新型光致變色螺吡喃化合物的合成及研究

陳 湃 , 王 帥 , 張 陽

(內(nèi)蒙古師范大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 , 內(nèi)蒙古自治區(qū)綠色催化重點實驗室 , 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022)

0 前言

眾所周知,螺吡喃具有兩個異原子環(huán),是由一個共同的四面體sp3雜化螺碳原子連接一個苯并吡喃部分和吲哚啉構(gòu)成。兩個環(huán)互相垂直,為正交結(jié)構(gòu),而在紫外光照射下后,分子通過螺C—O鍵的裂解發(fā)生快速的順反異構(gòu)化,形成有色的開環(huán)部花菁 (MC) 異構(gòu)體,該結(jié)構(gòu)包含一個帶正電的吲哚部分和一個酚類陰離子。由于電子重排,兩個芳環(huán)體之間正交變?yōu)橥黄矫嫔系墓曹椊Y(jié)構(gòu),開環(huán)的MC結(jié)構(gòu)相對于閉環(huán)的SP結(jié)構(gòu)在UV - Vis光譜上表現(xiàn)為大的紅移,導(dǎo)致從無色形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛猩疫@個過程是完全可逆的(圖1)。這種特殊的光致變色現(xiàn)象,使其目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用在生物成像、熒光探針、防偽變色等多個領(lǐng)域,在其設(shè)計和開發(fā)其新衍生物方面研究者進行了大量的研究和合成[1-4]。

圖1 螺吡喃化合物的基本結(jié)構(gòu)和光致變色性質(zhì)

本研究使用一鍋法合成羧基螺吡喃(SPCOOH),引入萘胺共軛小分子與羧基螺吡喃進行酰胺化反應(yīng),對螺吡喃進行修飾,得到了一個新型的光致變色螺吡喃分子,并對其合成條件進行了優(yōu)化。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

3-甲基-2-丁酮、對羧基苯肼、碘甲烷、5-硝基水楊醛、1-萘胺,阿拉丁生化科技股份有限公司;醋酸、甲苯、乙腈、乙醇、三氯甲烷、丙酮,分析純。以上試劑未經(jīng)過純化處理。

超導(dǎo)高分辨核磁共振波譜儀Bruker ARX-600、數(shù)顯小型恒溫真空干燥器DZF-150、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀RE 52-99、循環(huán)水式真空泵SHZ-D(Ⅲ)。

1.2 合成路線圖

合成路線圖見圖2。

圖2 合成路線圖

1.3 實驗方法

1.3.12,3,3-三甲基-3H-吲哚-5-羧酸(化合物1,Compound1)的制備

在100 mL 的三口燒瓶中加入對羧基苯肼(3 g,20 mmol)和 3-甲基-2-丁酮 (1.722 6 g,20 mmol),溶于適量醋酸中,氮氣保護下加熱回流18 h。反應(yīng)結(jié)束后蒸出醋酸,冷卻至室溫后使用10 mL 丙酮進行重結(jié)晶,待固體析出后過濾,烘箱40 ℃下干燥,得到淡黃色固體。

1.3.22,3,3-三甲基-3H-吲哚-5-羧酸碘化物(化合物2,Compound2)的制備

在100 mL 單口瓶中加入化合物1(2 g,10 mmol)和碘甲烷(1.739 5 g,12 mmol),溶于甲苯和乙腈混合液,加熱回流18 h。反應(yīng)結(jié)束后將過濾所得固體用正己烷和乙醇混合液重結(jié)晶,冷卻至析出固體,過濾并在真空烘箱干燥,得黃白色固體。

1.3.3SP-COOH 的制備

在100 mL單口瓶中加入化合物2(1.725 9 g, 5 mmol),5-硝基水楊醛(0.835 6 g,5 mmol)和少量三乙胺,溶于30 mL乙醇中,加熱回流6 h。反應(yīng)結(jié)束冷卻至室溫后減壓蒸餾,加入10 mL乙醇重結(jié)晶進行粗提純,冷卻析出固體,過濾并用烘箱干燥后,干法上樣,柱層析提純[V(乙酸乙酯)∶V(石油醚)=1∶2],得到灰色固體即SP-COOH。

1.3.4SP-N的制備

在氮氣保護下,將SP-COOH(0.366 4 g,1 mmol)溶于過量二氯亞砜溶液,常溫下反應(yīng)5 h,反應(yīng)結(jié)束后減壓蒸出溶劑得到黃綠色酰氯固體,用少量三氯甲烷溶解,置于冰水浴中冷卻,邊攪拌邊滴加萘胺(0.214 8 g,1.5 mmol)與三乙胺混合液,滴加完畢后自然恢復(fù)至室溫反應(yīng)24 h。柱層析提純[V(乙酸乙酯)∶V(石油醚)=1∶4],得到灰褐色固體即SP-N。

1.4 單因素實驗設(shè)計

①醋酸用量對化合物1收率的影響:在投料比、實驗溫度、反應(yīng)時間等條件都相同的情況下,分別加入25、30、35、40、45 mL醋酸進行反應(yīng)收率探究。②反應(yīng)時間對化合物1收率的影響:在投料比、醋酸用量、反應(yīng)時間和溫度等條件都相同的情況下,探究反應(yīng)時間為12、14、16、18、20 h時的產(chǎn)物收率。③三乙胺用量對SP-N收率的影響:在反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間等其他實驗條件都相同時,改變投料比n(三乙胺):n(萘胺)為0.5∶1、1∶1、1.5∶1、2∶1,對產(chǎn)物收率進行探究。

2 結(jié)果和討論

2.1 產(chǎn)物表征

按照1.2中的合成路線及1.3中的方法,以對羧基苯肼和3-甲基-2-丁酮為原料在醋酸催化下合成了化合物1羧基吲哚,再與碘甲烷反應(yīng)生成碘化物中間體(化合物2),最后使用一鍋法制備羧基螺吡喃SP-COOH,通過酰胺縮合與1-萘胺反應(yīng),成功得到了最終產(chǎn)物SP-N,1H-NMR表征結(jié)果如下。

化合物1:1H-NMR (600 MHz,Chloroform-d)δ8.17～8.14(m,1H),8.06(s,1H),7.68(d,J=8.1 Hz,1H),2.43(s,3H),1.39(s,6H)。

SP-COOH:1H-NMR (600 MHz,DMSO-d6)δ12.36(s,1H),8.25(d,J=2.8 Hz,1H),8.02(dd,J=9.0,2.8 Hz,1H),7.83(dd,J=8.1,1.7 Hz,1H),7.69(d,J=1.8 Hz,1H),7.27(d,J=10.4 Hz,1H),6.92(d,J=9.0 Hz,1H),6.71(d,J=8.2 Hz,1H),6.03(d,J=10.3 Hz,1H),2.77(s,3H),1.25(s,3H),1.14(s,3H)。

SP-N:1H-NMR(600 MHz,DMSO-d6)δ9.13(s,1H),8.60(dd,J=8.4,1.1 Hz,1H),8.42(dd,J=7.3,1.1 Hz,1H),8.29(d,J=8.6 Hz,1H),7.64(dd,J=8.4,7.3 Hz,1H),7.24(d,J=8.6 Hz,1H),4.80(s,2H),4.01(dd,J=8.3,6.6 Hz,2H),1.58(t,J=7.5 Hz,2H),1.33(d,J=7.5 Hz,2H),0.92(t,J=7.4 Hz,3H)。

2.2 單因素實驗優(yōu)化結(jié)果

2.2.1酸的用量對化合物1合成的影響

按照1.3.1的實驗方法,對化合物1的制備條件進行了優(yōu)化。本實驗中以對羧基苯肼為原料環(huán)化反應(yīng)合成2,3-二取代吲哚,使用了經(jīng)典合成法Fischer反應(yīng)。該方法以醛或銅為原料與苯肼類化合物縮合生成苯腙衍生物,苯腙衍生物可烯腙異構(gòu)化得到中間體1;然后在酸性條件下質(zhì)子化烯腙中間體1得到中間體2,酸催化作用下中間體2發(fā)生[3,3]σ遷移重排形成亞胺中間體3;接著質(zhì)子轉(zhuǎn)移發(fā)生分子內(nèi)環(huán)化反應(yīng)得到中間體4;最后脫去一分子氨氣生成吲哚衍生物,反應(yīng)機制見圖3。因此本實驗探究了醋酸用量對收率的影響,確保反應(yīng)投料比與反應(yīng)時間相同的條件下,改變醋酸用量進行收率統(tǒng)計實驗結(jié)果見圖4。

圖3 Fischer反應(yīng)機制

圖4 醋酸用量對化合物1收率的影響

從圖4可以看出,隨著醋酸用量的增加,反應(yīng)收率先增大,當醋酸用量為40 mL時,化合物1的收率達到最大37.7%,而當醋酸的用量繼續(xù)增加到45 mL時,產(chǎn)率下降到36.8%。這是由于酸作為催化劑,其增多有利于催化反應(yīng)的正向進行,但是作為溶劑,醋酸過量會降低分子的有效碰撞,使得產(chǎn)率降低。

2.2.2反應(yīng)時間對化合物1的影響

在確定醋酸最佳用量為40 mL的情況下,反應(yīng)溫度與投料比不變,對反應(yīng)時間進行探究,結(jié)果見圖5。

圖5 反應(yīng)時間對化合物1收率的影響

由圖5可以看出,隨著時間的增加,反應(yīng)產(chǎn)率先增加,在反應(yīng)時間為18 h時,產(chǎn)率最大為40.1%,當反應(yīng)時間繼續(xù)延長到20 h時,引起其他副反應(yīng)的增加,因此產(chǎn)率降低。

2.2.3三乙胺用量對酰胺化反應(yīng)的影響

由于SP-COOH的羧基與苯環(huán)直接相連,反應(yīng)位點活性較低。本實驗使用混合酸酐法進行酰胺化反應(yīng),將帶有羧基的螺吡喃制成對應(yīng)的酰氯與胺進行反應(yīng),反應(yīng)過程中使用三乙胺作為縛酸劑。在反應(yīng)溫度為0 ℃,反應(yīng)時長為24 h的條件下,探究了三乙胺用量對SP-N產(chǎn)率的影響,結(jié)果見圖6。

圖6 三乙胺用量對SP-N收率的影響

由圖6可知,三乙胺作為縛酸劑,可以中和掉酰胺化反應(yīng)過程中生成的H+,使反應(yīng)正向進行生成酰胺產(chǎn)物。因此隨著三乙胺用量的增加,反應(yīng)產(chǎn)率先增加,n(三乙胺)∶n(萘胺)為1.5∶1時最大產(chǎn)率為38%。但過量的堿會使反應(yīng)逆向進行,使產(chǎn)率降低,所以當三乙胺與萘胺物質(zhì)的量比超過1.5∶1時,產(chǎn)率降低。

3 結(jié)論

本文合成了一種新型的光致變色螺吡喃衍生物,通過對酸的用量、反應(yīng)時間對中間產(chǎn)物條件進行優(yōu)化,并探究了催化劑在酰胺化反應(yīng)收率的影響,提高了SP-N分子的產(chǎn)率,與普通螺吡喃相比該分子有較大的共軛結(jié)構(gòu),更多的修飾基團,具有更廣泛的應(yīng)用。