烯酰嗎啉衍生物的合成

劉 娟, 張晨曦, 李 慶, 萬(wàn)東升, 王加輝, 薛志勇

(武漢紡織大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院,湖北 武漢 430073)

卵蟲病害是一種真核病原體,作為長(zhǎng)期以來(lái)嚴(yán)重?fù)p害農(nóng)作物產(chǎn)品的元首,其生長(zhǎng)周期短、傳播速度快且侵害范圍廣,給宿主帶來(lái)災(zāi)難性的病害,嚴(yán)重威脅著農(nóng)作物的成長(zhǎng),給農(nóng)業(yè)作物相關(guān)領(lǐng)域的經(jīng)濟(jì)造成巨大損失[1-4]。隨著農(nóng)作物種植品種的不斷增加,卵蟲病害的危害日漸嚴(yán)重。當(dāng)前,卵菌病毒防治主要分為3種方法:農(nóng)業(yè)防治、生物防治和化學(xué)防治[5]。其中,化學(xué)防治作為卵菌病毒的主要依賴方法,使用了具有殺菌劑的農(nóng)藥來(lái)防治植物病害。

烯酰嗎啉,作為肉桂酸的衍生物,是一種對(duì)卵菌病有專一殺菌活性的殺菌劑[6]。烯酰嗎啉具有抑菌活性高、內(nèi)吸傳導(dǎo)性強(qiáng)等特點(diǎn),其Z式結(jié)構(gòu)具有殺菌活性,對(duì)抑制病菌作用很較為顯著[7-9]。隨著烯酰嗎啉在內(nèi)的殺菌劑在農(nóng)作物卵菌病害中的廣泛應(yīng)用,農(nóng)作物面臨的抗藥問(wèn)題也越來(lái)越引起人們的重視。近年來(lái),為了避免單一品種長(zhǎng)期使用,進(jìn)一步優(yōu)化卵菌病害的預(yù)防與治療效果,科研工作者隨后又開(kāi)發(fā)了氟嗎啉、丁吡嗎啉等新型高效的內(nèi)吸性殺菌劑[10-12]。氟嗎啉由于氟原子特有的性能如模擬效應(yīng)、阻礙效應(yīng)和滲透效應(yīng),使氟嗎啉的殺菌效果倍增。丁吡嗎啉的結(jié)構(gòu)與烯酰嗎啉相似,均含有嗎啉環(huán),并且對(duì)致病疫霉休止孢的萌發(fā)及孢子囊的產(chǎn)生都具有顯著的抑制作用。然而,烯酰嗎啉衍生物引入具有活性基團(tuán)的羧基基團(tuán)后[13-16],具有高效殺菌劑的特點(diǎn),在卵菌病害中表現(xiàn)出較好的應(yīng)用前景。

基于此,本文以烯酰嗎啉和叔丁醇鉀為原料,通過(guò)酯化水解,引入哌嗪-1-羧酸叔丁酯,三氟乙酸水解,引入4-溴丁酸叔丁酯,三氟乙酸水解五步反應(yīng),設(shè)計(jì)并合成了一種含有丁酸結(jié)構(gòu)的烯酰嗎啉衍生物5(圖1)。并探討了水解試劑種類與用量、反應(yīng)溫度以及原料投料比對(duì)純化分離的影響,最終以較好的收率實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)產(chǎn)物的合成,為后面合成一類新型烯酰嗎啉衍生物提供了新的思路。

圖1 烯酰嗎啉衍生物的合成路線

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

Bruker ADV ANCE Ⅲ 300 MHz型核磁共振儀(CDCl3為溶劑,TMS內(nèi)標(biāo));XE-VOg2-XS型質(zhì)譜儀;TENSOR27型布魯克紅外光譜儀(KBr壓片,分辨率不低于0.5 cm-1);

所用試劑均為分析純。

1.2 合成

(1) 化合物1的合成

將10.00 g(0.03 mol)烯酰嗎啉,17.40 g(0.16 mol)叔丁醇鉀,0.92 g(0.05 mol)水加入圓底燒瓶,再加入80.00 mL四氫呋喃,攪拌使其溶解。80 ℃加熱回流,反應(yīng)3 h。抽濾得到濾液,加入鹽酸調(diào)至pH=6,再次抽濾得到濾液,殘余物濃縮,加水洗滌,加入二氯甲烷萃取,有機(jī)相旋干,得粗產(chǎn)品。經(jīng)硅膠柱層析(洗脫劑:乙酸乙酯 ∶石油醚=1 ∶4,V∶V)純化得白色固體化合物1。產(chǎn)物包含Z型和E型2種構(gòu)型。

E式構(gòu)型,3.95 g,收率48%;1H NMR(CDCl3, 300 MHz)δ: 7.36～7.13(m, 4H), 6.83～6.74(m, 3H), 6.28(s, 1H), 3.92(s, 3H), 3.81(s, 3H);13C NMR(CDCl3, 75 MHz)δ: 170.74, 151.81, 150.92, 148.85, 136.92, 132.88, 130.74, 128.63, 128.16, 122.47, 114.80, 110.89, 110.66, 77.36, 77.04, 76.72, 55.98, 55.95; MS(ESI)m/z: 388.9{[M+H]+}; IRν: 3004.01, 2934.19, 2820.80, 1660.10, 1589.68, 1507.12, 1445.34, 1260.87, 848.51, 601.45 cm-1。

(2) 化合物2的合成

將3.00 g(9.41mmol)化合物1和1.76 g(9.45 mmol)哌嗪-1-羧酸叔丁酯,2.72 g(14.2 mmol) 1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亞胺鹽酸鹽(EDC-Cl), 0.11 g(0.91 mmol) 4-二甲氨基吡啶(DMAP)加入圓底燒瓶,再加入30.00 mL二氯甲烷溶解,室溫反應(yīng),攪拌3 h,濃縮加水?dāng)嚢?加入二氯甲烷萃取,有機(jī)相旋干,得粗產(chǎn)品。經(jīng)硅膠柱層析(洗脫劑:乙酸乙酯 ∶石油醚=1 ∶2,V∶V)純化得白色固體化合物23.89 g,收率85%;1H NMR(CDCl3, 300 MHz)δ: 7.35～7.21(m, 4H), 6.81～6.77(m, 3H), 6.28(s, 1H), 3.90(s, 3H), 3.80(s, 3H), 3.50～3.48(m, 2H), 3.28～3.26(m, 4H), 3.03(s, 2H), 1.44(s, 9H);13C NMR(CDCl3, 75 MHz)δ: 167.13, 154.41, 149.87, 148.82, 137.22, 133.08, 130.82, 128.60, 121.18, 119.38, 110.98, 110.79, 80.40, 77.35, 77.03, 76.72, 55.98, 55.95, 46.11, 41.05, 28.34, 20.51; MS(ESI)m/z: 319.8{[M+H]+}; IRν: 3455.16, 2978.94, 2858.99, 2580.31, 1696.50, 1512.70, 1413.04, 1238.79, 857.46, 692.16 cm-1。

(3) 化合物3的合成

將3.0 g(7.19 mmol)化合物2置于圓底燒瓶,加入5.00 mL二氯甲烷溶解,再加入2.00 mL三氟乙酸,室溫反應(yīng)攪拌過(guò)夜。旋干,加入二氯甲烷溶解,加水洗滌,加入氫氧化鈉調(diào)至pH=7。加入二氯甲烷萃取,有機(jī)相旋干,得到淡黃色固體化合物32.64 g,收率95%;1H NMR(CDCl3, 300 MHz)δ: 7.36～7.20(m, 4H), 6.81～6.77(m, 3H), 6.27～6.19(d, 1H), 4.40(s, 1H), 3.90～3.82(m, 3H), 3.81～3.79(m, 3H), 3.61(m, 2H), 3.39～3.37(m, 2H), 2.70～2.63(m, 2H);13C NMR(CDCl3, 75MHz)δ: 166.85, 149.63, 148.71, 146.99, 146.06, 145.70, 133.24, 130.67, 128.51, 122.17, 119.20, 112.57, 110.79, 55.95, 50.60, 44.56, 40.78; MS(ESI)m/z: 488{[M+H]+}; IRν: 3421.14, 2934.19, 2836.32, 2605.37, 1598.64, 1512.70, 1440.49, 1254.31, 823.44, 576.39 cm-1。

(4) 化合物4的合成

將2.00 g(5.17 mmol)化合物3, 1.28 g(5.72 mmol) 4-溴丁酸叔丁酯,0.86 g(6.25 mmol)碳酸鉀置于圓底燒瓶,加入適量N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶解,室溫反應(yīng)。旋干干燥,加乙酸乙酯溶解,有機(jī)相旋干,得到粗產(chǎn)品。經(jīng)硅膠柱層析(洗脫劑:乙酸乙酯 ∶石油醚=4 ∶1,V∶V)純化得棕色油狀液體化合物42.34 g,收率85%;1H NMR(CDCl3, 300 MHz)δ: 7.34～7.21(m, 4H), 7.86～7.75(m, 3H), 6.26～6.20(m, 1H), 3.90(s, 3H), 3.82～3.80(m, 3H), 3.59(s, 2H), 3.35～3.31(d, 2H), 2.36～2.19(m, 6H), 2.04～2.02(m, 3H), 1.74～1.68(m, 2H), 1.43(s, 9H);13CNMR(CDCl3, 75MHz)δ: 172.50, 167.06, 166.77, 149.79, 149.54, 148.80, 146.01, 139.45, 137.33, 133.13, 130.93, 129.51, 121.15, 119.61, 112.62, 110.78, 57.23, 55.90, 52.37, 51.98, 45.67, 40.52, 33.04, 28.09; MS(ESI)m/z: 530.1{[M+H]+}; IRν: 3443.82, 2934.19, 1723.36, 1632.65, 1517.48, 1460.78, 1362.92, 1254.31, 830.61, 644.42 cm-1。

(5) 化合物5的合成

將2.00 g(3.77mmol)化合物4置于圓底燒瓶,加入5.00 mL二氯甲烷將其溶解,再加入2.00 mL三氟乙酸,室溫反應(yīng)攪拌過(guò)夜。旋干,加入二氯甲烷溶解,經(jīng)硅膠柱層析(洗脫劑:乙酸乙酯 ∶甲醇=4 ∶1,V∶V)純化得粉色固體化合物51.64 g,收率92%;1H NMR(CDCl3, 300 MHz)δ: 7.38～7.22(m, 4H), 6.81～6.76(m, 3H), 6.23～6.16(d, 1H), 3.89(m, 3H), 3.81～3.78(d, 3H), 3.60～3.58(s, 2H), 2.96～2.79(m, 3H), 2.34～2.29(s, 3H), 2.05(m, 1H), 1.82(m, 2H), 1.28～1.24(m, 1H);13C NMR(CDCl3, 75MHz)δ: 167.15, 166.84, 150.18, 149.86, 148.93,147.05, 138.73, 137.27, 135.04, 130.66, 129.50, 128.78, 121.34, 118.11, 112.84, 110.91, 60.42, 56.15, 51.02, 43.99, 31.24, 21.06, 14.20; MS(ESI)m/z: 474{[M+H]+}; IRν: 3446.21, 2943.14, 2589.26, 1687.55, 1635.04, 1515.09, 1430.95, 1268.03, 830.61, 585.55 cm-1。

此次實(shí)驗(yàn)用廉價(jià)易得的烯酰嗎啉和叔丁醇鉀為起始原料,合成了一種含有羧基基團(tuán)的烯酰嗎啉衍生物,并對(duì)關(guān)鍵步驟的合成工藝進(jìn)行了優(yōu)化,包括反應(yīng)溫度,水解試劑種類及其用量。

2.1 水解試劑種類以及投料比對(duì)反應(yīng)的影響

為了考察水解試劑種類對(duì)烯酰嗎啉酯化水解反應(yīng)的影響,設(shè)置烯酰嗎啉與水解試劑的物質(zhì)的量之比為1 ∶6,研究不同水解試劑對(duì)反應(yīng)收率影響,結(jié)果如表1所示。由表1可知,當(dāng)水解試劑選擇叔丁醇鉀時(shí),收率最高為85%,所以叔丁醇鉀用于烯酰嗎啉酯化水解反應(yīng)為最佳。

表1 水解試劑種類對(duì)烯酰嗎啉酯水解反應(yīng)的影響

表2考察了烯酰嗎啉與叔丁醇鉀的物質(zhì)的量之比對(duì)烯酰嗎啉酯水解反應(yīng)的影響,由Entry 1～3可知,當(dāng)烯酰嗎啉與叔丁醇鉀的物質(zhì)的量之比大于1 ∶6時(shí),水解產(chǎn)物的收率較低,這是因?yàn)槭宥〈尖涀鳛樗庠噭?不能將烯酰嗎啉完全酯化水解。當(dāng)叔丁醇鉀的用量不足時(shí),會(huì)得到部分未完全反應(yīng)的原料烯酰嗎啉及些許副產(chǎn)物。當(dāng)烯酰嗎啉與叔丁醇鉀的最佳物質(zhì)的量之比為1 ∶6時(shí),水解產(chǎn)物收率高達(dá)87%,經(jīng)柱層析分離得到Z和E構(gòu)型,E構(gòu)型含量為48%,Z構(gòu)型含量為37%。

表2 水解試劑投料比對(duì)烯酰嗎啉酯水解反應(yīng)的影響

2.2 溫度對(duì)引入4-溴丁酸叔丁酯反應(yīng)的影響

表3考察了不同溫度對(duì)衍生物引入4-溴丁酸叔丁酯反應(yīng)的影響。由表3可知,當(dāng)溫度為100 ℃時(shí),收率最高為85%。當(dāng)溫度低于100 ℃時(shí),隨著溫度逐漸升高,反應(yīng)的收率逐漸提升。當(dāng)溫度高于100 ℃時(shí),隨著溫度逐漸升高,反應(yīng)收率呈逐漸下降趨勢(shì)。

表3 不同溫度對(duì)衍生物引入4-溴丁酸叔丁酯水解反應(yīng)的影響

2.3 水解試劑種類以及用量對(duì)反應(yīng)的影響

表4和表5分別為水解試劑種類以及三氟乙酸用量對(duì)脫Boc水解反應(yīng)的影響,設(shè)定化合物2的用量為1 g,二氯甲烷用量為5 mL進(jìn)行反應(yīng)。由表4可知,當(dāng)水解試劑選擇三氟乙酸時(shí),收率最佳。由表5可知,氟乙酸用量大于2.00 mL時(shí),收率最高為95%。

表4 水解試劑種類對(duì)脫Boc反應(yīng)的影響

表5 三氟乙酸用量對(duì)脫酸酐基團(tuán)水解反應(yīng)的影響

本文以烯酰嗎啉和叔丁醇鉀為原料,通過(guò)酯化水解、引入哌嗪-1-羧酸叔丁酯、三氟乙酸水解、引入4-溴丁酸叔丁酯和三氟乙酸水解五步反應(yīng),合成了一種新型烯酰嗎啉衍生物,并優(yōu)化了合成路線,對(duì)水解試劑、最佳物質(zhì)的量投料比、反應(yīng)溫度以及試劑用量等進(jìn)行探索。結(jié)果表明:當(dāng)水解試劑為叔丁醇鉀時(shí),烯酰嗎啉酯化水解收率最佳,且烯酰嗎啉與叔丁醇鉀的最佳物質(zhì)的量投料比為1 ∶6時(shí),反應(yīng)收率為87%。引入4-溴丁酸叔丁酯至反應(yīng)中且溫度為100 ℃時(shí)收率最高為85%。當(dāng)水解試劑在脫酸酐基團(tuán)反應(yīng)中為三氟乙酸,且三氟乙酸用量為2 mL時(shí),反應(yīng)效果最好,產(chǎn)品收率為95%。