微波辐射下KF/nano-γ-Al2O3催化合成二硫代氨基甲酸酯类化合物

陈赛赛 洪志 黄霄瑜 吕晓青 李宗阳 胡心柔 阮馨颖 俞倩妍

引用本文: 陈赛赛, 洪志, 黄霄瑜, 吕晓青, 李宗阳, 胡心柔, 阮馨颖, 俞倩妍. 微波辐射下KF/nano-γ-Al2O3催化合成二硫代氨基甲酸酯类化合物[J]. 化学通报, 2021, 84(6): 596-603. shu
Citation:  Saisai Chen, Zhi Hong, Xiaoyu Huang, Xiaoqing Lv, Zongyang Li, Xinrou Hu, Xinying Ruan, Qianyan Yu. Syntheses of Dithiocarbamates Catalyzed by KF/nano-γ-Al2O3 under Microwave Irradiation[J]. Chemistry, 2021, 84(6): 596-603. shu

微波辐射下KF/nano-γ-Al2O3催化合成二硫代氨基甲酸酯类化合物

    通讯作者: 洪志  E-mail: zhihong@tzc.edu.cn
  • 基金项目:

    浙江省基础公益研究计划项目 

摘要: 本文报道以缺电子烯烃、胺类和二硫化碳为原料,以PEG-400为溶剂,在固体碱KF/nano-γ-Al2O3催化下,经微波辅助的Michael加成反应高效地合成二硫代氨基甲酸酯类化合物,收率为76.5%~91.6%。对催化剂、溶剂、微波功率、反应时间等影响因素进行了考察,确定了优化的反应条件。该方法具有反应时间短、收率高和环境友好等特点。另外,本文还报道了苯甲醛、酮类、胺类与二硫化碳四组分在PEG-400溶液中,在固体碱KF/nano-γ-Al2O3催化下,经微波辐射“一锅法”合成二硫代氨基甲酸酯类化合物的反应,收率为73.4%~82.8%。

English

  • 二硫代氨基甲酸酯类化合物是一类具有特殊结构的含硫化合物[1],有着许多重要的生物活性,如抗菌[2]、抗癌[3]、抗肿瘤和肿瘤预防[4]、抗氧化[5]等。此外,二硫代氨基甲酸酯类化合物还可以作为锌、铋、锰等螯合金属的配体[6],硫化橡胶促进剂[7],或者用来构建其他具有生物活性的化合物[8]等。因此,这类化合物引起了有机化学和医学领域的高度关注[9]。合成二硫代氨基甲酸酯类化合物的方法有很多[10],其中大多是在如Et3N[11]、DABCO[12]、DMAP[13]、K3PO4[14]、碱性Al2O3[15]等碱性试剂作用下的反应。这些方法存在反应时间较长、使用有毒有害试剂、后处理繁琐等问题。因此,寻找低毒、环境友好试剂成为我们的研究方向之一。Ando催化剂KF/Al2O3[16]作为一种制备简便、价格低廉、反应条件温和、后处理简单的碱性固体试剂在有机合成中有着广泛的应用,如环合[17]、酯交换[18]、缩合[19]、污染物净化[20]等。而且KF与Al2O3的配比也逐渐趋于定型(多数文献习惯以20g KF/30g Al2O3的比例制备,但制备温度、颗粒大小随使用要求略有不同)[21]。相对于一般的加热的方式,微波辐射在有机合成领域被广泛应用,具有反应速率快、收率高、加热高效均匀等优点[22]

    本文尝试以缺电子烯烃、胺类和二硫化碳三组分为原料,或者以苯甲醛、酮类、胺类与二硫化碳四组分为原料,于PEG-400中在固体碱KF/nano-γ-Al2O3催化下,利用微波辐射条件下的Michael加成(如图式 1所示)或“一锅法”缩合反应(如图式 2所示)高效合成了二硫代氨基甲酸酯类化合物。该方法具有时间短、收率高、环境友好等优点。

    图式 1

    图式 1.  缺电子烯烃、胺类和二硫化碳的三组分Michael加成反应
    Scheme 1.  The three-components Michael addition of electron-deficient alkenes, amines and carbon disulfide

    图式 2

    图式 2.  苯甲醛、酮类、胺类和二硫化碳的“一锅法”四组分缩合反应
    Scheme 2.  One-pot four components condensation of benzaldehyde, ketones, amines and carbon disulfide

    Advance Ⅲ HD 400型核磁共振波谱仪(Bruker公司);5700型傅里叶红外光谱仪(Nicolet公司);Quattro micro API型液质联用仪(美国Waters公司);M-565型熔点仪(上海沃珑仪器有限公司);WBFY-201型微波化学反应器(巩义市科瑞仪器有限公司,可设定微波功率和时间,最大功率为650W,有1~10档,每档间隔为65W)。反应器顶部可外接滴加、冷凝和机械搅拌装置。

    所用试剂均为市售分析纯或化学纯级,用前未作处理。

    1.2.1   固体碱KF/nano-γ-Al2O3的制备

    在500mL三口烧瓶中,加入20g(0.34mol)KF,30g(0.29mol)nano-γ-Al2O3(5nm)和200mL去离子水,快速搅拌,加热至70℃,保温3h,然后旋蒸除去溶剂,得到白色固体粉末,再在200℃真空干燥10h,制备得到固体碱KF/nano-γ-Al2O3 [19, 23]

    1.2.2   固体碱KF/Al2O3的制备

    使用30g(0.29mol)Al2O3替代nano-γ-Al2O3 (5nm)参与反应,实验操作参考固体碱KF/nano-γ-Al2O3的制备。

    1.2.3   取代烯烃、胺类化合物和二硫化碳的三组分Michael加成反应

    在50mL单口烧瓶中,依次加入PEG-400(15mL)、取代烯烃(4mmol)、胺类化合物(4.5mmol)、二硫化碳(8mmol)和催化剂固体碱KF/nano-γ-Al2O3(0.8g)。将单口烧瓶放入微波化学反应器中,连接球形冷凝管,接通冷却水,设定功率为260W,用TLC检测反应进程。反应完成后,将反应液用100mL水清洗至烧杯中,用CH2Cl2(30mL×3)萃取,饱和食盐水和纯水各清洗1次,无水Na2SO4干燥,蒸出溶剂,残留物经柱层析纯化,得到目标产物3a~3j。具体合成路线见图式 1,产物经结构核磁、质谱、红外及熔点等确证。

    3-(NN-二乙氨基-1-二硫代甲酸酯基)丙酰胺(3a):黄色固体,熔点104.5~104.7℃(文献值[24] 104~105℃);1H NMR(400MHz,DMSO-d6)δ:1.15~1.22(m,CH3,6H),2.47(t,J=7.2Hz,CH2,2H),3.38(d,J=7.2Hz,CH2,2H),3.71 (q,J=7.2Hz,2H),3.95 (q,J=7.2Hz,CH2,2H),6.87(s,NH,1H),7.36(s,NH,1H);IR(KBr,v/cm-1):1115,1204,1422,1667,2976,3395;MS(m/z):243 [M+Na]+

    3-(吗啉-1-二硫代甲酸酯基)丙酰胺(3b):白色固体,熔点139.5~139.8℃(文献值[25]:140~141℃);1H NMR(400MHz,DMSO-d6)δ:3.12~3.15(m,CH2,4H),3.77~3.79(m,CH2,4H),4.29(t,J=4.4Hz,CH2,4H),6.88(s,NH,1H),7.35(s,NH,1H);IR(KBr,v/cm-1):822,1028,1250,1518,1651,2957,3335;MS,m/z:257 [M+Na]+

    3-(N-苄氨基-1-二硫代甲酸酯基)NN-丙酰胺(3c):白色固体,熔点157.6~157.9℃(文献值[24]:158~159℃);1H NMR(400MHz,DMSO-d6)δ:2.46 (t,J=6.8Hz,CH2,2H),3.36(d,J=6.8Hz,CH2,2H),4.84(d,J=5.6Hz,CH2,2H),6.89(brs,NH,1H),7.26~7.36(m,ArH&NH,6H),10.34(t,J=5.2Hz,S=C-NH,1H);IR(KBr,v/cm-1):696,934,1420,1516,1647,2924,3329,3348;MS(m/z):277 [M+Na]+

    3-(四氢吡咯基-1-二硫代甲酸酯基)丙酸甲酯(3d):浅黄色固体,熔点46.8~47.2℃(文献值[15]:46~47℃);1H NMR(400MHz,CDCl3)δ:1.94~2.01 (m,CH2,2H),2.04~2.11(m,CH2,2H)2.82(t,J=6.8Hz,CH2,2H),3.56~3.65(m,CH2,4H),3.70(s,OCH3,3H),3.93(t,J=6.8Hz,CH2,2H);IR(KBr,v/cm-1):954,1009,1217,1482,1731,2979;MS(m/z):234 [M+H]+

    3-(吗啉基-1-二硫代甲酸酯基)丙酸甲酯(3e):黄色液体:1H NMR(400MHz,CDCl3)δ:2.82 (t,J=6.8Hz,CH2,2H),3.61(t,J=6.8Hz,CH2,2H),3.71(s,OCH3,3H),3.76(t,J=4.8Hz,CH2,4H),3.95(brs,CH2,2H),4.31(brs,CH2,2H);IR(KBr,v/cm-1):1000,1217,1424,1735,2974;MS(m/z):272 [M+Na]+

    3-(N-苄氨基-1-二硫代甲酸酯基)丙酸甲酯(3f):白色固体,熔点63.4~64.6℃(文献值[15]:63~64℃);1H NMR(400MHz,CDCl3)δ:2.81 (t,J=6.8Hz,CH2,2H),3.54(t,J=6.8Hz,CH2,2H),3.70(s,OCH3,3H),4.90(d,J=4.8Hz,CH2,2H),7.16(s,S=C-NH,1H),7.29~7.39(m,ArH,5H);IR(KBr,v/cm-1):696,1057,1229,1437,1524,1724,2937,3308;MS(m/z):270 [M+H]+

    3-(N-α-苯乙氨基-1-二硫代甲酸酯基)丙酸甲酯(3g):黄色液体;1H NMR(400MHz,CDCl3)δ:1.57(d,J=7.2Hz,CH3,3H),2.75(t,J=6.8Hz,CH2,2H),3.47(t,J=6.8Hz,CH2,2H),3.65(s,CH3,3H),5.74~5.81(m,CH,1H),7.24~7.33(m,ArH,5H),7.72(brs,S=C-NH,1H);IR(KBr,v/cm-1):700,972,1204,1362,1495,1732,2976,3289;MS(m/z):284 [M+H]+

    3-(NN-二乙氨基-1-二硫代甲酸酯基)丙酸丁酯(3h):黄色液体;1H NMR(400MHz,CDCl3)δ:0.90~0.95 (m,CH3,3H),1.27(t,J=5.6Hz,CH3,6H),1.35~1.43(m,CH2,2H),1.57~1.65(m,CH2,2H),2.76~2.81(m,CH2,2H),3.52~3.57(m,CH2,2H),3.70~3.76(m,CH2,2H),3.99~4.05(m,CH2,2H),4.07~4.12(m,CH2,2H);IR(KBr,v/cm-1):1206,1418,1734,2960;MS(m/z):278 [M+H]+

    3-(四氢吡咯-1-二硫代甲酸酯基)丙酸丁酯(3i):棕黄色液体;1H NMR(400MHz,CDCl3)δ:0.90~0.95 (m,CH3,3H),1.32~1.43(m,CH2,2H),1.57~1.65(m,CH2,2H),1.95~2.01(m,CH2,2H),2.03~2.11(m,CH2,2H),2.77~2.82(m,CH2,2H),3.54~3.59(m,CH2,2H),3.64(t,J=6.8Hz,CH2,2H),3.92(t,J=6.8Hz,CH2,2H),4.08~4.12(m,CH2,2H);13C NMR(101MHz,CDCl3)δ:13.72,19.13,24.28,26.05,30.63,31.09,34.20,50.60,55.02,64.57,172.09,192.11;IR(KBr,v/cm-1):955,1009,1184,1248,1435,1732,2872,2959;ESI-HRMS,m/z:298.0916 (理论值275.4306) [M+Na]+

    3-(N-苄氨基-1-二硫代甲酸酯基)丙酸丁酯(3j):浅黄色液体;1H NMR(400MHz,CDCl3)δ:0.92 (t,J=7.2Hz,CH3,3H),1.31~1.40(m,CH2,2H),1.55~1.62(m,CH2,2H),2.71~2.80(m,CH2,2H),3.49~3.55(dt,J=24,6.8 Hz,CH2,2H),4.03~4.09 (m,CH2,2H),4.80~4.87 (dd,J=27.6,5.2Hz,CH2,2H),7.25~7.34 (m,ArH,5H),7.68 (d,J=20Hz,S=C-NH,1H);13C NMR(101MHz,CDCl3)δ:13.77,19.16,30.22,30.61,34.42,51.11,64.79,128.02,128.26,128.84,136.31,172.20,197.38;IR(KBr,v/cm-1):698,737,916,1189,1454,1494,1732,2959,3289;ESI-HRMS(m/z):334.0916 (理论值311.4627) [M+Na]+

    1.2.4   苯甲醛、酮类、胺类化合物和二硫化碳的四组分“一锅法”反应

    在50mL单口烧瓶中,依次加入PEG-400(15mL)、苯甲醛(4mmol)、酮(4mmol)和KF/nano-γ-Al2O3(0.8g)。将单口烧瓶放入微波化学反应器中,接上球形冷凝管,接通冷却水,设定功率为260W,用TLC检测反应进程。反应完成后,再加入胺类化合物(4.5mmol)、二硫化碳(8mmol),继续微波辐射,TLC检测至反应结束。后处理参考1.2.3节的实验过程,制备得到目标产物5a~5e。具体合成路线见图式 2,产物结构经核磁、质谱、红外及熔点等确证。

    NN-二乙氨基-1-二硫代甲酸-1-苯基-3-羰基丙酯(5a):白色固体,熔点114.2~115.3℃(文献值[26]:115℃);1H NMR(400MHz,CDCl3)δ:0.99(d,J=6.8Hz,CH2,2H),1.22~1.28(dt,J=12.0,6.8Hz,2CH3,6H),2.13(s,CH3,3H),3.65~3.70(m,CH2,2H),3.99~4.02(q,J1=14.0,6.8Hz,CH2,2H),5.53~5.56(dd,J=10.4,4.8Hz,CH,1H),7.25~7.27(m,ArH,1H),7.32(t,J=7.2Hz,ArH,2H),7.41(d,J=6.8Hz,ArH,2H);IR(KBr,v/cm-1):702,729,1269,1418,1493,1668,1703,2972;MS(m/z):318[M+Na]+

    NN-二乙氨基-1-二硫代甲酸-3-羰基-1, 3-二苯基丙酯(5b):白色固体,熔点107.5~108.2℃(文献值[27]:106~107℃);1H NMR(400MHz,CDCl3)δ:1.24~1.29 (m,2CH3,6H),3.70(t,J=6.8Hz,CH2a,1H),3.73~3.77(dd,J=16.8,10.0 Hz,CH2,2H),3.97~4.06 (m,CH2,2H),4.12~4.16 (dd,J=16.8,4.4 Hz,CH2b,1H),5.69~5.72 (q,J=10.0,4.0 Hz,CH,1H),7.20~7.24(m,ArH,1H),7.29(t,J=7.2Hz,ArH,2H),7.43(t,J=7.2Hz,ArH,4H),7.51~7.56(m,ArH,1H),7.96~7.99(m,ArH,2H);IR(KBr,v/cm-1):748,982,1204,1263,1485,1675,2978;MS(m/z):358 [M+H]+

    四氢吡咯基-1-二硫代甲酸-3-羰基-1, 3-二苯基丙酯(5c):白色固体,熔点119.6~120.0℃,(文献值[28]:116~118℃);1H NMR(400MHz,CDCl3)δ:1.93~2.00(m,CH2,2H),2.02~2.08(m,CH2,2H),3.55~3.66(m,CH2,2H),3.73~3.77(dd,J=16.8,10.0Hz,CH,1H),3.93(t,J=6.8Hz,CH2,2H),4.11~4.15(dd,J=17.2,4.4 Hz,CH2,1H),5.74~5.77 (dd,J=10.0,4.8 Hz,CH2,1H),7.22(t,J=7.2Hz,ArH,1H),7.29(t,J=8.0Hz,ArH,2H),7.41~7.45(m,ArH,4H),7.54(t,J=7.2Hz,ArH,1H),7.97(d,J=7.6Hz,ArH,2H);IR(KBr,v/cm-1):689,1177,1222,1431,1678,2866,2938,3028;MS(m/z):378 [M+Na]+

    N-苄氨基-1-二硫代甲酸-3-羰基-1, 3-二苯基丙酯(5d):白色固体,熔点106.4~107.6℃(文献值[27]:100℃(EtOH));1H NMR(400MHz,CDCl3)δ:3.70~3.75(dd,J=17.2,8.8 Hz,CH2,2H),3.91~3.95 (dd,J=17.2,5.2Hz,CH2,2H),4.85(t,J=4.0Hz,CH2,2H),5.59~5.62(dd,J=8.4,5.2 Hz,CH,1H),7.23(t,J=7.2Hz,ArH,1H),7.27(d,J=6.0Hz,ArH,2H),7.30(s,S=C-NH,1H),7.33(t,J=7.6Hz,ArH,4H),7.41(d,J=8.8Hz,ArH,2H),7.44(t,J=7.6Hz,ArH,3H),7.93(d,J=7.6Hz,ArH,2H);IR(KBr,v/cm-1):698,959,1215,1454,1506,1557,2914,3289;MS(m/z):414 [M+Na]+

    N-α-苯乙氨基-1-二硫代甲酸-3-羰基-1, 3-二苯基丙酯(5e):白色固体,熔点102.3~102.9℃;1H NMR(400MHz,CDCl3)δ:1.54(d,J=6.8Hz,CH3,3H),3.69~3.73(dd,J=17.2,8.8Hz,CH2,1H),3.89~3.93(dd,J=17.2,4.8Hz,CH2,1H),5.53~5.55(dd,J=8.0,4.8Hz,CH,1H),5.69~5.76(m,CH,1H),7.23(d,J=7.2Hz,ArH,1H),7.27~7.32(m,J=7.2Hz,ArH,7H),7.35(s,S=C-NH,1H),7.41~7.45(dd,J=16.0,7.6 Hz,ArH,4H),7.51~7.58 (m,ArH,1H),7.92~7.93(d,J=7.6Hz,ArH,2H);13C NMR(101MHz,CDCl3)δ:20.56,45.32,49.18,55.67,125.66,126.52,127.85,127.94,128.14,128.23,128.67,128.82,128.85,128.89,128.94,128.97,129.00,133.47;IR(KBr,v/cm-1):698,746,1227,1335,1449,1547,1682,1734,2965,3258;ESI-HRMS(m/z):428.1113 (理论值405.5755) [M+Na]+

    1.2.5   中间体4-吗啉基二硫代甲酸(6a)及3-(吗啉-1-二硫代甲酸酯基)-丙酰胺(3b)的合成

    在50mL单口烧瓶中,依次加入15mL PEG-400、0.39g(4.5mmol)吗啉、0.61g(8mmol)二硫化碳,在0.8g固体碱KF/nano-γ-Al2O3催化下,微波功率260W,微波辐射反应3min,将反应液用100mL水清洗至烧杯中,用1mol/L HCl调节pH至6,再用CH2Cl2(30mL×3)萃取,饱和食盐水和纯水各清洗1次,无水Na2SO4干燥,蒸出溶剂,残留物经柱层析纯化,得0.64g白色固体4-吗啉基二硫代甲酸(6a),收率95.2%。

    依次将15mL PEG-400、0.60g(4mmol)6a、0.28g(4mmol)丙烯酰胺和0.8g固体碱KF/nano-γ-Al2O3加入到50mL单口烧瓶中,微波辐射,TLC检测反应至结束。后处理参考1.2.3的实验过程,得0.79g白色固体3-(吗啉基-4-二硫代甲酸酯基)丙酰胺(3b),收率90.1%。具体合成路线见图式 5

    4-吗啉基二硫代甲酸(6a):白色固体,熔点184.3~185.2℃(文献值[29]:185℃);1H NMR (400MHz,CDCl3)δ:3.15(t,J=4.8Hz,CH2,2H),3.52(t,J=4.8Hz,CH2,2H),3.79(t,J=4.8Hz,CH2,2H),4.29(t,J=4.8Hz,CH2,2H),9.20(s,S=C-SH,1H);IR(KBr,v/cm-1):872,988,1111,1217,1261,1420,1585,2479,2720,2909;MS(m/z):186[M+Na]+

    3b的产品性状及表征数据与1.2.3节的相同。

    本文以丙烯酰胺(1a)、二乙胺(2a)、二硫化碳为原料,固体碱KF/nano-γ-Al2O3作用下在10mL有机溶剂中反应5min,微波功率130W,合成3-(NN-二乙胺基-1-二硫代甲酸酯基)丙酰胺(3a)的初始反应条件为例,考察微波功率、微波辐射时间、催化剂种类与用量、溶剂种类与用量对收率的影响,对反应条件进行了优化。

    图式 3

    图式 3.  丙烯酰胺、二乙胺和二硫化碳的三组分Michael加成反应
    Scheme 3.  The three-components Michael addition of acrylamide, diethylamine and carbon disulfide
    2.1.1   微波功率对合成3a收率的影响

    反应物投料比、催化剂和溶剂用量不变,设定在不同的微波功率下反应5min,考察微波辐射功率对合成3a收率的影响,结果见表 1。由表可见,随着微波功率的提高,收率逐渐增加,当微波功率为260W时,收率达85.7%,此后产率略有降低。微波功率过低时,反应不完全,使得收率较低;而微波功率太高时可能造成升温过快,在390W下反应5min,反应液温度达到115℃,使得部分来不及反应的低沸点二硫化碳挥发,从而使得收率降低。所以260W为适宜的微波功率。

    表 1

    表 1  微波功率对合成3a收率的影响
    Table 1.  Influence of microwave power on yield of synthetic 3a
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    序号 功率/W 收率/%
    1 65 41.8
    2 130 57.4
    3 195 74.9
    4 260 85.7
    5 325 83.2
    6 390 78.5
    反应条件:丙烯酰胺(1a,4mmol)、二乙胺(2a,4.5mmol)、CS2(8mmol)、KF/nano-γ-Al2O3(0.6g)、PEG-400(10mL),反应时间5min
    2.1.2   微波辐射时间对合成3a收率的影响

    反应物投料比、催化剂和溶剂用量不变,在微波功率260W下反应,考察微波辐射时间对合成3a收率的影响,结果见表 2。由表可见,随着微波辐射时间的增加,收率明显先增加而后减少,当时间为5min时,收率达到最高的85.7%。此后进一步延长时间,收率略有下降,这可能是辐射时间过长,温度过高,产物有部分分解导致;其中260W下反应11min,反应液温度可达124℃。

    表 2

    表 2  微波辐射时间对合成3a收率的影响
    Table 2.  Influence of microwave time on yield of synthetic 3a
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    序号 时间/min 收率/%
    1 1 35.2
    2 3 58.5
    3 5 85.7
    4 7 83.5
    5 9 77.1
    6 11 72.9
    反应条件:丙烯酰胺(1a,4mmol)、二乙胺(2a,4.5mmol)、CS2(8mmol)、KF/nano-γ-Al2O3(0.6g)、PEG-400(10mL),微波功率260W
    2.1.3   催化剂种类与用量对合成3a收率的影响

    反应物投料比、溶剂用量不变,微波功率260W,反应时间5min,考察催化剂KF/nano-γ-Al2O3用量对合成3a收率的影响,结果见表 3。由表可见,KF/nano-γ-Al2O3用量为0.8g,收率达87.2%,继续增加用量收率略有下降。反应中不同颗粒大小的催化剂的催化效果有所不同:普通KF/Al2O3的粒径较纳米型催化剂的大,比表面积小,催化效果不好。另外,比较了碱性Al2O3、KF/Al2O3和K2CO3等的催化效果,发现其收率都低于KF/nano-γ-Al2O3

    表 3

    表 3  催化剂种类与用量对合成3a收率的影响
    Table 3.  Influence of catalyst and its dosage on yield of synthetic 3a
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    序号 催化剂种类 催化剂用量/g 收率/%
    1 KF/nano-γ-Al2O3 0.2 42.1
    2 KF/nano-γ-Al2O3 0.4 61.3
    3 KF/nano-γ-Al2O3 0.6 85.7
    4 KF/nano-γ-Al2O3 0.8 87.2
    5 KF/nano-γ-Al2O3 1.0 84.0
    6 KF/nano-γ-Al2O3 1.2 80.8
    7 碱性Al2O3 0.8 68.7
    8 KF/Al2O3 0.8 76.0
    9 K2CO3 0.8 73.5
    反应条件:丙烯酰胺(1a,4mmol)、二乙胺(2a,4.5mmol)、CS2(8mmol)、PEG-400(10mL),反应时间5min,微波功率260W
    2.1.4   溶剂种类与用量对合成3a收率的影响

    反应物投料比不变,微波功率260W,反应时间5min,催化剂KF/nano-γ-Al2O3用量为0.8g。考察溶剂种类与用量对合成3a收率的影响,结果见表 4。由表可见,PEG-400作为溶剂时收率较高,当溶剂用量为15mL,收率达到89.3%;继续增加用量,反应物浓度降低,反应速率略有变慢,导致收率稍有降低。

    表 4

    表 4  溶剂种类与用量对合成3a收率的影响
    Table 4.  Influence of solvent and its dosage on yield of synthetic 3a
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    序号 溶剂 溶剂用量/mL 收率/%
    1 MeOH 5 47.0
    2 EtOH 5 54.8
    3 PEG-200 5 65.3
    4 PEG-400 5 69.5
    5 PEG-400 10 87.2
    6 PEG-400 15 89.3
    7 PEG-400 20 88.5
    反应条件:丙烯酰胺(1a,4mmol)、二乙胺(2a,4.5mmol)、CS2(8mmol)、KF/nano-γ-Al2O3(0.8g),反应时间5min,微波功率260W

    综上可见,合成3a的优化条件为:以4mmol丙烯酰胺(1a)、4.5mmol二乙胺(2a)、8mmol二硫化碳为原料,于15mL溶剂PEG-400中,在0.8g固体碱KF/nano-γ-Al2O3催化下,微波功率260W,微波辐射5min。此条件下产物收率可达89.3%。在上述优化实验条件下,进行5次平行反应,产物收率分别为89.0%、89.6%、88.7%、90.1%、90.4%。可见该反应条件重复性较好,收率较为稳定。

    在优化条件下,考察了缺电子烯烃、胺类与二硫化碳合成二硫代氨基甲酸酯类化合物反应中原料结构对收率的影响(如图式 1所示)。结果表明,在该反应条件下,伯胺或仲胺与缺电子烯烃、二硫化碳经三组分Michael加成反应都能得到较高产率的目标产物。在该类反应中,当烯键邻位有较强吸电子基如酰胺基、酯基时,对反应是有利的,总体收率为76.5%~91.6%。当所用胺类为吗啉时,收率分别为76.5%和85.8%,略低于其他胺类。可能是其碱性较强,易于和中间体氨基二硫代酸成盐,阻碍了其与缺电子烯烃的加成反应,从而造成收率偏低。在该类反应基础上,尝试了“一锅法”四组分的缩合反应(如图式 2所示)[30]。苯甲醛和甲基酮4在固体碱KF/nano-γ-Al2O3催化和微波辐射下,先缩合得到α, β-不饱和酮,中间体不经处理,继续加入胺类2和二硫化碳,继续微波辐射,得到另一类二硫代氨基甲酸酯类化合物,其中脂肪胺产率略低于苄胺,总体产率为73.4%~82.8%。

    在固体碱KF/nano-γ-Al2O3的制备过程中,KF和nano-γ-Al2O3在水溶液中发生反应生成K3AlF6和KOH,负载在nano-γ-Al2O3表面,见图式 4(1)[31]。聚乙二醇PEG-400分子中存在大量的醚键,可以起到类似冠醚的相转移催化作用,与固体碱KF/nano-γ-Al2O3组合使用,会形成络合物可以有效地加速反应进行[32]。式中B-表示为AlF63-或OH-形式的阴离子,覆在nano-γ-Al2O3表面。该反应的机理可能如下:在PEG-400与固体碱KF/nano-γ-Al2O3络合物存在下,胺与二硫化碳亲核加成,得到N, N-二取代氨基二硫代甲酸盐;然后与缺电子的α, β-不饱和酮/酯进行Michael加成,得到二硫代氨基甲酸酯类化合物(如图式 4(2)所示)。为验证反应机理,设计了经中间体4-吗啉基二硫代甲酸(6a)与丙烯酰胺反应合成3-(吗啉-1-二硫代甲酸酯基)丙酰胺(3b)的路线(如图式 5所示),所得产物经核磁、红外、质谱及熔点检测,确定为目标产物。

    图式 4

    图式 4.  缺电子烯烃、胺类和二硫化碳的三组分Michael加成反应可能的反应机理
    Scheme 4.  Possible reaction mechanism of three-components Michael addition of electron-deficient alkenes, amines and carbon disulfide

    图式 5

    图式 5.  4-吗啉基二硫代甲酸(6a)及3-(吗啉-4-二硫代甲酸酯基)-丙酰胺(3b)的合成反应
    Scheme 5.  Preparation of 4-morpholinecarbodithioic acid (6a) and 3-[(4-morpholinylthioxomethyl)thio]-propanamide (3b)

    本文研究了缺电子烯烃、胺类和二硫化碳在PEG-400溶液中,在固体碱KF/nano-γ-Al2O3催化和微波辐射下,经过Michael加成反应,高效合成二硫代氨基甲酸酯类化合物的反应,收率为76.5%~91.6%。另外,探索了苯甲醛、酮类、胺类与二硫化碳在类似条件下进行四组分“一锅法”合成另一种二硫代氨基甲酸酯类化合物的反应,收率为73.4%~82.8%。这两种方法均具有反应时间短、收率高、避免有毒有害试剂的使用等优点,符合绿色化学发展理念,值得进一步推广。


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  • 图式 1  缺电子烯烃、胺类和二硫化碳的三组分Michael加成反应

    Scheme 1  The three-components Michael addition of electron-deficient alkenes, amines and carbon disulfide

    图式 2  苯甲醛、酮类、胺类和二硫化碳的“一锅法”四组分缩合反应

    Scheme 2  One-pot four components condensation of benzaldehyde, ketones, amines and carbon disulfide

    图式 3  丙烯酰胺、二乙胺和二硫化碳的三组分Michael加成反应

    Scheme 3  The three-components Michael addition of acrylamide, diethylamine and carbon disulfide

    图式 4  缺电子烯烃、胺类和二硫化碳的三组分Michael加成反应可能的反应机理

    Scheme 4  Possible reaction mechanism of three-components Michael addition of electron-deficient alkenes, amines and carbon disulfide

    图式 5  4-吗啉基二硫代甲酸(6a)及3-(吗啉-4-二硫代甲酸酯基)-丙酰胺(3b)的合成反应

    Scheme 5  Preparation of 4-morpholinecarbodithioic acid (6a) and 3-[(4-morpholinylthioxomethyl)thio]-propanamide (3b)

    表 1  微波功率对合成3a收率的影响

    Table 1.  Influence of microwave power on yield of synthetic 3a

    序号 功率/W 收率/%
    1 65 41.8
    2 130 57.4
    3 195 74.9
    4 260 85.7
    5 325 83.2
    6 390 78.5
    反应条件:丙烯酰胺(1a,4mmol)、二乙胺(2a,4.5mmol)、CS2(8mmol)、KF/nano-γ-Al2O3(0.6g)、PEG-400(10mL),反应时间5min
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    表 2  微波辐射时间对合成3a收率的影响

    Table 2.  Influence of microwave time on yield of synthetic 3a

    序号 时间/min 收率/%
    1 1 35.2
    2 3 58.5
    3 5 85.7
    4 7 83.5
    5 9 77.1
    6 11 72.9
    反应条件:丙烯酰胺(1a,4mmol)、二乙胺(2a,4.5mmol)、CS2(8mmol)、KF/nano-γ-Al2O3(0.6g)、PEG-400(10mL),微波功率260W
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    表 3  催化剂种类与用量对合成3a收率的影响

    Table 3.  Influence of catalyst and its dosage on yield of synthetic 3a

    序号 催化剂种类 催化剂用量/g 收率/%
    1 KF/nano-γ-Al2O3 0.2 42.1
    2 KF/nano-γ-Al2O3 0.4 61.3
    3 KF/nano-γ-Al2O3 0.6 85.7
    4 KF/nano-γ-Al2O3 0.8 87.2
    5 KF/nano-γ-Al2O3 1.0 84.0
    6 KF/nano-γ-Al2O3 1.2 80.8
    7 碱性Al2O3 0.8 68.7
    8 KF/Al2O3 0.8 76.0
    9 K2CO3 0.8 73.5
    反应条件:丙烯酰胺(1a,4mmol)、二乙胺(2a,4.5mmol)、CS2(8mmol)、PEG-400(10mL),反应时间5min,微波功率260W
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    表 4  溶剂种类与用量对合成3a收率的影响

    Table 4.  Influence of solvent and its dosage on yield of synthetic 3a

    序号 溶剂 溶剂用量/mL 收率/%
    1 MeOH 5 47.0
    2 EtOH 5 54.8
    3 PEG-200 5 65.3
    4 PEG-400 5 69.5
    5 PEG-400 10 87.2
    6 PEG-400 15 89.3
    7 PEG-400 20 88.5
    反应条件:丙烯酰胺(1a,4mmol)、二乙胺(2a,4.5mmol)、CS2(8mmol)、KF/nano-γ-Al2O3(0.8g),反应时间5min,微波功率260W
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  • 发布日期:  2021-06-18
  • 收稿日期:  2020-12-16
  • 接受日期:  2021-01-08
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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