杯[4]芳烃四噻吩衍生物的合成*

2023-05-10周小强蔡秀琴雷康佳

化工科技 2023年1期

周小强,蔡秀琴,陈克,雷康佳

(渭南师范学院化学与材料学院,陕西渭南 714099)

杯芳烃(Calixarene)是对叔丁基苯酚单元和甲醛通过缩合反应制得的具有独特空腔的一类大环化合物,其环腔尺寸易于调节且具有很高的热稳定性,易于官能团化修饰[1],被广泛应用于分子离子选择性识别、催化反应、萃取分离和功能性材料等领域[2-5]。杯芳烃拥有特殊的结构和多个活性中心,经过修饰后可实现对不同配位体的灵活选择,得到结构和性能优良、类型多样、稳定性好的固相,为难以分离的固相提供了更多的选择性和可能性。将杯芳烃及其衍生物与层析技术结合,可提高检测的准确性和分析的灵敏度,在复杂样品的分离和分析中具有广阔的应用前景[6]。

与其他杯芳烃相比,杯[4]芳烃更易合成,构象易于调节,其衍生物的合成研究也逐渐增多。杯[4]芳烃上沿的芳环和下沿的酚羟基经官能团化修饰后,既能制备出新性能的杯[4]芳烃衍生物,同时也可起到扩大空穴的作用。杯[4]芳烃上沿的修饰多通过杯芳烃脱去叔丁基后经过原位磺化、胺解等反应制备杯[4]芳烃衍生物[7]。杯[4]芳烃下沿的衍生基团有席夫碱、酰胺、醚、卤素等[8]。目前,杯[4]芳烃下沿二取代衍生物的合成相关研究较多,而下沿四取代衍生物因空间位阻效应影响显著导致其合成研究较少[9-11]。杯[4]芳烃四取代衍生物扩大了其络合空腔,衍生基团中引入N、O、S等杂原子,可增加络合的作用位点[9,12]。作者以对叔丁基杯[4]芳烃为起始底物,合成一种含N-亚甲基噻吩基酰胺结构的四取代杯[4]芳烃衍生物。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

对叔丁基杯[4]芳烃：安耐吉化学公司;甲苯、丙酮、四氢呋喃：分析纯,国药集团化学试剂有限公司,经钠砂无水处理再蒸馏后待用;氯乙酸乙酯、二氯亚砜、二氯甲烷、K2CO3、KI、NaOH：均为分析纯,市售。

核磁共振波谱仪： Avance Ⅲ 600 MHz,CDCl3、DMSO-d6为溶剂,TMS为内标,红外光谱仪： Tensor Ⅱ,KBr压片法,Bruker。

1.2 目标化合物的合成

以对叔丁基杯[4]芳烃(Ⅰ)为起始底物,与氯乙酸乙酯发生取代反应制得对叔丁基杯[4]四取代乙酸乙酯(Ⅱ),Ⅱ在碱性条件下水解得到杯[4]芳烃四乙酸(Ⅲ),再与二氯亚砜反应得到杯[4]芳烃四乙酰氯(Ⅳ),最终与2-噻吩甲胺发生反应得到对叔丁基杯[4]四噻吩衍生物(Ⅴ),合成路线见图1。

图1 杯[4]芳烃四噻吩衍生物(Ⅴ)的合成路线

1.2.1 对叔丁基杯[4]芳烃四乙酸乙酯(Ⅱ)的合成

将1.944 g(3 mmol)对叔丁基杯[4]芳烃、767 μL(7.2 mmol)氯乙酸乙酯、1 g(7.2 mmol) K2CO3和0.120 g(0.72 mmol) KI加入装有50 mL无水丙酮的三口烧瓶中,氮气保护、t=70 ℃回流10 h后向反应体系补加1 g(7.2 mmol) K2CO3、1.2 g(7.2 mmol) KI和767 μL(7.2 mmol)氯乙酸乙酯,氮气保护下回流7 d,薄层色谱监测反应进程,直至化合物Ⅰ转化完全。使用旋转蒸发仪移除大部分溶剂后用质量分数25%的盐酸洗涤,过滤、干燥得到2.5 g白色粉末,即对叔丁基杯[4]四取代乙酸乙酯(Ⅱ),收率为83%。

1.2.2 杯[4]芳烃四乙酸(Ⅲ)的合成

依次将0.75 g(1 mmol)化合物Ⅱ、56 mL乙醇和7.5 mLw(NaOH)=15%溶液加入圆底烧瓶后加热回流2 h,再向反应体系补加15 mLw(NaOH)=15%溶液,继续回流24 h直至水解完全,使用旋转蒸发仪移除大部分溶剂,剩余物质倒入100 mL冰水中,滴加3 mol/L盐酸至pH=1,抽滤、烘干得到产物Ⅲ白色粉末0.8 g,收率为84%。

1.2.3 杯[4]芳烃四噻吩衍生物(Ⅴ)的合成

依次将0.45 g(0.56 mmol)化合物Ⅲ、72 mL甲苯,1 125 μL(15.4 mmol)二氯亚砜加入圆底烧瓶中加热回流3.5 h,使用旋转蒸发仪移除溶剂,再加入45 mL二氯甲烷,减压蒸馏带出残余的二氯亚砜,烘干后得到产物杯[4]芳烃四乙酰氯(Ⅳ)[13]。向化合物Ⅳ中加入45 mL甲苯和247 μL(2.4 mmol) 2-噻吩甲胺,加热回流直至反应完全(约10 h),蒸出溶剂,得到粗产物。通过柱层析分离纯化 [V(氯仿)∶V(丙酮)=10∶3为淋洗剂],得到0.1 g黄色固体杯[4]芳烃四噻吩衍生物(Ⅴ),收率为13%。

2 结果与讨论

2.1 化合物合成分析

杯[4]芳烃和氯乙酸乙酯在碱性条件下反应制备杯[4]芳烃四乙酸乙酯(Ⅱ)时,氯乙酸乙酯必须过量,以确保杯[4]芳烃4个酚羟基全部被氯乙酸乙酯所取代。杯[4]芳烃四乙酸和二氯亚砜反应生成的杯[4]芳烃四乙酰氯(Ⅱ)极易水解,该化合物Ⅳ无需纯化,直接与噻吩甲胺反应后得到目标产物Ⅴ的粗产品。2-噻吩甲胺作为亲核试剂与化合物Ⅳ反应时,需要4个酰氯全部转化为酰胺,由于空间位阻效应显著,因此所得目标产物Ⅴ的收率较低。

2.2 化合物的1H NMR表征

杯[4]芳烃四乙酸乙酯(Ⅱ)：1H NMR(CDCl3,600 MHz),δ1.07(s,36H,—C(CH3)3),1.26(t,12H,—CH2CH3),3.17(d,J=14.0,4H,—ArCH2Ar—),4.18(q,8H,—CH2CH3),4.80(s,8H,—ArOCH2),4.83(d,J=14.0,4H,—ArCH2Ar—),6.78(s,8H,—ArH)。与文献[14]报道一致。

杯[4]芳烃四乙酸(Ⅲ)：1H NMR(CDCl3,600 MHz),δ1.15(s,36H,—C(CH3)3),3.37(d,J=14.0,4H,—ArCH2Ar—),4.34(d,J=14.0,4H,—ArCH2Ar—),4.48(s,8H,—ArOCH2),7.11(s,8H,—ArH),7.82(br s,COOH)。与文献[15]报道一致。