N-乙酰-L-酪氨酸乙酯偶氮衍生物的合成及偶氮-腙互变异构性质

汤 军，汪大巍，操燕明，高小红，杜松云，叶 龙

(1.武汉华夏理工学院 生物与制药工程学院，湖北 武汉 430223；2.武汉科技大学 化学工程与技术学院，湖北 武汉 430081)

N-乙酰-L-酪氨酸乙酯偶氮衍生物的合成及偶氮-腙互变异构性质

汤 军1，汪大巍1，操燕明1，高小红1，杜松云1，叶 龙2*

(1.武汉华夏理工学院 生物与制药工程学院，湖北 武汉 430223；2.武汉科技大学 化学工程与技术学院，湖北 武汉 430081)

以N-乙酰-L-酪氨酸乙酯为原料，与6个取代芳胺重氮盐在碱性条件下发生偶合反应，合成了6个新型的N-乙酰-L-酪氨酸乙酯偶氮衍生物，结构通过IR、1H NMR进行了表征.探讨了所合成化合物的偶氮式-腙式互变异构以及溶剂和pH对紫外可见光谱的影响.结果表明，溶质-溶剂相互作用会影响化合物在不同溶剂的λmax发生微小的变化，分子内和分子间氢键的作用影响较大.溶液pH会直接影响偶氮式-腙式的平衡构成，随着pH的增加，腙式在偶氮-腙互变异构平衡中的比例逐渐增加.这些偶氮化合物有望成为一类潜在的pH指示剂.

N-乙酰-L-酪氨酸乙酯偶氮衍生物；偶氮-腙互变异构；紫外可见光谱

含有偶氮发色团的化合物是一类重要的着色剂，其特征在于含有偶氮基，可能是一个、两个、三个、四个或更多偶氮基.自从在19世纪发现以来，偶氮化合物已被广泛地用作着色剂，占全部商品染料的50%以上[1-2].除了其作为着色剂使用外，它们还广泛应用于喷墨打印、摄影、生物医学、分子识别、光控聚合物、液晶等诸多领域[3-8].另一方面，在邻位具有羟基的偶氮染料由于质子转移而产生互变异构性质，偶氮-腙互变异构体已被广泛研究.因为互变异构体有不同的技术特性，偶氮-腙互变异构体的测定和表征受到了广泛关注[9-11].

酪氨酸[12]是一种芳香氨基酸，具有苯酚结构，是用来合成蛋白质的蛋白氨基酸之一.但是，酪氨酸偶氮衍生物的合成很少有文献报道.N-乙酰-L-酪氨酸乙酯是酪氨酸的酰化酯化的衍生物，合成和研究N-乙酰-L-酪氨酸乙酯偶氮染料在制药、食品、颜料等行业的应用是化学科学工作者的一个重要任务.

本文以N-乙酰-L-酪氨酸乙酯为偶合组分，与一些芳香重氮盐发生偶合反应，合成了6个N-乙酰-L-酪氨酸乙酯偶氮衍生物(合成路线见图1)，报道了溶剂、酸碱度对紫外可见吸收光谱的影响，研究了该类化合物的偶氮-腙互变异构性质.

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

BRUKE AVANCE 500型核磁共振仪(CDCl3为溶剂，瑞士BRUKE公司)，傅立叶变换红外光谱仪(日本岛津公司)，UV-2550紫外-可见分光光度计(日本岛津公司)，RY-1熔点测定仪(天津市新天光分析仪器技术有限公司)，pHS-3B精密pH计(上海精密科学仪器有限公司)， X-4显微熔点测定仪(北京泰克仪器有限公司)，RA-52AA旋转蒸发器(上海亚容生化仪器有限公司)，电热真空恒温干燥箱(上海跃进医疗器械厂).

N-乙酰-L-酪氨酸乙酯[13]按文献方法合成，其余所用化学试剂均为分析纯或化学纯.

1.2 实验过程

称取5 mmol取代芳胺于10 mL水中，加入1mL浓盐酸溶解，冰浴中冷却至0～5 ℃，另取5 mmol亚硝酸钠溶于1 mL水中(冷却至0 ℃).将亚硝酸钠滴加到前溶液中，滴加时产生砖红色，之后迅速变为黄色.整个过程都控制温度在0～5 ℃的范围内，反应30 min.得到芳胺重氮盐，检测pH在1～2，碘化钾试纸显淡蓝色.并适当调节酸度及补充亚硝酸钠，得重氮盐.

将前述合成的重氮盐缓慢加入到有5 mmol N-乙酰-L-酪氨酸乙酯、2.0 g醋酸钠、10 mL乙醇以及2 mL水的冷溶液(0～5 ℃)中，同时滴加10%的NaOH溶液，溶液逐渐变黄，此时pH控制在10左右.温度控制在5～8 ℃，冰浴2 h，室温搅拌2 h，抽滤，水洗，干燥，甲醇重结晶，得产品.

化合物5的重氮化方法稍有差别，直接加入浓硫酸加热溶解.

1.R= p-Cl,2.R= m-Cl,3.R= p-Br,4.R= m-Br,5.R= p-NO2,6.R= o-OCH2CH3,图1 偶氮化合物的合成路线Fig.1 Synthesis route of the azo compounds

偶氮化合物1:黄色固体，m.p.171～174 ℃，收率56%.IR(KBr)ν，cm-1:3 304(NH,OH)，2 926 (CH)，2 856 (CH)，1 735(酯C=O),1 649(酰胺C=O)，1 549(酰胺NH的弯曲振动)，1 411 (N=N的伸缩振动).1H NMR (600 MHz,CDCl3)δ：12.58 (s,1H,OH),7.81 (d,2H,ArH),7.67 (s,1H,ArH),7.50 (d,2H,ArH),7.10 (d,1H,ArH),6.96 (d,1H,ArH),5.99 (d,1H,NH),4.92 (dd,1H,CH),3.76 (s,3H，NCOCH3),3.16 (m,2H，ArCH2),2.02 (s,3H,CH3)， 1.58 (3H，CH3).

偶氮化合物2:橙色固体，m.p.170～171 ℃，收率82%.IR(KBr)ν，cm-1:3 313(OH,NH)，2 928 (CH)，2 856 (CH)，1 727(酯C=O)，1 654(酰胺C=O)，1 551(酰胺NH的弯曲振动)，1 433 (N=N的伸缩振动).1H NMR (600 MHz,CDCl3)δ：12.51 (s,1H,OH),7.89 (s,1H,ArH),7.76 (d,1H,ArH),7.66 (s,1H,ArH),7.52～7.42 (m,2H,ArH),7.10 (t,1H,ArH),6.99 (d,1H,ArH),5.98 (d,1H,NH),4.92 (dd,1H,CH),4.23 (dd,2H,CH2) 3.18 (ddd,2H,ArCH2),2.04 (s,3H,CH3),1.58 (3H，CH3).

偶氮化合物3:黄色固体，m.p.180～181 ℃，收率42.4%.IR(KBr)ν，cm-1:3 305(NH,OH),2 925(CH),2 856(CH),1 733 (酯C=O),1 643(酰胺C=O),1 543(酰胺NH的弯曲振动),1 436 (N=N的伸缩振动).1H NMR (600 MHz,CDCl3)δ：12.58 (s,1H,OH),7.79 (d,2H,ArH),7.69 (d,3H，ArH),7.14 (d,1H,ArH),6.96 (d,1H，ArH),5.99 (d,1H，NH),4.94 (dd,1H，CH),4.21 (dd,2H,CH2),3.17 (ddd,2H，ArCH2),2.02 (s,3H,NCOCH3),1.58 (3H，CH3).

偶氮化合物4:红色固体，m.p.144～146 ℃.IR(KBr)ν，cm-1:3 313(NH,OH)，2 925(CH),2 854(CH),1 731(酯C=O)，1 645(酰胺C=O),1 552(酰胺NH的弯曲振动)，1 441(N=N的伸缩振动).1H NMR (600 MHz,CDCl3)δ：12.50 (s,1H,OH),8.00 (s,1H,ArH),7.83 (d,1H,ArH),7.69 (s,1H,ArH),7.63～7.59 (m,1H,ArH),7.44 (dt,2H,ArH),7.10 (d,1H,ArH),6.97 (d,1H,ArH),6.01 (d,1H,NH),4.95 (dd,1H,CH),4.23 (dd,2H,CH2),3.78 (s,H,COOCH3),3.18 (ddd,2H,ArCH2),2.04 (d,3H,COCH3)，1.56 (3H，CH3).

偶氮化合物5:黄色固体，m.p.194～195 ℃，收率68%.IR(KBr)ν，cm-1:3 292 (NH,OH)，2 926 (CH),2 854(CH),1 732(酯C=O)，1 653 (酰胺C=O)，1 522(硝基 N=O的伸缩振动)，1 340(硝基 N=O的伸缩振动).1H NMR (600 MHz,CDCl3)δ：12.55 (m,1H,OH),8.20 (dd,2H,ArH),7.88 (d,2H,ArH),7.76 (s,1H,ArH),7.13 (dd,1H,ArH),6.98 (d,J= 8.4 Hz,1H,ArH),5.95 (s,1H,NH),4.94 (dd,1H,NCH),4.23 (dd,2H,CH2),3.85 (d,3H,COOCH3),3.18 (ddd,2H,ArCH2),2.00 (s,3H,COCH3),1.57 (3H，CH3).

偶氮化合物6:棕色固体，m.p.178～180 ℃.IR(KBr)ν，cm-1:3 323(OH， NH)，2 981(CH)，2 932(CH)，1 724(酯C=O)，1 647(酰胺C=O)，1 549(酰胺NH弯曲振动)，1 415(N=N伸缩振动).1H NMR (600 MHz,CDCl3)δ：13.50 (s,1H，OH),7.84 (d,1H,ArH),7.70 (s,1H,ArH),7.44 (t,1H,ArH),7.02～7.08 (m,3H),6.97(d,1H,ArH),5.99 (d,1H,NH),5.03～4.77 (m,1H,CH),4.21 (dq,4H,COCH2,COOCH2),3.17 (m,2H,ArCH2),2.02 (s,3H，COCH3),1.53 (t,3H，CH3),1.27 (t,3H,CH3).

2 结果与讨论

2.1 合成与表征

N-乙酰-L-酪氨酸乙酯偶氮衍生物1-6由N-乙酰-L-酪氨酸乙酯与芳香胺重氮盐在碱性溶液中发生偶合反应得到(图1).这些偶氮衍生物的化学结构由IR和1H NMR确证.如图2所示，合成的偶氮化合物有两个可能的互变异构形式烯醇-偶氮式(A)和酮-腙式(B)，两个异构体分别脱去一个质子可以得到两个阴离子(A1、B1).

在化合物1-6的红外光谱图中，3 292～3 323 cm-1为-OH、-NH伸缩振动吸收峰，1 724～1 735和1 643～1 654 cm-1为酯和酰胺的C=O特征官能团吸收峰，1 522～1 551 cm-1为酰胺NH弯曲振动吸收峰，1 411～1 441 cm-1为-N=N-特征官能团吸收峰，1 340和1 522 cm-1为化合物5的硝基特征官能团吸收峰.在化合物1-5的1H NMR谱图中，12.50～12.58为分子中-OH氢的化学位移，化学位移在低场说明形成了较强的分子内氢键.在化合物6的1H NMR谱图中，-OH氢的化学位移为13.50，这是由于苯环邻位乙氧基的去屏蔽作用，使得羟基质子的信号移向低场.6.97～8.20为分子中苯环氢的化学位移，5.95～6.01为分子中NHCO氢的化学位移,4.21～4.23和1.53～1.58为分子中COOCH2CH3氢的化学位移.光谱数据表明结构与合成的化合物一致.

2.2 溶剂对N-乙酰-L-酪氨酸乙酯偶氮衍生物紫外可见光谱的影响

选择了5种不同极性的溶剂DMSO、DMF、Acetic Acid、MeOH、MeOH-H2O(体积比1∶1),考察了N-乙酰-L-酪氨酸乙酯偶氮衍生物1-6在250～600 nm的紫外可见吸收光谱，浓度为～1×10-5mol/L.结果见表1.所有化合物在不同溶剂中的紫外可见吸收均显示有两个吸收带，可以认为该类化合物存在着两种互变异构形式的混合物.

图2 偶氮衍生物的互变异构Fig.2 Tautomeric forms of the azo compounds

CompoundDMSODMFAceticAcidMeOHMeOH-H2O1333,395332,396332,398331,393329,4812327,392326,392327,394327,393326,4833335,393333,394333,395333,395330,4814327,392327,394325,390326,397327,4835327,394326,393325,395326,397327,4796342,400342,403345,401343,403347,522

苯环上取代基的不同的电子效应会影响溶液的λmax值[14].具有供电子效应或吸电子效应的不同取代基的N-乙酰-L-酪氨酸乙酯偶氮化合物的紫外可见吸收光谱λmax值见表1.苯环上引入供电子基的乙氧基(偶氮化合物6)的λmax值，在所有溶剂当中，相对于有吸电子基的氯、溴、硝基(偶氮化合物1、2、3、4、5)，均发生了红移.如在溶剂DMF中,偶氮化合物6(λmax1=342 nm,λmax2=402 nm,)，相对于偶氮化合物1(λmax1=332 nm,λmax1=396 nm)Δλ1=10 nm,Δλ2=8 nm.不同偶氮化合物在MeOH-H2O中的紫外可见吸收光谱见图3.

同一化合物在不同溶剂的紫外可见吸收光谱的变化可以认为是这些溶剂的极性、碱性和氢键给体与受体能力的共同作用的结果.化合物4在不同溶剂的紫外可见吸收光谱见图4.325～327 nm处吸收峰为偶氮体-N=N-的π-π﹡跃迁吸收带，390～483 nm处吸收峰为腙式体的n-π﹡跃迁吸收带.互变异构体的溶质-溶剂相互作用会影响化合物在不同溶剂的λmax发生微小的变化.这个变化提示在所有溶剂中均有分子内氢键存在.相对于其他溶剂，在MeOH-H2O溶剂中酮-腙互变异构体的n-π﹡跃迁吸收带发生了强烈的红移，说明在MeOH-H2O溶剂中，偶氮化合物不仅存在分子内氢键，还能和水分子形成分子间氢键(图5 ).这与类似的文献报道一致[15-16].

2.3 溶液pH对N-乙酰-L-酪氨酸乙酯偶氮衍生物紫外可见光谱的影响

偶氮化合物的显色受到溶液pH的显著影响，溶液pH会直接影响烯醇-偶氮式和酮-腙式的平衡构成.分别测定了各偶氮化合物在不同pH的甲醇-水(体积比1∶1)溶液的紫外可见吸收光谱，结果见表2.所有化合物均在325～354 nm和380～532 nm显示有两个吸收带.随着溶液pH的增加，第一个吸收带的ε值逐渐降低，第二个吸收带的ε值逐渐升高.说明在甲醇-水体系中，存在着一个pH依赖性的分子型(HIn，酸性介质中)平衡和离子型(In-，碱性介质中)平衡(图2).

图3 偶氮化合物1-6在MeOH-H2O中的紫外可见吸收光谱Fig.3 UV-Vis absorption spectra of azo compounds 1-6 in MeOH-H2O

图4 偶氮化合物4在不同溶剂的紫外可见吸收光谱Fig.4 UV-Vis absorption spectra of azo compound 4 in various solvents

图5 偶氮化合物互变异构体的氢键Fig.5 Hydrogen bonds and tautomeric forms of the azo compounds

CompoundpH1.0pH4.00pH6.86pH9.18pH13.01329,386330,386330,386330,387331,4902326,386326,386327,388327,388328,4803331,380(s)334,380(s)334,382(s)335,381(s)331,387(s),4854326,381(s)325,381(s)325,381(s)326,380(s)327,4935336,390339,393340,392341,394354,5326330,385330,384332,383331,382332,492

s：shoulder

偶氮化合物5在不同pH甲醇-水溶液的紫外可见吸收光谱图见图6.336～354 nm处的吸收峰值随着pH的增加逐渐降低，偶氮式在偶氮-腙互变异构平衡中的比例逐渐降低，当pH升至13.0时，新出现一个532 nm较强的吸收峰，说明此pH时，腙式在偶氮-腙互变异构平衡中的比例较多.

所有偶氮化合物的颜色也会随着pH的增加而发生改变，在酸性时颜色一般为黄色-红色，在碱性时颜色会转变为红色-紫色，颜色变化的pH范围在9.18～13.0.这种颜色的变化是可逆的，同时，这些化合物在酸性和碱性条件下也是稳定的，这些性质说明这些偶氮化合物能够成为潜在的pH指示剂.偶氮化合物4在不同pH的MeOH-H2O溶液的颜色变化见图7.

图6 偶氮化合物5在不同pH的紫外可见吸收光谱Fig.6 UV-Vis absorption spectra of azo compound 5 with different pH

图7 偶氮化合物4在不同pH溶液的颜色变化Fig.7 Color observed for azo compound 4 solution at different pH

3 结论

以N-乙酰-L-酪氨酸乙酯为原料合成了6个新型的偶氮衍生物，通过IR、1H NMR进行了表征.考察了所合成化合物的偶氮式-腙式的互变异构以及溶剂和pH对紫外可见光谱的影响.结果表明，溶质-溶剂相互作用会影响化合物在不同溶剂的λmax发生微小的变化，分子内和分子间氢键的作用影响较大.溶液pH会直接影响偶氮式和腙式的平衡构成，随着pH的增加，偶氮式在偶氮式-腙式互变异构平衡中的比例逐渐降低.这些偶氮化合物有望成为一类潜在的pH指示剂.

[1] 章杰.我国纺织印染助剂在新形势下的创新新途径[J].印染助剂,2011,28(1):1-8.

ZHANG J.New ways of China’s textile printing and dyeing assistants innovation in the new situation [J].Textile Au-xiliaries,2011,28(1):1-8.

[2] BELLOTTO S,REUTER R,HEINIS C,et al.Synthesis and photochemical properties of oligo-ortho-azobenzenes [J].The Journal of Organic Chemistry,2011,76(23):9826-9834.

[3] PARK J Y,HIRATA Y,HAMADA K.Relationship between the dye/additive interaction and inkjet ink droplet formation [J].Dyes and Pigments,2012,95(3):502-511.

[4] SONG D H,YOO H Y,KIM J P.Synthesis of stilbene-based azo dyes and application for dichroic materials in poly(vinyl alcohol) polarizing films [J].Dyes and Pigments,2007,75(3):727-731.

[5] HUANG W,LI Y,LIN H,et al.Colorimetric recognition of acetate anions in aqueous solution using charge neutral azo derivatives [J].Spectrochim Acta A,2012,86(86):437-442.

[6] MOHAJERANI E,HOSAIN NATAJ N.Studying the temperature dependence of the laser induced birefringence in azo dye doped polymer films [J].Optical Materials,2007,29(11):1408-1415.

[7] HOSAIN NATAJ N,MOHAJERANI E,NEMATI H,et al.Studying optical and nonlinear optical properties of synthesized azo dyes doped in polymer and liquid crystal using birefringence and Z-scan techniques [J].Journal of Applied Polymer Science,2013,127(1):456-462.

[8] CHAMI F,WILSON M R.Molecular order in a chromonic liquid crystal:a molecular simulation study of the anionic azo dye sunset yellow [J].Journal of the American Chemical Society,2010,132(22):7794-7802.

[9] LEE H Y,SONG X,PARK H,et al.Torsionally responsive C3-symmetric azo dyes:azo-hydrazone tautomerism,conformational switching,and application for chemical sensing [J].Journal of the American Chemical Society,2010,132(34):12133-12144.

[10] UCUN F,SAGLAM A,KARA I,et al.Investigation of ground state tautomeric form of a heterocyclic disazo dye derived from barbituric acid by ab initio Hartree-Fock and density functional theory calculations [J].Journal of Molecular Structure:Theochem,2008,868(1):94-100.

[11] EBEAD Y H.Spectrophotometric investigations and computational calculations of prototropic tautomerism and acid-base properties of some new azo dyes [J].Dyes and Pigments,2012,92(1):705-713.

[12] 姚玉妮,李娟.氨基酸类饲料添加剂L-酪氨酸[J].中国饲料添加剂,2011(1):24-26．

YAO Y N,LI J.Amino acid feed additiveL-Tyrosine [J].China Feed Additive,2011(1):24-26．

[13] 汤军,吕早生,韩青,等.双保护氨基酸N-乙酰-L-酪氨酸乙酯的合成工艺研究[J].河南工业大学学报(自然科学版),2014,35(6):72-75.

TANG J,LV Z S,HAN Q,et al.Study on synthesis process of N-Acetyl-L-Tyrosine Ethyl Ester [J].Journal of Henan University of Technology (Natural Science Edition),2014,35(6):72-75.

[14] MORADI RUFCHAHI E Q,GHANADZADEH GILANI A.Synthesis,characterization and spectroscopic properties of some new azo disperse dyes derived from 4-hydroxybenzo[h]quinolin-2-(1H)-one as a new synthesized enol type coupling component [J].Dyes and Pigments,2012 (95):632-638.

[15] SHAWALI S A,ZEID I F,ABDELKADER H M.Synthesis,acidity constants and tautomeric structure of 7-arylhydrazono[1,2,4] triazolo [3,4-6] [1,3,4]thiadiazines in ground and exited states [J].Journal of the Chinese Chemical Society,2001,48(1):65-72.

[16] SEFEROGLU Z,AKTAN E,ERTAN N,et al.Spectral characterization and computational studies of some novel phenylazoindol-2-one dyes [J].Coloration Technology,2009,125(6):342-351.

[责任编辑：张普玉]

Synthesis and azo-hydrazone tautomerizm of N-acetyl-L-tyroaine ethyl ester azo derivatives

TANG Jun1,WANG Dawei1,CAO Yanming1,GAO Xiaohong1,DU Songyun1,YE Long2*

(1.DepartmentofBiologicalandPharmacyEngineering,WuhanHuaxiaUniversityofTechnology,Wuhan430223,Hubei,China； 2.SchoolofChemicalEngineeringandTechnology,WuhanUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430081,Hubei,China)

Six new azo compounds were synthesized by diazo-coupling reaction under basic condition with N-acetyl -L-tyrosine ethyl ester and six substituted aromatic amine diazonium salts as raw materials.The structures of the new azo compounds were confirmed by IR and1H NMR.The effects of various solvent and pH on the absorption spectra of the azo compounds were tested to study the azo-hydrazone tautomerizm phenomena.The results showed that the solute-solvent interactions in different solvents can affect minor changes in the compoundλmax,and the hydrogen bonds play important influence.The proportion of hydrazone tautomer in azo-hydrazone taotomerizm equilibrium is rised with the increasing of pH.These new azo compounds could potentially be used as pH indicators.

N-acetyl-L-tyroaine ethyl ester azo derivatives; azo-hydrazone tautomerizm; UV-vis spectrum

2016-11-17.

湖北省自然科学基金(2015CFB490)，武汉华夏理工学院科研基金(16002).

汤 军(1972-)，男，副教授，主要从事新型氨基酸衍生物的合成与应用和超分子化学的研究.*

，E-mail：yelong@wust.edu.cn.

O625.65

A

1008-1011(2017)01-0044-07