

Citation: Wang Kaixuan, Wang Lanzhi. Unexpected Rearrangement Reaction and Synthesis of Benzoxazoles[J]. Chinese Journal of Organic Chemistry, 2019, 39(4): 1147-1152. doi: 10.6023/cjoc201809038

非预期的重排反应及苯并噁唑类化合物的合成
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关键词:
- 重排反应
- / 苯并噁唑衍生物
- / 合成
- / 反应机理
- / 密度泛函理论(DFT)
English
Unexpected Rearrangement Reaction and Synthesis of Benzoxazoles
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Key words:
- rearrangement reaction
- / benzoxazole
- / synthesis
- / reaction mechanism
- / density functional theory (DFT)
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氮杂环化合物种类繁多, 是有机化学中重要的组成部分, 因部分杂环片段是重要的药效团, 将其引入到不同的母体中可以改善或改变母体化合物的生物活性[1].研究表明氮杂环化合物具有多种生物活性[2~5], 例如显著的抑菌活性[6], 还具有抗病毒[7, 8]、抗癌[9, 10]、抗炎[11]、镇痛[12, 13]等作用.其各类衍生物在农用化学品、天然产物、功能材料[14]和药物活性分子中应用也十分广泛[15], 例如以氮杂环化合物为起始原料可以合成荧光增白剂[16], 作为配体和金属组成配合物[17]等; 在医药上, 大量的氮杂环化合物已经作为药物[18]或候选物应用于临床来治疗各种类型的疾病, 具有广阔的发展前景和应用价值.因此, 含氮杂环化合物的分子设计、合成及其生物活性的研究已成为创造新农药的热点之一, 受到了化学工作者和药理研究者的关注[19, 20].
密度泛函理论(Density functional theory, DFT)是一种研究多电子体系电子结构的量子力学方法, 越来越多的研究者将密度泛函中的B3LYP方法应用于量子化学计算来解释反应中的机理[21].
本课题组一直致力于苯并氮杂环化合物, 特别是1, 5-苯并氮杂䓬类化合物的绿色合成及生物活性研究[22], 前期我们已成功发展了一种新颖的合成2-芳基- 3-乙酰基-1, 5-苯并二氮杂䓬化合物的方法[23](图 1a).鉴于此, 本文也采用2-氨基苯酚、芳香醛和3-丁炔-2-酮为起始原料进行系列分步反应, 以期合成2-芳基-3-乙酰基-1, 5-苯并氧氮杂䓬化合物, 但是实验结果并没有得到预期1, 5-苯并氧氮杂䓬化合物, 而是得到了另外两种非预期产物苯并噁唑衍生物和烯胺酮类化合物(图 1b).本文对该反应过程进行了分析, 提出了各步反应机理.分析其主要原因是发生了一种特殊的重排反应, 得到了2-芳基-3-(3-氧代丁烯基)-苯并噁唑化合物.针对其重排反应原因和重排动力, 采用密度泛函理论(DFT)方法进行了理论分析.
图 1
1. 结果与讨论
1.1 系列反应及苯并噁唑衍生物的合成
首先, 以乙醇为溶剂, 邻氨基苯酚(1)和芳香醛(2a~2f)通过亲核加成、脱水得到亚胺类化合物3a~3f.然后, 以三乙胺为催化剂, 3-丁炔-2-酮与亚胺类化合物3a~3f发生迈克尔加成反应得到中间体化合物5a~5f.中间体5以二氯甲烷为溶剂、冰醋酸为催化剂, 室温条件下4~5 h反应完全, 析出黄色固体, 得到目标化合物2-芳基-3-(3-氧代丁烯基)-苯并噁唑化合物6a~6f, 产率78%~92%.当中间体5以甲醇为溶剂、氯化铈为催化剂时, 室温下反应4~5 h, 析出淡黄色固体, 得到烯胺酮类化合物7, 反应过程如Scheme 1所示.
图式 1
1.2 晶体结构
我们得到了产物6c和7的单晶, 利用X射线单晶衍射法测定了两类化合物的单晶结构, 结果如图 2和3所示.数据存于英国剑桥数据中心, 化合物6c的CCDC号为1590453, 化合物7的CCDC号为1868579.
图 2
图 3
1.3 反应机理
根据反应过程及各步反应的中间体, 提出了可能的反应机理, 如Scheme 2所示.
图式 2
首先, 2-氨基苯酚1中的氨基进攻芳香醛2的醛基, 发生亲核加成, 脱水反应生成含有亚胺结构的中间体化合物3, 然后化合物3中的羟基在三乙胺的作用下失去氢形成中间体A, A中的酚氧负离子与3-丁炔-2-酮发生共轭加成反应生成中间体5.按路线Ⅰ:在质子酸作用下化合物5中的亚胺双键发生极化(活化), 带负电荷的氧原子进攻活化后的C=N, 发生亲核加成、分子内环化反应生成活性中间体B.在质子酸作用下, 中间体B中氮负离子发生分子内的迈克尔加成形成中间体C, C发生消除反应(碳氧键断裂), 再经烯醇式与酮式互变生成终产物2-芳基-3-(3-氧代丁烯基)-苯并噁唑化合物6.按路线Ⅱ:在路易斯酸CeCl3作用下, 中间体5中C=N同样发生极化(活化), 溶剂甲醇中氧原子的亲核性比醚键中的氧原子强, 所以甲醇中的氧作为亲核中心进攻活化后的C=N, 发生亲核加成反应得到活性中间体D, D发生分子内迈克尔加成形成E, E发生消除反应(碳氧键异裂), 烯醇转酮式, 最终得到产物7.
由上述机理Scheme 2可知, 由中间体5生成最终产物的实质其实就是两步反应:一步是氧原子对活化后的亚胺(C=N)的亲核加成, 在这一步有一对竞争反应, 就是醚键中的氧和甲醇中的氧均具有亲核性, 但甲醇中氧的亲核性较高, 当甲醇存在时, 按路径Ⅱ进行; 当反应体系内没有甲醇时, 醚键中亲核性的氧与亚胺双键发生亲核加成反应, 按路径Ⅰ进行.另一步反应是氮负离子的加成-消除(碳氧键异裂)及烯醇变酮式过程, 经过这样特殊的重排反应得到了具有图中结构的产物.产物7的生成也进一步验证了化合物6的形成机理.
1.4 理论分析
1.4.1 布居电荷角度分析形成机理
在机理Scheme 2中, 中间产物3和5的结构均经1H NMR进行了确认, 发现化合物5是一个非常重要的中间产物, 其结构与电荷分布均影响到下一步反应和终产物的生成, 因此本文采用Gaussian 03程序中密度泛函理论(DFT)方法在B3LYP/6-31G(d, p)基组水平上[24], 对化合物5进行了几何优化和量化计算, 得到了化合物5的各原子布居电荷, 具体见表 1所示.通过表 1分析, 以期对机理进行理论验证. 表 1中列出了根据DFT方法计算出的化合物5中的O(7), N(8), C(14)原子的布居电荷.
表 1
表 1 化合物5中O(7), N(8)和C(14)的电荷密度(a.u.)Table 1. Charge density (a.u.) of O(7), N(8) and C(14) in compound 5Compd. R O(7) N(8) C(14) 5a H -0.4574 -0.4296 0.1166 5b F -0.4750 -0.4366 0.1142 5c Cl -0.4757 -0.4716 0.1213 5d Br -0.4964 -0.4486 0.1209 5f OCH3 -0.4599 -0.4421 0.1184 由表 1可知, 化合物5中C(14)带正电荷, O(7)和N(8)均带负电荷, 对比发现: O(7)上的电荷密度明显高于N(8), 这使得O(7)比N(8)更具有亲核性, 所以在反应中首先是亲核性的O(7)进攻带正电的C(14)发生亲核加成形成C—O键, 而不是N(8)进攻带正电的C(9), 这一结果也验证了本文提出的机理的合理性.
1.4.2 能量角度分析产物的稳定性
本文还运用Gaussian 03程序中密度泛函(DFT)方法在B3LYP/6-31G(d, p)基组水平上对反应得到的产物苯并噁唑化合物6及对应预期1, 5-苯并氧氮杂䓬化合物8进行了量化计算, 得到了各化合物的能量参数, 包括零点能、热力学能、热力学焓及吉布斯自由能等, 计算结果见表 2所示.从能量角度分析了产物的稳定性, 从热力学角度得出稳定(优势)产物为苯并噁唑化合物, 这与实验事实相符.
表 2
表 2 化合物6和8的零点能(Ezp)和内能(E≠)、热力学焓(H≠)以及自由能(G≠)Table 2. Zero-point energies (Ezp), thermal energies (E≠), thermal enthalpies (H≠) and thermal Free energies (G≠) of compounds 6 and 8Compd. Ezp.a E≠ b H≠ c G≠ d 6a -861.7654 -861.7483 -861.7474 -861.8126 8a -861.7360 -861.7194 -861.7184 -861.7811 6b -960.9985 -960.9814 -960.9805 -961.0454 8b -960.9755 -960.9580 -960.9571 -961.0217 6c -1321.3687 -1321.3504 -1321.3495 -1321.4182 8c -1321.3399 -1321.3219 -1321.3209 -1321.3881 6d -3432.8712 -3432.8525 -3432.8516 -3432.9232 8d -3432.8491 -3432.8309 -3432.8299 -3432.8977 6f -976.2563 -976.2366 -976.2356 -976.3079 8f -976.2287 -976.2093 -976.2084 -976.2779 a a.u.; b 103 kJ/mol; c 103 kJ/mol; d 103 kJ/mol. 由于本文的产物2-芳基-3-(3-氧代丁烯基)-苯并噁唑化合物6与预期的1, 5-苯并氧氮杂䓬化合物8是同分异构体, 但是化合物的结构不同, 计算得出各自能量参数(零点能、热力学能、热力学焓及吉布斯自由能)也不同.由表 2可知, 本文的产物苯并噁唑化合物6的能量均低于相应的1, 5-苯并氧氮杂䓬化合物8.能量越低的化合物结构越稳定, 因此化合物6是优势结构, 在反应中容易生成.这一研究结果与本文的实验事实相符.
对化合物6c进行理论计算优化后的分子结构如图 4a所示, 通过与用X射线单晶衍射法测定的6c的晶体结构图 4b对比发现, 两者的晶体结构一致.表明采用Gaussian 03程序中密度泛函理论(DFT)方法在B3LYP/ 6-31G(d, p)基组水平上对化合物进行几何优化和量化计算的方法是可靠的.
图 4
2. 结论
通过对系列反应考察, 发现了一种在酸的作用下新颖的重排反应, 并得到6个未见文献报道的2-芳基-3-(3-氧代丁烯基)-苯并噁唑化合物, 提出了系列反应详尽的反应机理, 并由密度泛函理论(DFT)方法验证了该反应机理, 反应机理的提出, 为进一步研究该类反应提供了依据.该重排反应条件温和, 产率较高, 且实验步骤操作简单, 为构建氮杂环类化合物提供了方法参考.
3. 实验部分
3.1 仪器与试剂
Thermo SCIENTIFIC型红外光谱仪, KBr压片法; 3200QTRAP质谱仪; WIPM-NMR-400M型核磁共振仪, TMS为内标; Vario EL Ⅲ型元素分析仪. 2-氨基苯酚和3-丁炔-2酮均购自北京伊诺凯科技有限公司, 其它试剂均为市售分析纯.
3.2 实验方法
3.2.1 中间体4-[2-(4-卤代亚苄基氨基)苯氧基]-3-丁烯-2-酮(5)的合成
向干燥的50 mL圆底烧瓶中, 依次加入10 mL无水乙醇、邻氨基苯酚(2.0 mmol)、取代苯甲醛(2.0 mmol)室温下搅拌5 min, 抽滤得到黄色固体3.将3与3-丁炔-2-酮按物质的量比1:1投入反应瓶, 加入0.02 mL三乙胺, 磁力搅拌8 min, 抽滤得到白色固体5.
4-[2-(4-氟代亚苄基氨基)苯氧基]-3-丁烯-2-酮(5b):白色固体, 产率95%. m.p. 80~82 ℃; 1H NMR (400 MHz, DMSO-d6) δ: 8.65 (s, 1H), 7.99~7.98 (m, 2H), 7.94 (d, J=12.5 Hz, 1H), 7.37 (t, J=8.8 Hz, 2H), 7.32 (m, 4H), 5.67 (d, J=12.5 Hz, 1H), 2.13 (s, 3H); 13C NMR(100 MHz, DMSO-d6) δ: 197.02, 165.91, 163.43, 162.64, 161.48, 148.63, 142.76, 133.01, 131.64, 131.55, 127.61, 126.69, 120.99, 120.51, 116.58, 116.36, 111.53, 27.45; IR (KBr) ν: 1770, 1665, 1508, 1261, 934 cm-1; MS m/z: 284 [M+H]+. Anal. calcd for C17H14FNO2: C 72.07, H 4.98, N 4.94; found C 72.54, H 4.57, N 4.80.
4-[2-(4-氯代亚苄基氨基)苯氧基]-3-丁烯-2-酮(5c):白色固体, 产率98%. m.p. 100~102 ℃; 1H NMR (400 MHz, DMSO-d6) δ: 8.66 (s, 1H), 7.97~7.92 (m, 2H), 7.96 (d, J=12.5 Hz, 1H), 7.37 (t, J=8.8 Hz, 2H), 7.32 (m, 4H), 5.64 (d, J=12.5 Hz, 1H), 2.12 (s, 3H); 13C NMR (100 MHz, DMSO-d6) δ: 197.06, 162.66, 161.57, 148.70, 142.57, 136.94, 135.15, 130.83, 129.51, 127.84, 126.70, 120.98, 120.53, 111.59, 27.45; IR (KBr) ν: 1691, 1626, 1261, 1046, 752 cm-1; MS m/z: 300 [M+H]+. Anal. calcd for C17H14ClNO2: C 68.12, H 4.71, N 4.67; found C 68.36, H 4.65, N 4.59.
4-[2-(4-溴代亚苄基氨基)苯氧基]-3-丁烯-2-酮(5d), 白色固体, 产率95%. m.p. 104~106 ℃; 1H NMR (400 MHz, DMSO-d6) δ: 8.65 (s, 1H), 7.94 (d, J=12.5 Hz, 1H), 7.86 (d, J=8.3 Hz, 2H), 7.74 (d, J=8.3 Hz, 2H), 7.37~7.30 (m, 4H), 5.66 (d, J=12.5 Hz, 1H), 2.13 (s, 3H); 13C NMR (100 MHz, DMSO-d6) δ: 197.03, 162.59, 161.70, 148.68, 142.57, 135.47, 132.43, 130.99, 127.85, 126.70, 125.95, 120.96, 120.53, 112.48, 111.59, 27.45; IR (KBr) ν: 1665, 1267, 1020, 948, 544 cm-1; MS m/z: 344 [M+H]+. Anal. calcd for C17H14BrNO2: C 59.32, H 4.10, N 4.07; found C 59.68, H 4.36, N 3.88.
3.2.2 2-苯基-3-(3-氧代丁烯基)-苯并噁唑(6)的合成
向干燥的50 mL圆底烧瓶中, 依次加入5 (2.0 mmol)、10 mL二氯甲烷, 0.06 mL冰醋酸, 室温下反应5 h, 抽滤得到淡黄色固体6.
2-苯基-3-(3-氧代丁烯基)-苯并噁唑(6a):淡黄色固体, 产率79%. m.p. 136~138 ℃; 1H NMR (400 MHz, DMSO-d6) δ: 7.99(d, J=13.9 Hz, 1H), 7.42~7.46 (m, 5H), 7.06 (s, 1H), 6.86~7.45 (m, 4H), 5.03 (d, J=13.9 Hz, 1H), 2.09 (s, 3H); 13C NMR (100 MHz, DMSO-d6) δ: 195.56, 149.78, 138.93, 136.03, 132.25, 130.76, 129.63, 126.92, 123.90, 122.20, 109.51, 109.40, 105.56, 94.89, 26.98; IR (KBr) ν: 1662, 1557, 1334, 962, 745 cm-1; MS m/z: 266 [M+H]+. Anal. calcd for C17H15NO2: C 76.96, H 5.70, N 5.28; found C 76.76, H 5.58, N 5.46.
2-(4-氟苯基)-3-(3-氧代丁烯基)-苯并噁唑(6b):淡黄色固体, 产率85%. m.p. 112~114 ℃; 1H NMR (400 MHz, DMSO-d6) δ: 7.99 (d, J=14.0 Hz, 1H), 7.28~7.52 (m, 4H), 7.11 (s, 1H), 6.88~7.54 (m, 4H), 5.03 (d, J=14.0 Hz, 1H), 2.10 (s, 3H); 13C NMR (100 MHz, DMSO- d6) δ: 195.24, 164.43, 162.47, 149.67, 138.80, 132.57, 132.22, 129.46, 129.39, 123.85, 122.21, 116.71, 116.53, 109.63, 109.44, 105.74, 94.09, 27.08; IR (KBr) ν: 1673, 1567, 1279, 964, 741 cm-1; MS m/z: 284 [M+H]+. Anal. calcd for C17H14FNO2: C 72.07, H 4.98, N 4.94; found C 72.50, H 4.58, N 4.78.
2-(4-氯苯基)-3-(3-氧代丁烯基)-苯并噁唑(6c):淡黄色固体, 产率92%. m.p. 130~132 ℃; 1H NMR (400 MHz, DMSO-d6) δ: 8.00 (d, J=14.0 Hz, 1H), 7.48~7.55 (m, 4H), 7.11 (s, 1H), 6.88~7.50 (m, 4H), 5.04 (d, J=14.0 Hz, 1H), 2.10 (s, 3H); 13C NMR (100 MHz, DMSO- d6) δ: 195.23, 149.69, 138.76, 135.09, 129.73, 128.94, 123.87, 122.27, 109.66, 109.47, 105.78, 94.02, 27.12; IR (KBr) ν: 1668, 1563, 1276, 974, 752 cm-1; MS m/z: 300 [M+H]+. Anal. calcd for C17H14ClNO2: C 68.12, H 4.71, N 4.67; found C 68.46, H 4.55, N 4.53.
2-(4-溴苯基)-3-(3-氧代丁烯基)-苯并噁唑(6d):淡黄色固体, 产率88%. m.p. 132~134 ℃; 1H NMR (400 MHz, DMSO-d6) δ: 7.99 (d, J=14.0 Hz, 1H), 7.40~7.67 (m, 4H), 7.09 (s, 1H), 6.86~7.50 (m, 4H), 5.04 (d, J=14.0 Hz, 1H), 2.09 (s, 3H); 13C NMR (100 MHz, DMSO-d6) δ: 195.23, 149.67, 138.75, 135.44, 132.65, 132.17, 129.17, 124.07, 123.85, 122.25, 109.64, 109.46, 105.77, 94.06, 27.10; IR (KBr) ν: 1669, 1563, 1275, 974, 738 cm-1; MS m/z: 344 [M+H]+. Anal. calcd for C17H14BrNO2: C 59.32, H 4.10, N 4.07; found C 59.76, H 4.33, N 3.91.
2-(4-甲基苯基)-3-(3-氧代丁烯基)-苯并噁唑(6e):黄色固体, 产率83%. m.p. 138~140 ℃; 1H NMR (400 MHz, DMSO-d6) δ: 7.98 (d, J=14.0 Hz, 1H), 7.24~7.35 (m, 4H), 7.02 (s, 1H), 6.85~7.51 (m, 4H), 5.03 (d, J=13.9 Hz, 1H), 2.32 (s, 3H), 2.09 (s, 3H); 13C NMR (100 MHz, DMSO-d6) δ: 195.19, 149.84, 140.34, 138.80, 133.30, 132.34, 130.10, 126.92, 123.74, 122.05, 109.47, 109.32, 105.65, 94.90, 27.00, 21.33; IR (KBr) ν: 1662, 1570, 1288, 981, 745 cm-1; MS m/z: 280 [M+H]+. Anal. calcd for C18H17NO2: C 77.40, H 6.13, N 5.01; found C 77.24, H 6.42, N 5.11.
2-(4-甲氧基苯基)-3-(3-氧代丁烯基)-苯并噁唑(6f):黄色固体, 产率78%. m.p. 142~144 ℃; 1H NMR (400 MHz, DMSO-d6) δ: 7.94 (d, J=14.0 Hz, 1H), 6.96~7.40 (m, 4H), 7.01 (s, 1H), 6.85~7.49 (m, 4H), 5.04 (d, J=14.0 Hz, 1H), 3.77 (s, 3H), 2.09 (s, 3H); 13C NMR (100 MHz, DMSO-d6) δ: 195.20, 161.02, 149.81, 138.79, 132.33, 128.53, 128.24, 123.73, 122.00, 114.90, 109.44, 109.30, 105.62, 94.83, 55.70, 27.00; IR (KBr) ν: 1668, 1570, 1282, 967, 745 cm-1; MS m/z: 296 [M+H]+. Anal. calcd for C18H17NO3: C 73.20, H 5.80, N 4.74; found C 73.32, H 5.65, N 4.70.
3.2.3 化合物7的合成
向干燥的50 mL圆底烧瓶中, 依次加入5c (2.0 mmol)、10 mL无水甲醇, 适量三氯化铈, 室温下反应12 h, 停止反应, 冰箱冷冻24 h, 抽滤得到淡黄色固体7.淡黄色固体, 产率90%. m.p. 138~140 ℃; 1H NMR (400 MHz, DMSO-d6) δ: 9.46 (s, 1H), 7.93 (s, 1H), 6.77~7.31 (m, 8H), 5.94 (s, 1H), 4.70 (s, 1H), 3.55 (s, 3H), 1.98 (s, 3H); 13C NMR (100 MHz, DMSO-d6) δ: 194.97, 153.61, 136.99, 133.19, 129.67, 129.08, 128.22, 119.70, 117.007, 101.51, 94.78, 56.23, 27.74; IR (KBr) ν: 3452, 1634, 1526, 1271 cm-1; MS m/z: 332 [M+H]+. Anal. calcd for C18H18ClNO3 C 65.16, H 5.47, N 4.22; found C 65.48, H 5.65, N 4.40.
辅助材料(Supporting Information)产物的核磁共振氢谱和碳谱图.这些材料可以免费从本刊网站(http://sioc-journal.cn/)上下载.
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表 1 化合物5中O(7), N(8)和C(14)的电荷密度(a.u.)
Table 1. Charge density (a.u.) of O(7), N(8) and C(14) in compound 5
Compd. R O(7) N(8) C(14) 5a H -0.4574 -0.4296 0.1166 5b F -0.4750 -0.4366 0.1142 5c Cl -0.4757 -0.4716 0.1213 5d Br -0.4964 -0.4486 0.1209 5f OCH3 -0.4599 -0.4421 0.1184 表 2 化合物6和8的零点能(Ezp)和内能(E≠)、热力学焓(H≠)以及自由能(G≠)
Table 2. Zero-point energies (Ezp), thermal energies (E≠), thermal enthalpies (H≠) and thermal Free energies (G≠) of compounds 6 and 8
Compd. Ezp.a E≠ b H≠ c G≠ d 6a -861.7654 -861.7483 -861.7474 -861.8126 8a -861.7360 -861.7194 -861.7184 -861.7811 6b -960.9985 -960.9814 -960.9805 -961.0454 8b -960.9755 -960.9580 -960.9571 -961.0217 6c -1321.3687 -1321.3504 -1321.3495 -1321.4182 8c -1321.3399 -1321.3219 -1321.3209 -1321.3881 6d -3432.8712 -3432.8525 -3432.8516 -3432.9232 8d -3432.8491 -3432.8309 -3432.8299 -3432.8977 6f -976.2563 -976.2366 -976.2356 -976.3079 8f -976.2287 -976.2093 -976.2084 -976.2779 a a.u.; b 103 kJ/mol; c 103 kJ/mol; d 103 kJ/mol. -

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