2-氨基-5-芳基-1,3,4-噁二唑的合成及工艺优化

刘玉婷， 黄　涛， 刘蓓蓓， 尹大伟，杨晓刚

(1.陕西科技大学 教育部轻化工助剂化学与技术重点实验室， 陕西 西安　710021； 2.陕西生益科技有限公司, 陕西 咸阳　712000)



2-氨基-5-芳基-1,3,4-噁二唑的合成及工艺优化

刘玉婷1， 黄涛1， 刘蓓蓓1， 尹大伟1，杨晓刚2

(1.陕西科技大学 教育部轻化工助剂化学与技术重点实验室， 陕西 西安710021； 2.陕西生益科技有限公司, 陕西 咸阳712000)

摘要：以取代苯甲醛与氨基脲为原料，合成了一系列2-氨基-5-芳基-1, 3, 4-噁二唑.讨论了反应条件对产率的影响，得到了最佳工艺条件.实验结果表明，合成半缩脲的最佳条件为：n(苯甲醛)∶n(盐酸氨基脲)=1.0∶1.1，反应温度为80 ℃，反应时间为2 h；合成2-氨基-5-芳基-1,3,4-噁二唑的最佳条件为：n(半缩脲)∶n(无水醋酸钠)∶n(溴) =1.0∶4.0∶1.2，反应温度为15 ℃，反应时间为5 h.所有化合物的产率均在85%以上，且其结构均经IR、元素分析等进行了表征.

关键词：2-氨基-5-芳基-1,3,4噁二唑； 合成； 工艺优化

0引言

1,3,4-噁二唑是一类含有氧、氮杂原子的五元杂环芳香化合物，主要以2,5位的氢原子的取代产物存在.因1,3,4-噁二唑分子结构的特殊性，其具有独特的生物活性和光学活性，已经广泛地应用于农药[1]、医药[2]、材料[3]等领域.将1,3,4-噁二唑环引入到不同的化合物结构中，可生成新型且具有特殊活性的药物[4]或电致发光材料[5,6].因此，1,3,4-噁二唑衍生物的合成成为了人们研究的热点之一.

目前，合成1,3,4-噁二唑的方法主要有三氯氧磷法[7]、HgO作催化剂催化环合法[8-10]和树脂支载法[11-15]等.其中，三氯氧磷法具有反应时间长、产率较低、环合剂多为有毒或强腐蚀性的物质等缺点；过渡态金属催化剂虽然能够很好地催化反应并且提高反应产率，但是其昂贵的价格制约了其应用范围；树脂支载法虽然优点很多，但由于其在极性溶剂中的溶胀性不好，限制了其作为载体的应用范围.

本文设计合成了一系列2-氨基-5-芳基-1,3,4-噁二唑，并对其合成工艺进行了优化，同时，所得8种化合物产率均在85%以上.同时，所得的化合物均通过元素分析和IR等对其结构进行了表征.

其合成路线如下：

R:b1=H;b2=4-F;b3=4-Cl;b4=4-Br;B5=4-CH4b6=4-OCH3;b7=4-NO2;b8=4-N(CH3)2

1实验部分

1.1试剂与仪器

(1)试剂：盐酸氨基脲,分析纯，西安化学试剂厂；苯甲醛，分析纯，西安化学试剂厂；4-氟苯甲醛，分析纯，天津市福晨化学试剂厂；4-氯苯甲醛，分析纯，西安化学试剂厂；4-溴苯甲醛，分析纯，西安化学试剂厂；4-甲基苯甲醛，分析纯，西安化学试剂厂；4-甲氧基苯甲醛，分析纯，天津市博迪化工有限公司；4-硝基苯甲醛，分析纯，西安化学试剂厂；4-二甲氨基苯甲醛，分析纯，开封化学试剂总厂；无水乙醇，分析纯，开封化学试剂总厂；石油醚，分析纯，开封化学试剂总厂；乙酸乙酯，分析纯，天津恒昊公司化学试剂厂；冰乙酸，分析纯，西安化学试剂厂；溴素，分析纯，天津市福晨化学试剂厂；无水乙酸钠，分析纯，西安三浦精细化工厂；羧甲基纤维素，分析纯，杭州化学试剂厂；薄层层析荧光硅胶G ，分析纯，青岛海洋化工有限公司.

(2)仪器：熔点采用上海精密科学仪器有限公司X-4型显微熔点仪测定(温度计未校正)；IR采用德国Bruker公司VECTOR-22型傅立叶红外光谱仪测定，KBr压片法；元素分析采用德国Elemeraor公司Vario ELⅢ型有机元素分析仪测定.

1.2半缩脲的合成

在100 mL三口烧瓶中加入0.011 mol盐酸氨基脲、5 mL无水乙醇，在搅拌下缓慢滴加0.01 mol(取代)苯甲醛及无水乙醇(醛与无水乙醇体积比为1∶1)，滴完后回流反应2 h (薄层层析监测反应)，反应结束后冷却至室温，抽滤，滤饼依次用母液、水、无水乙醇洗涤，以无水乙醇重结晶，得半缩脲.

1.32-氨基5-芳基-1,3,4-噁二唑的合成

于三口烧瓶中加入0.01 mol半缩脲，缓慢滴加0.04 mol无水醋酸钠的20 mL冰醋酸溶液，滴完继续搅拌30 min，反应温度为14 ℃，搅拌下逐滴加入含0.011 mol溴的2 mL冰醋酸溶液，薄层层析监测反应.反应结束后，将反应液倾入150 mL冰水中，待固体充分析出后，抽滤，滤饼用大量水洗涤，干燥，无水乙醇重结晶，得目标产物.

2结果与讨论

2.1半缩脲的合成

以苯甲醛半缩脲a1的合成为例，讨论半缩脲合成的反应条件.影响苯甲醛半缩脲a1的因素主要有：苯甲醛与盐酸氨基脲的摩尔比、反应时间、反应温度等.

2.1.1反应物摩尔比对产率的影响

反应温度为80 ℃，反应时间2 h，改变苯甲醛与盐酸氨基脲的摩尔比，研究反应物摩尔比对半缩脲产率的影响，其结果见表1所示.

表1　苯甲醛与盐酸氨基脲的摩尔比

由表1可以看出，随着投料摩尔比的增加，产率逐渐增加，但增加到一定程度则呈下降趋势.这是因为随着投料比的增加，反应体系粘度增加，使反应平衡向逆反应方向进行，产率降低;此外，反应体系粘度的增加，使反应体系受热不均匀，导致反应进行得不完全，产率降低.因此，反应的最佳摩尔比应为1∶1.1.

2.1.2反应时间对产率的影响

取苯甲醛与盐酸氨基脲的摩尔比为1∶1.1进行投料，反应温度为80 ℃，研究反应时间对半缩脲产率的影响.其结果如表2所示.

表2　反应时间对半缩脲产率的影响

由表2可以看出，当反应时间在2 h时产率最高.反应时间过短，盐酸氨基脲不能很好地与苯甲醛进行反应，没有反应掉的盐酸氨基脲会在温度升高时自身闭环，从而影响最终产物产率.

2.1.3反应温度对产率的影响

取苯甲醛与盐酸氨基脲摩尔比为1∶1.1投料,反应时间为2 h, 改变反应温度，研究反应温度对产率的影响.其结果如表3所示.

表3　反应温度对半缩脲产率的影响

由表3可以看出，随着反应温度的升高，半缩脲的产率升高，在80 ℃时产率达到最高.

2.22-氨基-5-芳基-1,3,4-噁二唑的合成

以2-氨基-5-苯基-1,3,4-噁二唑b1的合成为例，讨论合成2-氨基-5-芳基-1,3,4-噁二唑的反应条件.影响产率的因素主要有：半缩脲与无水醋酸钠的摩尔比、反应温度及加溴量等.

2.2.1反应温度对产率的影响

在半缩脲：无水醋酸钠：溴的摩尔比=1.0∶4.0∶1.2的条件下，改变反应温度，研究反应温度对产率的影响.其结果如表4所示.

表4　反应温度对2-氨基-5-苯基-1,3,4-噁二唑

由表3可以看出，随着反应温度的升高，2-氨基-5-苯基-1,3,4-噁二唑的产率升高，但是，温度高于15 ℃后，溴挥发较多，因此影响了产率.

2.2.2半缩脲和无水醋酸钠摩尔比对产率的影响

在半缩脲：溴的摩尔比=1.0∶1.2，在反应温度15 ℃时，研究半缩脲：无水醋酸钠摩尔比对产率的影响.其结果如表5所示.

表5　摩尔比对2-氨基-5-苯基-1,3,4-噁二唑

由表5可以看出，随着半缩脲：无水醋酸钠摩尔比的减小，2-氨基-5-苯基-1,3,4-噁二唑的产率升高.但是，半缩脲：无水醋酸钠摩尔比在1∶4.0后，产率变化不大.因此，可确定最佳半缩脲：无水醋酸钠的摩尔比=1∶4.0.

2.2.3加溴量对产率的影响

在半缩脲：无水醋酸钠摩尔比=1.0∶4.0，反应温度15 ℃时，改变加溴量，研究加溴量对产率的影响.其结果如表6所示.

表6　加溴量对2-氨基-5-苯基-1,3,4-噁二唑

由表3可以看出，随着加溴量的增加，产率逐渐增加，但增加到一定比例后反而产率下降.这是因为反应成环过程中，溴作为催化剂，与氢原子结合，以HBr的形式离去，形成目标产物，随着溴量的增加，未反应的溴会使体系反应平衡向逆反应方向移动，从而使产率降低.因此，确定最佳半缩脲：溴的摩尔比=1∶1.2.

2.32-氨基-5-芳基-1,3,4-噁二唑的物理性质及表征

利用2-氨基-5-苯基-1,3,4-噁二唑实验结果得出的最佳工艺条件，分别合成了一系列2-氨基-5-芳基-1,3,4-噁二唑.其化合物的物理性质、产率和表征见表7、表8和表9所示.

表7　2-氨基-5-芳基-1,3,4-噁二唑

由表7可知,b1～b8所有产物的产率均在85%以上.

由表8可知，所得特征基团均有明显特征吸收峰.在3 465～3 272 cm-1之间有较强N-H伸缩振动吸收双峰；在1 310～1 360 cm-1处有较强C-N伸缩振动吸收峰；在1 651～1 664 cm-1之间有较强的C=N伸缩振动吸收峰；在1 011～1 032 cm-1附近有较强C-O-C伸缩振动吸收峰.这说明生成了2-氨基-5-芳基-1,3,4-噁二唑.

表9　2-氨基-5-芳基-1,3,4-噁二唑

由表9可知，各个元素的实测值与计算值相吻合，这说明生成了2-氨基-5-芳基-1,3,4-噁二唑b1～b8等.

3结论

半缩脲的最佳合成工艺条件为：n(取代苯甲醛)∶n(盐酸氨基脲)=1∶1.1，反应温度为80 ℃，反应时间为2 h；2-氨基-5-芳基基-1,3,4噁二唑的最佳合成工艺条件为：n(半缩脲)∶n(无水醋酸钠)∶n(溴) =1.0 ∶ 4.0 ∶ 1.2，反应温度为15 ℃，反应时间为5 h，产率均在85%以上.该工艺操作简便，产率较高，为噁二唑类衍生物的合成提供了新的思路和研究方法.

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Optimization of synthesis of 2-amino-5-aryl-1, 3, 4-oxadiazole

LIU Yu-ting1, HUANG Tao1, LIU Bei-bei1, YIN Da-wei1, YANG Xiao-gang2

(1.Key Laboratory of Auxiliary Chemistry & Technology for Chemical Industry, Ministry of Education, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China; 2.Shaanxi Shengyi Technology Limited Company, Xianyang 712000, China)

Abstract:A series of 2-amino-5-aryl-1,3,4-oxadiazole analogues were synthesized via substituted benzaldehyde and semicarbazide hydrochloride in this paper.The influence of process conditions to productivity was discussed.The results indicated that the best synthesis conditions of semicarbazide was that the mole ratio of n(substituted benzaldehyde)∶n(semicarbazide hydrochloride) was 1.0∶1.1,the reaction temperature was 80 ℃,the reaction time was 2 h;the best synthesis conditions of 2-amino-5-aryl-1,3,4-oxadiazole was that the mole ratio of n(semicarbazone)∶n(anhydrous sodium acetate)∶n(bromine) was 1.0∶4.0∶1.2,the reaction time was 5 h,the reaction temperature was 15 ℃.The yield was above 85%.All the structures of the products were characterized by IR and elemental analysis.

Key words:2-amino-5-aryl-1, 3, 4-oxadiazole; synthesis; process optimization

中图分类号：O626.2

文献标志码：A

文章编号：1000-5811(2015)02-0079-04

作者简介:刘玉婷(1971-),女,陕西富平人，教授，博士，研究方向：有机功能材料合成

基金项目：国家自然科学基金项目(21176148); 陕西省教育厅重点实验室计划项目(13JS017)

收稿日期:*2015-01-04