新型光致变色螺吡喃化合物的合成及研究

陈 湃 , 王 帅 , 张 阳

(内蒙古师范大学 化学与环境科学学院 , 内蒙古自治区绿色催化重点实验室 , 内蒙古 呼和浩特 010022)

0 前言

众所周知,螺吡喃具有两个异原子环,是由一个共同的四面体sp3杂化螺碳原子连接一个苯并吡喃部分和吲哚啉构成。两个环互相垂直,为正交结构,而在紫外光照射下后,分子通过螺C—O键的裂解发生快速的顺反异构化,形成有色的开环部花菁 (MC) 异构体,该结构包含一个带正电的吲哚部分和一个酚类阴离子。由于电子重排,两个芳环体之间正交变为同一平面上的共轭结构,开环的MC结构相对于闭环的SP结构在UV - Vis光谱上表现为大的红移,导致从无色形态转变为有色且这个过程是完全可逆的(图1)。这种特殊的光致变色现象,使其目前已经广泛应用在生物成像、荧光探针、防伪变色等多个领域,在其设计和开发其新衍生物方面研究者进行了大量的研究和合成[1-4]。

图1 螺吡喃化合物的基本结构和光致变色性质

本研究使用一锅法合成羧基螺吡喃(SPCOOH),引入萘胺共轭小分子与羧基螺吡喃进行酰胺化反应,对螺吡喃进行修饰,得到了一个新型的光致变色螺吡喃分子,并对其合成条件进行了优化。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

3-甲基-2-丁酮、对羧基苯肼、碘甲烷、5-硝基水杨醛、1-萘胺,阿拉丁生化科技股份有限公司;醋酸、甲苯、乙腈、乙醇、三氯甲烷、丙酮,分析纯。以上试剂未经过纯化处理。

超导高分辨核磁共振波谱仪Bruker ARX-600、数显小型恒温真空干燥器DZF-150、旋转蒸发仪RE 52-99、循环水式真空泵SHZ-D(Ⅲ)。

1.2 合成路线图

合成路线图见图2。

图2 合成路线图

1.3 实验方法

1.3.12,3,3-三甲基-3H-吲哚-5-羧酸(化合物1,Compound1)的制备

在100 mL 的三口烧瓶中加入对羧基苯肼(3 g,20 mmol)和 3-甲基-2-丁酮 (1.722 6 g,20 mmol),溶于适量醋酸中,氮气保护下加热回流18 h。反应结束后蒸出醋酸,冷却至室温后使用10 mL 丙酮进行重结晶,待固体析出后过滤,烘箱40 ℃下干燥,得到淡黄色固体。

1.3.22,3,3-三甲基-3H-吲哚-5-羧酸碘化物(化合物2,Compound2)的制备

在100 mL 单口瓶中加入化合物1(2 g,10 mmol)和碘甲烷(1.739 5 g,12 mmol),溶于甲苯和乙腈混合液,加热回流18 h。反应结束后将过滤所得固体用正己烷和乙醇混合液重结晶,冷却至析出固体,过滤并在真空烘箱干燥,得黄白色固体。

1.3.3SP-COOH 的制备

在100 mL单口瓶中加入化合物2(1.725 9 g, 5 mmol),5-硝基水杨醛(0.835 6 g,5 mmol)和少量三乙胺,溶于30 mL乙醇中,加热回流6 h。反应结束冷却至室温后减压蒸馏,加入10 mL乙醇重结晶进行粗提纯,冷却析出固体,过滤并用烘箱干燥后,干法上样,柱层析提纯[V(乙酸乙酯)∶V(石油醚)=1∶2],得到灰色固体即SP-COOH。

1.3.4SP-N的制备

在氮气保护下,将SP-COOH(0.366 4 g,1 mmol)溶于过量二氯亚砜溶液,常温下反应5 h,反应结束后减压蒸出溶剂得到黄绿色酰氯固体,用少量三氯甲烷溶解,置于冰水浴中冷却,边搅拌边滴加萘胺(0.214 8 g,1.5 mmol)与三乙胺混合液,滴加完毕后自然恢复至室温反应24 h。柱层析提纯[V(乙酸乙酯)∶V(石油醚)=1∶4],得到灰褐色固体即SP-N。

1.4 单因素实验设计

①醋酸用量对化合物1收率的影响:在投料比、实验温度、反应时间等条件都相同的情况下,分别加入25、30、35、40、45 mL醋酸进行反应收率探究。②反应时间对化合物1收率的影响:在投料比、醋酸用量、反应时间和温度等条件都相同的情况下,探究反应时间为12、14、16、18、20 h时的产物收率。③三乙胺用量对SP-N收率的影响:在反应温度和反应时间等其他实验条件都相同时,改变投料比n(三乙胺):n(萘胺)为0.5∶1、1∶1、1.5∶1、2∶1,对产物收率进行探究。

2 结果和讨论

2.1 产物表征

按照1.2中的合成路线及1.3中的方法,以对羧基苯肼和3-甲基-2-丁酮为原料在醋酸催化下合成了化合物1羧基吲哚,再与碘甲烷反应生成碘化物中间体(化合物2),最后使用一锅法制备羧基螺吡喃SP-COOH,通过酰胺缩合与1-萘胺反应,成功得到了最终产物SP-N,1H-NMR表征结果如下。

化合物1:1H-NMR (600 MHz,Chloroform-d)δ8.17～8.14(m,1H),8.06(s,1H),7.68(d,J=8.1 Hz,1H),2.43(s,3H),1.39(s,6H)。

SP-COOH:1H-NMR (600 MHz,DMSO-d6)δ12.36(s,1H),8.25(d,J=2.8 Hz,1H),8.02(dd,J=9.0,2.8 Hz,1H),7.83(dd,J=8.1,1.7 Hz,1H),7.69(d,J=1.8 Hz,1H),7.27(d,J=10.4 Hz,1H),6.92(d,J=9.0 Hz,1H),6.71(d,J=8.2 Hz,1H),6.03(d,J=10.3 Hz,1H),2.77(s,3H),1.25(s,3H),1.14(s,3H)。

SP-N:1H-NMR(600 MHz,DMSO-d6)δ9.13(s,1H),8.60(dd,J=8.4,1.1 Hz,1H),8.42(dd,J=7.3,1.1 Hz,1H),8.29(d,J=8.6 Hz,1H),7.64(dd,J=8.4,7.3 Hz,1H),7.24(d,J=8.6 Hz,1H),4.80(s,2H),4.01(dd,J=8.3,6.6 Hz,2H),1.58(t,J=7.5 Hz,2H),1.33(d,J=7.5 Hz,2H),0.92(t,J=7.4 Hz,3H)。

2.2 单因素实验优化结果

2.2.1酸的用量对化合物1合成的影响

按照1.3.1的实验方法,对化合物1的制备条件进行了优化。本实验中以对羧基苯肼为原料环化反应合成2,3-二取代吲哚,使用了经典合成法Fischer反应。该方法以醛或铜为原料与苯肼类化合物缩合生成苯腙衍生物,苯腙衍生物可烯腙异构化得到中间体1;然后在酸性条件下质子化烯腙中间体1得到中间体2,酸催化作用下中间体2发生[3,3]σ迁移重排形成亚胺中间体3;接着质子转移发生分子内环化反应得到中间体4;最后脱去一分子氨气生成吲哚衍生物,反应机制见图3。因此本实验探究了醋酸用量对收率的影响,确保反应投料比与反应时间相同的条件下,改变醋酸用量进行收率统计实验结果见图4。

图3 Fischer反应机制

图4 醋酸用量对化合物1收率的影响

从图4可以看出,随着醋酸用量的增加,反应收率先增大,当醋酸用量为40 mL时,化合物1的收率达到最大37.7%,而当醋酸的用量继续增加到45 mL时,产率下降到36.8%。这是由于酸作为催化剂,其增多有利于催化反应的正向进行,但是作为溶剂,醋酸过量会降低分子的有效碰撞,使得产率降低。

2.2.2反应时间对化合物1的影响

在确定醋酸最佳用量为40 mL的情况下,反应温度与投料比不变,对反应时间进行探究,结果见图5。

图5 反应时间对化合物1收率的影响

由图5可以看出,随着时间的增加,反应产率先增加,在反应时间为18 h时,产率最大为40.1%,当反应时间继续延长到20 h时,引起其他副反应的增加,因此产率降低。

2.2.3三乙胺用量对酰胺化反应的影响

由于SP-COOH的羧基与苯环直接相连,反应位点活性较低。本实验使用混合酸酐法进行酰胺化反应,将带有羧基的螺吡喃制成对应的酰氯与胺进行反应,反应过程中使用三乙胺作为缚酸剂。在反应温度为0 ℃,反应时长为24 h的条件下,探究了三乙胺用量对SP-N产率的影响,结果见图6。

图6 三乙胺用量对SP-N收率的影响

由图6可知,三乙胺作为缚酸剂,可以中和掉酰胺化反应过程中生成的H+,使反应正向进行生成酰胺产物。因此随着三乙胺用量的增加,反应产率先增加,n(三乙胺)∶n(萘胺)为1.5∶1时最大产率为38%。但过量的碱会使反应逆向进行,使产率降低,所以当三乙胺与萘胺物质的量比超过1.5∶1时,产率降低。

3 结论

本文合成了一种新型的光致变色螺吡喃衍生物,通过对酸的用量、反应时间对中间产物条件进行优化,并探究了催化剂在酰胺化反应收率的影响,提高了SP-N分子的产率,与普通螺吡喃相比该分子有较大的共轭结构,更多的修饰基团,具有更广泛的应用。