取代基对2-脲基-4(1H)-嘧啶酮衍生物聚集行为的影响

阚磊 马宁 魏浩

引用本文: 阚磊, 马宁, 魏浩. 取代基对2-脲基-4(1H)-嘧啶酮衍生物聚集行为的影响[J]. 化学通报, 2019, 82(4): 359-364, 349. shu
Citation:  Kan Lei, Ma Ning, Wei Hao. Effect of Substituents on the Aggregation Behavior of 2-Ureido-4(1H)-pyrimidinone Derivatives[J]. Chemistry, 2019, 82(4): 359-364, 349. shu

取代基对2-脲基-4(1H)-嘧啶酮衍生物聚集行为的影响

    通讯作者: 魏浩  男, 博士, 教授。E-mail:weihao7512@126.com
  • 基金项目:

    国家自然科学基金项目(21374009)资助

摘要: 2-脲基-4(1H)-嘧啶酮(UPy)结构上的6位取代基会影响UPy的离域π电子云的密度,6位取代基的给电子诱导效应越强,π电子云的密度越大,四重氢键的作用越强。脲基嘧啶酮结构即UPy结构的二聚体的势能最低,表明该结构在体系内最为稳定。随着嘧啶环上的电子云密度增加,离域π键间的电子斥力增强,(001)晶面间距逐渐增大。异氰酸酯结构的空间位阻增大会阻碍UPy中氢原子与相邻嘧啶酮之间的接触,使得氢键作用强度减弱;同时,较大的空间位阻会阻碍嘧啶环间的π-π相互作用,使得(001)晶面间距增大。

English

  • 多重氢键(MHB)单元因其特异性相互作用和极强的作用常数在制备新型超分子结构中备受关注。Meijer等在1997年首先发现了2-脲基-4(1H)-嘧啶酮(UPy)结构并进行了相关报道[1~6]。这种四重氢键结构有着极强的二聚常数(在氯仿中约为108mol-1),氢键作用力很强且具有很高的特异性识别作用,因而广泛应用在制备多氢键自组装体、超分子聚合物和凝胶中[7~14]。UPy基团之间存在自互补的四氢键合结构,且嘧啶六元环结构存在着离域π键。通过UPy的四重氢键作用和π-π相互作用的共同影响,UPy结构会自组装成具有特定结构的聚集体。Meijer等[15, 16]曾经报道过嘧啶环上的6位取代基对四重氢键结构形成的影响,并通过溶液1H NMR与单体滴定法进行了详细的表征。同时,UPy衍生物结构中的异氰酸酯取代基部分对四重氢键的形成也有影响。因此,UPy结构中的这两种基团对其构成的分子的聚集行为必然有着不可忽略的作用。本文制备了不同6位取代基与不同异氰酸酯结构的UPy分子,通过对其四重氢键结构与聚集行为的表征,研究了6位取代基与异氰酸酯结构对其二聚体的形成与分子聚集行为的影响。

    2-氨基-4-羟基-6-甲基嘧啶与柠檬酸购自Aldrich;碳酸胍与叔丁醇钾购于Acros;六亚甲基二异氰酸酯(HDI)和异佛尔酮二异氰酸酯购自德国拜耳公司;其余试剂购自阿拉丁试剂公司。所用原料均为分析纯级。

    傅里叶变换红外光谱使用Perkin Elmer Spectrum 100进行测试,样品与干燥的溴化钾粉末研磨并压片进行测试;1H NMR谱使用Bruker AVANCE 500MHz进行测试(样品溶解在干燥的CDCl3中,常温环境下测试);X射线衍射光谱使用Rigaku TTR-Ⅲ进行测试。采用Cu-Kα作为X射线发射源(λ=1.54056Å),测试范围为5°~90°,角速度为10°/min。

    本实验中参考文献[1]报道的合成方法并加以改进,合成了不同6位取代基的异胞嘧啶。

    1.3.1   丙基异胞嘧啶的合成

    将6.24g(39.5mmol)丁酰乙酸乙酯、5.21g(57.9mmol)碳酸胍和4.55g(40.5mmol)叔丁醇钾溶解于140mL无水乙醇中,加热搅拌回流72h。反应完成后冷却至室温,减压去除部分乙醇,加入柠檬酸水溶液调节pH至5左右。过滤沉淀,用pH为5的盐酸洗涤,再用去离子水洗涤至滤液成中性。使用丙酮/水1:1混合溶液洗涤,真空干燥。所得固体用异丙醇重结晶,过滤,真空干燥得到黄色粉末。FT-IR(ν/cm-1):3336,3091,2967,2936,2876,1662,1641,1554,1469。

    1.3.2   异丙基异胞嘧啶的合成

    合成过程同1.3.1,产物为淡黄色粉末。FT-IR(ν/cm-1):3339,3080,2968,1664,1494,1385,1321,839,774。

    1.3.3   叔丁基异胞嘧啶的合成

    制备过程同1.3.1,产物为淡黄色粉末。FT-IR(ν/cm-1):3356,3094,2965,1660,1511,1403,1380,1360,838,772。

    1.3.4   庚基异胞嘧啶的合成

    制备过程同1.3.1,产物为淡黄色粉末。FT-IR(ν/cm-1):3326,3077,2956,1666,1501,1376,773。

    1.4.1   UPy衍生物1的合成

    将87.5g(0.70mol)2-氨基-4-羟基-6-甲基嘧啶与798g(4.75mol)HDI在100℃下加热搅拌16h。冷却至室温后,加入2L正己烷,过滤所得沉淀物用戊烷洗涤。在50℃下真空干燥得到白色晶体粉末。过量的HDI通过蒸馏回收。1H NMR (500MHz,CDCl3) δ:13.12 (s,1H),11.87 (s,1H),10.20 (s,1H),5.82 (s,1H),3.29 (s,4H),2.24 (s,3H),1.61 (d,J=21.5Hz,4H),1.42 (s,4H);FT-IR(ν/cm-1):3033,2933,2856,2283,1701,1667,1579,1524,1255。

    1.4.2   UPy衍生物2的合成

    将3.06g(20mmol)2-氨基-4-羟基6-丙基嘧啶与33.6g(0.2mol)HDI在90℃下加热搅拌48h,得到淡黄色溶液。冷却至-25℃保存48h后,析出淡黄色粉末。加入100mL -25℃的正己烷,过滤,用-25℃的正己烷洗涤。50℃下真空干燥得到浅黄色粉末。过量的HDI通过蒸馏回收。1H NMR(500MHz,CDCl3)δ:13.17 (s,1H),11.89 (s,1H),10.21 (s,1H),5.83 (s,1H),3.27 (dt,J=8.5Hz,4H),2.45 (t,J=9.6Hz,2H),1.70 (q,J=9.1Hz,2H),1.62 (d,J=9.1Hz,2H),1.40 (s,4H),1.25 (s,2H),1.01 (t,J=9.3Hz,3H);FT-IR(ν/cm-1):2957,2934,2859,2290,1701,1658,1591,1530,1462,1312。

    1.4.3   UPy衍生物3的合成

    合成和纯化过程类似于化合物2。产物为淡黄色粉末。1H NMR(500MHz,CDCl3)δ:13.28 (s,1H),11.94 (s,1H),10.20 (s,1H),5.85 (s,1H),3.28 (h,J=8.5、6.2 Hz,4H),2.72 (h,J=8.6Hz,1H),1.61 (s,4H),1.41 (q,J=5.4Hz,4H),1.28 (d,J=8.6Hz,6H);FT-IR(ν/cm-1):2970,2942,2876,2302,1705,1649,1571,1462,1264,1243。

    1.4.4   UPy衍生物4的合成

    合成和纯化过程类似于化合物2。产物为淡黄色粉末。1H NMR (500MHz,CDCl3)δ:13.46 (s,1H),11.99 (s,1H),10.21 (s,1H),5.92 (s,1H),3.28 (q,J=7.4Hz,4H),1.55 (s,4H),1.41 (s,4H),1.31 (s,9H);FT-IR(ν/cm-1):2942,2278,1702,1640,1572,1526,1264,1245。

    1.4.5   UPy衍生物5的合成

    合成和纯化过程类似于化合物2。产物为淡黄色粉末。1H NMR(500MHz,CDCl3)δ:13.21 (s,1H),11.86 (s,1H),10.19 (s,1H),5.81 (s,1H),3.28 (h,J=8.0Hz,4H),2.43 (dd,J=17.8、8.8 Hz,1H),2.27 (dd,J=17.9、9.6 Hz,1H),1.56 (s,4H),1.41 (s,4H),1.28~1.11 (m,4H),1.02 (d,J=8.3Hz,2H),0.90 (s,7H);FT-IR(ν/cm-1):2941,2862,2267,1663,1614,1560,1457,1393,1325。

    1.4.6   UPy衍生物6的合成

    合成和纯化过程类似于化合物2。产物为白色粉末。1H NMR (500MHz,CDCl3)δ:13.05 (d,J=17.6Hz,1H),11.96 (d,J=45.9Hz,1H),10.11 (d,J=43.4Hz,1H),5.83 (s,1H),4.10~3.12 (m,4H),2.18,(d,J=8.4Hz,3H),2.03~0.91 (m,14H);FT-IR(ν/cm-1):2954,2255,1696,1662,1582,1524,1247。

    在四重氢键超分子体系中,将异胞嘧啶环上的氨基通过接枝异氰酸酯进行修饰是一种常用的功能化手段,也有利于下一步的反应与进一步研究。因此在本文中,我们选择了不同6位取代基和不同异氰酸酯的UPy衍生物1~6(如图式 1所示)进行对比,并深入探讨了其分子间的聚集状态。

    图式 1

    图式 1.  不同结构的UPy衍生物的合成路线
    Scheme 1.  Preparation of UPy derivatives of different structures

    图 1(a)为UPy衍生物1~5的红外光谱图。图中5条光谱均在2283cm-1处出现了-NCO的伸缩振动吸收峰,1699cm-1为羰基4的伸缩振动特征吸收峰,表明HDI与异胞嘧啶中的氨基发生反应生成了脲基。1666cm-1为嘧啶环上羰基1的吸收峰,1578、1524、1255cm-1为羰基4和氨基2、3的υ(C=O)、δ (NH)及υ(C-N)+δ (NH)的特征吸收峰。

    图 1

    图 1.  (a) UPy衍生物1~5的红外光谱图。经归一化处理,1400~2400 cm-1(1800~2100cm-1间无特征峰故未显示);(b) 1~5的1H NMR谱图。截取δ 14~10部分;(c) 1~5的XRD谱图;(d) 1的晶体结构示意图
    Figure 1.  (a) FT-IR spectra of UPy derivatives 1 to 5. Normalized, 1400~2400 cm-1; Interrupted from 1800 cm-1 to 2100 cm-1; (b) 1H NMR spectra of 1 to 5. Take the section of δ 14~10; (c) XRD spectra of 1 to 5; (d) Schematic diagram of the crystal structure of 1

    图 1(b)为UPy衍生物1~51H NMR谱图,截取了δ 14~10部分。其中a,b,c氢均处于极低场范围内,表明其有着很强的去屏蔽作用(电子云密度极低),即为形成氢键的氢原子。由于脲基嘧啶酮的共轭结构,整个嘧啶环形成一个大的离域π键,电子会依据环中取代基的不同在环中进行特定性分布。因而嘧啶环的6位取代基会对嘧啶环上的电子分布有着显著的影响,进而影响1H NMR谱的化学位移。

    体系中形成氢键的氢原子主要有三个。从1H NMR谱中可知,在δ大于13处存在氢原子的化学位移峰。由其极低的共振场可知,该氢原子形成了极强的氢键作用,且在6位取代基变化的过程中有较大的化学位移变化。因而推断其归属于嘧啶环1位的仲氨基上的氢原子。该氢原子能够与脲基中的羰基形成很强的氢键作用,从而形成一个动态的六元环结构,进一步稳定了AADD型的四重氢键结构。对于δ 12附近的氢原子化学位移峰,在6位取代基变化的过程中变化较为微弱,因而推断其归属于脲基中靠近嘧啶环的氢原子。从图 1(b)可以观察到,在6位取代基变化的过程中,氢原子c的1H NMR化学位移基本无明显变化,表明不同的6位取代基对于氢原子c周围的电子云分布无明显影响,因而其应归属于脲基中远离嘧啶环的氢。因此三个氢键化的氢原子归属确定,如图 2(b)插图所示。

    图 2

    图 2.  (a) UPy衍生物1和6的红外光谱图。归一化处理,1400~2400cm-1(1800~2100 cm-1间无特征峰故未显示);(b)1和6的1H NMR谱图。截取δ 13.5~9.5部分为例;(c) 1和6的XRD谱图;(d)6的晶体结构示意图
    Figure 2.  (a) FT-IR spectra of UPy derivatives 1 and 6. Normalized, 1400~2400 cm-1. Interrupted from 1800 cm-1 to 2100 cm-1; (b) 1H NMR spectrum of 1 and 6. Take the section of δ 13.5 ~ 9.5; (c) XRD spectra of 1 and 6; (d) Schematic diagram of the crystal structure of 6

    供电子基团的给电子诱导效应排序如下:(CH3)3C>(CH3)2CH>CH3(CH2)6>CH3CH2>CH3

    图 1(b)可知,给电子诱导效应越强,UPy结构上的离域π电子云的密度越大,去屏蔽作用增强,氢原子的化学位移也向着低场方向移动,这也意味着四重氢键的作用也越强。对于6位取代基为强给电子基团,即叔丁基的化合物4,其整个嘧啶环上的电子密度最高,因而1位氮原子上的氢周围的电子云密度最低,氢原子的电正性最强,去屏蔽作用最强,化学位移也最大。因此随着6位取代基给电子诱导效应的增强,氢原子a与氢原子b的化学位移逐渐向低场方向移动,这与图 1(b)的测试结果相符。

    由于脲基嘧啶酮的共轭结构,整个嘧啶环上的电子会形成一个大的离域π键,电子会依据环中取代基的不同在环中进行特定性的分布。因而这种离域π键由于电子云的流动,会引起化学结构的电子与质子迁移,导致结构在理论上存在着互变异构的可能性,如图式 2所示。

    图式 2

    图式 2.  脲基嘧啶酮的互变异构结构示意图
    Scheme 2.  Scheme of the tautomeric structure of ureidopyrimidinone

    我们对上述的不同结构的异构体单体与二聚体的总势能进行了计算,结果如表 1所示。从表中数据可知,对于单体而言,脲基嘧啶酮的分子总势能较之烯醇式结构要低;而二聚体中,脲基嘧啶酮的AADD的二聚结构的能量也要远低于烯醇式二聚体的总势能,因而在体系中,分子结构的排列趋向于脲基嘧啶酮二聚体的结构。

    表 1

    表 1  不同异构体结构的总势能比较(ChemBio3DUltra12.0,MM2 Minimize)
    Table 1.  Comparison of total potential energy of different isomer structures (ChemBio3DUltra12.0, MM2 Minimize)
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    结构
    总势能/(kcal/mol) 5.5744 1.4603 -7.6260 -12.3243 -18.2902

    该结果也可以通过使用Katritzky等[17]对于4-嘧啶酮的阐述类推至2-脲基-4嘧啶酮的结构。嘧啶酮结构与烯醇结构均与一种相同的质子化中间体结构达到化学平衡,如图式 3所示(中间两种结构I1I2为互变异构体)。

    图式 3

    图式 3.  嘧啶酮与烯醇式结构的互变异构
    Scheme 3.  Tautomerism of pyrimidinone and its enol structure

    酮式与烯醇式结构的互变异构是由羟基质子与氨基质子的相对酸度决定的。如果O-H的质子酸性强于N-H的质子,则其中间体结构趋向于I1结构,该结构易于失去电子而得到嘧啶酮结构。同理,氨基质子的酸性强于羟基质子的,则得到的为烯醇式结构。

    由于本文所采用的R1取代基均为推电子基团(电正性基团),嘧啶环上的电子云密度较高,因而导致羟基质子的酸性较高,因此UPy衍生物1~5均为嘧啶酮结构。同时红外光谱与核磁氢谱的测试也与之前的理论阐述相一致。

    为了表征不同6位取代基的UPy衍生物的聚集行为,我们对UPy衍生物1~5进行了XRD的测试,如图 1(c)所示。可以发现所有的合成子均在很低的衍射角处有很强的衍射峰,可以断定其为晶体(001)晶面的特征衍射。通过布拉格方程计算可知d在1.4nm左右。参考UPy四重氢键的二聚形式和嘧啶环的离域π键间的π-π相互作用,初步断定晶体为平面堆叠结构。同时发现,随着6位取代基的给电子诱导效应的增强,(001)晶面的间距d逐渐增加。这是由于随着取代基团的给电子诱导效应的增加,嘧啶环上的电子云密度增加,离域π键间的电子斥力增加,导致层间距增大,衍射峰向低角度移动。

    通过对UPy衍生物1~5的晶体结构分析可知,其晶格结构均为三斜晶系,分子在其中呈片层状排列。根据上述实验研究结果,我们模拟了UPy衍生物5的晶体结构示意图,如图 1(d)所示。为简便起见,图中的分子链为完全舒展状态。

    对UPy衍生物6,同样进行了相应的测试。图 2(a)为UPy衍生物6的红外光谱图。与UPy衍生物1~5类似,其在2283cm-1处出现了-NCO的伸缩振动吸收峰,1699cm-1为羰基4的伸缩振动吸收峰,表明HDI与氨异胞嘧啶中的氨基发生反应生成了脲基。1666cm-1为嘧啶环上的羰基吸收峰,1578、1524、1255cm-1为羰基4和氨基2、3的υ (C=O)、δ (NH)及υ (C-N)+δ (NH)的特征吸收峰。类似地,1H NMR谱图中同样出现了氢键化的氢原子特征化学位移峰,证明其分子间也存在UPy四重氢键结构的二聚体。由于UPy衍生物6所用的异氰酸酯为IPDI,其存在不同的两个异氰酸酯基团。虽然两个异氰酸酯基团的活性有差异,但均能够与原料异胞嘧啶中的氨基反应,从而使得产物6存在异构现象。理论上来讲,UPy衍生物6存在4种同分异构体(两个结构异构体,两个手性异构体),且在1H NMR光谱中(图 2(b))可以看到在δ 14~9的三个氢键化的氢原子出现了二重分峰,对应两种不同化学结构的同分异构体(手性异构体在1H NMR中无法分辨)。值得注意的是,UPy衍生物61H NMR中,三个氢键化的氢原子的化学位移均向高场方向发生了偏移。由于异佛尔酮中的脂肪族六元环的空间位阻较大,其阻碍了UPy中的氢原子与相邻的嘧啶酮之间的紧密接触,使得氢键作用强度减弱,从而屏蔽效应增强,使得氢原子的化学位移峰向高场方向发生移动。

    图 2(c)为UPy衍生物6的XRD谱图。与UPy衍生物1对比可知,UPy衍生物6的(001)晶面衍射峰向低角度发生了偏移,表明其晶面间距增大。这是由于6中的异佛尔酮六元环结构存在“船式”结构与“椅式”结构两种异构体,各原子不在同一平面上,因而其存在较大的空间位阻,会阻碍氢键的作用力。由图 2(c)可知,较大的空间位阻对嘧啶环间的π-π相互作用有较强的阻碍作用,(001)晶面间距增大,衍射峰向低角度移动。

    根据上述实验研究结果,我们模拟了UPy衍生物6的晶体结构示意图,如图 2(d)。为了简洁起见,这里只列举了一种同分异构体作为说明。嘧啶环的π-π共轭作用保证了晶体的层状结构的存在,异佛尔酮六元环的结构增大了晶面间距。

    本文应用含有不同6位取代基与含有不同异氰酸酯结构的UPy衍生物,研究了两种取代基结构对其化学性质与本征的聚集态行为的影响。UPy结构上的6位取代基的给电子诱导效应会影响UPy结构上的离域π电子云的密度,从而影响四重氢键的作用强度。6位取代基给电子诱导效应越强,UPy结构上的离域π电子云的密度越大,四重氢键的作用也越强。由于异胞嘧啶环结构的离域π键存在电子云的流动与迁移,会导致该结构在理论上存在着互变异构。通过MM2 Minimize总势能的计算,脲基嘧啶酮结构即UPy结构的二聚体存在着最低的势能,因此该结构在体系内最为稳定,含量也最高。随着6位取代基的给电子诱导效应的增强,嘧啶环上的电子云密度增加,域π键间的电子斥力增强,(001)晶面的晶面间距d逐渐增大。同时异氰酸酯结构的空间位阻的增大会阻碍UPy中的氢原子与相邻的嘧啶酮之间的接触,使得氢键作用强度减弱;同时较大的空间位阻会阻碍嘧啶环间的π-π相互作用,使得(001)晶面间距增大。

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      J Elguero, C Marzin, A R Katritzky et al. Advances in Heterocyclic Chemistry, the Tautomerism of Heterocycles. New York: Academic Press, 1976.

  • 图式 1  不同结构的UPy衍生物的合成路线

    Scheme 1  Preparation of UPy derivatives of different structures

    图 1  (a) UPy衍生物1~5的红外光谱图。经归一化处理,1400~2400 cm-1(1800~2100cm-1间无特征峰故未显示);(b) 1~5的1H NMR谱图。截取δ 14~10部分;(c) 1~5的XRD谱图;(d) 1的晶体结构示意图

    Figure 1  (a) FT-IR spectra of UPy derivatives 1 to 5. Normalized, 1400~2400 cm-1; Interrupted from 1800 cm-1 to 2100 cm-1; (b) 1H NMR spectra of 1 to 5. Take the section of δ 14~10; (c) XRD spectra of 1 to 5; (d) Schematic diagram of the crystal structure of 1

    图 2  (a) UPy衍生物1和6的红外光谱图。归一化处理,1400~2400cm-1(1800~2100 cm-1间无特征峰故未显示);(b)1和6的1H NMR谱图。截取δ 13.5~9.5部分为例;(c) 1和6的XRD谱图;(d)6的晶体结构示意图

    Figure 2  (a) FT-IR spectra of UPy derivatives 1 and 6. Normalized, 1400~2400 cm-1. Interrupted from 1800 cm-1 to 2100 cm-1; (b) 1H NMR spectrum of 1 and 6. Take the section of δ 13.5 ~ 9.5; (c) XRD spectra of 1 and 6; (d) Schematic diagram of the crystal structure of 6

    图式 2  脲基嘧啶酮的互变异构结构示意图

    Scheme 2  Scheme of the tautomeric structure of ureidopyrimidinone

    图式 3  嘧啶酮与烯醇式结构的互变异构

    Scheme 3  Tautomerism of pyrimidinone and its enol structure

    表 1  不同异构体结构的总势能比较(ChemBio3DUltra12.0,MM2 Minimize)

    Table 1.  Comparison of total potential energy of different isomer structures (ChemBio3DUltra12.0, MM2 Minimize)

    结构
    总势能/(kcal/mol) 5.5744 1.4603 -7.6260 -12.3243 -18.2902
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  • 发布日期:  2019-04-18
  • 收稿日期:  2018-10-19
  • 接受日期:  2018-11-24
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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