（有机化学专业论文）新型咪唑和噻唑衍生物的合成及其性质研究.pdf

新型咪唑和噻唑衍生物的合成及其性质研究 专业：有机化学 方向：有机合成 硕士：谭海彬 导师：刘汉标副教授 宋化灿教授 摘要： 传统的好的非线性光学材料是那些具有共轭大n 键骨架，并且在骨架两端连接 强的电子受体一给体( a - n d ) 或强的给体一给体( d n d ) 或强的受体一受体( a _ n a ) 的有机分子，对于具有电子给体受体共轭结构的分子，给体的给电子能力和 受体的吸电了能力越强，越有利于体系形成电荷转移的共振态，扩大n 电子的流动范 围，使分子在外场中更易发生分子内电荷转移而有利于增强分子的微观倍频效应，共 轭链链长分子的二阶极化率也随着力的增加而迅速增长。在有机共轭体系中，共轭 骨架能改善体系的共轭性能，使非线性极化率增大；分子平面化，n 电子趋于离域， 也往往表现出较大的非线性光学效应。但分子的共轭程度越大，分子量越大，物质 的溶解度也会变得十分差，而当在咪唑一位氮上进行烷基化以后，整个物质的溶解 度会改善许多，有利于其利用和推广。本论文从廉价易得的苯偶姻、苯氧乙酸作原 料，经缩合、关环、烷基化、再关环，合成了二十二个新型的咪唑和噻唑化合物， 并通过n m r 、m s 、i r 等分析方法对其结构进行了表征，对这些化合物进行了荧光 寿命和荧光量子产率的测定以及三维结构图形的计算，结果表明，这些化合物都具 有相当高的荧光量子产率，分子共轭程度较大，是理想的非线性光学材料候选物质。 关键词：咪唑、噻唑、荧光量子产率、烷基化、非线性光学材料 i i t h es y n t h e s i sa n dp r o p o r t yi n v e s t i g a t i o no fs o m en e wi m i d a z o l e a n dt h i a z o l ed e r i v a t i v e s m a j o r ：o r g a n i cc h e m i s t r y n a m e ：t a nh a ib i n s u p e r v i s o r ：a p r o f l i uh a n - b i a o p r o f s o n gh u a - c a n a b s t r a c t n o n l i n e a ro p t i c s ( n l o ) i sc u r r e n t l ya l la c t i v ea r e a i tw a ss h o w nt h a tt h en l o p r o p e r t i e sa r es e n s i t i v et om a n yf a c t o r ss u c ha sl e n g t ho f c o n j u g a t e ds y s t e m a b i l i t yo f t h e e l e c t r o n - d o n a t i n ga n de l e c t r o n - a c c e p t i n go f s u b s t i t e n t sa t t a c h e d t ot h ec o n j u g a t e ds y s t e m , a n ds y m m e t r i ce f f e c t se n h a n c i n gt h ee l e c t r o n - d o n o ra n de l e c t r o n - a c c e p t o ra b i l i t yo r e x t e n d i n gt h e 一c o n j u g a t e dl e n g t hw o u l db ee f f e c t i v em e t h o d st oe n h a n c et h en l o b e h a v i o r sf o r t h em a t e r i a l s t h e r e f o r e n l o r ep r a c t i c a ln o n l i n e a ro p t i c a lm a t e r i a l sw o u l d b en e e d e dt op o s s e s sn o to n l yl a r g en o n l i n e a ro p t i c a ls u s c e p t i b i l i t ya tt h em a c r o s c o p i c l e v e lb u ta l s oh i 曲o p t i c a lt r a n s p a r e n c y h o w e v e r ，t h o s ec o m p o u n d sw h i c h h a v el a r g ec o n j u g a t i o nl e n g t hm a yu n s o l u a b l ei n m a n ys o l v e n t s i no r d e r t oi n h a n c et h es o l u a b i h t yo f t h o s ec o m p o u n d s ，t h ea l k y l a t i o no f t h ei m i d a z o l ew a sf i n i s h e dt os e ew h e t h e rt h es o l u a b i l i t yo f t h ec o m p o u n dw o u l db e c o m e m u c hb e r e t t h er e s u l ts h o w nt h a tt h ea l k y li m i d z a l ed e r i v a t i v e sp o s s e s s e sag o o d s o l u b f l i t yi nm a n ys o l v e n t s i nm ye x p e r i m e n t ，s o m en e wc o n j u g a t e dd o n o r - a c c e p t o r i m i d a z o l ea n dt h i a z o l ed e r i v a t i v e sf o rs e c o n d - o r d e rn o n l i n e a ro p t i c a lw e r ed e s i g n e da n d s y n t h e s i z e d t h e s ec o m p o u n d sw e r ec h a r a c t e r i z e db yr 1 hn m r ，”c n m ra n dm s t h en u o r e s c e n c el i f e t i m e ，q u a n t u my i e l do f t h e s ec o m p o u n d sw e r em e a s u r e d ，t h e t h r e e d i m e n s i o ns t r u c t u r eo f t h o s ec o m p o u n d sw e r ec a l c u l a t e db yc h c m o f f i c e - 2 0 0 6 e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h e s ec o m p o u n d sh a v ev e r yh i 曲q u a n t u my i e l d m o s t o f t h e s ec o m p o u n d sw e r et h e r m a l l ys t a b l e ，a n dc o n s e q u e n t l yt h e yc o u l db ec o n s i d e r e dt b b eg o o dc h o i c e sf o rt h ep r e p a r a t i o no f n l o ( n o n l i n e a ro p t i c a l ) m a t e r i a l s k e yw o r d s ：i m i d a z o l e ，t h i a z o l e ，q u a n t u my i e l d ，a l k y l a t i o a , n l o h i 已合成化合物： 萍稍 争浮 鼠辛 q 卜艰 c 1 2 h bc l2 h 泓。h d c 4 凰c 4 h 9 奠铁。叫0 划。 鹚鬈 融m 冷、， c 4 h 9 k q 洋d c 一9c 4 h 9 淞 牦 ( 玲矾d 。4 h 9 i c t 4 h ， 驭k c 】2 h 25c i 一2 5 融 导鼎d v 第一章前言 1 1 引言 苯并咪唑是一种含有两个氮原子的杂环化合物，苯并咪唑衍生物及其金属配 合物一直都是研究热点。之所以引起人们极大的研究兴趣，主要是由于这类化合 物具有良好的生物活性和物理化学性质，被广泛应用于化学传感器 。3 1 、非线性 光学材料4 刊、医药【18 - 1 9 1 、高分子功能材料【4 0 】、分子催化和生物模拟 3 1 - 3 2 1 等研究 领域。 4 3 图1 1 苯并咪唑的结构 苯并咪唑及其衍生物具有良好的生物活性，许多药物是苯并咪唑衍生物或其 配合物其中最重要的两类是抗寄生虫药2 9 1 和质子泵抑制剂2 7 - 2 8 1 。1 9 6 1 年人们 发现了噻并达唑具有抗肠道线虫作用，由此促进苯并咪唑类驱虫药2 9 】的发展苯 并咪唑衍生物作为配体与过渡金属离子形成的配合物，可用于生物分子的模拟。 例如维生素b 1 2 ( v i t a m i n eb 1 2 ) 就是苯并咪唑核苷酸与可啉环系( c o r r i nr i n g ) 的内络盐。苯并咪唑衍生物还可用作铜铝等金属防腐剂2 6 1 、光敏剂、无银照相、 表面活性剂、荧光增白剂及光敏染料【4 】等。苯并咪唑可用作抗辐射剂，效果可达 9 0 。聚苯并咪唑| 5 】由于高热稳定性、化学稳定性、低温稳定性及粘结性好，又具 不燃性及抗吸潮性，已广泛用于太空服装等空间用材料。 1 _ 2 咪唑衍生物的应用研究进展 1 2 1 非线性光学材料1 6 。6 l 有机材料的非线性光学响应来源于它的离域的n 电子共轭体系在光场作用 下的极化，因此这类材料也称分子非线性光学材料，它的特点是有机材料响应快， 非线性系数较高，并且有机物的结构多变，可根据需要进行分子设计，定制具有特 定功能的分子结构。 早期对4 种苯胺衍生物及其对应的八形分子的研究表明这种八形分子非常 易于沿一个方向堆积，而且得到非中心对称晶体的几率比一维电荷转移体系有了 明显增加，4 种八形分子相对于其对应的一维分子热稳定性、透光性及非线性上 都有很大的提高 孟凡青等【6 j 设计合成了含吡啶盐二维电荷转移八形分子d e ，其口值分别 达7 8 6 x1 0 瑚e s u 、1 7 7 0 x1 0 3 0 e s u ，最大吸收波长分别为3 4 4 n m 、4 1 2 n m ，具有 良好的透明性对于两种分子的大p 值，他的解释为：二维电荷转移体系除了具 有类似于一维电荷转移体系的平行偶极距以外，还有一垂直于偶极距的跃迁偶极 距，并且其分子卢的非对角张量大于对角张量，其测得的值是卢。和鼻。等信 号的有效叠加：还有吡啶阳离子是非常强的吸电子基团，分子在外电场中更易发 生分子内电荷转移从而增强了一阶超极化率d ，e 生色团分子中，因其带有两个 羟基反应活性基团，因而可进一步组装成为稳定性较好的热交联型聚氨酯体系 0 0 h h 0 图l 一2d 和e 生色团的结构 叶成等1 7 1 以5 一硝基一2 一氨基嘧啶分别与苯甲醛，2 一甲氧基苯甲醛和呋喃醛缩 合得到了3 种显示二阶非线性光学性质的八形生色团a c 它们的分解温度都 大于2 5 0 。c ，比n ，n 一双一( 4 一硝基苯基) 甲二胺( n i d a ) 的分解温度有较大提高， 其最大吸收波长分别为3 1 9 n m 、3 1 9 n m 、3 1 8 n m ，具有良好的透明性，其卢值也较 高。 0 h n - 、 n h 由世 t n o ， n 0 2 a 翰一 h n n h 由固 n t 0 2 n 0 2 b 图l h n n h 茸 0 2 n 0 2 3 四种化合物的结构 l h nn h 白园 n 10 2 n 0 2 n m d a 较早提出的二维电荷转移的x 形分子是l ，5 一二氨基一2 ，4 一二硝基苯( d a d b ) 在这个分子中，两对氨基和两对硝基互处对位而氨基又与硝基互处邻位，于是分 子中不仅存在和对硝基苯胺一样的对位电荷转移，而且还存在着邻位电荷转移， 导致分子中存在两个交叉的对位电荷转移，还有邻位电荷转移，这种电荷转移二 维特性使得d a d b 中卢的最大分量不是对角分量一而是非对角分量卢。它 的优点是：使非线性一透明性关系得到了优化；x 形二维生色团对于耐高温，高 活性极化高聚物的研究将会有重要意义 王鹏等1 8 i 设计了两个x 形生色团a 和b ，a 的f 口。能达至i j 3 9 0 0 1 0 郴 e s u ，理论计算及实验结果显示，生色团b 最大吸收波长仅为3 8 4f l l l l ，掣口。值达 5 5 5 1 0 郴e s u ，分解温度高达3 7 7 。c ，较好实现了非线性，透明性及热稳定性三者 的优化。他们认为多个给受体基团的引入提高了生色团口张量的非对角分量，这 样此类分子在聚合物体系中进行极化时对于取向度的要求比普通的d n a 型分 子低得多，而且多取代也增大了分子的体积，有利于提高生色团的取向稳定性 0 2 n 0 2 n n 0 2 0 2 n n 0 20 2 n 图卜4 化合物a 和b 的结构 现已报道的结构呈y 形的分子有两大类：一是两个给体为两个臂，而另一个臂 则是受体：另一类则正相反，即由两个受体和一个给体所组成。给体( 如常用的氨 基，烷氨基，烷氧基等) 或是本身含反应性部分，或是通过相应的反应性基团来形 成因此，更适合于作为极化高聚物的生色团分子，许多合成化学家都致力设计 n n h b n n h 合成氨基等活性基团为给体且作为两臂的y 形生色团 黎俊波等设计合成了噻唑明和咪唑类y 型二维电荷转移生色团a d ，并 用溶致变色法测定1 2 1 t 它们的一阶超级化率结果显示所合成的分子能很好满 足非线性、热稳定性及透明性的优化。 。器 d 电 0 2 n 7 a n 0 2 n h 2 囝 n a n h d 电 0 2 n 7 c n 0 2 图1 5 化合物a d 的结构 w o l f f 等1 13 | 报道了一类y 型生色团l 4 ，他们通过折光指数，介电常数，紫外 一可见吸收光谱，电光吸收测量，超瑞利散射和电场诱导二次谐波产生等多种实验 手段研究了几种以二苯乙炔为桥键的y 型生色团，发现其二维特性有较大差别 如生色团1 的卢一卢= 2 0 5 ，明显显示一维特性而另外两个生色团2 ，3 的 p 。p 。 1 ，显示出明显二维特性，含3 个苯乙炔桥键的生色团4 则是准一维的， 其口。与口。之比接近于1 4 6 ，对角与非对角都对其卢有贡献 l n j ， 叫臼慨 1 n l 、 0 2 图卜6 化合物卜4 的结构式 n 0 2 0 2 钟爱民1 ”i 用k o h k 。c 0 。作条件合成了一种含羟乙基活性基团的偶氮类噻唑生 色分子：它的最大吸收波长( 在d m f 中为6 0 0n m ，在t h f 中为5 7 6 n m ) ，截止波长 在7 1 0n m 以内；有较高的热稳定性和高的二阶极化率卢值，它在热稳定性、非线 性和透明性等方面的综合性能优异，是制备非线性光学材料的理想生色分子 k o h k 2 c 0 3 + c 1 c h 2 c h 2 0 h + 1 2 d o c 图1 7 偶氮类噻唑生色分子的合成 梁英红| 】5 】从双光子吸收分子的合成设计的规律即：具有共轭大n 键骨架并且 在骨架两端连接强的电予受体一给体( a n d ) 或强的给体给体( d n d ) 或强的 受体一受体( a n a ) 有机分子在强的激光脉冲作用下会发生强的双光子吸收出 发，以咔唑作为电荷给予体的发色团，改变电子受体的结构，合成了两个具有较大 双光子吸收截面的新型咔唑衍生物，它们的双光子吸收截面都大于1 0 0g m ，其中 咔哗母体n 上连接较强的丁基推电子基团，侧链同时连接强拉电子基团吡啶阳离 子，它们的协调作用使得它( 见下图) 在四个目标物中具有最大的双光子吸收截面 ( 6 1 7 g m ) 和较高的荧光量子产率( 2 5 ) ，它是双光子光限辐应用的一个有希望 的候选材料。 n h 兰瓤 一【| ：l 【| ，i a m n e ，k o h 多八h l r 旺弦叫了 许祖勋1 16 】设计二阶n l 0 生色团( 见下化合物) ，主要考虑到生色团分子中引 入高热稳定性的咪唑环：具有多个吸、供电子基团，分子呈“y 型”结构，这种结 构与一维极性生色团相比可以使其非线性光学性能和透明性能得到优化，且利于 得到大的非对角p 张量。通过分子模拟发现含硝基的两个苯环与咪唑环不共平面 这种结构有助于透明性能的提高和阻止生色团之间的相互静电作用，从而可以提 高极化效率和降低材料的光损耗。同时因咪唑为富电子杂环，根据“辅助电子给、 受体”理论，其可作为电子辅助给体，当与给体、受体基团相连时，其孤对电子参 与n 共轭形成a n d n7 体系，相当于延长了体系的共轭长度，从而补偿了 电荷转移程度减弱造成的p 值下降，结果使生色团仍具有较大的分子超极化率 h o a r - c h o n o n h 4 0 c o c h 3 ，卜 a c o h 图1 9 该生色团的合成方法 y ：7 4 1 2 2 苯并咪唑类衍生物生理活性及在药物中的应用 l _ 2 2 1 一氧化氮合酶抑制剂 王新图7 】以苯甲脒为基本母核，在苯环的对位引入2 一苯并咪( 噻) 唑基，然后 在脒基n 上引入环状或非环状的取代基，并测定目标化合物的诱生型n o s ( i n o s ) 一氧化氮合酶抑制活性。初步的药理试验表明目标化合物具有不同程度的i n o s 抑制活性。 q 科i 图卜l o 苯甲脒衍生物 1 2 2 2 抗炎活性 谭日红【18 1 等用几种方法合成了十个苯并咪唑类衍生物，对部分化合物进行了 抗炎活性筛选和致胃溃疡作用研究，药理实验结果表明，两种苯并咪唑类衍生物 经灌胃给药( 2 0 0 m g k g ) 对二甲苯所致小鼠耳肿胀具有显著抑制作用，但致胃溃 疡作用较强，其胃溃疡作用远远小于阿司匹林。 、c 1 4 2 h 2 c o o 卜h n n a o h ，1 0 0 0 c h p h = 8 1 0 图卜l l 苯并咪唑类衍生物的合成 1 2 2 3 抑制血小板聚集作用 李科等合成了( e ) 一卜取代芳基一2 一( 1 h 一苯并咪唑一卜基) 乙酮取代苯腙类化 懈 洲oz 叭n 、 合物，初步体外药理测试表明，均有不同程度抑制t x a 。合成酶从而抑制花生四烯 酸( a a ) 诱导的血小板聚集作用。 c i 秽扩b r 图1 一1 2 苯腙类衍生物的合成 n 9 1 2 2 4 抗菌活性 王陆瑶2 0 1 等合成了8 种未见文献报道的硝基苯并咪唑衍生物，初步的抑菌实 验结果表明，该系列化合物具有良好的抑菌活性和广泛的抗菌谱，其抑菌活性 均优于对照药剂5 0 多菌灵可湿性粉剂。 m i c o r w a v e + r c o o h 卜 p p a 图卜1 3 硝基苯并咪哗衍生物 。趾。恻7 ， n n r 。= i t , 善嚣产 i i k a yo r e n 2 l 】合成了几种2 ，5 和6 位上取代的苯并咪唑衍生物，通过测试 表明其化合物对微生物具有广谱的抗菌活性。 陈洪【2 2 】等合成了3 个新化合物一含氟、硝基苯并咪唑苯氧乙酸糖酯，抗病毒 活性试验结果表明，具有高的抗烟草花叶病毒( t m v ) 的活性。 s k h a b n a d i d e h ”l ，研究了卜咪唑氮上烷基链的长度与抗菌性的关系，结果 表明，九个碳原子以下的烷基链取代随着碳链的增长抗菌活性增强，同时，咪唑 环上2 位被甲基取代或2 位甲基4 位硝基取代也可以使抗菌活性增强： 1 2 2 5a t l 受体拮抗活性 徐进宜【2 4 1 设计了3 类结构新颖的胪苯基一1 肛毗咯取代的双苯并咪唑类衍生 物，并完成了1 2 个目标化合物的合成。通过测定目标化合物抑制al i 诱导的兔 胸主动脉环收缩的能力评价了其对a t l 受体的拮抗活性。其中一个化合物的a t l 受体拮抗活性大于先导物替米沙坦。 u w ej r i e s 2 5 】，合成了几种新颖的苯并咪唑衍生物，测试表明它们对 a n g i o t e n s i ni l 受体拮抗剂具有相当高的活性，a 化合物已经进入临床测试阶段， 并预测这些化合物与a t l 受体结合的模型： 1 2 2 6 金属缓蚀剂 沈建2 6 】石开究7 2 0 # 碳钢在含有苯并咪唑类化合物的h c l 溶液中的腐蚀行 为。结果发现在室温和5 0 。c 的条件下，5 种苯并咪唑化合物的缓蚀效果都很明显。 其中2 一对氯苄基苯并咪唑的缓蚀性能最好。 龠i 力d g ：刘 图卜1 4 有缓蚀效果的苯并咪唑类化合物的结构 1 2 2 7 质子泵抑制剂 质子泵抑制剂( p p i s ) 是2 0 世纪8 0 9 0 年代治疗酸相关性疾病的一个重要 进展，对溃疡病、胃食管反流病( g e r d ) 和胃泌素瘤等内科治疗是一个突破，是近 十几年来l 临床应用最广泛、疗效最好的药物。胃酸分泌的最后步骤是胃壁细胞内 质子泵驱动细胞内h + 与小管内k + 交换，质子泵抑制剂阻断了胃酸分泌的最后通 道，与以往临床应用的抑制胃酸药物相比，其抑酸作用强、特异性高、持续时间长， 经过多年实验确证，苯并咪唑杂环是质子泵抑制剂的必要结构。 戴桂元 27 1 等合成了一系列取代吡啶亚甲基硫代苯并咪唑类衍生物，并在过氧 乙酸的氧化下得到其相应的亚砜类化合物，为开发新型的质子泵抑制剂而摸索： r r 2 图1 1 5 取代吡啶亚甲基硫代苯并咪唑类衍生物的结构 赵丽众2 8 1 综述了苯并咪唑类药物质子泵抑酸作用机制及对胃食管反流性疾 病的治疗作用： 1 2 2 8 抗寄生虫药 s5 n卜nh 高学军i2 9 综述了苯并咪唑氨基甲酸酯类药物的进展，这是一类几年来发展非 常迅速的抗寄生虫防治药，是许多寄生蠕虫疾病治疗的首选药物。目前对苯并 咪唑氨基甲酸酯类抗蠕虫药物的基本作用机理仍不清楚，有两种理论：一种认 为此类药物的基本作用机理是抑制蠕虫的延胡索酸还原酶复合体；另一种认为药 物是与蠕虫微管蛋白结合从而阻止微管形成以至杀灭虫体。 1 2 3 化学传感器 高玲【1 i 把具有荧光活性的化合物分子，如某些花青染料，装入沸石的孔道中， 形成具有较好的荧光活性的，有类似胶囊结构的新材料。例如，沸石材料可选择 s b a 1 5 ，t d b a 为有荧光活性的化合物。 图卜1 6 荧光化合物的结构 曾振亚把下面化合物与阴离子形成1 ：l 络合物，对h 2 p 0 4 一有极好的选择 性识别，结合常数较大( 1 1 3 xl o b m 。) ，是c 1 一、b r 一的约2 0 0 倍。从头计算法表明， 它与阴离子间形成独特的钳式识别。咪唑正离子和阴离子之间强的静电相互作用 和相对刚性的结合位点的预组织作用，是产生识别过程中极大的结合常数和极好 的选择性键合的主要原因。 图1 1 7 化合物结构示意图 1 2 4 高分子功能材料 杨新固【3 0 1 采用溶剂球磨分散法制备了四苯基卟啉( h 。t p p ) z 苯并咪唑( i m 2 p t c ) 复合光生材料，3 ，4 ，9 ，1 0 一四甲酸二亚酰胺类化合物是一类性能优良 毅 弋料 蠕 p 沪p r 5 取 的有机光电导材料该类化合物含有特殊的稠环结构和大n 共轭电子体系，使 其不仅具有极高的光、热稳定性和耐久性，而且具有优异的光电性能，研究结果 表明，h 2 t p p 与i m2 p t c 存在分子间的光致电荷转移，从而提高了电荷的光生和 分离效率，增强了光导体的光敏性 图卜1 8 光导体的结构 1 2 5 分子催化和生物模拟 孙云| 。3 1 | 合成了5 种以二( 2 一苯并咪唑亚甲基) 胺( n3 ) 及苹果酸、洒石酸为配 体的模拟s o d 的铁配合物，合成的配合物都具有一定的拟s o d 活性，而且 f e ( c 1 0 4 ) 3 形成的配合物比f e ( n 0 3 ) 3 形成的配合物活性高：以苹果酸钠为原料 比酒石酸钠为原料合成的模拟物活性高 图卜1 9f e s o i ) 活性中一心结构 李永吲研究了几种配位体x , 寸m e s o 一四( 4 一磺基苯) 卟啉( t p p s 4 ) 的f e 衍生物的 轴向配位作用，结果发现，与天然酶配体结构类似的咪唑和吡啶等配位体对金属 卟啉的配位稳定常数最大，而轴向配位后对金属卟啉的催化活性有明显的增强作 用。 1 3 咪唑衍生物的合成方法研究进展 1 3 1 邻芳香二胺与醛 文献报道苯并咪唑类化合物可以用邻苯二胺及其衍生物与醛经反应而得。邻 苯二胺与醛反应在通常情况下得到的主要产物为1 , 2 一二取代苯并咪唑；醛与邻苯 二胺首先加成后消去生成席夫碱，然后发生了关环反应，无需催化剂便可在温和 的条件下直接合成1 , 2 二取代苯并咪唑l ”i 。在常温下，延长反应时间也能得到苯 并咪唑化合物，可知此产物为热力学产物，较席夫碱化合物稳定，因此，反应的 最终产物为苯并咪唑化合物，而不是席夫碱化合物。 n e i lj c o v i l l e t 1 用n ，n - 二甲基乙酰胺、二甲亚砜为溶剂进行缩合、关环， 再在低温下用三氯化铁氧化成共轭结构： 洲。取。：囝$ g ：弑囝 一叫斛囝d k 妁 图卜2 0 化合物合成方程式 许祖勋”1 为增大分子的共轭结构，合成了取代的咪唑衍生物 h o a r - c h o h o n h 4 0 c o c h 3 ，- _ a c o h 图卜2 1 取代咪唑衍生物的合成 y ：7 4 m a s a t o s h ik o z a k i 3 5 1 制备了带杂芳环的醌类化合物，并研究了它们的电荷转 移性质，合成方法如下： 图卜2 2 带杂芳环醌类化合物的合成 x n m e y ：5 蛳9 0 陈洪2 2 1 等合成了3 个新化合物一含氟、硝基苯并眯唑苯氧乙酸糖酯，抗病毒 活性试验结果表明，具有高的抗烟草花叶病毒( t m v ) 的活性。 | | f l 卧 竹 入。 足 口 x k 3 i f e ( c n ) 6 】 i x y ：文) 。h y u h 图卜2 3 苯并咪唑苯氧乙酸糖酯 f r e d e r i kc k r e b s 3 6 谰乙酸与碳酸氢胺作反应物，使二醛与二酮缩合，产 物在不同溶剂中的吸收波长有较大的差异： 0 h c c , 8 x 1 7 x r x ；f 、 f x = h ) 1 3 2 邻芳香二胺与羧酸 r ， n ，q ：j 黟黪毯 i 盏 图卜2 4 缩合反应示意图 r ， n 领码 图卜2 5 缩合反应过程 通常，苯并咪唑类化合物主要通过在h c l f l 8 。1 1 ，p p a l 2 1 , 3 7 1 ，对甲苯磺酸 等催化剂作用下，用有机酸( 酯、酰胺、酸酐、酰氯和三卤甲基等) 与邻苯二胺 加热回流合成。溶剂可以是水、乙二醇等。 杨治 3 7 1 用多聚磷酸p p a 作关环试剂，在1 6 0 1 7 0 。c 下搅拌6 h 得到产物 r 颤h o 蠼。= p p a , p 2 0 5 。屯 图1 2 6 合成反应示意图 y ：4 4 _ 3 o 心y 主l 呲 q 鐾i 0c 。巍 丫艮 谭日红【强i 用5 m o l l 盐酸和对甲苯璜酸来反应回流 r 。q h z 三旺 画a r - o - c i - 1 2 c o o h 。二旺k d d w h e i n 3 s 1 利用多聚磷酸( p p a ) 来使羧酸、酯等与邻苯二胺、二胺基硫酚 等反应关环： n h 2 2 5 0 。c + r y - 4 h r x = n h ，o s y = c o o h , c o o r l ，c o n h 2 ，c n r = a l l ( y l ，a r y l 图1 2 8 用多聚磷酸加热合成 曹笃霞在氮气保护下新蒸薛j p o c l 。在1 0 0 。| c 下反应5 h ，使二胺基硫酚与4 一甲 基肉桂酸关环，乙醇重结晶，产率达到8 0 ： q p o c l 3 顶入口 图卜2 9 用p o c i3 合成反应 i l k a yo r e n 2 1 1 的合成方法：用p p a 或4 m o l lh c l 溶液来使环合反应进行。 ：贩q 念：贩卜y o 火 图卜3 0 用p p a 或4 m o l lh c i 合成反应 1 3 3 苯并味唑衍生物的烷基化 苯并咪唑类化合物与卤代烷烃在碱性条件下和在相转移催化剂作用下反应 得到1 一烷基取代苯并咪唑化合物，可以提高该类化合物的溶解度( 跟取代基的链 长有关) 。合成路线如下： n 习+ r 一 x 恤- n 习 h r 一， 图卜3 1 烷基化反应 g 豢g 迁。羞 李科撺】在室温下用d m f 作溶剂反应4 8 h ，产率有5 0 一6 0 c l 钞町 h 图卜3 3 反应式 n 孕 徐进宜i ”1 等用d m f 作溶剂，j j h x n a h 搅拌反应1 0m i n ，0 。c t 滴加卜( 4 - 溴甲基 苯基) 一1 弘吡咯一2 一腈的d m f 溶液1 0 m l ，加完升温至2 5 。c ，搅拌反应2 4h ，收率有 5 1 。 h r 1 n a m m f 图1 3 4 用n a h 烷基化 n g冷 卧 s k h a b n a d i d e h l 2 3 悃三种方法进行烷基化，并比较了三种方法的适用条件： r 1 庐n h n 爿“h 3 ( c h 2 ) a b r 2 b a ：t e a , n a o h , t b a l 3 , k 2 c 0 3 j c 6 h m 3 c 矾n b ： r 1 庐n ( c h 2 ) n c h 3 n l 多掣 r 2 图卜3 5 三种烷基化的方法 l i a n am a t s u s h i t a 4 0 1 用固载树脂的方法，在路易斯酸a i m e 3 和e t 2 a l c l 的存在 下，与邻苯二胺和2 一胺基硫酚反应巧妙地形成苯并咪唑和苯并噻唑，产率也不 错： 协。黑魁龟： 2 1 合成部分讨论 2 1 1 缩合反应的讨论： 第二章结果与讨论 矿o 0 兰 图2 - 1 缩合反应通式 ：心r 1 h 对这个缩合反应，反应前二苯乙二酮应该充分干燥，如果不充分干燥，产率 将会受到很大的影响，甚至不发生反应： 表2 一l 样品转化率 干燥达7 0 不干燥只有1 0 s 左右 表2 2 加溶剂的体积 转化率 不加冰乙酸几乎为零 vo 醴：ve 册 1 ：4 只有2 0 以下 注：转化率通过t l c 点板判断 因为反应的过程是一个脱水的过程，体系中水的含量会变大，因此乙酸酐的 作用是吸收反应中生成的水使其转化为乙酸，冰乙酸的量也对反应产率有影响， 如果不加冰乙酸，反应进行几乎为零，如果v 。：v 。* l ：4 ，反应产率只有2 0 以下。 乙酸铵的量要加过量，最好是过量2 3 倍，如果是等摩尔投料，往往反应不 完全。 表2 - 3 转化率 5 0 7 0 7 0 乙酸铵与二苯乙二酮的物质的量比值 1 ：13 ：15 ：1 注：转化率通过t l c 点板判断。 2 1 2 咪唑烷基化的合成讨论： n 囝 5 0 n a o h ， t b a b ，b u t a n o n e + r x x = c i ，b r ，ir e f l u x 图2 - 2 烷基化的合成通法 烷基化反应在文献上有几种合成方法：s k h a b n a d i d e h 曾尝试用四乙基碘化 胺( t e a i ) 、n a 0 1 i 、甲苯作溶剂来烷基化，产率比较高，但这条件只适合咪唑环上 无取代基的情况；还有一种路线是用四丁基溴化胺( t b a b ) 、碳酸钾、乙睛来反应， t b a b 是实验室常用的相转移催化剂，但乙睛毒性较大，因此我选用的是以丁酮作 溶剂，它的优点是毒性比较小，沸点不高，容易旋干，溶解度也挺好。 烷基化反应的时间不能太长，一般在5 h 左右就能比较完全反应，如果超过 1 0 h 的话副反应会增加，副产物增多，给后来的分离提纯带来困难： 表2 - 4 反应时间 1 h3 h5 h l o h 以后 转化率转化2 0 左右转化6 0 左右转化7 0 左右 副反应增加 备注：转化率通过t l c 点板判断。 在丁酮旋干以后，溶液酸化到p h = i2 之间，使羧基形成，固体从水溶液中 析出，如果p h 值是中性左右，c o o 一仍会在水中有一定的溶解度，不会析出。 还有以下一些化合物本人曾经尝试做烷基化反应，但却不成功。 q p 啦的q 附的 图2 3 反应不成功的化合物结构 囝 。 图2 4 未提纯化合物 由于时间上的原因，化合物v 未能分离提纯，留待下一阶段的工作。 从以上化合物来看，都是共轭程度比较大的结构，n 电子可以在体系中自由 流动，烷基是给电子基团，烷基的引入给体系增加电子，是否给体系带来不稳定 的因素，仍有待进一步的研究。 2 1 - 3 关环反应的合成讨论： 一n 点 ： r z 硪。_ 崆r z 叫囝 图25 微波反应合成通法 这个关环反应文献上有用浓盐酸与水的体积比为( 1 ：1 5 ) ，在1 2 0 。c 下回流 7 2 h 而制备。但在我这个反应当中，却并不能用这个方法使原料转化为产物。而 微波辐射能够给予相当高的能量，从热力学的角度来说使这个反应越过了能垒并 最终转化成产物。也有文献报道用p p a 、p z 0 5 在1 6 0 。c 加热反应，但产率不高， 且固体之间的反应接触并不均匀。也有用对甲苯璜酸来催化合成，但要求温度比 较高，要达到2 1 0 。c ，反应时间也比较长。 本实验采用分段式微波反应的原因是：在一定的辐射时间和辐射功率内，体 系对微波的吸收相对缓慢，吸收能量低于反应活化能，不足以克服反应能垒，反 应不能进行；当微波辐射持续一段时间，达到一定功率时，体系对微波的吸收会 急剧增加，反应在短时间内迅速完成。刚开始反应时，微波功率不能调太高，应 在1 3 0 w 一1 5 0 w 之问，因为反应物都是固相，多聚磷酸也是粘稠状固体，反应体系 对微波的吸收较慢，反应体系内各物质接触不均匀，没有发生反应，但是体系温 度会升高，增加了p p a 对反应原料的溶解，形成了均相，反应物混合更加均匀， 有利于加快反应速率；然后逐渐加大反应功率至4 5 0 w ，体系温度迅速升高，使 反应关环的步骤迅速进行，形成主要产物。反应总时间只需2 m i n ，产率较好， 这也是本实验独特的地方。 本实验所合成的化合物中，除了化合物a ，c ，d ，h 外，其它化合物均无文献报 道。本人己对所合成的化合物进行熔点、i r 、n m r 和m s 测试，并确认其结构。 2 2 烷基取代咪唑和噻唑衍生物的紫外、荧光测试： 表2 - 5 咪唑衍生物溶液荧光寿命的测试 样品号 de j kl w xz az b 激发波长( c l n 。1 ) 3 7 9 3 6 63 9 1 3 6 63 7 93 8 23 9 23 7 23 7 4 发射波长( c m l ) 4 1 34 0 94 2 64 2 24 4 24 2 84 6 04 2 4 4 2 5 t 1 ( n s ) 1 3 11 3 01 9 51 1 01 8 11 5 62 2 31 5 61 5 5 注：t 1 为荧光寿命值( n s ) 表2 - 6 十二烷基取代咪唑衍生物固体荧光寿命的测试 样品编号 ewxz t 1 ( r e l )0 9 3 ( 7 9 4 )2 3 9 ( 5 5 6 5 )2 4 9 ( 2 5 2 )0 8 5 ( 6 9 9 ) t 2 ( r e l ) 2 0 8 ( 2 0 6 ) 7 3 5 ( 4 4 3 5 ) o 8 2 ( 7 4 8 ) 2 8 2 ( 3 0 1 ) 注：t 1 、t 2 为荧光寿命值( n s ) ，( r e l ) 为它们所占的比例。 表2 7 烷基取代咪唑衍生物的量子产率计算 样品名称紫外吸收波长( n s )荧光发射波长( n s ) 量子产率( a ) d3 1 6 54 1 3 0o 7 6 e3 l o 04 1 6 5o 5 3 j 3 5 0 04 3 0 50 5 7 k3 3 8 54 2 4 00 0 1 m3 0 1 03 9 6 0o 7 3 n3 0 2 5 3 9 5 00 9 1 o3 4 1 54 3 8 0 0 7 3 p 3 4 4 04 3 8 00 9 5 w 3 3 1 04 3 4 50 7 4 x3 4 4 54 5 7 0o 8 8 z a3 0 9 54 2 9 0o 6 1 z b3 1 4 04 3 1 50 7 5 香豆索参比值 3 5 9 54 2 7 0o 9 9 在前言处提到，本论文的主要目的是想制备出荧光量子产率高，性能优异的 化合物来作为非线性光学的候选材料，根据这个思路，合成的化合物中都具有相 当大的共轭程度。根据已掌握的理论，增加体系的共轭度，荧光效率一般也将增 大，但是通过化合物d 与化合物n 的荧光量子产率的比较发现，化合物d 的荧光 量子产率是0 7 6 ，小于化合物1 3 的荧光量子产率0 9 l 。为了解析此现象，本人用 c h e m o f f i c e 一2 0 0 6 对所作的结构进行三维模拟计算，重点算出分子内平面与平面 之间的夹角，以下为计算出来的各化合物的三维图形： 图2 - 6 化合物d 三维图图2 7 化合物e 三维图 图2 - 8 化合物j 三维图图2 - 9 化合物k 三维图 图2 一1 0 化合物m 三维图图2 1 1 化合物1 3 _ 三维图 图2 一1 2 化合物0 三维图 图2 1 3 化合物p 三维图 图2 1 4 化合物w 三维图图2 1 5 化合物x 三维图 图2 一1 6 化合物z a 三维图图2 1 7 化合物z b 三维图 备注：以上三维图形是在c h e m o f f i c e 2 0 0 6 中利用能量最低化和分子动力学的操 作以后得到的三维模拟图。 从图上可以看到，化合物d 的苯环和与它相连的咪唑环均存在一定的夹角， 这种不共平面性使体系中n 电子的离域受到一定程度的抑制，削弱了物质的共轭 程度，因此它的荧光量子产率并不十分高。而化合物f i 的苯并咪唑环与苯环的夹 角相对比较小，具有较大的共平面性，n 电子的离域相对比较自由，因此产生荧 光的几率比较大，荧光量子产率也较高。 化合物w 的荧光量子产率为0 7 4 ，而化合物x 的荧光量子产率为o 8 8 ，它 们的结构上的区别是前者为苯并咪唑而后者为苯并噻唑。噻唑环的引入比咪唑环 的引入更能提高物质的荧光量子产率。 化合物m 与化合物n 的荧光效率分别是0 7 3 和0 9 1 ，它们结构上的差别是 化合物m 咪唑氮上被十二烷基取代，而化合物r l 咪唑氮上被丁基取代。十二烷基 由于链较长，分子的热振动容易破坏结构的平面性，导致荧光效率降低。 化合物q 的晶体图 上图为成功得到的化合物q 的单晶结构图，从图上可以看到，晶体中4 ，5 一 二苯基与咪唑环不共平面，与前面我们计算的结构相吻合，也证明了我们推断的 正确性。 2 3 结论 1 合成了2 7 个化合物，其中2 2 个化合物尚无文献报道，已通过i r ，n m r ，m s 等 手段表征； 2 化合物l q ，p ，x 的荧光量子产率分别达到0 9 1 、0 9 5 和0 8 8 ，分子平面性高； 3 本实验采用了独特的分段式微波辐射反应，功率从1 3 0 w - - 4 5 0 w ，反应时间 只需要2 m i n ，产物分离提纯较容易，产率可达6 0 一7 0 。 4 咪唑1 位氮上的烷基化能显著提高物质的溶解度，十二烷基取代的咪唑化合物 比丁基取代的具有更好的溶解度； 5 新增苯并噻哗环能提高化合物的荧光量子产率。 3 1 仪器与试剂 3 1 1 主要测试仪器 第三章实验部分弟二早头掘苜i ) 刀 核磁共振仪 m e r c u r y - - p l u s3 0 0 ( 美国v a r i a n ) 质谱仪l c m s 一2 0 1 0 a ( 日本岛津) 红外光谱分析仪v e c t o r2 2 ( 德国b r u k e r 公司) g a l a n z 微波炉( 2 4 5 0 m h z