（应用化学专业论文）手性樟脑衍生物的合成研究.pdf

摘要 摘要 樟脑是一种重要的手性物质，在医药、化工、轻工等行业中有着广泛的应用，其衍生物 作为重要的手性助剂，广泛的应用于有机不对称合成及有机光学材料中。因此，研究它们的 合成有着重要的实际意义。 论文合成了两个四氮唑l 樟脑磺酸盐：2 对碘苯基3 对硝基苯基5 苯基l 樟脑磺酸四 氮唑盐和3 一( 4 ，5 一二甲基一2 - 噻唑) 一2 ，5 一二苯基四氮唑- l 樟脑磺酸盐，d 。( + ) 一樟脑磺吖嗪，d 3 溴樟脑8 磺酸铵，以及樟脑肟、d l 3 溴樟脑8 磺酸铵和d 樟脑磺内酰胺，并通过熔点、 比旋光度、i r 、1 h - n m r 等图谱分析验证了它们的结构。 以芳胺为主要原料通过重氮化、偶合、氧化及阴离子交换四步反应分别合成了两种具有 新型结构的四氮唑l 樟脑磺酸盐，2 对碘苯基3 对硝基苯基。5 苯基四氮唑- l 樟脑磺酸盐和 3 一( 4 ，5 - 二甲基一2 一噻唑) - 2 ，5 一二苯基四氮唑l 樟脑磺酸盐，它们均为含有共轭大兀键的有机分 子季铵盐，有可能成为新型的有机二阶非线性晶体材料。 以天然右旋樟脑为起始原料，经过磺酰化、酰氯化、酰胺化、环化、环氧化5 步反应合 成了d 一( + ) - 樟脑磺吖嗪。研究了反应原料比、反应时间和反应温度对产物得率的影响，确定 了较佳的反应条件。 利用天然樟脑，经溴化得到d 3 溴樟脑，再通过磺化得到d 3 溴樟脑8 磺酸，然后和 碳酸铵反应制得d 。3 溴樟脑8 磺酸铵。 此外，本文还合成了d 樟脑肟、d l 3 一溴樟脑8 磺酸铵、d 樟脑磺内酰胺。 关键词：樟脑衍生物、二阶非线性、手性、有机合成 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t c a m p h o ra n di t sd e r i v a t i v e sa r ei m p o r t a n tc h i r a lr e a g e m s t 1 1 e ya r em a i n l yu s e di nc u r a t o r i a l i n d u s t r ya n df i n ec h e m i s t r y t h er e s e a r c h0 1 1t h e i rs y n t h e s i sw a so fg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h es y n t h e s i so fc a m p h o rd e r i v a t i v e sw a st h em a j o rw o r ko ft h i sp a p e r t h es y n t h e s i z e dp r o d u c t s w e r ei d e n t i f i e db ym e l t i n gp o i n _ t ，s p e c i f i cr o t a t i o n , i ra n d1 h - n m r t w on e wt e t r a z o l i u ml - c a m p h o r s u l f o n a t e s ，2 一( p i o d o p h e n y l ) - 3 - ( p - n i t r o p h e n y l ) 5 - p h e n y l t e t r a z o l i u m l c a m p h o r s u l f o n a t e a n d 3 一( 4 ，5 一d i m e t h y l - 2 - t h i a z o l y l ) 一2 ，5 一d i p h e n y l - t e t r a z o l i u m l - c a m p h o r s u l f o n a t e ，w e r es y n t h e s i z e db yd i a z o t i z a t i o n ，c o u p l i n g , o x i d i z a t i o na n da n i o ne x c h a n g e t h e ya r ep o t e n to r g a n i cs e c o n d o r d e rn o n l i n e a rm a t e r i a l s d 一( + ) ( c a m p h o r s u l f o n y l ) o x a z i r i d i n e w a ss y n t h e s i z e df i o mn a t u r a lc a m p h o rt h r o u g h s u l f o n a t i o n ，c h l o r i n a t i o n , r e a c t i n gw i t ha q u e o u sa m m o n i aw a t e r , r i n g i n gw i t hs o d i u mm e t h o x i d e a n do x i d i z a t i n gw i t ho x o n e t h ei n f l u e n c eo fr e a c t a n ta m o u n t , r e a c t i n gt i m ea n dt e m p e r a t u r eo n y i e l dw e r es t u d i e d d 一3 一b r o m o c a m p h o r - 8 s u l f o n i ca m i d ew a ss y n t h e s i z e df r o md c a m p h o rt h r o u g hb r o m i z a t i o n , s u l f o n a t i o n ，a n dr e a c t i n gw i t h ( n i - h h c 0 3 f u r t h e r m o r e ，d c a m p h o ro x i m e ，d l 一3 一b r o m o c a m p h o r - 8 一s u l f o n i ca m i d ea n dd - c a m p h o r s u l t a r nw e r ea l s os y n t h e s i z e d k e yw o r d s ：c a m p h o rd e r i v a t i v e s ，s e c o n d - o r d e rn o n l i n e a r , c h i r a l i t y , o r g a n i cs y n t h e s i s 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：罩拯啦导师签名：础：壁i 胡期：渺莎印- 厂 第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 合成光学活性化合物是化学家面临的一项挑战性任务，也是近年来最热门的研究课题之 一。通过拆分或不对称合成固然可以获得光学活性的化合物，但利用自然界中存在的手性化 合物作为起始原料合成所需要的手性产物( c h i r a lp 0 0 1 ) 则是一条简便的途径，也是目前有 机合成的发展方向之一。樟脑，价廉易得，便于提纯，容易改造成各种衍生物，被广泛用于 有机合成中的手性助剂【1 1 。 樟脑( c a m p h o r ) ，化学名：1 ，7 ，7 一三甲基双环【2 ，2 ，1 】- 2 庚酮，化学式：c l o h l s o ，英文名： 1 ，7 ，7 一t r i m e t h y l b i c y c l o 2 2 1 h e p t a n 一2 一o n e 。樟脑分子有两个手性中心，但由于桥环的固定作用， 实际存在一对光学对映体，比旋光度【q 】d 2 5 分别为+ 4 4 2 。和4 4 2 。其对映异构体立体结 构式如下： 2 8 8 1 0 1 0 ( + ) 一樟脑 ( 一) - 樟脑 9 2 樟脑是作为一种重要的有机化工中间体，主要应用于医药、日化及轻工等行业之中。在 医药上用作强心剂、祛痰剂和兴奋剂，在工业上用于制造电木、印刷电路板等，亦可用于驱 虫防蛀。此外，以它为原料可以制成多种手性助剂。 根据其来源的不同，樟脑分为天然樟脑和合成樟脑两大类。天然樟脑主要从樟科植物精 油中提取制造，一般具有旋光活性。合成樟脑是从松节油经过异构化、乙酸加成酯化、水解 和脱氢等主要化学反应过程制成的，是消旋体。在日化及轻工业中一般合成樟脑即可以满足 要求，但在医药行业及某些特殊合成中，仅仅用普通合成樟脑还不能满足要求，还需要使用 有旋光活性的天然樟脑。合成樟脑是上述二个对映异构体的等比例混合物，为消旋体。而天 然樟脑则不同，一般只存在一种对映异构体，因此具有光学活性。右旋的天然樟脑比较多， 左旋的天然樟脑则比较稀少【2 】。 东南大学硕士学位论文 樟脑制备成衍生物以进一步利用可作为其将来主要的用途，通过重排反应或在c ( 3 ) ， c ( 5 ) ，c ( 8 ) ，c ( 9 ) 和c ( 1 0 ) 上的官能作用以及断裂c ( 1 ) c ( 2 ) 键或c ( 2 ) 一c ( 3 ) 键，樟脑可以方便地作为合成光学化合物的理想原料。 樟脑醌 莰烷酰氯 氯化 3 卧 溴化氧化 i 氯化 脑酸 樟脑酰氯 溴代樟脑酰氯 溴代樟脑酸酐 莰烷酸 樟脑酮酸 氧化 樟脑磺吖嚷 图1 1 常见的樟脑及其衍生物 还原 f i g1 1c a m p h o r a n di t sd e r i v a t i v e s 2 磺化 l 氯化 冰片 樟脑磺酸 樟脑磺酰氯 樟脑磺酰胺 樟脑磺内酰亚胺 樟脑磺内酰胺 第一章绪论 1 2 文献综述 1 2 1 四氮唑l 樟脑磺酸盐 晶体具有许多重要的物理性能，它能够实现电、磁、声和力的交互作用和转换，它是近 代科学技术不可缺少的主要材料。天然晶体无论在品种、数量和质量方面都无法满足现代科 学技术发展的需要，从而促进了人工晶体的发展。自六十年代激光器发明以来，非线性光学 和非线性光学材料得到了长足的发展，近些年对非对称中心有机功能材料的研究日益受到人 们的重视，而具有非线性光学性质尤其是二阶非线性光学性质( 即s h g 效应) 的晶体，更 是吸引了大批的科技工作者【3 卅。 非线性光学材料在激光的激发下，发生非线性极化，从而会产生各种新现象和新效应。 有机材料的非线性光学研究始于2 0 世纪6 0 年代中期，随后陆续发现了许多性能优良的有机 非线性光学( n l o ) 晶体吼有机材料的非线性光学响应主要来源于离域的兀电子共轭体系 在光场作用下的极化，所以它的突出优点是：具有比无机晶体高出1 到2 个数量级的非线性 光学系数，超快的响应时间，高的光学损伤域值，优异的可加工性和可集成性等，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。近年来，有机材 料的发展较快，已形成“分子非线性光学”的分支学科。 认识到分子结构与s h g 效应的关系，人们在实践中摸索出经验规律，认为有机分子中 能产生大的二阶超极化率的结构特点有3 点：1 ) 共轭骨架，高度极化的兀电子共轭体系。 2 ) 电荷转移特征，要求在芳香环或是其它的共轭体系上连有供电子基团或是吸电子基团。 3 ) 非中心对称的晶体结构。 常见的有机二阶非线性光学材料的基本分子结构有5 种：二苯基烯类化合物、二苯基炔 类化合物、偶氮化合物、席夫碱( s c h i f f ) 类化合物、二苯基烯酮类化合物。偶极分子是由 电子供体( a ) 和电子受体( d ) 通过电子桥联而成，基本结构用d a 表示。这5 类 化合物的共同特点是都具有供体受体型共轭结构，由不饱和键c = c ，c = c ，n = n ，c = n 和 c = o 与芳环共轭构建起来，是分子内发生电荷转移的有效电子通道。物质受光波照射后， 电子会在一定方向上产生移动，进而产生超极化效应。 3 东南大学硕士学位论文 d d c = = = = c hh d c 言c d d a a c = h a a a 图1 2 有机二阶非线性光学材料的基本分子结构 f i g1 2s t r u c t u r e so fo r g a n i cs e c o n d o r d e rn o n l i n e a rm a t e r i a l s 目前文献报道的有机非线性光学材料大多数是苯环类有机化合物或芳杂环化合物，它们 的非线性效应大都由于苯环分子结构中的兀电子云分布变化产生偶极矩，并且激发态偶极矩 越大，分子的极化强度值越高，非线性效应越强。苯分子具有对称中心，如果在苯环上引入 供电子基或是吸电子基，供体的供电子能力和受体的吸电子能力越强，越有利于形成电荷转 移的共振态，扩大了电子云的流动范围，最终得到极化值较大的化合物【6 j 。 为了寻找新的具有较高非线性系数的含共轭大键的有机分子季铵盐，本文设计以相应 的芳胺为原料通过重氮化、偶合、氧化及阴离子交换四步反应分别合成了2 - 对碘苯基- 3 - 对硝 基苯基5 苯基四氮唑l 樟脑磺酸盐( i ) 和3 ( 4 ，5 二甲基2 噻唑) 一2 ，5 一二苯基四氮唑- l 一樟脑 磺酸盐( ) 这两种新结构的化合物，其结构式如下： ( i ) 4 ( i i ) c h c h o i c 第一章绪论 以化合物( i ) 为例，结构中含有如下图所示的推拉型腙结构单元的共轭大键，这类结 构通常在激发态具有较大的偶极矩，同时由于这种结构被固定在四氮唑环上，分子的刚性较 强，这类分子通常具有非线性特性。由于在分子中还具有四氮唑盐的结构，为了使其晶体结 构形成为非对称中心，我们将其阴离子置换为具有光学活性的l 樟脑磺酸根离子，该类化 合物有可能成为新的有机二阶非线性晶体材料。 1 2 2d ( + ) 樟脑磺吖嗪 氧氮杂环丙烷类化合物是肟和硝酮的异构体【7 】，其典型反应有( 1 ) 异构化成硝酮、( 2 ) 亲核开环反应、( 3 ) 还原成亚胺。相应地，其制备一般可以由( 1 ) 亚胺的过氧酸氧化、( 2 ) 硝酮的光学异构化、( 3 ) 羰基化合物的胺化来合成。 氧氮杂环丙烷类化合物既是选择性的氧化剂，又是重要的有机合成中间体【引。例如， n 羟基氨基羧酸酯2 就是由a 氨基酸酯为原料，经过中间体氧氮杂环丙烷1 制得的。 h r + 人 h 2 n 。 、c o o p h 也人m e h 2 0 ( 伊) p h a 人c 。m e r l + 魁人m e h h 2 樟脑磺吖嗪( 又称为( 樟脑磺酰基) 氧氮杂环丙烷) ，是一种中性非质子亲电不对称氧 化试剂，用于许多亲核性底物，诸如硫醚、烯醇醚、碳负离子和烯醇盐等的化学选择性氧化 【9 】。 ( + ) - 1 ( - ) - 1 5 东南大学硕士学位论文 樟脑磺吖嗪的多种衍生物也是重要的不对称氧化试剂，它们可以从樟脑磺酰亚胺官能团 化，再氧化进行制备【1 0 1 。 o m e p - c f 3 c e h 4 c ( + ) 2 ( + ) - 3 ( + ) _ 4 ( 1 ) 硫醚的不对称氧化潜手性的硫醚可以被氧化成光学活性的亚砜1 1 1 。 ( 2 ) 氧磷杂环戊稀的氧化【1 2 】 ( + ) 一( 1 ) c c l 4 钜竺竺， f 泪 t h f ，5 o 8 8 4 9 e e ( 3 ) 有机锂和有机镁化合物的氧化【1 3 】 用( + ) 1 氧化苯基溴化镁和苯基锂生成酚，产物较纯净，用于氧化( e ) 一和( z ) 一烯 基锂生成烯醇，该反应很快，是立体选择和区域形成烯醇的有用方法。 m g b r t h f ( o rp h l i ) + ( + ) - ( 1 ) + 7 8 ( 4 ) 烯醇盐的不对称q 一羟基化 q 羟基羰基化合物是许多天然产物中的关键结构单元，而烯醇的q 羟基化合成是合成 q 羟基羰基化合物最简单和最直接的方法之一。应用( + ) - 和( ) 樟脑磺吖嗪和他们的衍 6 第一章绪论 生物对烯醇盐的氧化产率良好甚至非常高，伴有很少的副反应( 如氧化过度) 。此外，这些 试剂是目前为止唯一的将潜手性烯醇盐直接不对称羟基化成具有光学活性的q 羟基羰基化 合物的非质子氧化剂。 o ( + ) 一( 1 ) 2 ( + ) - ( 2 ) p o o h 8 8 9 5 e e 7 6 。 9 5 e e 可用于羟基化像1 3 羰基酯这类稳定烯醇盐的试剂很少。氧氮杂环丙烷可以高产率和非 常好的立体选择性羟基化这类烯醇。例如：甲氧基氧氮杂环丙烷( ) ( 3 ) 对映选择性羟 基化b 羰基酯1 的烯醇盐生成( r ) 一( + ) - 2 一酰基5 ，8 一二甲氧基- 1 ，2 ，3 ，4 一四氢一2 萘醇2 ， 该化合物是不对称合成a n t h r a c y c l i n e 抗肿瘤剂去氧亚德里亚雷素和去氧道诺雷素的关键中 间体 8 】o m o 2 ( - ) - ( 3 ) c o o m e 1 n a h m d s 2 ( + ) - ( 4 ) m o 7 0 ， 9 5 e e c o o m e 6 9 e e 目前文献关于樟脑磺吖嗪的合成主要是以廉价的樟脑磺酸为起始原料的方法，一般的合 成路线如下： - 7 lh l 卧 东南大学硕士学位论文 第一步酰氯化反应： a ：樟脑磺酸和s o c l 2 反应【1 5 】 n b ：樟脑磺酸和p c i 5 反应【1 6 1 o i n + s 0 2 +hcl + p o c l 3+hci a 路线和b 路线相比较，a 路线反应生成的两种气体副产物，更便于分离、提纯，而且 产物的收率a ( 9 9 ) 比b ( 8 0 5 ) 高，所以本文采用a 路线。 第二步酰胺化反应： a ：通入干燥氨气【1 6 】 b ：滴加浓氨水【1 7 】 a 方法用通入氨气处理，会得到固态粘稠状物质，造成后处理的困难，而b 方法滴加浓 氨水，后处理中用c h 2 c 1 2 提取，不需要水重结晶，既易于干燥，也减少损失。因此本文采 8 第一章绪论 用b 方法。 第三步环化反应： a ：【l l 】 b ：【1 0 】 n a o c h 3 c h 3 0 h n n a 方法收率约9 0 ，b 方法收率可达到9 9 ，本文采用b 方法。 第四步的环氧化反应： 在于氧化剂的使用上，一般采用的氧化剂是氧化能力强，并且通常状态稳定的无机酸性 氧化剂一过硫酸氢钾( o x o n e ) 。此试剂是k h s 0 5 、k h s 0 4 、k 2 s 0 4 按2 ：1 ：1 比例的混合物， 广泛用于含氮、硫、磷、硼等化合物以及醛、酮和烯烃的氧化反应 t s l 。 o x o n e - - - - - - - - - - - - 卜 k 2 c 0 3 n o f n 1 2 3d 3 溴樟脑8 磺酸铵 d 对羟基苯甘氨酸( d - p - h y d r o x y p h e n y l g l y e i n e ) ( d i - i p g ) 是一种重要的医药精细化学 品，是合成广谱抗生素羟胺卞青霉素和羟基头孢菌素的重要原料。这些药物的抗菌能力已超 过青霉素，用途广泛，在临床治疗胃、十二指肠溃疡、弓形体感染等病症取得满意的疗效1 9 1 。 d h p g 的制备方法主要有化学拆分法，优先结晶法、酶催化法和酶转化法，其中又以化学 - 9 东南大学硕士学位论文 拆分法为主要方法。d 3 溴樟脑，8 一磺酸铵( d a b c s ) 就是其主要的化学拆分试剂。 d 3 溴樟脑8 磺酸铵( d a b c s ) 作为一种重要的手性拆分剂，可对d l 对羟基苯甘氨 酸进行拆分【2 0 】。 h o o c 中 - n h 2 +2 o h 兰h 2 n 章 c o o h + 丫 曼 ( 。) n a ( + ) b r 经不对称转化得到光学纯度较高的d 型对映体拆分盐，再经碱化得到d h p g ，此法收率高， 纯度好，且d 3 溴樟脑8 磺酸铵可以回收反复利用，因而d 3 溴樟脑8 磺酸铵的合成方法 备受重视。d 3 溴樟脑和d 3 溴樟脑- 8 磺酸铵都已成为重要的有机化工中间体出口到国外。 d - 3 溴樟脑8 磺酸铵一般的合成方法如下： 1 2 4 其他樟脑衍生物 1 2 4 1 樟脑肟 n o h h 4 ( + ) r 以樟脑为起始原料而制备的樟脑肟醚类化合物，( 1 ) 是具有肟醚结构新农药中重要的 - l o 第一章绪论 一种，如l 【2 1 1 。( 2 ) 樟脑肟衍生物在医学领域也显示出一定的应用价值，如2 【3 9 1 。 o o a r n n 。 2 1 2 4 21 0 樟脑磺酸 o h a r = 4 - c 1 c 5 h 4 ，3 , 4 - c 1 2 c 6 h 3 ，2 , 4 一c 1 2 c 6 h 3 ， 2 ，4 ，6 一c 1 3 c 6 h 2 ，4 - n 0 2 c 6 h 4 ，2 - n 0 2 c 6 h 4 ， 2 - n 0 2 - 4 一m e c 6 h 3 ， n r 2 r 2 2 2 ，6 - ( d i m e t h y l ) m o r p h o l i n o 樟脑磺酸( c a s ) ( 1 ) 已经作为酸催化剂广泛用于有机合成。特别是用于保护基团化学。 例如：羟基可以用于二氢吡喃和催化量的c a s 以四氢吡喃基醚保护。在樟脑磺酸存在下，1 ， 2 。和l ，3 二醇都可以与原甲酸乙酯反应就进行选择性保护，生成相应的环状原甲酸酯。 o v e r m a n 的研究表明樟脑磺酸可以用于亲核试剂促进的炔亚胺环化。另外，环氧分子内开 环最有效的催化剂就是c a s ，c a s 还可以作为苯基硒化反应的酸，它已经被用于烯烃的羟 硒化反应，同时还可以用于螺环乙酰化。( 2 ) 作为拆分试剂，c a s 大量的用于分步结晶分 离非对映体来拆分胺。( 3 ) 作为手性助剂，c a s 的两个对映体在不对称d i e l s - a l d e r 反应中 非常有用，其衍生的磺内酯、磺内酰胺、磺吖嗪都是不对称合成中重要的手性助剂2 2 1 。 东南大学硕士学位论文 1 2 4 3 樟脑磺酰氯 n h 2 c a s 樟脑磺酰氯( 1 ) 广泛的用作手性衍生试剂，通过n m r 技术测定醇和胺的对映体纯度， 尤其对于确定仲胺醇和b 羟基酯的对映体纯度特别有用。( 2 ) 用于其他手性助剂的合成， 例如樟脑磺酰胺等，并被用作杂d i e l s a l d e r 反应的手性亲双烯类的前体。( 3 ) 某些天然产 物合成的手性前体【2 2 】。 1 2 - n h h h 器蝴 第一章绪论 1 2 4 4 樟脑磺内酰胺 n h 樟脑磺内酰胺是一种具极有实用价值的手性助剂，由于它具有锥形刚性结构，因而在不 对称合成中空间效应明显，立体选择性高，所得产物光学纯度一般都大于9 0 e e ，而且合 成它的原料易得，本身经结晶即可纯化，并可回收再利用，因而被广泛用于不对称合成反应 中【4 0 】。( 1 ) 可方便地合成稳定的n 酰化物，具有易于结晶纯化，能在温和条件下解离而不 破坏被引入的手性的优点。( 2 ) 可与多种金属或l e w i s 酸配位得到化合物，在cq 或c1 3 上 进行面向选择s f r e 单面完成烷基化反应，羟醛缩合反应，d i e l s a l d e r 反应，m i c h e a l 加成、 催化氢化及o s 0 4 催化氧化反应，也可连接硅、氮、硫、硒等进行广泛的不对称诱导反应， 在光学活性天然产物及药物的合成中起着重要作用【2 3 1 。 1 2 5 反应历程 1 2 5 1 氯化反应历程 氯化在工业上居重要地位，它与磺化，硝化一样均为将氯取代基引入其它基团的基本方 法。氯化剂分为滤器和含氯化合物两种。其中氯化物包括h c l 、p c i 5 、p o c l 3 、s o c l 2 、s 0 2 c 1 2 、 s 2 c 1 2 等等【2 4 1 。它们均可使醇，羧酸和磺酸中的羟基置换为氯，分别生成卤代烃，酰氯和磺 酰氯。实验中采用s o c l 2 作为氯化剂，取代磺酸中的羟基，历程如下： 1 3 东南大学硕士学位论文 + 毛一 oc l r a - o 一当岛 ro s l o o i ibc r 冒矗f 1 e h 。 r 一骨一。一千一o oc l oc 1 r 一丛么占一。一 r s l o s = o i i o | i r _ l _ a + 8 mr ：or 2 o f 多 s = o i o e 1 2 5 2 还原反应历程 还原反应是有机化学中最重要的一类化学反应，常用的化学方法是金属氢化物还原、金 属供电子还原、催化氢化等。金属氢化物和负氢化物是有机合成中一类重要的还原剂口4 彩】， l 认 4 、n a b h 4 等就是这类还原剂的代表。它们具有还原反应单一，副反应少，产率高，反 应速度快，选择性好等优点。对有些有机物还原甚至具有“非其莫属”的独特还原性能。 l 认 4 是很活泼的金属氢化物，对反应条件要求比较苛刻，体系内绝对不能带水，否则会 产生大量氢气，反应一般在氮气保护下进行，并且还原过程可能比较剧烈，反应过程不易控 制。而n a b h 4 是一类经典的还原剂，广泛用在有机合成中，其反应质点b h 4 一负离子是负氢 源，碱性很强并具有强亲核性。反应性能比较温和，可以在醇类溶剂中进行还原氢化，并且 它在常温下不和二氧化碳反应，空气氧化也比较缓慢，实验操作比较安全。 实验中采用了以硼氢化钠作为还原剂将d 樟脑磺内酰亚胺还原成d 樟脑磺内酰胺。其 发生还原反应的历程如下【2 5 1 ： 1 4 - 一厂。 节_o r 第一章绪论 + 早h 3 。_ h n - b h a h 1 2 5 3 环氧化反应历程 环氧化反应是有机合成中的一个重要反应，烯烃通过与过氧酸等可转移氧的化合物作 用，把氧转移到双键上获得环氧化物。环氧化物存在于自然界产生的化合物以及芳香烃生物 氧化的致癌产物中，在有机合成上环氧化物被广泛用作中间体，通过环的打开可以产生各种 官能团取代的化合物。光学纯的环氧化物是合成许多药物和天然产物的重要中间体并构成不 对称碳碳键的重要合成子，因此寻找不对称环氧化反应体系总是有机化学研究的重点和热 点。近十年来，新的环氧化试剂得到了不断开发，把元素有机、分子识别、金属配位化学、 催化剂等结合起来，使用许多新氧化剂、催化剂和手性模板，使过去一些难于环氧化或产物 不稳定的反应得以顺利进行，并且产物稳定，收率较高。在不对称环氧化反应中，对映选择 也明显提高，有些反应的e e 值可达9 0 以上，得到了有机界的普遍重视，是当前国际上 的一个研究热点【2 6 1 。 本文实验中，采用o x o n e 氧化樟脑磺内酰亚胺，其反应历程一般理解为亲核加成过程【2 7 】： 彳 + n ： 恃司一 - 1 5 萝o h o l引l_ h oisio 东南大学硕士学位论文 1 3 市场需求和开发前景 随着樟脑衍生物应用研究的进展，市场需求非常迅速，发展前景广阔。关于其应用研究 一直持久不衰，新的应用领域仍在不断的被开发出来。我国是合成樟脑的出口大国，但樟脑 作为初级产品，其价格较低。其衍生物作为手性配体，随着医药和特殊合成工业的发展，尤 其在有机不对称合成和有机光学材料领域，正发挥着越来越大的作用，市场应用前景也在逐 渐加大。但是由于我国在这方面的研究相对较少，对于樟脑衍生物的研究和合成已大大落后 于一些发达国家，世界上关于樟脑衍生物的生产主要集中在欧洲和日本等少数发达国家。因 此，对樟脑衍生物的合成研究有着重要的意义。 1 4 本论文研究目的及内容 通过对樟脑衍生物合成路线的选择，研究相对短、成本低的路线以合成制备樟脑衍生物。 本文研究的主要内容是设计合成两个四氮唑l 樟脑磺酸盐：2 对碘苯基3 对硝基苯基- 5 苯 基l 樟脑磺酸四氮唑盐和3 ( 4 ，5 二甲基2 噻唑) 2 ，5 二苯基四氮唑- l - 樟脑磺酸盐，d - - 樟脑磺吖嗪，d 3 溴樟脑8 磺酸铵，以及樟脑肟和d 樟脑磺酰胺。 ( 1 ) 设计以芳胺为原料，通过重氮化、偶合、氧化及阴离子交换四步反应合成了2 一对 碘苯基3 对硝基苯基5 苯基四氮唑l 樟脑磺酸盐和3 ( 4 ，5 二甲基2 噻唑) 一2 ，5 一二苯基四氮 唑l 樟脑磺酸盐。 ( 2 ) 以天然右旋樟脑为起始原料，经过磺酰化、酰氯化、酰胺化、环化、环氧化5 步 反应合成了d ( + ) 樟脑磺吖嗪。 ( 3 ) 利用天然右旋樟脑，经溴化得到d 3 溴樟脑，再通过磺化得到d 3 溴樟脑一8 一磺酸， 然后和碳酸铵反应得到产物d 3 溴樟脑8 磺酸铵。 ( 4 ) 利用天然樟脑合成了d 樟脑肟，利用合成樟脑合成了d l - 3 溴樟脑8 磺酸铵，利 用d 樟脑磺内酰亚胺合成了d 樟脑磺内酰胺。 1 6 - 第二章四氮唑- l 一樟脑磺酸盐的合成 2 1 前言 第二章四氮唑l 樟脑磺酸盐的合成 近年来，有机非线性晶体因其高非线性系数和光电系数，低色散，低介电常数，响应速度 快，应用波段宽，易于剪裁，成本低廉而备受重视【2 引。为了寻找新的具有较高非线性系数的含 共轭大键的有机分子季铵盐，本文设计合成了2 对碘苯基3 对硝基苯基5 苯基四氮唑- l 樟脑磺酸盐( i ) 和3 ( 4 ，5 二甲基一2 一噻唑) - 2 ，5 - 二苯基四氮唑- l 一樟脑磺酸盐( ) 这两种新结构 的化合物，其结构式如下： ( 1 i ) h 以化合物( i ) 为例，结构中含有如下图所示的推拉型腙结构单元的共轭大键，这类结 构通常在激发态具有较大的偶极矩，同时由于这种结构被固定在四氮唑环上，分子的刚性较 强，这类分子通常具有非线性特性。由于在分子中还具有四氮唑盐的结构，为了使其晶体结 构形成为非对称中心，我们将其阴离子置换为具有光学活性的l 樟脑磺酸根离子，该类化 合物有可能成为新的有机二阶非线性晶体材料。 本文以芳胺为原料通过重氮化、偶合、氧化及阴离子交换四步反应分别合成了上述化合 物( i ) 和( ) ，合成路线如下： 1 7 ( 1 ) ( 2 ) - 东南大学硕士学位论文 n a n o ， h c l - 州c q 挚旦广 n a n 0 2 rn h c l n b s c 卜一葑 r p 。纩飞。、n 人电夕 n ，舟 ”n 蚁i a 9 2 c 0 3 a 9 2 c 0 3 吣c 1 8 m 1 h 。 c d c _ n 一葑 )付c _ 卅n 弋夕 、j i ，i 、llli，lj rb p 冷洲 秽妒o llllll_ ) 叱 皂： 第二章四氮唑l 樟脑磺酸盐的合成 2 2 实验部分 2 2 1 原料、试剂和主要实验仪器 对碘苯胺( p i o d o a n i l i n e )分析纯国药集团化学试剂有限公司 浓盐酸( i - i y d r o c h l o r i ca c i d )分析纯上海凌峰化学试剂有限公司 亚硝酸钠( s o d i u mn i t r i t e )分析纯上海凌峰化学试剂有限公司 苯甲醛对硝基苯腙( b e n z a l d e h y d e - p - n i t r o p h e n y l h y d r a z o n e ) 自制 甲醇( m r e t h a n 0 1 )分析纯上海凌峰化学试剂有限公司 吡啶( p y r i d i n e ) 分析纯上海凌峰化学试剂有限公司 氢氧化钾( p o t a s s i u mh y d r o x i d e )分析纯国药集团化学试剂有限公司 硝酸银( s i l v e rn i t r a t e )分析纯上海化学试剂有限公司 碳酸钾( p o t a s s i u mc a r b o n a t e )分析纯国药集团化学试剂有限公司 l 樟脑磺酸( l c a m p h o rs u l f o n i ca c i d ) 工业品 张家港保税区信州化工有限公司 乙醇( e t h a n 0 1 )分析纯 南京化学试剂有限公司 机械搅拌器、磁力搅拌器、旋转蒸发仪、真空循环水泵、上海2 k - 8 2 a 型真空干燥箱； v a r i a ni n o v a i 4 0 0 型核磁共振仪( c d c l 3 为溶剂，t m s 为内标) ； i r 4 3 5 型红外谱仪( k b r 压片) 。 2 2 2 实验方法 2 2 2 1 2 对碘苯基- 3 对硝基苯基孓苯基氯化四氨唑盐的合成 将8 o g ( o 0 4 m 0 1 ) 对碘苯胺置入1 0 0 m l 三颈瓶中，再加入3 2 m l 水和8 m l 浓盐酸，搅拌 加热至6 0 , - 一7 0 c ，停止加热，搅拌下用冰盐浴冷至0 * c 以下。用滴液漏斗把配制好的2 8 9 ( 0 0 4m 0 1 ) n a n 0 2 水溶液5 m l 滴入上述对碘苯胺盐酸盐悬浮液中，滴加过程的反应温度不 超过5 - c t 2 9 1 。 5 0 0 m l 四口瓶中，加入8 8 9 苯甲醛对硝基苯腙溶液，2 8 0 m l 甲醇和8 4 m l 吡啶，搅拌溶 解并降温至o * c ，将上述制得的对碘苯胺重氮盐溶液加入其中，控制加入速度，使反应过程 的体系温度不超过5 1 2 。加毕，再滴加4 9 ( o 0 7 m 0 1 ) k o h 水溶液l o m l ，分别在50 c 和常温 下搅拌2 h 后过滤，滤饼各用2 0 m l 甲醇，2 0 m l9 0 c 的热水和1 0 m l 甲醇洗涤，所得固体于通 风处晾干，得到紫黑色固体约9 9 ，m p 1 7 2 - - 一1 8 0 。c 3 0 1 。 1 9 - 东南大学硕士学位论文 将上述制得的f o r m a z a n 置入1 0 0 m l 三颈瓶中，加入4 0 r a l 甲醇，搅拌均匀，冰盐浴降温 至o c 。通入c 1 2 ，至溶液颜色褪为浅褐色，停止通c 1 2 ，过程温度不高于1 5 。c 。常温搅拌 2 h 后，静置过滤，固体置于通风处晾干得到产物2 对碘苯基3 对硝基苯基5 苯基氯化四氮 唑约3 9 ，m p 2 2 8 2 3 0 c t 3 1 1 。 2 2 22l 樟脑磺酸银的合成 2 9 ( 1 2m m 0 1 ) a g n 0 3 和0 8 2 9k 2 c 0 3 ( 6m m 0 1 ) 分别加入l o m l 蒸馏水溶解，两种溶液 混合所得的黄绿色碳酸银沉淀用蒸馏水反复洗涤后迅速转移到2 0 m l 蒸馏水中，加入2 7 3 8 9 ( 1 2m m 0 1 ) l 樟脑磺酸的l o m l 蒸馏水溶液中，加热、搅拌，待反应完全后，趁热抽滤， 得到的澄清母液真空旋转蒸发至于，得到3 3 9l 樟脑磺酸银白色固体。 2 2 2 3 2 对碘苯基3 对硝基苯基5 苯基四氮唑l 樟脑磺酸盐的合成 2 一对碘苯基3 - 对硝基苯基- 5 - 苯基氯化四氮唑0 5 0 5 7 9 ( 1 0m m 0 1 ) 溶于8 0 m l 无水乙醇中， 微热至溶解，将上步制得的l 一樟脑磺酸银0 3 3 9 9 ( 1 0m m 0 1 ) 溶于5 0 m l 无水乙醇中，微热 至溶解，将两种溶液混合，搅拌，移至2 5 0 m l 单口瓶中，补加无水乙醇至1 5 0 m l ，加热回流 2 h ，趁热过滤掉生成的a g c i ，所得母液浓缩得油状物 3 2 1 。 2 2 24 3 ( 4 ，5 - - - q j 基- 2 噻哟- 2 ，5 - 二苯基四氮i 坚l 一樟脑磺酸盐的合成 合成方法类似于合成a 讧1 ) ，分别用2 氨基4 ，5 二甲基噻唑和苯甲醛苯腙代替对碘苯胺 和苯甲醛对硝基苯腙，用n b s 代替c 1 2 氧化，制得了3 一( 4 ，5 - 二甲基一2 一噻唑) 一2 ，5 - 二苯基四氮 唑溴氢酸盐( m 2 ) ，再与l 樟脑磺酸银进行阴离子交换，结晶得3 - ( 4 ，5 - 二甲基一2 - 噻唑) 2 ，5 - 二 苯基四氮唑l 樟脑磺酸盐。 2 0 第二章四氮唑一l - 樟脑磺酸盐的合成 2 3 产物结构表征 2 3 12 对碘苯基3 对硝基苯基5 苯基四氮唑l 一樟脑磺酸盐 红外分析： i r ( k b r ，c m - 1 ) ：3 4 3 4 7 ，3 0 6 0 5 ，2 9 5 6 4 ，1 7 3 5 6 ( l 樟脑磺酸樟脑环上c = o ) ，1 6 0 8 4 1 4 5 7 9 ( 苯环) ，1 3 8 8 5 ( - n 0 2 ) ，1 1 9 2 ，1 0 3 6 ，6 9 0 。 核磁分析： g i ；l 委 飞n q y l 差l ；! 簦! ! 星；i ；星琵茎 飞 逸沁l k , v - - 鳓j j u “u u 。 搪r 嚣f 、鼍n 矿吲 1 彰 1 罄厂、! n i i ，1 j f 6 ：8 4 0 ( d ，2 h ) ，8 2 8 ( d ，2 h ) ，8 2 1 ( d ，2 h ) ，7 8 3 ( s ，2 h ) ，7 5 1 7 6 1 ( d ，3 h ) ( 苯 2 1 东南大学硕士学位论文 环上h ) ； 2 9 3 ( d ，1 h ) ，2 4 4 ，2 3 9 ( d ，2 h ) ，2 1 4 1 2 8 ( d ，6 h ) ，o 8 2 ( s ，3 h ，樟脑环上c h 3 ) ， o 6 l ( s ，3 h ，樟脑环上c h 3 ) 。 2 3 23 ( 4 ，5 - 二甲基- 2 - 噻唑) 一2 ，5 - 二苯基四氮唑- l - 樟脑磺酸盐 红外分析： 嚷吼 i r ( k b r ，e m 1 ) ：3 4 3 6 6 ，3 0 6 2 5 ，2 9 5 6 4 ，1 7 3 9 5 ( l 樟脑环上c = o ) ，1 6 0 8 4 1 4 5 7 9 ( 苯 环) ，1 1 7 1 ，1 0 3 9 ，6 9 0 。 核磁分析： 2 2 第二章四氮唑- l 樟脑磺酸盐的合成 l i 墼g | g | g n ln 蠡纱 要委萎吞萋詈誊萎孽景娶誊琵甍兰毫蚕妻誉要善墓委主墓誊荽墨謇耍要娶妻墨墨蚕蓦象 n n n n n n “h h n n n h n 一一一p 一，一一一一p 一 “昔邕皇譬氅饕睾誉謇辞粼场名簪鸯由圳 i i oj虬么 疆。寸矗“”。“旷酉鼬a 弛乳麟时一她lk f 1 1 fk f碴闰鞫a j 崖画画撞l 始恒闰刚 6 ：8 3 0 ( d ，2 h ) ，8 1 6 ( d ，2 h ) ，7 5 8 7 7 4 ( m ，6 h ) ( 苯环上h ) ； 2 4 5 ( s ，3 h ，噻唑环c h 3 ) ，2 2 5 ( s ，3 h ，噻唑环c h 3 ) ； 3 0 5 ( d ，1 h ) ，2 5 0 ，2 4 9 ( d ，2 h ) ，2 1 5 1 2 8 ( d ，6 h ) ，o 9 5 ( s ，3 h ，樟脑环上c h 3 ) ， o 6 6 ( s ，3 h ，樟脑环上c h 3 ) 。 2 4 小结 本文以相应的芳胺为原料通过重氮化、偶合、氧化及阴离子交换四步反应分别合成了两 种具有新型结构的四氮唑l 樟脑磺酸盐，并利用瓜和1 h - n m r 对结构进行了表征。 这两个化合物结构中含有推拉型腙结构单元的共轭大丌键，这类结构通常在激发态具有 较大的偶极矩，同时由于这种结构被固定在四氮唑环上，分子的刚性较强，这类分子通常具 有非线性特性。由于在分子中还具有四氮唑盐的结构，其阴离子为具有光学活性的l 一樟脑 磺酸根离子，能形成非对称中心，有可能成为新的有机二阶非线性晶体材料。其晶体提纯、 培养及二阶非线性测试的工作将进一步进行。 2 3 东南大学硕士学位论文 3 1 前言 第三章d - ( + ) 一樟脑磺吖嗪的合成 吖嗪及其衍生物是一类重要的化合物，可以用作燃料、光敏物质、聚合单体、加成反 应的中间化合物。樟脑磺吖嗪