1-[6-(3,5-二甲基-1H-吡唑-1-基)-1,2,4,5-四嗪-3-基]酰肼及其衍生物的合成與表征

閆啟東， 徐 俊， 徐 峰， 陳建軍

(臺州職業技術學院 生物與化工學院，浙江 臺州 318000)

1,2,4,5-四嗪及其衍生物具有良好的生物活性，可作殺蟲劑、除草劑，還有抗菌、抗腫瘤的作用。由于四嗪分子結構中含有大量的N-N和C-N鍵而具有很高的正生成焓，同時分子結構中的高氮低碳、氫含量，不僅使其具有較高的氮含量，而且更容易達到氧平衡，可在高能炸藥和滅火劑等含能領域[1～5]廣泛應用。近年來，國外又開展了四嗪類化合物的合成以及在生物活性方面的應用研究。

CompbcdefghijRMeEtPh -NO2 -Cl --OBz-OButPrn

Scheme1

近年來發現一些3-肼基-6-取代-1,2,4,5-四嗪可作為一類高氮雜環含能材料，具有高能量、低特征信號、燃燒無殘渣、無污染等優點[6]，因而其合成研究日益受到重視。本文以水合肼和硝酸胍為原料合成了三氨基胍硝酸鹽(1)； 1與乙酰丙酮經環合反應合成了3,6-雙(3,5-二甲基吡唑)-1,2-二氫-1,2,4,5-四嗪(2)； 2經亞硝酸鈉和醋酸氧化脫氫制得3,6-雙(3,5-二甲基吡唑)-1,2,4,5-四嗪(3)[7～10]； 3與水合肼反應合成1-[6-(3,5-二甲基-1H-吡唑-1-基)-1,2,4,5-四嗪-3-基]酰肼(4)；4與對甲苯磺酰氯(5a)或酰氯(5b～5j)反應合成了一系列新型的1-[6-(3,5-二甲基-1H-吡唑-1-基)-1,2,4,5-四嗪-3-基]酰肼衍生物(6a～6j， Scheme 1),其結構經1H NMR， IR， MS和元素分析表征，并對N′-[6-(3,5-二甲基-1H-吡唑-1-基)-1,2,4,5-四嗪-3-基]丙酰肼(6c)作了X-射線單晶衍射分析。

1 實驗部分

1．1 儀器與試劑

X-4型熔點儀(溫度未經校正)；Bruker AVANCE Ⅲ(500 MHz)型核磁共振儀(CDCl3為溶劑，TMS為內標)；島津FI-IR-8400S型紅外光譜儀(KBr壓片)；Agilent-1100-LCQ-Advantage型質譜儀；Perkin-Elmer EA 2400Ⅱ型元素分析儀；Rjgaku CCD Saturn 724+型X-射線單晶衍射儀。

薄層層析用硅膠GF254，煙臺市芝罘黃務硅膠開發試驗廠；其余所用試劑均為分析純。

1.2 合成

(1) 1的合成

在三頸瓶中加入蒸餾水100 mL和80%水合肼75 mL(1.32 mol)，攪拌下加入硝酸銨23 g(290 mmol)，完合溶解后加入硝酸胍34 g(280 mmol)，劇烈攪拌下回流(80 ℃)反應至110 ℃；反應約3 h(至不再產生氣泡)。用冰水迅速冷卻，有大量白色針狀晶體產生，過濾，濾餅用冰水洗滌，干燥得白色固體1 32.2 g，產率69%， m.p.215 ℃～218 ℃(216 ℃～218 ℃[8])。

(2) 2的合成

在三頸瓶中加入1 32.0 g(200 mmol)和蒸餾水200 mL，攪拌下微熱使其溶解；滴加乙酰丙酮43 mL(420 mmol)(30 min內)，于70 ℃反應4 h。冷卻，析出沉淀,過濾，濾餅用水洗滌，干燥得土黃色固體2 21.0 g，產率81%， m.p.144 ℃～147 ℃(146 ℃～148 ℃[8])。

(3) 3的合成

在三頸瓶中加入NMP(1.035 mol)100 mL和2 21.0 g(772 mmol),攪拌使其溶解；加入20%醋酸90 mL(310 mmol)，緩慢滴加20%NaNO2溶液45 mL(0.15 mol)(溫度低于25 ℃)，滴畢，劇烈攪拌下反應3 h～4 h。過濾，濾餅用水洗滌，干燥得紅色粉末3 19.1 g，產率91.8%， m.p.222 ℃～225 ℃(96%， 225 ℃～227 ℃[11])。

(4) 4的合成

在三頸燒瓶中加入乙腈200 mL(3.849 mol)和3 19.1 g(70．7 mmol)，攪拌下于室溫滴加水合肼4.3 mL(70.7 mmol)，滴畢，反應1 h。過濾，濾餅風干;濾液低于50 ℃減壓蒸餾至干，殘余物用甲苯淋洗，過濾，濾餅風干。合并固體得紅褐色固體4 14.4 g，產率99%， m.p.132 ℃～134 ℃(135 ℃～136 ℃[12])。

(5) 6的合成通法

在三頸瓶中加入4 0.52 g(2.5 mmol)，氯仿15 mL和K2CO30.18 g(1.3 mmol)，冰水浴冷卻，攪拌下滴加5a～5j2.5 mmol的CHCl3(10 mL)溶液，滴畢，反應1 h～2 h[TLC檢測，展開劑：V(乙酸乙酯) ∶V(甲醇)=9 ∶1]。反應液用水或溶劑(2×10 mL)洗滌，減壓抽取溶劑得粗品，經硅膠薄板層析[展開劑：V(二氯甲烷) ∶V(石油醚)=1 ∶1]提純得紅色固體6a～6h,6j和黏稠液體6i。

1．3 6c的晶體結構測定

將6c溶于乙酸乙酯中，在室溫下慢慢揮發得方塊狀紅色晶體。選取0.43 mm×0.44mm×0.40 mm單晶用于結構分析。于室溫下，在射線衍射儀上,用石墨單色器單色化Mo Kα射線(λ=0.071 073 nm)，以ψ-ω掃描方式,在3.2°≤θ≤27.5°內共收集11 006個衍射點，其中2 449個(Rint=0.026)為獨立衍射強度數據。非氫原子坐標用直接法解出，用最小二乘法對非氫原子進行各向異性溫度因子修正。

2 結果與討論

2．1 合成

合成3時，用NaNO2溶液和AcOH代替文獻[8]方法中通入NO2氣體的方法，使反應操作更加簡單方便，而且反應時間不變、產率相近。利用3和水合肼反應，制備了4，反應時間短，產率高(>98%)。在6的合成中，對反應條件進行了優化，分別選用吡啶、三乙胺和K2CO3作為縛酸劑。結果發現K2CO3效果最好。在此基礎上，又選用不同溶劑反應(二氯甲烷、甲苯、四氫呋喃、乙腈以及CHCl3)，發現非極性溶劑反應緩慢，而CHCl3產率最高。據此，反應中采用K2CO3作為縛酸劑，CHCl3為溶劑。

6a～6j的實驗結果和元素分析數據見表1，光譜數據見表2。

2．2 6c的晶體結構

圖1和圖2分別為6c分子結構和分子堆積圖，部分鍵長和鍵角見表3，表4則為其分子間的氫鍵數據。分子結構解析表明，6c(C10H14N8O, Mr=262.29)屬單斜晶系，P21/c空間群，晶胞參數a=1.089 6(3) nm,b=0.803 54(18) nm,c=1.480 5(3) nm，α=γ=90°，β=101.243(6)°，V=1.271 3(5) nm3，Dm=Dc=1.276 Mg·m-3,Z=4，F(000)=552，μ=0.10 mm-1，R1=0.036,wR2=0.097。

表1 6的實驗結果和元素分析數據Table 1 Experimental results and elemental analysis data of 6

表2 6的1H NMR和IR數據Table 2 1H NMR and IR data of 6

圖1 6c的分子結構圖Figure 1 Molecule structure of 6c

從圖1可見,在四嗪環中四個氮原子[N(1), N(2), N(4)， N(5)]處于同一平面上,C(6)和C(3)分別偏離此平面0.007 0(2) nm和0.004 7(2) nm,與吡唑環，N(14)/N(15)/C(16)/O(17)和C(16)/C(18)/C(19)形成的二面角分別為48.8°， 79.1(2)°和53.5(2)°。

從圖2可以發現6c存在分子間的氫鍵[N(14)-H(14N)┈O(1)和N(15)-H(15N)┈N(8)]有助于提高其晶體結構的穩定性。

表3 6c的部分鍵長和鍵角Table 3 Selected bond lengths and angles of 6c

圖2 6c的分子堆集圖Figure 2 Packing diagram of 6c

表4 6c的分子間氫鍵Table 4 Hydrogen bond of intermolecular of 6c

i-x+3/2, y-1/2, -z+3/2;ii-x+1, -y+1,-z+1

3 結論

用簡單的方法合成了一系列新型的1-[6-(3,5-二甲基-1H-吡唑-1-基)-1,2,4,5-四嗪-3-基]酰肼衍生物，其結構經1H NMR， IR， MS和元素分析表征。新化合物的合成為該類化合物的合成提供了一個好的方法。

[1] Hiskey M， Goldman N， Stine J J. High-nitrogen energetic materials derived from azotertrazolate energy[J]．Energ Mater，1998,16：119-127.

[2] Chavez D， Hiskey M， Naud D J. High-nitrogen fules for low smoke pyrotechnics[J]．Pyrotech，1999,10:17-36．

[3] Hiskey M, Chavez D. Propellant containing 3,6-bis(1H-1,2,3,4-tetrazol-5-yl-amino)-1,2,4,5-tetrazine or salts hereof[P].US 6 458 227,2002.

[4] Yeu Cherng Lu, Paul H Wierenga. Advanced propellant/additive development for fire suppressing gas generators[J]．Proceedings of Halon Options Technical Working Conference,2000:361-370.

[5] Rao G W， Hu W X. Synthesis,structure analysis,and antitumor activity of 3,6-disubstituted-1,4-dihydro-1,2,4,5-tetrazine derivatives[J]．Bioorg Med Chem Lett，2006,16：3702-3705.

[6] Hu W X， Rao G W， Sun Y Q. Synthesis and antitumor activity ofS-tetrazime derivatives[J]．Bioorg Med Chem Lett，2004,14：1177-1181.

[7] Makriyannis A， Deng H F. Novel lannobiminetic ligands[P]．WO 2002 058 636,2002.

[8] 岳守體,陽世清. 3,6-雙(1氫-1,2,4,5-四唑-5-氨基)-1,2,4,5-四嗪的合成與表征[J].合成化學,2004,(12):164-166.

[9] 余天祥,楊發福. 三氨基胍疊氮酸鹽的非水相合成研究[J].含能材料,2000,8(2):52-55.

[10] Vernon E, Haury, Simi Valley. Method of producing triaminoguanidine nitrate[P].US 3 950 421,1976.

[11] Bohle M. Science of synthesis:Houpen-Weyl methods of molecular transformations[J]．Thieme Medical Pulishers,Incorporated,2004,17:585-626.

[12] David E C, Hiskey M A. Synthesis of the bi-heterocydic parent ring system 1,2,4-triazole[4，3-b][1，2，4，5]tetrazine and some 3,6-disubstituted derivatives[J]．J Heterocyclic Chem,1998,35：1329-1332.