超聲輻射下水溶液中離子液體催化合成芳醛縮氨基硫脲

劉卉閔，崔鵬雷，魏俊萍，張冬暖，張英群

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院， 河北 保定 071001;2.保定市科學(xué)技術(shù)信息研究所，河北 保定 071051)

超聲輻射下水溶液中離子液體催化合成芳醛縮氨基硫脲

劉卉閔1，崔鵬雷1，魏俊萍2，張冬暖1，張英群1

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院， 河北 保定 071001;2.保定市科學(xué)技術(shù)信息研究所，河北 保定 071051)

在超聲波輻射下水相中以酸性甲基咪唑丙烷磺酸-三氟乙酸離子液體催化芳醛和氨基硫脲進(jìn)行反應(yīng)，合成了系列芳醛縮氨基硫脲衍生物，產(chǎn)率為60.0%～95.0%.產(chǎn)物結(jié)構(gòu)經(jīng)1HNMR，IR，元素分析表征，該反應(yīng)具有反應(yīng)時(shí)間短、產(chǎn)率高、環(huán)境友好、后處理方便、催化劑可回收重復(fù)使用的優(yōu)點(diǎn).

超聲波輻射；離子液體；催化；縮氨基硫脲

縮氨基硫脲衍生物具有廣泛的生物活性，如抗細(xì)菌、抗真菌、抗病毒、抗腫瘤、抗寄生蟲等[1-5],能與多種金屬離子形成穩(wěn)定的配合物且形成配合物后生物活性成倍增長，是合成農(nóng)藥、醫(yī)藥、具有生物活性的雜環(huán)化合物的重要中間體，受到化學(xué)家和醫(yī)藥工作者的廣泛關(guān)注.縮氨基硫脲類化合物的合成一般采用由醛或酮與氨基硫脲(或取代氨基硫脲)在有機(jī)溶劑中進(jìn)行反應(yīng)[6-8]制得，但產(chǎn)率較低，且酸性催化劑不能重復(fù)使用.超聲波作為一種有效的技術(shù)手段已廣泛應(yīng)用于有機(jī)合成中.超聲波不僅可以改善反應(yīng)條件、加快反應(yīng)速度和提高反應(yīng)產(chǎn)率，還可以使一些難以進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)得以實(shí)現(xiàn).目前超聲化學(xué)已成功應(yīng)用于Cannizzaro反應(yīng)[9]、Paterno-Büchi反應(yīng)[10]、Reformatsky反應(yīng)[11]和酯水解[12-13]等.

酸性離子液體已成為酸催化有機(jī)反應(yīng)中極具發(fā)展前景的反應(yīng)介質(zhì)與反應(yīng)催化劑，酸性離子液體用于催化反應(yīng)的優(yōu)勢(shì)在于目標(biāo)產(chǎn)物不溶于離子液體、容易分離，且離子液體可以回收利用.

本文研究了超聲波輻射下酸性離子液體甲基咪唑丙烷磺酸三氟乙酸(MIM-PS-CF3COOH)催化芳香醛與氨基硫脲反應(yīng)合成取代芳醛縮氨基硫脲(式1)的新方法.

式1 芳醛縮氨基硫脲的合成路線

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1儀器和試劑

超聲波清洗器SK5200H型(頻率59 kHz，上海科導(dǎo)超聲儀器有限公司)；X-4型精密顯微熔點(diǎn)測(cè)定儀(北京市長風(fēng)儀器儀表公司，溫度計(jì)未校正)；紅外光譜用WQF-510型紅外光譜儀測(cè)定(KBr壓片)；核核磁共振譜用Brucker AVANCE 400 型核磁共振儀測(cè)定，DMSO為溶劑，TMS為內(nèi)標(biāo)；元素分析儀 HEKAEUS(CHN-O-Rapid)型元素分析儀(德國Heraeus公司).試劑均為分析純.

1.2酸性離子液體的合成

1.2.1 甲基咪唑丙烷磺酸(MIMPS)的合成[14]

在盛有50 mL二甲苯的三口瓶中加入0.1 mol丙磺酸內(nèi)酯，冰浴冷卻下，邊攪拌邊滴加0.11 mol甲基咪唑，滴完后撤掉冰浴，升至室溫后繼續(xù)攪拌2 h，有白色固體析出，過濾，用乙醚洗2次，干燥，得到甲基咪唑丙烷磺酸(MIMPS).

1.2.2 Bronsted 酸性離子液體的合成

在盛有20 mL水的圓底燒瓶中加入0.05 mol MIMPS，0.05 mol CF3COOH，60 ℃下攪拌反應(yīng)6 h，然后減壓旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)脫水6 h，得到無色粘稠液體MIMPS-CF3COOH.

1.2.3 取代芳醛縮氨基硫脲的制備

將1 mmol芳香醛，1 mmol 氨基硫脲，0.15 mmol 酸性離子液體(MIM-PS- CF3COOH)，3 mL水加入錐形瓶中，在超聲波輻射下反應(yīng)15～60 min(TLC跟蹤監(jiān)測(cè)).超聲波輻射功率為300 W，控制反應(yīng)溫度在30～40 ℃.反應(yīng)完畢，加入冰水，真空抽濾，并用冰水洗滌，乙醇重結(jié)晶后真空干燥得目標(biāo)產(chǎn)物.

2 結(jié)果與討論

2.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果

反應(yīng)物結(jié)構(gòu)、反應(yīng)時(shí)間、收率、熔點(diǎn)見表1.

2.2產(chǎn)物結(jié)構(gòu)表征及分析

3b：IR (KBr)ν(cm-1)：3 417，3 257，3 155，3 028，2 980，2 817，1 593，1 541，1 490，1 375，1 292，1 084，982，851，756，694，669 ；1H NMR (DMSO-d6，400 MHz)δ：7.20～7.64 (m，10H，ArH +ArCH=)，7.12 (d，J= 8.4 Hz，1H，=CH)，8.10 (s，1H，NH2)，8.28 (s，1H，NH2)，11.52(s，1H，NH)；Anal. Calcd. for C10H11N3S(205.07)：C 58.51，H 5.40，N 20.47；Found：C 58.45，H 5.46，N 20.54.

3e：IR (KBr) ν(cm-1)：3 410，3 244，3 151，3 020，1 604，1 560，1 539，1 498，1 379，1 290，1 225，1 053，878，814，752 ；1H NMR (DMSO-d6，400 MHz)δ：7.44～7.81 (m，4H，ArH)，8.01 (s，1H，NH2)，8.06 (s，1H，NH2)，8.23 (s，1H，CH=)，11.40 (s，1H，NH)；Anal.Calcd for C8H8N3Cl(213.5)：C 44.96，H 3.75，N 19.67； Found： C 44.83，H 3.79，N 19.73.

3l：IR (KBr) ν(cm-1)：3 446，3 230，3 149，3 014，1 589，1 533，1 471，1 448， 1 140，1 290，1 230，1 097，1 049，875，688 ；1H NMR (DMSO-d6，400 MHz)δ： 7.46～7.91 (m，3H，ArH)，7.94 (s，1H，CH=)，8.20 (s，1H，NH2)，8.25 (s，1H，NH2)，11.38 (s，1H，NH)； Anal. Calcd for C8H7N3Cl2S(248)：C 38.71，H 2.82，N 16.94；Found：C 38.80，H 2.90，N 16.99.

表1 酸性離子液體催化合成芳醛縮氨基硫脲

3 結(jié)果與討論

3.1取代基的影響

芳香醛的芳環(huán)上取代基的性質(zhì)對(duì)該反應(yīng)有著顯著的影響，當(dāng)芳環(huán)上連有吸電子基團(tuán)時(shí)產(chǎn)率明顯提高，連有供電子基團(tuán)時(shí)產(chǎn)率則明顯降低.當(dāng)供電子基團(tuán)的供電子效應(yīng)很大時(shí)產(chǎn)率很低或幾乎得不到產(chǎn)物，如對(duì)二甲氨基苯甲醛產(chǎn)率為60%，對(duì)茴香醛和胡椒醛均未得到目標(biāo)產(chǎn)物.這是由于二甲氨基和烷氧基的強(qiáng)供電子作用，使醛羰基的反應(yīng)活性大大降低，難于反應(yīng).

3.2反應(yīng)條件的選擇

文獻(xiàn)報(bào)道[20]合成醛酮縮氨基硫脲是常規(guī)加熱，反應(yīng)時(shí)間4 h，而超聲輻射下酸性離子液體甲基咪唑丙烷磺酸三氟乙酸(MIMPS-CF3COOH)催化芳醛與氨基硫脲反應(yīng)合成縮氨基硫脲的反應(yīng)時(shí)間明顯縮短，產(chǎn)率也有所提高.

3.2.1 常規(guī)加熱酸性離子液體催化

將1 mmol苯甲醛，1 mmol氨基硫脲，0.15 mmol 酸性離子液體(MIM-PS-CF3COOH)，3 mL水加入圓底燒瓶中，在加熱回流反應(yīng)60 min(TLC跟蹤監(jiān)測(cè)),產(chǎn)率80%.

3.2.2 超聲輻射的影響

將1 mmol苯甲醛，1 mmol 氨基硫脲，3 mL水加錐形瓶中，設(shè)定超聲波輻射功率為300 W反應(yīng)60 min(TLC跟蹤監(jiān)測(cè)),產(chǎn)率38%.

3.2.3 超聲輻射下離子液體催化

同樣反應(yīng)物超聲輻射下離子液體催化30 min，產(chǎn)率達(dá)88%，實(shí)驗(yàn)證明超聲輻射、離子液體催化協(xié)同作用促進(jìn)了反應(yīng)進(jìn)行.

3.2.4 催化劑的選擇

設(shè)定超聲波輻射功率為300 W，反應(yīng)物的物質(zhì)的量比為1∶1，考察不同催化劑對(duì)產(chǎn)率的影響，其結(jié)果見表2.

表2 催化劑對(duì)產(chǎn)率的影響

由表2可知，當(dāng)用MIM-PS-CF3COOH做催化劑時(shí)，合成縮氨基硫脲的產(chǎn)率最高，因此，選用MIM-PS-CF3COOH做催化劑.

以目標(biāo)產(chǎn)物3a為例，探討催化劑重復(fù)使用對(duì)該反應(yīng)的影響.

離子液體經(jīng)過5次循環(huán)使用，反應(yīng)產(chǎn)率分別為88%,86%,86%,85%和82%，表明其催化性能未顯著降低，從而表明離子液體作為催化劑可以重復(fù)使用.

超聲波輻射下離子液體催化合成芳醛縮氨基硫脲衍生物，具有反應(yīng)時(shí)間短、條件溫和、產(chǎn)率高、環(huán)境友好、后處理方便、催化劑可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)，為該類化合物的合成提供了一種快速、方便、有效的方法.

[1]HU Weixiao, ZHOU Wei, XIA Chunnian, et al. Synthesis and anticancer activity of thiosemicarbazones[J]. Bioorg Med Chem Lett, 2006,16 (8):2,213-2,218

[2]SHIH M H, WU Chengling. Efficient syntheses of thiadiazoline and thiadiazole derivatives by the cyclization of 3-Aryl-4-formylsydnone thiosemicarbazones with acetic anhydride and ferric chloride[J]. Tetrahedron, 2005, 61 (46):10917-10925.

[3]SRIRAM D, YOGEESWARI P, THIRUMURUGAN R, et al. Discovery of new antitubercular oxazolyl thiosemicarbazones[J]. J Med Chem, 2006, 49 (12):3448-3450.

[4]CUKUROVALI A, YILMAZ I, GUR S, et al. Synthesis, antibacterial andantifungal activity of some new thiazolylhydrazone derivatives containing 3-substituted cyclobutane ring[J]. Eur J Med Chem, 2006, 41(2):201-207.

[5]PAVAN F R, MAIA P I D S, LEITE S R A, et al. Thiosemicarbazones, semicarbazones, dithiocarbazates and hydrazide/hydrazones: Anti-Mycobacterium tuberculosis activity and cytotoxicity[J]. Eur J Med Chem,2010,45:1898-1905.

[6]王建華, 杜軍. 2,4-二羥基苯乙酮縮氨基硫脲及其金屬配合物的合成與性質(zhì)[J]. 無機(jī)化學(xué)學(xué)報(bào), 1999(5):667-670.

WANG Jianhua, DU Jun.Syntheses,characterization and bacteriostatic activities of l-phenyl-3-methyl-4-benzoylpyrazolone -5-thiosemicarbazone and its rare Earth complexes[J]. Chinese Journal of Inorganic Chemistry, 1999(5):667-670.

[7]周毓萍, 楊正銀, 于紅娟, 等. 1-苯基-3-甲基-4-苯甲酰基吡唑酮-5-縮氨基硫脲稀土配合物的合成, 表征及抑菌活性[J]. 應(yīng)用化學(xué), 1999(6):37-41.

ZHOU Yuping,YANG Zhengyin,YU Hongjuan，et al.Syntheses characterization and bacteriostatic activities of 1-phenyl-3-methyl-4-benzoylPyrazolone·5-thiosem icarbazone and Its rare earth complexes[J].Chinese Journal of Applied Chemistry,1999(6):37-41.

[8]LEITE A C L，MOREIRA D R M，COELHO L C D, et al. Synthesis of aryl-hydrazones via ultrasound irradiation in aqueous medium[J]. Tetrahedron Letters，2008，49：1538-1541.

[9]ENTEZARI M H, SHAMELI A A. Phase-transfer catalysis and ultrasonic waves I. Cannizzaro reaction[J]. Ultrason Sonochem, 2000,7(4):169-172.

[10]GAPLOVSKY A,DONOVALOVA J, TOMA S, et al. Ultrasound effects on photochemical reactions, Part 1: photochemical reactions of ketones with alkenes[J]. Ultrason Sonochem, 1997, 4(2): 109-115.

[11]ROSS N A,MACGREGOR R R,BARTSCH R A. Synthesis ofβ-lactams andβ-aminoesters via high intensity ultrasound-promoted Reformatsky reactions[J].Tetrahedron,2004, 60(9): 2035-2041.

[12]TUULMETS A, RIK P. Ultrasonic acceleration of ester hydrolyses [J]. Ultrason Sonochem, 1999, 6(1-2):85-87.

[13]KUMAR V G, KIM K B. Organized and highly dispersed growth of MnO2nano-rods by sonochemical hydrolysis of Mn(3)acetate ultrason[J]. Sonochem, 2006, 13(6):549-556.

[14]ZHANG L, XIAN M, HE Y C, et al. Biores. A Br?nsted acidic ionic liquid as an efficient and environmentally benign catalyst for biodiesel synthesis from free fatty acids and alcohols[J]. Biores Technol，2009，100(19)：4368-4373.

[15]PUEZER B，HAMLIN W E，KATZ L. A Preparative method for thiosemicarbazones of aromatic aldehydes[J]. J Am Chem Soc，1951，73 (6)：2958.

[16]李明，劉利軍，戴小軍,等. 取代苯甲醛縮氨基硫脲的合成方法研究[J]. 寧夏工程技術(shù)，2007，6(4)：342-344.

LI Ming，LIU Lijun, DAI Xiaojun, et al.Study on method for synthesizin g substituted benzaldehyde thiosemicarbazone[J]. Ningxia Engineering Technology, 2007，6(4)：342-344.

[17]施小寧，樊娟. 超聲波水溶液中取代芳醛、芳酮縮氨基硫脲的合成[J]. 寶雞文理學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2008，28(1)：33-36.

SHI Xiaoning,FANJuan.Synthesis of aromatic aldehyde and ketone thiosemicarbazones in aqueous solution under ultrasound irradiation[J]. Journal of Baoji University of Arts and Sciences : Natural Science, 2008，28(1)：33-36.

[18]劉建寧，董彥杰，于新橋，等. 2,4-二氯苯甲醛縮氨基硫脲Cu(Ⅰ),Fe(Ⅱ),Zn(Ⅱ)配合物的直接電化學(xué)合成[J]. 阜陽師范學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，1999，16(1)：19-22.

LIU Jianning,DONG Yanjie,YU Xinqiao,et al.The direct electrochemical synthesis of Cu(I)、Fe(Ⅱ) 、Zn(Ⅱ) complexes of 2,4-dichlorobenzaldehyde thiosemiearbazone[J]. Journal of Fuyang Normal College : Natural Science Edition,1999，16(1)：19-22.

[19]王振，董瑋，徐炎，等. 取代苯甲醛縮氨基硫脲(脲、硝基胍)類化合物的合成及其對(duì)小菜蛾酪氨酸酶的抑制活性[J]. 農(nóng)藥學(xué)學(xué)報(bào)，2010, 12(3): 264-268.

WANG Zhen,DONG Wei, XU Yan, et al. Synthesis of substituted benzylidene hydrazine carbothioamide (hydrazinecarboxamide, nitrohydrazinecarboximidamide) and theirinhibitory activity on tyrosinaseof diamond back moth Plutellaxylostella (L.)[J]. Chinese Journal of Pesticide Science,2010, 12( 3): 264-268.

[20]解先業(yè)，姜林， 薛超彬,等.取代苯甲醛縮氨基硫脲的合成及其對(duì)昆蟲酚氧化酶的抑制活性[J].化學(xué)試劑，2007,29(1):34-36.

XIE Xianye, JIANG Lin, XUE Chaobin，et al. Synthesisof substitutedbenzaldehyde thiosemicarbazonesand its activity for inhibition of the phenol oxidase of the dia-mondbackmothPlutellaxylostella( L.)[J].Chemical Reagents，2007,29(1):34-36.

Synthesisofaromaticaldehydethiosemicarbazonescatalyzedbyionicliquidinwaterunderultrasoundirradiation

LIUHuimin1,CUIPenglei1,WEIJunping2,ZHANGDongnuan1,ZHANGYingqun1

(1.College of Science, Agricultural University of Hebei, Baoding 071001, China;

2.Science and Technology Information Reserch Institution of Baoding, Baoding 071051, China)

A series of aromatic aldehyde thiosemicarbazones were synthesized by the condensation reactions of aromatic aldehydes with thiosemicarbazide in water with 3-methyl-1-(3-sulfopropyl)-imidazolium trifluoro acetate as catalyst under ultrasound irradiation. The yields were ranged from 60.0%--95.0% . The structures of the products were confirmed by1HNMR spectroscopy, IR and elemental analysis. The Bronsted acidic ionic liquid could be recycled easily. It is shown that the proposed method is easy, efficient and environmental friendly.

ultrasound irradiation; ionic liquid; catalysis; thiosemicarbazones

10.3969/j.issn.1000-1565.2013.04.008

2012-07-23

河北農(nóng)業(yè)大學(xué)社科基金和理工基金資助項(xiàng)目(LG201204)

劉卉閔(1970-)，女，河北唐山人，河北農(nóng)業(yè)大學(xué)副教授，主要從事有機(jī)合成方面的研究工作.

E-mail:liuhuimin94811@163.com

O623.6

A

1000-1565(2013)04-0375-05

(責(zé)任編輯梁俊紅)