2-氨基-5-芳基-1,3,4-噁二唑的合成及工藝優(yōu)化

劉玉婷， 黃　濤， 劉蓓蓓， 尹大偉，楊曉剛

(1.陜西科技大學(xué) 教育部輕化工助劑化學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安　710021； 2.陜西生益科技有限公司, 陜西 咸陽　712000)

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2-氨基-5-芳基-1,3,4-噁二唑的合成及工藝優(yōu)化

劉玉婷1， 黃濤1， 劉蓓蓓1， 尹大偉1，楊曉剛2

(1.陜西科技大學(xué) 教育部輕化工助劑化學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安710021； 2.陜西生益科技有限公司, 陜西 咸陽712000)

摘要：以取代苯甲醛與氨基脲為原料，合成了一系列2-氨基-5-芳基-1, 3, 4-噁二唑.討論了反應(yīng)條件對(duì)產(chǎn)率的影響，得到了最佳工藝條件.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，合成半縮脲的最佳條件為：n(苯甲醛)∶n(鹽酸氨基脲)=1.0∶1.1，反應(yīng)溫度為80 ℃，反應(yīng)時(shí)間為2 h；合成2-氨基-5-芳基-1,3,4-噁二唑的最佳條件為：n(半縮脲)∶n(無水醋酸鈉)∶n(溴) =1.0∶4.0∶1.2，反應(yīng)溫度為15 ℃，反應(yīng)時(shí)間為5 h.所有化合物的產(chǎn)率均在85%以上，且其結(jié)構(gòu)均經(jīng)IR、元素分析等進(jìn)行了表征.

關(guān)鍵詞：2-氨基-5-芳基-1,3,4噁二唑； 合成； 工藝優(yōu)化

0引言

1,3,4-噁二唑是一類含有氧、氮雜原子的五元雜環(huán)芳香化合物，主要以2,5位的氫原子的取代產(chǎn)物存在.因1,3,4-噁二唑分子結(jié)構(gòu)的特殊性，其具有獨(dú)特的生物活性和光學(xué)活性，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于農(nóng)藥[1]、醫(yī)藥[2]、材料[3]等領(lǐng)域.將1,3,4-噁二唑環(huán)引入到不同的化合物結(jié)構(gòu)中，可生成新型且具有特殊活性的藥物[4]或電致發(fā)光材料[5,6].因此，1,3,4-噁二唑衍生物的合成成為了人們研究的熱點(diǎn)之一.

目前，合成1,3,4-噁二唑的方法主要有三氯氧磷法[7]、HgO作催化劑催化環(huán)合法[8-10]和樹脂支載法[11-15]等.其中，三氯氧磷法具有反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、產(chǎn)率較低、環(huán)合劑多為有毒或強(qiáng)腐蝕性的物質(zhì)等缺點(diǎn)；過渡態(tài)金屬催化劑雖然能夠很好地催化反應(yīng)并且提高反應(yīng)產(chǎn)率，但是其昂貴的價(jià)格制約了其應(yīng)用范圍；樹脂支載法雖然優(yōu)點(diǎn)很多，但由于其在極性溶劑中的溶脹性不好，限制了其作為載體的應(yīng)用范圍.

本文設(shè)計(jì)合成了一系列2-氨基-5-芳基-1,3,4-噁二唑，并對(duì)其合成工藝進(jìn)行了優(yōu)化，同時(shí)，所得8種化合物產(chǎn)率均在85%以上.同時(shí)，所得的化合物均通過元素分析和IR等對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征.

其合成路線如下：

R:b1=H;b2=4-F;b3=4-Cl;b4=4-Br;B5=4-CH4b6=4-OCH3;b7=4-NO2;b8=4-N(CH3)2

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1試劑與儀器

(1)試劑：鹽酸氨基脲,分析純，西安化學(xué)試劑廠；苯甲醛，分析純，西安化學(xué)試劑廠；4-氟苯甲醛，分析純，天津市福晨化學(xué)試劑廠；4-氯苯甲醛，分析純，西安化學(xué)試劑廠；4-溴苯甲醛，分析純，西安化學(xué)試劑廠；4-甲基苯甲醛，分析純，西安化學(xué)試劑廠；4-甲氧基苯甲醛，分析純，天津市博迪化工有限公司；4-硝基苯甲醛，分析純，西安化學(xué)試劑廠；4-二甲氨基苯甲醛，分析純，開封化學(xué)試劑總廠；無水乙醇，分析純，開封化學(xué)試劑總廠；石油醚，分析純，開封化學(xué)試劑總廠；乙酸乙酯，分析純，天津恒昊公司化學(xué)試劑廠；冰乙酸，分析純，西安化學(xué)試劑廠；溴素，分析純，天津市福晨化學(xué)試劑廠；無水乙酸鈉，分析純，西安三浦精細(xì)化工廠；羧甲基纖維素，分析純，杭州化學(xué)試劑廠；薄層層析熒光硅膠G ，分析純，青島海洋化工有限公司.

(2)儀器：熔點(diǎn)采用上海精密科學(xué)儀器有限公司X-4型顯微熔點(diǎn)儀測(cè)定(溫度計(jì)未校正)；IR采用德國(guó)Bruker公司VECTOR-22型傅立葉紅外光譜儀測(cè)定，KBr壓片法；元素分析采用德國(guó)Elemeraor公司Vario ELⅢ型有機(jī)元素分析儀測(cè)定.

1.2半縮脲的合成

在100 mL三口燒瓶中加入0.011 mol鹽酸氨基脲、5 mL無水乙醇，在攪拌下緩慢滴加0.01 mol(取代)苯甲醛及無水乙醇(醛與無水乙醇體積比為1∶1)，滴完后回流反應(yīng)2 h (薄層層析監(jiān)測(cè)反應(yīng))，反應(yīng)結(jié)束后冷卻至室溫，抽濾，濾餅依次用母液、水、無水乙醇洗滌，以無水乙醇重結(jié)晶，得半縮脲.

1.32-氨基5-芳基-1,3,4-噁二唑的合成

于三口燒瓶中加入0.01 mol半縮脲，緩慢滴加0.04 mol無水醋酸鈉的20 mL冰醋酸溶液，滴完繼續(xù)攪拌30 min，反應(yīng)溫度為14 ℃，攪拌下逐滴加入含0.011 mol溴的2 mL冰醋酸溶液，薄層層析監(jiān)測(cè)反應(yīng).反應(yīng)結(jié)束后，將反應(yīng)液傾入150 mL冰水中，待固體充分析出后，抽濾，濾餅用大量水洗滌，干燥，無水乙醇重結(jié)晶，得目標(biāo)產(chǎn)物.

2結(jié)果與討論

2.1半縮脲的合成

以苯甲醛半縮脲a1的合成為例，討論半縮脲合成的反應(yīng)條件.影響苯甲醛半縮脲a1的因素主要有：苯甲醛與鹽酸氨基脲的摩爾比、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度等.

2.1.1反應(yīng)物摩爾比對(duì)產(chǎn)率的影響

反應(yīng)溫度為80 ℃，反應(yīng)時(shí)間2 h，改變苯甲醛與鹽酸氨基脲的摩爾比，研究反應(yīng)物摩爾比對(duì)半縮脲產(chǎn)率的影響，其結(jié)果見表1所示.

表1　苯甲醛與鹽酸氨基脲的摩爾比

由表1可以看出，隨著投料摩爾比的增加，產(chǎn)率逐漸增加，但增加到一定程度則呈下降趨勢(shì).這是因?yàn)殡S著投料比的增加，反應(yīng)體系粘度增加，使反應(yīng)平衡向逆反應(yīng)方向進(jìn)行，產(chǎn)率降低;此外，反應(yīng)體系粘度的增加，使反應(yīng)體系受熱不均勻，導(dǎo)致反應(yīng)進(jìn)行得不完全，產(chǎn)率降低.因此，反應(yīng)的最佳摩爾比應(yīng)為1∶1.1.

2.1.2反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)率的影響

取苯甲醛與鹽酸氨基脲的摩爾比為1∶1.1進(jìn)行投料，反應(yīng)溫度為80 ℃，研究反應(yīng)時(shí)間對(duì)半縮脲產(chǎn)率的影響.其結(jié)果如表2所示.

表2　反應(yīng)時(shí)間對(duì)半縮脲產(chǎn)率的影響

由表2可以看出，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間在2 h時(shí)產(chǎn)率最高.反應(yīng)時(shí)間過短，鹽酸氨基脲不能很好地與苯甲醛進(jìn)行反應(yīng)，沒有反應(yīng)掉的鹽酸氨基脲會(huì)在溫度升高時(shí)自身閉環(huán)，從而影響最終產(chǎn)物產(chǎn)率.

2.1.3反應(yīng)溫度對(duì)產(chǎn)率的影響

取苯甲醛與鹽酸氨基脲摩爾比為1∶1.1投料,反應(yīng)時(shí)間為2 h, 改變反應(yīng)溫度，研究反應(yīng)溫度對(duì)產(chǎn)率的影響.其結(jié)果如表3所示.

表3　反應(yīng)溫度對(duì)半縮脲產(chǎn)率的影響

由表3可以看出，隨著反應(yīng)溫度的升高，半縮脲的產(chǎn)率升高，在80 ℃時(shí)產(chǎn)率達(dá)到最高.

2.22-氨基-5-芳基-1,3,4-噁二唑的合成

以2-氨基-5-苯基-1,3,4-噁二唑b1的合成為例，討論合成2-氨基-5-芳基-1,3,4-噁二唑的反應(yīng)條件.影響產(chǎn)率的因素主要有：半縮脲與無水醋酸鈉的摩爾比、反應(yīng)溫度及加溴量等.

2.2.1反應(yīng)溫度對(duì)產(chǎn)率的影響

在半縮脲：無水醋酸鈉：溴的摩爾比=1.0∶4.0∶1.2的條件下，改變反應(yīng)溫度，研究反應(yīng)溫度對(duì)產(chǎn)率的影響.其結(jié)果如表4所示.

表4　反應(yīng)溫度對(duì)2-氨基-5-苯基-1,3,4-噁二唑

由表3可以看出，隨著反應(yīng)溫度的升高，2-氨基-5-苯基-1,3,4-噁二唑的產(chǎn)率升高，但是，溫度高于15 ℃后，溴揮發(fā)較多，因此影響了產(chǎn)率.

2.2.2半縮脲和無水醋酸鈉摩爾比對(duì)產(chǎn)率的影響

在半縮脲：溴的摩爾比=1.0∶1.2，在反應(yīng)溫度15 ℃時(shí)，研究半縮脲：無水醋酸鈉摩爾比對(duì)產(chǎn)率的影響.其結(jié)果如表5所示.

表5　摩爾比對(duì)2-氨基-5-苯基-1,3,4-噁二唑

由表5可以看出，隨著半縮脲：無水醋酸鈉摩爾比的減小，2-氨基-5-苯基-1,3,4-噁二唑的產(chǎn)率升高.但是，半縮脲：無水醋酸鈉摩爾比在1∶4.0后，產(chǎn)率變化不大.因此，可確定最佳半縮脲：無水醋酸鈉的摩爾比=1∶4.0.

2.2.3加溴量對(duì)產(chǎn)率的影響

在半縮脲：無水醋酸鈉摩爾比=1.0∶4.0，反應(yīng)溫度15 ℃時(shí)，改變加溴量，研究加溴量對(duì)產(chǎn)率的影響.其結(jié)果如表6所示.

表6　加溴量對(duì)2-氨基-5-苯基-1,3,4-噁二唑

由表3可以看出，隨著加溴量的增加，產(chǎn)率逐漸增加，但增加到一定比例后反而產(chǎn)率下降.這是因?yàn)榉磻?yīng)成環(huán)過程中，溴作為催化劑，與氫原子結(jié)合，以HBr的形式離去，形成目標(biāo)產(chǎn)物，隨著溴量的增加，未反應(yīng)的溴會(huì)使體系反應(yīng)平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，從而使產(chǎn)率降低.因此，確定最佳半縮脲：溴的摩爾比=1∶1.2.

2.32-氨基-5-芳基-1,3,4-噁二唑的物理性質(zhì)及表征

利用2-氨基-5-苯基-1,3,4-噁二唑?qū)嶒?yàn)結(jié)果得出的最佳工藝條件，分別合成了一系列2-氨基-5-芳基-1,3,4-噁二唑.其化合物的物理性質(zhì)、產(chǎn)率和表征見表7、表8和表9所示.

表7　2-氨基-5-芳基-1,3,4-噁二唑

由表7可知,b1～b8所有產(chǎn)物的產(chǎn)率均在85%以上.

由表8可知，所得特征基團(tuán)均有明顯特征吸收峰.在3 465～3 272 cm-1之間有較強(qiáng)N-H伸縮振動(dòng)吸收雙峰；在1 310～1 360 cm-1處有較強(qiáng)C-N伸縮振動(dòng)吸收峰；在1 651～1 664 cm-1之間有較強(qiáng)的C=N伸縮振動(dòng)吸收峰；在1 011～1 032 cm-1附近有較強(qiáng)C-O-C伸縮振動(dòng)吸收峰.這說明生成了2-氨基-5-芳基-1,3,4-噁二唑.

表9　2-氨基-5-芳基-1,3,4-噁二唑

由表9可知，各個(gè)元素的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值相吻合，這說明生成了2-氨基-5-芳基-1,3,4-噁二唑b1～b8等.

3結(jié)論

半縮脲的最佳合成工藝條件為：n(取代苯甲醛)∶n(鹽酸氨基脲)=1∶1.1，反應(yīng)溫度為80 ℃，反應(yīng)時(shí)間為2 h；2-氨基-5-芳基基-1,3,4噁二唑的最佳合成工藝條件為：n(半縮脲)∶n(無水醋酸鈉)∶n(溴) =1.0 ∶ 4.0 ∶ 1.2，反應(yīng)溫度為15 ℃，反應(yīng)時(shí)間為5 h，產(chǎn)率均在85%以上.該工藝操作簡(jiǎn)便，產(chǎn)率較高，為噁二唑類衍生物的合成提供了新的思路和研究方法.

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Optimization of synthesis of 2-amino-5-aryl-1, 3, 4-oxadiazole

LIU Yu-ting1, HUANG Tao1, LIU Bei-bei1, YIN Da-wei1, YANG Xiao-gang2

(1.Key Laboratory of Auxiliary Chemistry & Technology for Chemical Industry, Ministry of Education, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China; 2.Shaanxi Shengyi Technology Limited Company, Xianyang 712000, China)

Abstract:A series of 2-amino-5-aryl-1,3,4-oxadiazole analogues were synthesized via substituted benzaldehyde and semicarbazide hydrochloride in this paper.The influence of process conditions to productivity was discussed.The results indicated that the best synthesis conditions of semicarbazide was that the mole ratio of n(substituted benzaldehyde)∶n(semicarbazide hydrochloride) was 1.0∶1.1,the reaction temperature was 80 ℃,the reaction time was 2 h;the best synthesis conditions of 2-amino-5-aryl-1,3,4-oxadiazole was that the mole ratio of n(semicarbazone)∶n(anhydrous sodium acetate)∶n(bromine) was 1.0∶4.0∶1.2,the reaction time was 5 h,the reaction temperature was 15 ℃.The yield was above 85%.All the structures of the products were characterized by IR and elemental analysis.

Key words:2-amino-5-aryl-1, 3, 4-oxadiazole; synthesis; process optimization

中圖分類號(hào)：O626.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-5811(2015)02-0079-04

作者簡(jiǎn)介:劉玉婷(1971-),女,陜西富平人，教授，博士，研究方向：有機(jī)功能材料合成

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(21176148); 陜西省教育廳重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃項(xiàng)目(13JS017)

收稿日期:*2015-01-04