

2.1 化合物合成分析

杯[4]芳烴和氯乙酸乙酯在堿性條件下反應(yīng)制備杯[4]芳烴四乙酸乙酯(Ⅱ)時,氯乙酸乙酯必須過量,以確保杯[4]芳烴4個酚羥基全部被氯乙酸乙酯所取代。杯[4]芳烴四乙酸和二氯亞砜反應(yīng)生成的杯[4]芳烴四乙酰氯(Ⅱ)極易水解,該化合物Ⅳ無需純化,直接與噻吩甲胺反應(yīng)后得到目標(biāo)產(chǎn)物Ⅴ的粗產(chǎn)品。2-噻吩甲胺作為親核試劑與化合物Ⅳ反應(yīng)時,需要4個酰氯全部轉(zhuǎn)化為酰胺,由于空間位阻效應(yīng)顯著,因此所得目標(biāo)產(chǎn)物Ⅴ的收率較低。

2.2 化合物的1H NMR表征

杯[4]芳烴四乙酸乙酯(Ⅱ)：1H NMR(CDCl3,600 MHz),δ1.07(s,36H,—C(CH3)3),1.26(t,12H,—CH2CH3),3.17(d,J=14.0,4H,—ArCH2Ar—),4.18(q,8H,—CH2CH3),4.80(s,8H,—ArOCH2),4.83(d,J=14.0,4H,—ArCH2Ar—),6.78(s,8H,—ArH)。與文獻(xiàn)[14]報道一致。

杯[4]芳烴四乙酸(Ⅲ)：1H NMR(CDCl3,600 MHz),δ1.15(s,36H,—C(CH3)3),3.37(d,J=14.0,4H,—ArCH2Ar—),4.34(d,J=14.0,4H,—ArCH2Ar—),4.48(s,8H,—ArOCH2),7.11(s,8H,—ArH),7.82(br s,COOH)。與文獻(xiàn)[15]報道一致。

δ圖2 杯[4]芳烴四噻吩衍生物(Ⅴ)的1H NMR譜圖

2.3 化合物Ⅴ的IR分析

化合物Ⅴ的IR譜圖見圖3。

σ/cm-1圖3 杯[4]芳烴四噻吩衍生物(V)的IR譜圖

3 結(jié) 論

以杯[4]芳烴為起始原料,通過與氯乙酸乙酯的親核取代、水解、氯代反應(yīng)后轉(zhuǎn)化為杯[4]芳烴四乙酰氯,再通過與2-噻吩甲胺的親核取代反應(yīng)成功合成了杯[4]芳烴四噻吩衍生物,討論了合成過程中的影響目標(biāo)化合物收率的因素,通過1H NMR、IR測試確認(rèn)了目標(biāo)化合物Ⅴ的結(jié)構(gòu),與預(yù)期一致。