制药工程本科毕业论文.doc

点击化学法合成芳香二脒类化合物点击化学法合成芳香二脒类化合物摘 要：传统的合成脒的反应产量很低，从而限制了对其进行一步的研究与开发。因此，选用以炔基与叠氮基加成链接的点击化学法高产量合成脒类化合物有着非常重要的意义。本实验研究以对氰基苯酚、氢氧化钠、3-溴基丙炔、叠氮化钠、二溴代烷、氨化物等物质为底物，经过搅拌、回流、过滤重结晶等反应过程，利用点击化学法最终得到脒类化合物。其结构均经红外分析仪分析后，均有脒的结构。关键词：点击化学法；对氰基苯基丙炔醚；芳基二脒类化合物；合成Abstract: The traditional synthesis of amidine reaction yield is very low, thus limiting step in its research and development.Therefore, the Synthesis of high-yield aromatic diamidines compounds via click chemistry has very important significance. The experimental study of p-Cyano Phenol Catalyzed, Sodium Hydroxide and 3 - propargyl bromine, NaN3, Dibromoalkane, ammonium compound and other substances as the substrate, after stirring, reflux, filtration recrystallization reactions,click to finally get using amidine chemical compounds.Keywords:clickchemistry；p-cyanophenolpropargylether；aromatic；diamidines；Synthesis1.前言1.1脒类化合物简介：1.1.1脒类化合物概述脒类化合物是非常重要的化合物,广泛应用于抗生素、利尿剂、消炎药、驱虫剂、杀菌剂和广谱杀螨剂。脒类杀菌剂在农药杀菌剂中占有重要的位置，研究表明，脒类杀菌剂是一类内吸性杀菌剂，因其具有分子结构新颖、作用机理独特的特点，脒类杀菌剂对植物灰霉病等多种植物病原菌具有独特的预防和治疗作用，是一类新型、低毒、高效、无公害农用杀菌剂，对其进行研究具有一定经济、社会意义。我校无公害农药研究服务中心已将丙烷脒成功开发为商品农用杀菌剂。国内杨凌农药化工有限公司与美国NZYM公司合作开发出了2丙烷脒水剂，其化学名称为1，3-二(4-脒基苯氧基)丙烷。丙烷脒可有效防治番茄、黄瓜、草莓等作物上的灰霉病菌，尤其适合温室大棚等用药强度大、环境相对封闭场合的病害防治。新型杀菌剂丙烷脒具有高效低毒，对环境友好等优点。规模化生产及产业化应用后，对改善农业生态环境，提高农产品的安全性，促进绿色农业发展，保障人们身体健康具有重要意义。丙烷脒在国内市场应用前景广阔，具有进入国际市场的条件和潜力，必将取得显著的经济、社会和生态效益。早在1930年，芳香二脒类化合物就已经被发现是一种治疗原虫疾病的有效药剂，应用于临床。早期的临床试验证明，芳香二脒类化合物对早期非洲锥形虫症和利什曼原虫症有一定的治疗作用。芳香二脒类化合物不仅具有抗原虫活性而且表现出杀虫、抗细菌、真菌、病毒及肿瘤活性。某些脒类化合物是一些具有生理活性的物质的片段，同时它们在有机合成中还是重要的有机合成中间体，可以合成氮杂环类化合物。环脒具有较好的催化活性，是环氧树脂和聚氨酯的固化剂。1.1.2 脒类化合物的合成方法：随着脒的用途的扩大，其合成方法的研究也引起了科学家更多的重视。1975年Gautier等对脒类化合物进行了较为详细的综述，1991年Boy也综述了脒的合成进展，1996年刘毅峰等也综述了脒的合成及应用研究进展。脒的合成方法主要有以下几种方法：1.1.2.1 改进的Pinner法：Pinner法就是用酸作催化剂使醇在酸性条件下发生醇解反应生成相应的酯，反应机理：1.1.2.2 肟的还原法：对羟基苯腈等盐酸羟胺发生加成反应生成对羟基苯甲肟，然后对羟基苯甲肟镍催化加氢还原生成对羟基苯甲脒的盐酸盐。反应机理：1.1.2.3 SmTMSCIH20(微量)体系法：二碘化钐及有机钐化合物作为一类在有机合成中非常有用的试剂而得到了广泛的应用。胺与腈反应生成N,N-二取代脒。二碘化钐做催化剂往较温和的条件下得到高产率的脒。反应机理：1.1.2.4 氯基还原成脒的固相合成：由氨基还原成脒的典型的固相合成反应，很容易从连有树脂的腈来获得。反应机理：1.1.2.5 催化合成脒法：许多合成脒的方法在文献中有所阐述，但都涉及强酸、强碱等很苛刻的还原反应条件或是需要高温的条件，也很少适合高的宫能度脒的合成。对此发现一种新的合成脒的方法，一种用N一乙酰半胱氨酸做催化剂的脒的合成新法。反应机理如下：1.1.2.6酮肟法Monson等报道各种芳基、烷基酮肟和六甲基磷酰三胺(HMPA)在220240反应10min，通过Beckmann重排得到相应的酰胺。Pederson重复上述条件后发现，反应产物除了酰胺和反应物酮肟外，还有脒存在，因此，他们采用多聚磷酸(PPA)作催化剂，使苯甲酮肟和六甲基磷酰三胺(HMPA)反应，得到脒。相应的反应方程式如下： 1.1.2.7羧酸法用多聚磷酸三甲硅酯(PPSE)作缩合剂，使羧酸和胺进行缩合反应，得到相应的脒。反应机理如下： 1.1.3 脒类化合物的前景：脒类化合物在医药中应用广泛，其由于其良好的治疗作用至今临床仍有应用随着脒的含成方法的不断更新，原料的选择范围也越来越大，产率大大提高。脒类化合物可被植物体吸收、输导和代谢，属于内吸性杀菌剂，具有保护和治疗双重功效。主要用于防治由灰霉病菌引起的多种植物病害。同时，毒性试验和环境生态试验表明，脒类化合物是一种低毒的化合物，其急性经口、经皮毒性均属于低毒。对人类皮肤、眼睛均无刺激作用，对皮肤无致敏作用、无致畸、致突变作用。在脒的研究过程中，国内外的相关学者常常致力于寻找一个高产率的脒的合成方法。但除了一个高产率合成方法外，脒的生产工艺也很重要。在脒的生产过程中，要按照绿色化学的概念，减少污染，增大原料的利用率。可见，未来脒类化合物的发展主要是提高其产率，实现“原子经济型”转化。总之，只要不断对脒类化合物进行研究，此类化合物的应用前景将会越来越广泛。1.2 多效价作用简介：国外对脒类化合物合成反应的研究较多，近年来，人们对芳香脒的研究逐渐沉入，其中人们在研究中发现簇合结构中母体寡糖小分子数目的比例越高，其活性提高程度越大，并推测这是由活性结构的多效价效应（簇合效应）引起的。理论上讲，天然的或合成的多价态配体(药物)既可以作为生物过程的抑制剂，也可以作为激动剂。一方面因为它们具有多个受体结合成分，多价态配体能与受体高活性和高特异性结合，因此可以作为受体有效的抑制剂；另一方面，多价态配体还可以通过信号转导激活一个特异的生物反应而作为一种激动剂。多价态配体抑制还是激动的能力取决于它作用的机制。目前多价态结合药物的研究以抑制剂为多。在生物体系中，多位点结合比单位点结合更具优势。首先，通常多效价配体比单效价配体对相应的受体有更强的亲和力。多效价配体可同时和受体上的主要结合点及结合亚点作用，使结合更加稳定；其次，多效价作用能提高受体的选择性（图2）。图1多效价配体与多效价受体相互作用 图2多效价作用的选择性由于生物体系多价态结合的重要性，越来越多的研究致力于多价态结合作用的探究和优化，并且根据多价态配体与多价态受体之间的作用，设计合成多价态结合药物。因此，利用多效价效应来发现高效、安全的新型农药分子，可看作是一种基于结构的合理设计。1.3 点击法简介：丙烷脒在使用中效价较高，与其它杀菌剂相比，具有结构新颖无抗性，杀菌谱广，用量少，环保低毒等优点。脒类化合物通常由芳胺与腈在强烈的反应条件下：如高温、使用金属钠或锂长时间反应来制备。另外，有人报道了在Zn/TiCl4以及SmI2体系中通过腈与硝基化合物分子间交叉还原偶联合成脒。西北农林科技大学无公害农药研究中心曾以4-氰基苯酚与，w-二溴烷烃为原料，合成了芳香二脒类化合物。但是，这些方法由于条件较苛刻，反应时间长或操作困难等原因，在应用上受到了一定的限制。因而，寻找更简便有效的合成脒的方法仍具吸引力。2001年诺贝尔化学奖获得者美国化学家sharpless提出了一种快速合成大量化合物的新方法，是继组合化学之后又一给传统有机台成化学带来重大革新的合成技术。点击化学(主要指炔基与叠氮基加成链接得到极性1，2，3一三氮唑官能团的反应)已经在化学链接、分子结构功能化等方面获得了广泛应用，其实质是指选用易得原料，通过可靠、高效而又具选择性的化学反应来实现碳杂原子连接，低成本、快速合成大量新化台物的一套强大且实用的合成方法。其核心是利用一系列实用且可靠的、模块化的反应生成含杂原子化合物。这些反应通常具有如下特征：(1)所用原料易得；(2)反应操作简单 (3)产物收率高、选择性好；(4)产物易纯化，后处理简单。点击反应主要有4种类型：环加成反应，特别是1,3-偶极环加成反应。也包括杂环Diels-Alder反应；亲核开环反应，特别是张力杂环的亲电试剂开环；非醇醛的羰基化学；碳碳多键的加成反应。端基炔和叠氮化合物的1,3-偶极环加成发应有点击反应的“cream of the crop”之称。叠氮化合物和乙炔的环加成反应早在20世纪早期就有报道，但反应生成1,4-和1,5-二取代三唑混合物。后来使用Cu(I)催化剂可得到区域选择性的1,4-三唑且产率高达百分之九十，反应时间也由原来的18h缩短为8h。Cu(I)催化反应机理见下图：Hawker等采用点击化学法制备了新型的含三氮唑基团的乙烯基单体，反应简单实用。故笔者决定尝试用点击化学法合成芳香二脒化合物。现将研究结果报道如下：2.实验内容2.1合成实验2.1.1材料与方法2.1.1.1实验仪器与试剂对氰基苯酚（97%，江苏武进化工厂）；对氰基溴苄（CR，南京市布莱克精细化工有限公司）；季戊四醇、对甲苯磺酰氯（CR，上海晶纯实业有限公司）；苯胺（AR，天津市登丰化学品有限公司）；甲酰胺、乙酰胺（AR，天津市博迪化工有限公司）；甲胺（甲醇溶液，四川西陇化工有限公司）；N, N-二甲基甲酰胺甲醇、乙醇、氯仿、浓硫酸、浓盐酸（AR，西安化学试剂厂）；硅胶GF254（青岛海洋化工厂）；吡啶(分析纯，广东汕头市西陇化工厂)。RE一52A型旋转蒸发仪(上海亚荣生化仪器厂)；DZF6021型真空干燥箱(上海精宏实验设备有限公司)；BSll0S型电子天平(Sartorius公司)； DMX300型核磁共振仪(德国Bruker公司)；X-6型数字熔点仪（北京泰克仪器有限公司）;回流管；电热套。2.1.1.2 中间体的制备2.1.1.2.1 中间体（1）的制备 将氢氧化钠15g加入到500ml的单口烧瓶中，按每次10ml分批加入蒸馏水到烧瓶中，每加一次要搅拌数分钟，加水过程中要用冰水冷却，约加到30ml时氢氧化钠已基本溶解。在单口烧瓶中加入对氰基苯酚15g，并加入甲醇作溶剂，回流反应约10h，生成对氰基苯酚钠，用TLC监测反应进程（见图一），直至对氰基苯酚转化完毕，用氯仿/水体系萃取得到对氰基苯酚钠；在室温下，将萃取得到的一定量的对氰基苯酚钠用甲醇溶解后加入向其中滴加3-溴丙炔的甲醇溶液，在滴加的过程中如反应液发热，可用冰水冷却，滴加速度尽量要慢，用TLC检测反应进程（见图一），直至丙炔溴转化完毕；用水/低极性溶剂体系萃取或用柱层析的方式分离，得到中间体（）。2.1.1.2.2 中间体（）的制备向对氰基卞溴苯的甲醇溶液中分批加入过量的叠氮化钠，室温搅拌、回流，检测反应进程、直至对氰基卞溴苯转化完全，生成中间体（）。2.1.1.3 目标化合物的合成将1g钠固体加入到盛有将80ml甲醇的250ml的烧瓶内，开始不搅拌，若烧瓶过热，用冰水冷却，待里面固体几乎反应完后，开搅拌装置，搅拌约半小时后反应完全。待反应液冷却至室温后将约5g中间体（）加入烧瓶内，室温搅拌3天，TLC检测反应几乎完全后停止反应（见图一）。将反应液分成2份，分别加入征兵按和氯化铵在回流装置下反应约3小时，TLC检测反应进程得到（）（见图一）。在氮气保护下，将（）和（）在催化量的氯化亚铜的催化下，搅拌反应直至反应完全，旋转蒸发除去溶剂。将残余物用盐酸加热溶解，趁热抽滤，冷却至室温即可分出白色固体，固体析出完全后，过滤，干燥，得到白色固体粉末。 图一（TLC图） （） （）（）图二 目标化合物的合成路线化合物正丙基单头脒的红外结构如下图：图三 正丙基单头叠氮脒红外谱图由红外图谱可见，化合物在3000-3100cm-1有强的吸收峰，且谱带比较尖锐，所以可推出化合物中有苯环；在3200cm-1左右有吸收峰，应该是是仲胺的吸收峰；在2000-2200cm-1处有吸收峰，是氰基的吸收峰；在1250cm-1附近有个小的吸收峰，是C-O的吸收峰。但由于进行红外分析时，由于溴化钾发潮、得到的化合物不纯等原因，不能完全确定化合物是否是正丙基单头叠氮脒。如需确定，还需要其他方法认证。中间体（） 中间体（） 中间体（）Intermediates（） Intermediates（） Intermediates（）熔点/ m.p.实际值Actual value109-122 103-109132-130产率/% Yield90% 81%各目标化合物的物理化学常数及产率R1分子式Formula分子量Mw熔点/m.p.产率/%YieldN H4ClC3H7NHC20H28ClN5OC22H30N5O389.93380.51180-193160-1757.2%3.1%2.2目标化合物的抑菌活性测定2.2.1子叶培养法2.2.1.1 供试材料供试菌株：YD、LH和CK，于2011年5月在西北农林科技大学无公害农药研究服务中心，从温室分离、纯化、鉴定后得到的灰霉病菌。黄瓜品种为：供试药剂：由点击法生成的脒产物正丙基单头叠氮脒、丙二胺单头叠氮脒。2.2.1.2方法2.2.1.2.1黄瓜培育分两种方法培育：黄瓜隔离种植于温室大棚田中和直接隔离种在温室的盆中备用。2.2.1.2.2菌种培养供试灰霉病菌经活化及重新分离，转接于PDA培养基上，23.5恒温室中培养备用。2.2.1.2.3药剂处理先接菌后施药：待黄瓜长出子叶时，将药剂配制成50ug/ml，以清水为空白对照，用相同浓度的丙烷脒做标准试剂对照。采摘叶龄相同的黄瓜子叶，洗净放于吸水纸上晾干。将晾干的子叶分别放入不同浓度的药液中浸泡数分钟。将培养好的番茄灰霉病菌用打孔器打成3mm的菌饼，接种子叶正面，笼罩保湿。培养室L/D一10 h：14 h，RH一95，TL(光照条件下温度)=23.5，TD(黑暗时温度)=18内培养，每处理4次重复。3d后，测量各处理的菌落直径，治疗效果的计算公式为：治疗效果/=(对照菌落直径增长量一处理菌落直径增长量)/对照菌落直径增长量100。2.2.2组织培养法2.2.2.1供试材料供试菌株：于2011年5月在西北农林科技大学无公害农药研究服务中心，从温室分离、活化、纯化、鉴定后得到的番茄灰霉病菌。品种： 大棚中采摘的新鲜番茄果实供试药剂：由点击法生成的脒产物正丙基单头叠氮脒、氯化胺单头叠氮脒及其它方法合成的脒。2.2.2.2方法2.2.2.2.1菌种培养供试番茄灰霉病菌经活化及重新分离，转接于PDA培养基上，23.5恒温室中培养备用。2.2.2.2.2药剂处理先施药后接菌：将各个药剂均配制成50ug/ml的浓度，以清水为空白对照，以相同浓度的丙烷脒做标准试剂对照。将番茄洗干净后，放在吸水纸上晾干，再用75%的医疗酒精擦拭消毒，放置晾干。待番茄晾干后，将配好的药液用小喷壶依次喷洒在番茄表面，待番茄晾干后，在每个番茄上用接种针（也可用牙签代替）扎三处小孔(也可扎破表皮)。将培养好的番茄灰霉病菌用打孔器打成3mm的菌饼，接种在每处小孔上。在接种时可能由于番茄果实内有液体流出导致接菌时菌柄脱落，所以在接菌时要用力压菌柄使其牢固。接完菌后，将番茄移到下垫有湿报纸的保鲜箱中，并用保鲜膜密封保鲜。培养室LD一10 h：14 h，RH一95，TL(光照条件下温度)=23.5，TD(黑暗时温度)=18内培养，每处理4次重复。3d后测量保护效果。2.2.3结果与分析合成化合物抑菌活性的番茄果实组织培养法测定结果见下表。由表可见，在50 ug/ml剂量下，几种脒类化合物对番茄灰霉病菌均有一定的抑菌活性。其中由点击法合成的的正丙基单头叠氮脒菌圈平均值为3.03cm，而空白清水对照平均值为4.31cm，因此很明显由点击法合成的的正丙基单头叠氮脒具有一定的抑菌活性。而氯化胺单头叠氮脒（A1）测试的番茄菌圈平均值为3.39cm，但也有一定的抑菌作用。但由于在测丙烷脒抑菌活性时，在称取丙烷脒时有少量丙烷脒损失及其它一些原因，丙烷脒的浓度没有达到要求，导致抑菌活性太低，没有起到对比的作用。因时间有限，只做了这一次处理。化合物测试结果图片见附录3。处理重复空白对照cm丙烷脒cmA0cmA1cmA2cmA3cm对脒基苄基叠氮cm叔丁胺单脒cm14.3 3.1 2.3 3.4 3.0 3.2 2.3 3.5 24.5 3.5 2.2 2.8 2.7 2.9 3.5 3.4 34.5 3.3 1.7 3.6 3.5 2.4 3.2 3.4 44.0 3.5 2.0 3.3 2.6 2.7 3.5 3.3 54.1 2.7 1.5 3.6 3.2 3.5 2.7 3.5 64.2 3.2 2.4 3.5 3.1 3.3 2.2 3.3 74.6 3.4 2.5 2.8 2.8 2.9 3.5 -84.5 3.4 1.5 3.7 3.3 -3.2 3.6 94.2 3.5 2.1 3.3 2.5 2.6 3.6 3.2 104.4 2.8 1.4 4.1 3.2 3.6 2.5 3.4 114.3 3.0 2.2 3.4 3.2 3.2 2.1 3.5 124.7 3.5 2.1 2.8 2.7 3.1 3.7 -134.3 3.3 1.7 3.4 3.4 2.3 3.2 3.4 144.0 3.3 2.0 3.3 2.5 2.8 3.3 3.3 154.1 2.7 1.6 3.9 3.3 3.5 2.9 3.5 平均值4.31 3.21 1.95 3.39 3.00 2.80 3.03 2.95 2.3 讨论本实验由于时间问题只生成了单头叠氮脒。采用点击法合成脒类化合物其产率相对于原脒类的生成方法相比稍有提高。在单头脒的合成过程中发现利用甲醇钠催化脒类化合物生成过程中，甲醇钠的用量对实验影响明显。甲醇钠的用量过高时，反应过程中出现深度氧化，催化活性反而下降；甲醇钠的用量较低时，起的催化作用较小，产率较低。经测试，甲醇钠的量要达到所用对氰基苯基苯炔脒量的20%较为适宜。在生成中间体（）的过程中，发现总会有固体物质存在，影响了反应进程，所以要加入少量的DMF作溶剂，使反应完全在液态的过程中进行。脒在碱性水溶液中的溶解度相对较大，因此在提取脒的过程中可用碱性水来提取。在检测制得的单头脒生物活性中开始分别采取了黄瓜子叶法和番茄组织培养法。在进行子叶培养法时由于操作不慎，导致叶子发干发黄，影响了实验效果，得到的实验数据不予采用。由番茄组织法测点击法合成的化合物抑菌活性时，与清水对照菌圈大小相比均测出所合成的化合物有一定的抑菌活性。3参考文献1. 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