有机化学  2016, Vol. 36 Issue (3): 622-625   PDF    
一种新型1, 3, 4-噁二嗪酮化合物的合成及其晶体结构
孙宏顺a,b , 王建强a , 谭文文b , 杨海东b , 李玉龙b , 沈临江a , 郭成a     
a 南京工业大学化学与分子工程学院 南京 211816;
b 南京科技职业学院化学工程系 南京 210048
国家自然科学青年基金(No. 21106069)、南京科技职业学院院级重点(No. NHKY-2015-1)资助项目
*通讯作者：沈临江, E-mail: ljshen@njut.edu.cn
摘要：以苯并噻吩-2-甲酸为原料, 经酯化、肼解、肼的酰基化和环化四步反应合成了一种新型化合物2-(2-苯并噻吩基)-4H-1, 3, 4-噁二嗪-5(6H)-酮(4).产物结构经1H NMR, 13C NMR, ESI-MS, FT-IR, 元素分析及X单晶衍射表征.
关键词：苯并噻吩    噁二嗪    合成    晶体结构    
Synthesis and Crystal Structure of a Novel 1, 3, 4-Oxadiazin-one Compound
Sun Hongshuna,b , Wang Jianqianga , Tan Wenwenb , Yang Haidongb , Li Yulongb , Shen Linjianga , Guo Chenga     
a College of Chemistry and Molecular Engineering, Nanjing Tech University, Nanjing 211816 ;
b Department of Chemical Engineering, Nanjing Polytechnic Institute, Nanjing 210048
Received: September 25, 2015; published: October 27, 2015; published online: June 25, 2015
Project supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 21106069) and the Key Program of Nanjing Polytechnic Institute (No. NHKY-2015-1)
Abstract: Using benzothiophene-2-carboxylic acid as a raw material, 2-(1-benzothiophen-2-yl)-4H-1, 3, 4-oxadiazin-5(6H)-one (4) was synthesized by esterification and hydrazinolysis, followed by the acylation and cyclization reactions. The novel compound 4 was characterized by 1H NMR, 13C NMR, ESI-MS, FT-IR, elemental analysis and X-ray single crystal diffraction.
Key Words: benzothiophen    oxadiazin    synthesis    crystal structure    

在新型农药研制领域, 含噁二嗪(oxadiazine)结构的杂环化合物一直是研究热点之一[1～4].尤其是以杜邦公司开发的第一个商业化的钠通道阻断型杀虫剂茚虫威(indoxacarb, A)为代表[5], 人们合成了多种含噁二嗪结构的新型化合物并对其性能进行了研究[6～10].袁莉萍课题组[11]合成了系列2-取代-1, 3, 4-噁二嗪酮类化合物B(图 1), 结果发现此类化合物具有良好的除草活性, 特别是对马唐(Digitaria sanguinalis)和苋菜(Ambrosia tricolor Linn)有较高活性.

图 1 部分含噁二嗪结构的化合物 Fig 1 Some compounds containing oxadiazine structure

噻吩及其衍生物是一类非常重要的有机合成中间体, 在合成杀虫剂、杀菌剂、除草剂及医药产品等方面有着重要的作用[12～15].如已开发成功的4个杀菌剂噻菌嗪(thicyofen)、噻唑菌胺(ethaboxam)、硅噻菌胺(silthiopham)和吡噻菌胺均是以噻吩环为主要结构[16].

鉴于含噁二嗪和噻吩结构的化合物在新型农药研制领域的广泛应用, 本工作设计合成了一种2-苯并噻吩-1, 3, 4-噁二嗪酮类化合物, 并对其晶体结构进行了解析, 其合成路线如Scheme 1所示.

图式1 化合物4的合成路线 Scheme1 Synthesis route of compound 4
1 结果与讨论
1.1 反应条件

目标化合物的合成分为四步:酯化、肼解、肼的酰基化和环化.第一步是苯并噻吩-2-甲酸与甲醇化反应合成苯并噻吩-2-甲酸甲酯; 第二步是苯并噻吩-2-甲酸甲酯与肼反应合成苯并噻吩-2-甲酰肼; 第三步是将苯并噻吩-2-甲酰肼与氯乙酰氯反应, 在酰肼位置上引入氯乙酰基; 最后一步为分子内成环反应, 化合物3以K2CO3为碱性试剂, 回流条件下发生分子内成环反应得到2-苯并噻吩-1, 3, 4-噁二嗪酮化合物4.

2004年, Tietze等[17]用三甲基氯硅烷为催化剂, 将苯并噻吩-2-甲酸与甲醇回流反应24 h, 得到苯并噻吩-2-甲酸甲酯, 收率达到98%.但是该反应使用的催化剂为原料的两倍, 反应时间也较长.因此我们仍采用硫酸作催化剂的通用酯化方法, 反应时间4 h, 产率93%.

2014年, Leonczak等[18]将苯并噻吩-2-甲酸乙酯与水合肼在乙醇中回流反应得到苯并噻吩-2-甲酰肼, 收率90%.我们改用苯并噻吩-2-甲酸甲酯与水合肼在甲醇中回流反应得到苯并噻吩-2-甲酰肼, 收率达到92%.

2004年, Shiota等[19]报道了化合物3的合成, 其方法是将化合物2溶于乙腈中, 滴加氯乙酰氯后于室温下反应16 h, 收率54%.我们将溶剂改为DMF后, 反应时间缩短到4 h, 收率提高到80%.

有关1, 3, 4-噁二嗪酮类化合物的合成方法首次见于1929年的文献报道(Eq. 1)[20], 后续研究中涉及到的主要碱化试剂有碳酸钠、碳酸氢钠、氢氧化钠、碳酸钾、碘化钾等.本实验中, 分别选择碳酸钠、碳酸氢钠、氢氧化钠和碳酸钾进行了对比实验, 发现以碳酸氢钠和氢氧化钠作碱化试剂时, 反应收率很低, 分别为15%和21%;以碳酸钠和碳酸钾为碱化试剂时, 收率分别达到33%和48%.原因在于碳酸氢钠碱性太弱, 不利于氮负离子的生成, 氢氧化钠碱性太强会产生更多副反应, 碳酸钠和碳酸钾碱性适中, 有利于反应进行, 但碳酸钾在溶剂DMF中的溶解度大于碳酸钠, 碱性也稍强, 更有利于反应的进行.

(1)
1.2 目标化合物的波谱特征

4的1H NMR分析表明, N—H中氢的吸收峰位于δ11.12单峰处, δ4.83处的尖锐单峰为噁二嗪环CH2中氢的吸收峰.在IR谱图中, 1686 cm－1处的强吸收峰为噁二嗪酮环中C＝O基团的吸收峰; 3242 cm－1处的强吸收峰为N—H伸缩振动峰; 1398 cm－1处的吸收峰为C—N伸缩振动峰; 1057～1182 cm－1处的吸收峰为噁二嗪环中C—O—C醚键的伸缩振动峰; 3047～3125 cm－1处的吸收峰为苯环的C—H伸缩振动吸收峰; 720～864 cm－1处的吸收峰为苯环的C—H面外弯曲振动吸收峰; 1457～1560 cm－1处的吸收峰为苯环的骨架振动吸收峰; 2898 cm－1处的吸收峰为噁二嗪环CH2中的C—H伸缩振动吸收峰.在13C NMR谱图中, 4的谱图变化也较为明显, 随着C—Cl键的断裂和C—O键的形成, CH2中碳的吸收峰向低场移动, 从δ 45.61移至δ 64.9;另随着原C＝O键变成C＝C—O键, C＝C—O中C的吸收峰向高场移动, 从δ 160.7移至δ 144.5.

1.3 晶体结构

化合物4的分子结构图见图 3.晶体结构解析表明, 化合物4 (CCDC: 975730)属单斜晶系, P21/n空间群, 晶胞参数a＝7.4950(15) Å, b＝6.0350(12) Å, c＝22.412(5) Å, β＝93.08(3)°, V＝1012.3(4) Å 3, Z＝4, F(000)＝480, Dx＝1.524 g•cm-3, μ＝0.30 mm−1, R[F2＞2σ(F2)]＝0.064, wR(F2)＝0.192 [I＞2σ(I)].

图 3 化合物4的分子结构图 Fig 3 Molecular structure of compound 4

如图 3所示, 晶体4中的噁二嗪环中的所有原子基本处在同一平面, 噁二嗪环与苯并噻吩环也基本处于平行状态, 其二面角为3.1(5)°.另外, 在该晶体结构中存在分子间N—H…O氢键和弱的S…S键, 它们的存在有利于降低体系能量, 稳定晶体结构, 并进一步形成分子的空间三维结构.

2 结论

以苯并噻吩-2-甲酸为原料, 设计合成了一种新型化合物2-(2-苯并噻吩基)-4H-1, 3, 4-噁二嗪-5(6H)-酮(4).该化合物具有潜在的杀虫和除草性能, 有待进一步进行药效检测.同时还可设计合成其系列衍生物, 对其研究还可进一步深入.

3 实验部分
3.1 仪器与试剂

XT4A显微熔点测定仪(控温型)(北京市科仪电光仪器厂), 温度未校正; ZF7三用紫外分析仪(巩义市予华仪器有限责任公司); BRUKER DRX300型核磁共振仪(德国BRUKER公司); FIR-360红外光谱仪(美国Nicolet公司); Mircomass Q-TOF micro型质谱仪; Vario EL III元素自动分析仪(美国Elementar公司); Bruker Smart Apex IICCD单晶衍射仪.所用试剂均为国产分析纯, 未经进一步提纯.

3.2 实验方法
3.2.1 化合物1的合成

将14.25 g (80 mmol)吲哚-2-甲酸溶于500 mL甲醇中, 加入2 mL浓硫酸, 75 ℃下回流反应24 h, TLC (5%水-乙腈)监测反应进程.反应结束后, 减压蒸除大部分溶剂, 溶液于0 ℃下冷却静置约10 h, 析出针状晶体, 过滤得苯并噻吩-2-甲酸甲酯(1) 15.36 g, 收率93%. m.p. 69.3～69.6 ℃(文献值[21]: 69～71 ℃); 1H NMR (300 MHz, CDCl3) δ: 8.07 (s, 1H), 7.97～7.75 (m, 2H), 7.53～7.33 (m, 2H), 3.95 (s, 3H); IR (KBr) ν: 2949, 2845, 1973, 1938, 1905, 1838, 1719, 1591, 1558, 1521, 1457, 1439, 1336, 1289, 1247, 1174, 1153, 1078, 1060, 924, 871, 761, 723, 696 cm－1; ESI-MS m/z: 215.0 [M＋Na]＋. Anal. calcd for C10H8O2S: C 62.48, H 4.19; found C 62.41, H 4.21.

3.2.2 化合物2的合成

将7.68 g (40 mmol) 1溶于500 mL甲醇中, 加入23.12 g (0.36 mol)水合肼, 80 ℃下回流反应20 h, TLC (5%水-乙腈)监测反应.反应结束后, 减压蒸除大部分溶剂, 溶液于0 ℃下冷却静置约10 h, 析出针状晶体, 过滤得苯并噻吩-2-甲酰肼(2) 7.06 g, 收率92%. m.p. 184.9～185.9 ℃(文献值[22]: 184～185 ℃); 1H NMR (300 MHz, DMSO-d6) δ: 10.11 (s, 1H), 8.02 (d, J＝8.5 Hz, 2H), 7.92 (dd, J＝5.8, 2.9 Hz, 1H), 7.44 (p, J＝7.4 Hz, 2H), 5.10 (s, 2H); IR (KBr) ν: 3302, 3259, 3210, 3057, 3024, 2850, 1933, 1893, 1867, 1650, 1619, 1567, 1457, 1429, 1349, 1324, 1249, 1209, 1159, 1087, 1067, 970, 932, 873, 858, 822, 730, 684 cm－1; ESI-MS m/z: 215.0 [M＋Na]＋, 191.0 [M－H]－. Anal. calcd for C9H8N2OS: C 56.23, H 4.19, N 14.57; found C 56.20, H 4.22, N 14.60.

3.2.3 化合物3的合成

将4.5 g (25 mmol) 2溶于160 mL DMF中, 加入2.92 g (27.5 mmol)三乙胺, 溶液冷却至0 ℃, 缓慢滴加入4.90 g (37.5 mmol)氯乙酰氯, 0 ℃下反应4 h, TLC (50%乙酸乙酯-石油醚)监测反应.反应结束后, 先过滤除去白色沉淀物, 减压蒸除约2/3溶剂, 室温下冷却静置有固体析出, 过滤得白色固体, 乙酸乙酯重结晶, 得1-(苯并噻吩-2-甲酰基)-2-(氯乙酰基)肼(3) 5.36 g, 收率80%. m.p. 219.5～221.2 ℃; 1H NMR (300 MHz, DMSO-d6) δ: 10.81 (s, 1H), 10.44 (s, 1H), 8.17 (s, 1H), 8.02 (dd, J＝18.8, 7.4 Hz, 2H), 7.58～7.40 (m, 2H), 4.22 (s, 2H); 13C NMR (75 MHz, DMSO-d6) δ: 165.5, 160.7, 140.2, 138.9, 136.9, 126.5, 126.0, 125.4, 125.0, 122.8, 45.4; IR (KBr) ν: 3424, 3264, 3068, 2937, 2800, 2738, 2677, 1943, 1910, 1691, 1648, 1564, 1550, 1521, 1500, 1428, 1404, 1343, 1303, 1231, 1204, 1140, 1069, 1036, 977, 942, 884, 841, 789, 757, 720, 637 cm－1; ESI-MS m/z: 291.0 [M＋Na]＋, 267.0 [M－H]－. Anal. calcd for C11H9ClN2O2S: C 49.17, H 3.38, N 10.42; found C 49.13, H 3.40, N 10.4.

3.2.4 化合物4的合成

将2.69 g (10 mmol) 3加热溶于50 mL DMF中, 加入6.9 g (50 mmol)碳酸钾, 80 ℃下反应6 h, TLC (50%乙酸乙酯-石油醚)监测反应, 反应结束后, 先过滤除去沉淀物, 滤液中加入50 mL水, 溶液立即析出固体成悬浊液, 冷却静置一夜, 过滤得淡黄色固体2-(2-苯并噻吩基)-4H-1, 3, 4-噁二嗪-5(6H)-酮(4) 1.11 g, 收率48%. m.p. 237.9～238.9 ℃; 1H NMR (300 MHz, DMSO-d6) δ: 11.12 (s, 1H), 7.94 (dd, J＝20.6, 8.5 Hz, 2H), 7.79 (s, 1H), 7.42 (p, J＝7.1 Hz, 2H), 4.83 (s, 2H); 13C NMR (75 MHz, DMSO-d6) δ: 160.8, 144.5, 139.7, 138.9, 132.9, 126.0, 125.0, 124.8, 124.7, 122.4, 64.9; IR (KBr) ν: 3347, 3242, 3125, 3097, 3067, 2898, 1963, 1923, 1885, 1748, 1686, 1634, 1560, 1529, 1457, 1398, 1328, 1306, 1247, 1182, 1161, 1144, 1057, 1015, 959, 938, 864, 809, 758, 727, 632 cm－1; ESI-MS m/z: 255.0 [M＋Na]＋, 231.0 [M－H]－. Anal. calcd for C11H8N2O2S: C 56.88, H 3.47, N 12.06; found C 56.84, H 3.50, N 12.10.

3.3 晶体结构测定

取10 mg化合物4置于25 mL烧杯中, 用乙酸乙酯和正己烷加热溶解, 薄膜封口后留小孔, 待溶剂缓慢挥发后, 析出适宜于单晶结构解析的晶体.

将化合物4的单晶(0.30 mm×0.20 mm×0.10 mm)置于X衍射仪上, 于293 K用经石墨单色器单色化的Mo Kα射线(λ＝0.71073 Å, ), 以ω/2θ扫描方式收集衍射数据1999个, 其中I＞2σ(I)独立衍射点为1167个, 用于结构分析.晶体结构由直接法解出, 以XSCANS程序寻找衍射峰后精确测定出晶胞参数.所有计算结果由SHELXL-97程序完成, 全部非氢原子坐标和各向异性温度因子经全矩阵最小二乘法修正.

辅助材料(Supporting Information)  所成产物1～4的1H NMR谱图、FT-IR谱图、ESI-MS谱图和产物3, 4的13C NMR谱图.这些材料可以免费从本刊网站(http://sioc-journal.cn/)上下载.

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