腙类化合物以及衍生物的合成结构及热稳定性研究

宝鸡文理学院化学化工学院毕业论文题目: 腙类化合物以及衍生物的合成、结构及热稳定性研究 学生姓名李飞（200992074052）指导教师郭亚宁班 级2009级1班专 业化学工程与工艺学 院宝鸡文理学院2013年5月27日目录摘 要1Abstract11 引言11.1 腙类化合物在农药方面的应用21.1.1 抗菌活性21.1.2 杀虫活性31.1.3 除草活性41.1.4 植物生长调节活性41.2 腙类化合物在医学方面的应用51.3 腙类金属化合物在光学方面的应用51.4 腙类化合物以及金属配合物在其他领域的应用62 实验部分72.1 仪器和试剂72.2 苯肼的合成72.3 腙类化合物的合成72.3.1 苯甲醛苯腙(11)的制备72.3.2 4-甲氧基苯甲醛缩4-硝基苯腙(12)的制备82.3.3 对羟基苯甲醛缩4-硝基苯腙(13)的制备82.3.4 4-甲氧基苯甲醛缩对羧基苯腙(14)的制备92.4 腙类衍生物1-(4-硝基苯基)-3-(4-甲氧基苯基)-4-甲酰基吡唑(15)的合成92.5 腙类化合物以及衍生物的热分析实验103 结果与讨论103.1 化合物11的TG-DTG图103.2 化合物12的TG-DTG图113.3 化合物14的TG-DTG图113.4衍生物15的TG-DTG图124 结论13参考文献14谢辞16腙类化合物以及衍生物的合成、结构及热稳定性研究李飞 交稿日期：2013-05-27 指导教师：郭亚宁作者简介：李飞 (1990-)，男，陕西安康人，化学化工学院2013届毕业生（宝鸡文理学院 化学化工学院， 陕西 宝鸡 721013）摘 要：以一些常见的醛与肼为原料通过缩合反应生成了一系列腙类化合物以及衍生物，利用元素分析和NMR对其结构进行表征。并且对所合成的部分化合物热稳定性做了初步分析。关键词：腙；衍生物；结构表征；热稳定性Study on synthesis, structure and thermal stability of hydrazones and their derivatives Li Fei（College of Chemistry &Chemical engineering Baoji University of Arts &Sciences, Shaanxi, Baoji, 721013）Abstract: A series of hydrazones and derivatives were synthesized by condensation reaction using aldehydes and hydrazine as raw materials. And their structures were characterized by NMR and elemental analysis. In addition, thermal stability of some hydrazones and their derivatives were preliminary analyzed.Keywords: hydrazones; derivatives; structural characterization; thermal stability1 引言腙类化合物是指分子结构中含有亚结构(NHN=C)的一类化合物，通常是由肼与醛或酮缩合而成，是有实用价值的一类有机合成中间体，在金属羰基化合物、有机化合物和席夫碱配体，特别是双核配体中被用作功能基团1，因而可以衍生出很多具有较高生物活性和多样配位形式的化合物。而该类化合物因含有氧和氮等配位原子，能够与过渡金属、稀土金属等多种金属元素形成金属离子配合物，这类配合物具有独特的抗结核病菌、消炎、杀菌以及抗肿瘤等药理和生理活性，是当今农药，医药配合物研究的热点2。所以腙类化合物以及金属配合物在医药、农药、材料和检测等方面受到广泛的关注。到目前为止，国外的一些公司相继开发了数十个腙类的杀菌剂、杀虫剂、植物生长调节剂等新品种。如作为杀菌剂的醌肟腙、杀虫剂氟蚁腙、除草剂氟吡草腙等。因而，它在农药、医药和分析试剂等方面一直是人们广泛研究的对象。另外，研究表明腙类化合物还是合成杂环化合物的一类重要中间体，杂环化合物由于结构复杂，作用机制多样，因此应用范围也极其广泛，涉及医药、香料、染料、高分子材料等。目前，国内外有关腙及其衍生物的研究与应用主要有以下几个方面：1.1 腙类化合物在农药方面的应用1.1.1 抗菌活性实验表明，多数腙类化合物在农药方面有一定活性，如抗菌活性。2003年，范志金等3设计合成了l，3-二甲基-5-甲硫基-4-苯腙基羰基吡唑衍生物1，并采用菌体生长速率法进行生物活性测试。实验结果表明:化合物1b对番茄早疫病菌的抑制率为58.3%，化合物1a对小麦赤霉病菌，化合物1c和1d对苹果轮纹病菌有较好的抑制作用。2004年，黄明智等4合成了2-甲硫基-1-苯基乙酮苯甲酰腙类化合物2。并以黄瓜灰霉病菌(Bcinerea)、小麦赤霉病菌(Gzeae)为供试对象，对目标化合物的抑菌活性进行初步测试。实验表明:实验用药浓度为500 mg/L时，化合物2a对黄瓜灰霉病菌、小麦赤霉病菌抑制率均达到95%以上;化合物2b对水稻稻瘟病菌，2c对小麦赤霉病菌具有较好的杀菌活性，其抑制率达到70%95%。 2005年，龙德清等5设计合成了5,7-二甲基-1,2,4-三唑并1,5-嘧啶-2-甲酰腙类化合物3。初步的生物活性测试结果表明，目标化合物3a、3b和3c在50 mg/L浓度下对水稻纹枯病菌的抑制率达90%以上。 2006年，龙德清等6以间苯二甲酸为原料，设计合成了具有对称结构的间苯双酰腙类化合物4。采用离体平皿法进行初步生物活性测试。结果表明:目标化合物4对水稻纹枯病菌（Rhizoctonia solani)和小麦赤霉病菌(Gibberella zea1)的抑制率均达90%以上，同时，对棉花枯萎病菌(Fusarium oxysporum)、黄瓜灰霉病菌(Botrytis cinereapers)和苹果轮纹病菌(Dothiorella gre-garia)也表现出了不同程度的抑制活性。1.1.2 杀虫活性实验表明，多数腙类化合物在农药方面有一定活性，如杀虫活性。2006年江定心等7用鱼藤酮和水合肼反应，得到新化合物鱼藤酮腙5，杀虫活性测定结果表明，鱼藤酮和鱼藤酮腙对家蝇的LC50值分别为82.80、75.37g/mL和对黄曲条跳甲的LC50值分别为61.41g/mL、82.58g/mL。1.1.3 除草活性实验表明，多数腙类化合物在农药方面有一定活性，如除草活性。2009年陈小保等8用1-(杂芳基)甲基-5-甲基-1H-1，2，3-三唑基-4-甲酰氯与2-氨基-5-烷基-1，3，4-噻二唑进行缩合反应，制备得到化合物6a和6b，除草活性测试结果表明，在100 mg/L质量浓度下对双子叶植物(油菜)表现出76.1%和71.4%的抑制活性。1.1.4 植物生长调节活性实验表明，多数腙类化合物在农药方面有一定活性，如植物生长调节活性。2008年魏太保等9合成了2-芳氧甲基苯并咪唑-1-水杨醛乙酰腙衍生物7。初步生物活性试验结果表明，目标化合物对小麦幼苗的生长具有明显的调节作用。1.2 腙类化合物在医学方面的应用实验表明，腙类化合物分子在治疗疾病方面显现出多种生物活性。腙类化合物在生化反应中起到转氨基作用，碳氮双键是该类化合物具有生物活性的效应基团。它可以抑制生物体内诸多生理化学过程,，如抗高血糖、抗肿瘤，尤其是近年来在抗真菌和制备免疫抑制剂(如类风湿、牛皮癣、系统性红斑狼疮等疾病)等方面的研究备受关注。2006年Alice MRBernardino等10合成了吡唑酰腙类化合物8a和8b，抗利什曼原虫活性显示化合物8a和8b抗利什曼原虫的EC50分别为80M/L和50M/L，低于商品药酮康唑。2007年Carolina DDuarte等11合成了酰腙类化合物9a和9b，消炎和镇痛生物活性显示，化合物9a和9b在300mol/kg时对水肿形成的抑制率分别为31.7%和36.4%。1.3 腙类金属化合物在光学方面的应用实验表明，多数吡啶腙类金属化合物在光学方面表现出荧光性。如把浓度均为1.010-3mol/L的配体分别与Tb(NO3)3和Eu(NO3)3的储备液（1.010-3mol/L）按体积比为3:1配制成浓度为1.0105mol/L的水溶液，同时用缓冲溶液（pH=7）定容，再测量体系的荧光强度12。由表1可知，吡啶-2，6-二甲酰肼苯甲醛腙和吡啶-2，6-二甲酰肼水杨醛腙作为荧光敏剂，对Eu3+和Tb3+的荧光敏化性能比吡啶-2，6-二甲酰肼要好，且同种配体与Tb3+形成的配合物的荧光强度明显优Eu3+配合物。在分子偶极矩较小的溶剂中稀土配合物荧光强度较强。表1 四种吡啶-2，6-二甲酰腙类化合物与两种稀土离子形成的配合物在水溶液中的荧光强 稀土离子不同配体所构成的配合物的荧光强度nm化合物10化合物10a化合物10b化合物10c Eu3+(614nm) Tb3+(543nm)2057322.1629.4275.2615.7108117 激发狭缝宽2.5nm，发射狭缝宽2.5nm，配合物浓度为1.010-5mol/L。1.4 腙类化合物以及金属配合物在其他领域的应用研究发现由金属离子和酰腙配体自组装构筑得到的金属配合物，特别是以d10金属为中心形成的配合物，在发光材料方面有着巨大的潜在应用前景13。而在分析化学方面，腙类化合物广泛地被作为荧光试剂，用来检测或分离含有羰基或过渡金属的化合物14。该类化合物与配体腙相比，除了在药物方面具有用途广泛的特点, 而且还具有特殊的电学、磁学、光学性质, 因此在非线性化学、分析测试和催化学方面也有广泛的应用。腙类试剂是一类理想的荧光分析试剂, 用其测定Al3+、Zn2+、Cu2+的试验结果已显示出其灵敏度高和选择性好等优点。尽管对于腙类化合物以及衍生物的研究方兴未艾，但是，研究的方向主要如上所述，为了进一步拓展该类化合物的研究范围，本文合成了一些腙类化合物及其衍生物，对其结构进行表征，并对其热稳定性进行研究。这为进一步研究这类化合物的结构及其性质方面提供了数据。2 实验部分2.1 仪器和试剂Bruker AM-300 超导核磁共振仪（瑞士Bruker公司）、Nicolet 170SX FT-IR 红外光谱仪（KBr压片）（上海分析仪器有限公司）、PE-2400元素分析仪（德国PE公司）、XT-4双目显微熔点测定仪（温度计未校正）（北京泰克仪器有限公司）；TG/DTA热分析仪。苯胺(99%)(天津市致远化学试剂有限公司)，亚硝酸钠(96%)，浓盐酸（30%）(中平能化集团开封东大化工有限公司试剂厂)，亚硫酸氢钠(天津市致远化学试剂有限公司)，氨水(25%)(开封化学试剂总厂)，氢氧化钠(30%)(天津化学试剂有限公司)，无水乙醇(开封化学试剂总厂)，无水甲醇(天津化学试剂有限公司)，冰醋酸(天津医药化学有限公司)，苯甲醛(天津化学试剂有限公司)，对羟基苯甲醛(天津化学试剂有限公司)，4-甲氧基苯甲醛(95%)(天津化学试剂有限公司)，4-硝基苯肼(天津市百世化工有限公司)，DMF(天津市致远化学试剂有限公司)，POCl3(天津市百世化工有限公司)均为市售化学纯或分析纯。2.2 苯肼的合成向100 mL圆底烧瓶中加入盐酸13 mL，苯胺4.65 g(0.05 mol)和一定量的水，冷却至2 ，控制在05 滴加亚硝酸钠溶液6.4 mL，搅拌30 min反应完毕。向另一烧瓶中加亚硫酸氢钠28.3 g，氨水10 mL，加温至80 ，控制在8085 、pH=6.26.7，在20 min内将上述重氮液细流加入，继续搅拌1.5 h，再加入锌粉，搅拌过滤。在上述滤液中，于70 加入30 %盐酸进行酸析，控制温度在8590，搅拌10 min，冷却至20以下，吸滤。向烧杯中加入碱液，在搅拌下加入上述苯肼盐酸盐和适量的水，升温至50 ，在5060 搅拌1 h，静置8 h以上，分出下层水溶液，得上层油状物即为苯肼15。2.3 腙类化合物的合成162.3.1 苯甲醛苯腙(11)的制备在100 mL的三口圆底烧瓶中加入苯甲醛（0.05 mol，5.31 g），苯肼（0.05 mol，7 mL）及无水乙醇15 mL，搅拌下缓慢加入几滴冰醋酸，回流反应4-5 h。反应完毕冷却至室温，放置析晶，有沉淀出现，抽滤，干燥，最后用无水乙醇重结晶，得黄色针状固体4.39 g，产率44.7%。 m.p.156158； 1H NMR (DMSO-d6，400 MHz) : 8.10 (s，1H，C-H)， 6.467.60 (m，12H，Ar-H)，4.0 (s，1H，N-H)；13C NMR (DMSO-d，400 MHz) ：155.0，146.8， 131.4，131.0，129.4，129.0，128.8，118.3，115.5；Anal. calcd for C13H12N2：C 79.59，H 6.12， N 14.29；found C: 78.94，H 6.77，N 14.03。合成路线如图所示。2.3.2 4-甲氧基苯甲醛缩4-硝基苯腙(12)的制备在装有磁力搅拌器、回流冷凝管和温度计的100 mL的三颈烧瓶中，加入4-硝基苯肼固体（0.05 mol，7.66 g），并用适量的无水乙醇溶解,再加入等物质的量的4-甲氧基苯甲醛（0.05 mol，6.80 g），搅拌下加热，回流反应约5 h。反应毕，冷却至室温析出固体，抽滤得粗品，再用无水乙醇重结晶，干燥得红褐色针状晶体4-甲氧基苯甲醛缩4-硝基苯腙6.06 g，产率44.7%。m.p.159161。1H NMR (DMSO-d6，400 MHz) ：8.06 (s，1H，C-H)，6.757.98 (m，8H，Ar-H)， 4.0 (s，1H，N-H)，3.73（s，3H，-OCH3）；13C NMR (DMSO-d，400 MHz) ，： 164.5，154.1，152.8，138.2，130.0，124.7，123.4，116.1，114.3，56.0； Anal. calcd for C14H13N3O3：C 61.99，H 4.80， N 15.50；found C： 61.58，H 4.93，N 15.74。合成路线如图所示。2.3.3 对羟基苯甲醛缩4-硝基苯腙(13)的制备在装有回流冷凝管、磁力搅拌器和温度计的100 mL三颈烧瓶中，加入4-硝基苯肼（0.05 mol，7.66 g），用适量的无水乙醇使其溶解，再加入等物质的量的4-甲氧基苯甲醛（0.05 mol，6.80 g），搅拌下加热，回流反应约5 h。反应毕，冷却至室温析出固体，抽滤得粗品，再用无水乙醇重结晶，干燥得红色针状固体对羟基苯甲醛缩4-硝基苯5.88 g，产率45.7%。m.p.264266。1H NMR (DMSO-d6，400 MHz) ：8.05 (s，1H，C-H)，6.737.96 (m，8H，Ar-H)，4.0 (s，1H，N-H)，5.0(s，1H， -OH）；13C NMR (DMSO-d，400 MHz) : 159.8，154.3，152.8，138.3，130.3，124.1，123.5，116.0，115.7；Anal. calcd for C13H11N3O3: C 60.70，H 4.28，N 16.34；found C: 60.54，H 4.33，N 16.40。合成路线如图所示。2.3.4 4-甲氧基苯甲醛缩对羧基苯腙(14)的制备在装有温度计、磁力搅拌器和回流冷凝管的100 mL三颈烧瓶中，加入对羧基苯肼（0.05 mol，7.61 g），用适量的无水乙醇使其溶解，再加入等物质的量的4-甲氧基苯甲醛（0.05 mol，6.80 g），搅拌下加热，回流反应约5 h。反应毕，冷却至室温析出固体，抽滤得粗品，再用无水乙醇重结晶，干燥得黄色晶体4-甲氧基苯甲醛缩对羧基苯腙6.05 g，产率44.8%。m.p.254256。1H NMR (DMSO-d6， 400 MHz) ：11.0(s，1H，-COOH)，8.08 (s，1H，C-H)，6.697.90 (m，8H，Ar-H)，4.0 (s，1H，N-H)，3.73(s，3H，-OCH3)；13C NMR (DMSO-d，400 MHz) ：172.2，164.3， 154.8，152.2，131.3，130.0，120.3，115.1，114.3，56.1；Anal. calcd for C15H14N2O3：C 66.67，H 5.19，N 10.37；found C：66.54，H 5.22，N 10.76。合成路线如图所示。2.4 腙类衍生物1-(4-硝基苯基)-3-(4-甲氧基苯基)-4-甲酰基吡唑(15)的合成搅拌下向15 mL冷却至0 的DMF（N-N-二甲基甲酰胺）中滴加6.13 g新蒸的（0.04 mol）POCl3,温度控制在10 以下。滴加完毕后,在此温度下充分搅拌0.5 h。再将4.53 g（0.02 mol）4-甲氧基苯甲醛缩4-硝基苯腙溶于12 mL DMF中,温度控制在10 以下滴加到上述混合物中,在此温度下继续搅拌1 h后在室温下再搅拌1 h升温至60 搅拌2 h,然后冷却至室温倒入30 mL冰水中,接着用碳酸钠溶液中和至pH817。pH调好后，抽滤，用蒸馏水洗涤,干燥，最后用无水甲醇重结晶得杂环化合物1-苯基-3-(苯基硝基)-4-甲酰基吡唑3.31 g，产率51.2% 。m.p.300。1H NMR (DMSO-d6, 400 MHz) ：9.58(s，1H，-CHO)，7.80 (s，1H，C-H)，6.828.20 (m，8H，Ar-H)，3.71(s，3H，-OCH3)；13C NMR (DMSO-d，400 MHz) ：190.0，162.3，157.8，145.9，145.7，128.8，128.0，126.8，124.3，119.7，114.3，56.1；Anal. calcd for C17H13N3O4：C 63.16，H 4.02，N 13.00；found C: 63.61，H 4.68，N 13.44。合成路线如图所示。2.5 腙类化合物以及衍生物的热分析实验 以10 /min升温速率，用铝坩埚装入各种腙类化合物，N2气保护，分别得到从50 到900 的热重曲线。3 结果与讨论3.1 化合物11的TG-DTG图化合物11起始重量4.035 mg，从图1 TG曲线可知，在152之前即有失重，约4.7，可能是样品中含有少量溶剂或者样品受保护气体流动所致。随着温度升高，TG曲线在153300之间出现了第一个失重阶段，失重91.8；300400出现了第二个失重阶段，失重27.2；400500出现了第三个失重阶段，质量变为0；501以后曲线出现负值，可能是样品极易分解，急速冲出的气体会带出试样粉尘，造成损失，出现负值，但在相对误差允许范围内。TG图1 化合物11的TG-DTG图3.2 化合物12的TG-DTG图图2 化合物12的TG-DTG图化合物12起始重量4.699 mg，从图2 TG曲线可知，在200之前即有失重，约4.3，可能是样品中含有少量溶剂或者样品受保护气体流动所致。随着温度升高，TG曲线在201350之间出现了第一个失重阶段，失重51.5；350500出现了第二个失重阶段，失重31.3；500600出现了第三个失重阶段，质量变为0；601以后曲线出现负值，可能是样品极易分解，急速冲出的气体会带出试样粉尘，造成损失，出现负值，但在相对误差允许范围内。3.3 化合物14的TG-DTG图化合物14起始重量9.976 mg，从图3 TG曲线可知，在210之前即有失重，约1.7，可能是样品中含有少量溶剂或者样品受保护气体流动所致。随着温度升高，TG曲线在210350之间出现了第一个失重阶段，失重67.8；350550出现了第二个失重阶段，失重31.3；550650出现了第三个失重阶段，质量变为0；601以后曲线出现负值，可能是样品极易分解，急速冲出的气体会带出试样粉尘，造成损失，出现负值，但在相对误差允许范围内。图3 化合物14的TG-DTG图3.4 衍生物15的TG-DTG图衍生物15起始重量9.114 mg，从图4 TG曲线可知，在80之前即有失重，约6.2，可能是样品中含有少量溶剂或者样品受保护气体流动所致。随着温度升高，TG曲线在100200之间出现了第一个失重阶段，失重12.7；200以后，样品变化不是很大，说明成环物质较稳定，不易分解。图4 化合物15的TG-DTG图4 结论本文以一些常见的醛与肼为原料通过缩合反应生成了一系列腙类化合物以及衍生物，并对结构进行了表征，还对其热稳定性质作了初步分析及研究，为进一步研究此类化合物的结构及结构与热学性质等方面的联系提供了基本的数据。参考文献1 Monfared Pouralinardan O, Janiak C. Synthesis and spectral characterization of hydrazone schiff bases derived from 2, 4-dinitropheny hydrazine.crystal structure of salicylaldehyde -2, 4-ninitropheny hydrazoneJ. Z.Naturforsch, 2007, 62b(5): 717-720.2 Sayed L E,Iskander M F.Coordination compound of hydrazine derivatives with transition metalsJ. Inorg Nucl Chem, 1971, 33(2): 435-443.3 范志金, 钟滨, 王素华, 等. 1, 3-二甲基-5-甲硫基-4-苯腙基羰基吡唑的合成及抑菌活性J. 应用化学, 2003, 20(4): 365-367.4 黄明智, 黄可龙, 陈灿, 等. 2-甲硫基-1-苯基乙酮苯甲酰腙类化合物的合成和生物活性J. 农药学学报, 004, 6(3): 67-70.5 龙德清, 汪焱钢, 李德, 等.5, 7-二甲基-1, 2, 4-三唑并1, 5-嘧啶-2-甲酰腙类化合物的合成与生物活性J. 有机化学, 2005, 25(11): 1498-1502.6 龙德清, 陈胜胜, 李德江. 间苯双酰腙类化合物的合成及其生物活性J. 江西师范大学学报, 2006, 30(4): 372-376.7 江定心, 张信旺, 刘志诚, 徐汉虹. 鱼藤酮腙的合成及生物活性J. 农药学学报, 2006, 45(12): 810-811.8 邢家华, 夏旭建, 彭伟立.新型杀虫剂甲磺虫腙的合成与杀虫活性J. 农药学学报, 2008, 10(2): 236-239.9 王道林, 徐姣, 韩珊, 等.新型薁类-1-酰腙化合物的合成及抗菌活性研究J. 有机化学, 2008, 28(11): 2016-2019.10 Alice MRBernardino, Adriana OGomes, Karen S. Charret, al. Synthesis and leish manicidal activities of 1-(4-X-p