王金玉

（中國人民解放軍61699 部隊，湖北 枝江 443200）

咔唑因含有的共軛體系較大和分子內(nèi)強(qiáng)的電子轉(zhuǎn)移，具有的給電子能力和空穴傳輸能力較強(qiáng)，及熱穩(wěn)定性和光化學(xué)穩(wěn)定性較高[1-3]；其衍生物在光電材料[4]、染料[5]、醫(yī)藥[6]、超分子識別[7]、化學(xué)傳感[8]等領(lǐng)域具有潛在的廣泛應(yīng)用。因此，合成含咔唑基結(jié)構(gòu)化合物對新藥及新材料的研究和開發(fā)都具有十分重要的意義。

更為重要的是咔唑類化合物易進(jìn)行功能團(tuán)的結(jié)構(gòu)修飾，其3 位，6 位和9 位易引入，導(dǎo)致咔唑衍生品具有許多獨(dú)特的性能及生物活性，且在紫外光范圍有很強(qiáng)的吸收，并帶隙在3.2eV 左右及發(fā)藍(lán)光等特性[3-11]，其原料容易得到。同時，研究表明具有大范圍共軛結(jié)構(gòu)的電子給體能有效提高光敏材料的發(fā)光特性。

因此，為了探討新型的大范圍共軛結(jié)構(gòu)的咔唑類化合物，本文以咔唑、氯乙酸、對氯苯甲醛、硫代氨基脲為原料，經(jīng)反應(yīng)合成5-咔唑-9-亞甲基-2-氨基-1,3,4-噻二唑和4-咔唑-9-基苯甲醛，然后在多聚磷酸催化劑作用下經(jīng)親核加成-消除反應(yīng)得到了（4-咔唑-9-基苯甲醛）-（5-咔唑-9-亞甲基-[1,3,4]噻二唑-2-基）-胺，其結(jié)經(jīng)IR，1H NMR 表征。其合成路線如圖1。

圖1 (4-咔唑-9-基-苯亞甲基)-(5-咔唑-9-亞甲基-[1,3,4]噻二唑-2-基)-胺的合成路線

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

X-4 型顯微熔點(diǎn)測試儀；UV-2100 型紫外可見光光度計（1cm 石英比色皿，純?nèi)軇?biāo)定基線）；Bruke AM-80 型核磁共振儀（CDCl3為溶劑，TMS 為內(nèi)標(biāo)）；FT-IR 型紅外光譜儀（KBr 壓片）；Perkin-Elmer240 型元素分析儀。

試劑：咔唑（化學(xué)純，天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所）；氯乙酸（分析純，天津市福晨化學(xué)試劑廠）；硫代氨基脲（分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司）；對氯苯甲醛（分析純，北京市百靈威有限公司）；其余所用試劑均為分析純或化學(xué)純。

1.2 合成或制備

1.2.1 N-咔唑乙酸（2）的合成

在100mL 三頸瓶中，按投料比1∶1.2∶3 依次加入咔唑（2g，12mmol），氫氧化鈉（1.44g，36mmol），其后加入30mLDMF，升溫至80℃并保持此溫度下回流反應(yīng)，至氫氧化鈉溶解完，再緩慢加入氯乙酸（1.36g，14.4mmol）。由TLC 檢測至原料咔唑反應(yīng)完全(乙酸乙酯∶石油醚=1∶5)。反應(yīng)結(jié)束后，倒入冰水中并不斷攪拌至有大量白色固體生成，減壓過濾，濾液用濃鹽酸調(diào)pH 至1-2，并不斷攪拌，有大量的白色固體生成，減壓過濾，濾餅自然烘干得粗產(chǎn)品。將粗產(chǎn)品用無水乙醇進(jìn)行重結(jié)晶，干燥后得到N-咔唑乙酸，白色粉末固體2.64g，即得到目標(biāo)產(chǎn)物，產(chǎn)率為98%。m.p.185~188℃。（文獻(xiàn)值[12]184~184.5℃）

IR(KBr 壓片) ν/cm-1：3417,3048,2814,1668,1597,1491,1451,1388,1236,994,857,750,721.

1.2.2 5-咔唑-9-亞甲基-2-氨基-1,3,4-噻二唑（3）的合成

空間調(diào)制系統(tǒng)的ML檢測算法中，hlx需要4Nr次實數(shù)乘法，計算矢量的范數(shù)需要2Nr次實數(shù)乘法，由于ML檢測要搜索所有的天線和符號，因此ML檢測的計算復(fù)雜度為CML= 6MNtNr[13].

在100mL 三頸瓶中，按投料比1∶1 依次加入N-咔唑乙酸（0.56g，2.5mmol），硫代氨基脲（0.23g，2.5mmol），20mL 的PPA，升溫至80℃并保持此溫度下回流反應(yīng)，由TLC 檢測(二氯甲烷∶甲醇=1∶10)，冷卻至室溫，在冰水浴下加入適量的水，再次升溫至120℃，并保持此溫度下回流反應(yīng)8h。反應(yīng)結(jié)束后，在冰水浴下用氨水調(diào)pH至9-10，有大量的固體生成，減壓過濾，濾餅烘干，得到粗產(chǎn)品。將粗產(chǎn)品用95%的乙醇進(jìn)行重結(jié)晶，得到白色粉末固體0.52g，即目標(biāo)產(chǎn)物，產(chǎn)率為75.3%。m.p.121~123℃。（文獻(xiàn)值[13]M.p119~120℃）

IR(KBr 壓片) ν/cm-1：3274,3185,3045,2813,2723,1598,1456,1347,1220,1001,849,740.

1.2.3 4-咔唑-9-基苯甲醛（4）的合成

在帶有攪拌棒和回流冷凝管的100mL 三頸瓶中，按 投 料 比1 ∶1 ∶1.2 依 次 加 入 咔 唑（0.5g，3mmol），對氯苯甲醛（0.38g，3mmol），三乙胺（0.36g，3.6mmol），溶于15mL 的DMF 中，同時開啟加熱器和攪拌器，加熱至80℃并保持此溫度下反應(yīng)20h，由TLC 檢測（乙酸乙酯∶石油醚=1∶5）。反應(yīng)液冷卻至室溫，倒入冰水中，產(chǎn)生大量的固體，減壓抽濾，濾餅自然烘干，得到粗產(chǎn)品。將粗產(chǎn)品用無水乙醇和丙酮的混合液進(jìn)行重結(jié)晶，得到黃色粉末固體0.71g，產(chǎn)率為88%。m.p.138~140℃。（文獻(xiàn)值[14]m.p.134~136℃）

IR(KBr 壓片) ν/cm-1：3050,2817,2727,1698,1598,1491,1447,924,850,751.

1.2.4 目標(biāo)化合物（5）的合成

向干燥的研缽中按投料比例為1∶1∶1.2 依次加入0.0002mol 的4-咔唑-9-基-苯甲醛0.05g，0.0002mol 的5-咔唑-9-亞甲基-2-氨基-1，3，4-噻二唑0.05g 和0.00024mol 的對甲基苯磺酸0.03g，室溫下研磨20min 至均勻，TLC 檢測(乙酸乙酯∶石油醚=1∶3)，得到混合物。將混合物置于烘箱中，在75~80℃的溫度下保溫1h，待混合物冷卻后，用體積濃度為90%的乙醇洗滌、抽濾，得到的濾餅，將濾餅用無水乙醇重結(jié)晶，即得目標(biāo)產(chǎn)物。白色固體0.08g，產(chǎn)率為86%。m.p.239~240℃。

1H NMR(400 MHz,CDCl3) δ 8.11(s,1H) ,7.55(s,1H),7.47(s,1H),7.14 (d,J=8.7 Hz,2H),6.99(d,J=8.5 Hz,1H),6.95(s,2H),6.91(d,J=7.0 Hz,4H) ,6.89-6.88 (m,1H) ,6.77(s,1H),6.75(s,1H),6.7(s,8H),6.56 (d,J=8.4 Hz,2H),4.97(s,2H).

Anal.calcd for C34H24N5S:C 74.71,H 4.30,N 12.45,O 2.84;found C 74.57,H 4.21,N 12.14,O 2.68。

2 結(jié)果與討論

2.1 催化劑用量對產(chǎn)品收率的影響

以5-咔唑-9-亞甲基-2-氨基-1,3,4-噻二唑和4-咔唑-9-基苯甲醛為原料，研究了5-咔唑-9-亞甲基-2-氨基-1,3,4-噻二唑與對甲基苯磺酸的物質(zhì)的量比對反應(yīng)產(chǎn)率的影響，分別選了1∶0.5、1:0.8、1∶1、1∶1.2、1∶1.5 進(jìn)行了實驗，其數(shù)據(jù)見表1。

由表1 中看出，隨著投料的物質(zhì)的量比的逐漸減小，反應(yīng)產(chǎn)率逐漸增加并趨于穩(wěn)定。這是由于在目標(biāo)化合物的合成是滿足pH=3~5 的條件下，在投料的物質(zhì)的量比大于1∶1 的時候，對甲基苯磺酸的用量較少，導(dǎo)致反應(yīng)體系的酸性較弱，5-咔唑-9-亞甲基-2-氨基-1,3,4-噻二唑中的氨基的質(zhì)子化因堿性而減弱，反應(yīng)速率減慢；當(dāng)投料的物質(zhì)的量比達(dá)到1∶1 的時候，研磨大概10min，反應(yīng)體系有水產(chǎn)生。這是由于隨著對甲基苯磺酸的用量增加，反應(yīng)體系的酸性逐漸達(dá)到pH=3~5，5-咔唑-9-亞甲基-2-氨基-1,3,4-噻二唑中的氨基全部成為游離的氨基，完成了脫去氫離子的催化反應(yīng)。繼續(xù)減小投料的物質(zhì)的量比，反應(yīng)產(chǎn)率的增加趨于平衡。綜合考慮，5-咔唑-9-亞甲基-2-氨基-1,3,4-噻二唑與對甲基苯磺酸的物質(zhì)的量比選用1∶1~1.2 之間。

表1 反應(yīng)物與對甲基苯磺酸的物質(zhì)的量比對反應(yīng)產(chǎn)率的影響Table 1 Effect of mole ratio on the yield

2.2 反應(yīng)時間對反應(yīng)收率的影響

最后研究了反應(yīng)時間對產(chǎn)率的影響，在無溶劑的條件下，于干燥研缽中加入等摩爾的5-咔唑-9-亞甲基-2-氨基-1,3,4-噻二唑以及4-咔唑-9-基苯甲醛，以對甲基苯磺酸作為催化劑，室溫下快速研磨，嘗試不同的研磨時間，研究了不同的研磨時間對產(chǎn)率的影響，其結(jié)果見表2。

表2 反應(yīng)時間對產(chǎn)率的影響Table 2 Effect of reaction time on the yield

從表2 看出，時間太短，原料反應(yīng)不完全，目標(biāo)化合物的產(chǎn)率很低，而隨研磨時間的延長，配體的產(chǎn)率急劇增加。當(dāng)研磨20min 時，反應(yīng)最充分，所得產(chǎn)率也最高。而再繼續(xù)延長反應(yīng)時間，隨著副產(chǎn)物的增加，配體產(chǎn)率有所下降。因此，最合適的研磨時間為20min。

2.3 譜圖表征

（4-咔唑-9-基苯甲醛）-（5-咔唑-9-亞甲基-[1,3,4]噻二唑-2-基）-胺含有咔唑環(huán)本身的共軛，咔唑環(huán)與苯環(huán)的共軛及-C=N 鍵與取代環(huán)的共軛效應(yīng)。為了考察化合物結(jié)構(gòu)光譜的影響，我們測定了目標(biāo)化合物在DMF 溶液中的紫外-可見吸收光譜，如圖1 所示。

圖1 （4-咔唑-9-基苯甲醛）-（5-咔唑-9-亞甲基-[1,3,4]噻二唑-2-基）-胺的UV-Vis 譜圖Fig.1 The UV-Vis spectrum of(4-carbazole-9-ylbenzomethylene)-(5-carbazole-9-methylene-[1,3,4]thiadiazole-2-yl)-amine

如圖1 所示，目標(biāo)化合物在DMF 溶液中UV吸收光譜分別在300 和340nm 附近有明顯的吸收帶，最大紫外-可見吸收峰波長為295nm，其330nm 和345nm 處有兩處吸收峰稍微較弱。從化合物分子結(jié)構(gòu)看出，因咔唑分子骨架本身的π-π共軛結(jié)構(gòu)在295nm 處出現(xiàn)最大的吸收峰，在330nm 和345nm 波長處的吸收帶是因為苯環(huán)和咔唑結(jié)構(gòu)的π-π 共軛及噻二唑與-C=N 結(jié)構(gòu)的p-π共軛而產(chǎn)生的。由此可以看出合成的產(chǎn)物有很好的光物理性質(zhì)。

圖2 （4-咔唑-9-基苯甲醛）-（5-咔唑-9-亞甲基-[1,3,4]噻二唑-2-基）-胺的紅外光譜圖Fig.2 The FT-IR spectrum of (4-carbazole-9-ylbenzomethylene)- (5-carbazole-9-methylene-[1,3,4]thiadiazole-2-yl)-amine

由圖2 知，3077cm-1左右處出現(xiàn)的較弱的特征峰為苯環(huán)C-H 的伸縮振動吸收峰；飽和C-H即咔唑環(huán)上的亞甲基的特征吸收峰出現(xiàn)在2924cm-1、2851cm-1處；在1602cm-1處產(chǎn)生很強(qiáng)的吸收振動峰，說明醛上C=O 與5-咔唑-9-亞甲基-2-氨基-1，3，4-噻二唑上的NH2進(jìn)行縮合反應(yīng)，產(chǎn)生C=N 基團(tuán)；苯環(huán)骨架振動吸收峰的位置 出 現(xiàn) 在1512cm-1，1453cm-1，1381cm-1；在1031cm-1左右處的特征峰為C-C 的伸縮振動吸收峰；芳環(huán)外C-H 面外彎曲振動吸收峰出現(xiàn)在924cm-1處；C-S-C 的特征吸收峰出現(xiàn)在747cm-1 左右處；出現(xiàn)在747cm-1，649cm-1的特征峰為苯環(huán)取代產(chǎn)生的振動伸縮吸收峰。以上說明5-咔唑-9-亞甲基-2-氨基-1，3，4-噻二唑與4-咔唑-9-基苯甲醛縮合反應(yīng)成功，得到（4-咔唑-9-基苯甲醛）-（5-咔唑-9-亞甲基-[1,3,4] 噻二唑-2-基）-胺。

圖3 （4-咔唑-9-基苯甲醛）-（5-咔唑-9-亞甲基-[1,3,4]噻二唑-2-基）-胺的1H NMR 圖Fig.3 The 1H NMR spectrum of (4-carbazole-9-ylbenzomethylene)- (5-carbazole-9-methylene-[1,3,4]thiadiazole-2-yl)-amine

由圖3 看出，出現(xiàn)在4.97ppm 處為希夫堿的咔唑基團(tuán)連接的-CH2-上的信號位置；芳環(huán)上H的化學(xué)信號出現(xiàn)在6.55~7.56ppm 之間；受-C=N-鍵的影響，出現(xiàn)在8.11ppm 之間處的吸收峰為與-C=N-鍵相連的H 的化學(xué)信號；由此證明合成了目標(biāo)化合物（4-咔唑-9-基苯甲醛）-（5-咔唑-9-亞甲基-[1,3,4]噻二唑-2-基）-胺。

3 結(jié)論

本文以咔唑、氯乙酸、硫代氨基脲和對氯苯甲醛為初始原料，通過液相回流法得到5-咔唑-9-亞甲基-2-氨基-1,3,4-噻二唑和4-咔唑-9-基苯甲醛，這兩種化合物通過無溶劑研磨法合成了大共軛新的含咔唑基噻二唑類化合物，通過紅外光譜、1H NMR 進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征。在DMF 溶液中測量了化合物的UV-vis，發(fā)現(xiàn)具有很好的光物理性質(zhì)。同時研究了反應(yīng)條件，得出結(jié)論：反應(yīng)物物質(zhì)的量比為1∶1∶1.2，反應(yīng)時間為20min 時，反應(yīng)產(chǎn)物的產(chǎn)率達(dá)到86%。