三種長鏈烷氧基苯甲酰基硫脲衍生物的合成及其凝膠行為

籍向東, 趙愛娟, 劉 歡, 岳國仁, 曹 成

(河西學院 甘肅省河西走廊特色資源利用重點實驗室，甘肅 張掖 734000)

N-取代苯甲酰基硫脲衍生物由于具有可與金屬鍵合的強給電子基團(羰基和硫羰基)在配位化學中得到了廣泛的關注[1]。經(jīng)研究證實，這類衍生物在生物活性[2]、金屬離子溶劑萃取[3]、液晶材料[4]等領域有很重要的應用價值。由于化合物中含有電負性較大的硫、氧原子及N—H鍵，可將其應用于催化劑的制備[5]、陰離子識別[6]及離子傳輸[7]等研究方向。此外，研究人員發(fā)現(xiàn)含有烷氧基團的N-取代苯甲酰基硫脲衍生物在液晶材料制備領域具有潛在的應用價值[8]。其中，含有長鏈結構的此類化合物由于分子間長鏈的疏水作用具有良好的凝膠性能，且所含長鏈結構的位置與個數(shù)均對凝膠的形成有一定的影響[9-11]。并且可以通過改變芳環(huán)上取代基的位置和個數(shù)來調(diào)控化合物的凝膠能力，利用小分子的自組裝性質(zhì)制備具有不同凝膠性質(zhì)的小分子凝膠劑[12-13]。通過長鏈烷氧基團的引入，可以利用分子中長鏈的分子間作用力或空間填充的性質(zhì)形成凝膠，而不是由化合物中氫鍵所引起[14]。因此，發(fā)展新型具有凝膠性質(zhì)的N-取代苯甲酰基硫脲衍生物仍然是一個具有挑戰(zhàn)的課題。

低分子量凝膠在過去的幾十年里備受關注，不僅是因為他們多種多樣潛在的應用價值，而且對凝膠形成機理的研究一直也有所欠缺[15]。在凝膠形成的過程中，凝膠分子主要通過非共價鍵自組裝的方式結合，其中的非共價鍵作用主要包括：氫鍵、π-π相互作用、范德華力作用和偶極作用等[16]。以氫鍵為例，糖類化合物[17]、核酸[18]、氨基酸[19]及硫脲類凝膠劑[20]在形成凝膠的過程中絕大多數(shù)都是以氫鍵作為主要結合方式。基于部分低分子量凝膠具有溫度、pH、陽離子、光、電磁響應等感應性能，可在光電子設備、藥物傳遞及控釋、分子監(jiān)測等領域作為新型功能材料[20-21]。此外，利用小分子凝膠自組裝的特殊性質(zhì)，可以利用纖維狀聚集體作為模板將溶劑、甚至化合物分子從凝膠中通過凍干蒸出去，可以得到金屬納米級微粒[22]。為了擴充凝膠分子的種類，長鏈凝膠分子逐步被研究人員發(fā)現(xiàn)，特有的疏水作用賦予凝膠特有的性質(zhì)[23]。

本文以沒食子酸和溴代十四烷為原料，經(jīng)過烷基化、醇化、酸化及鹵代得到中間產(chǎn)物1，化合物1與硫氰酸銨的混合物分別與對硝基苯胺、對硝基苯肼和2,4-二硝基苯肼作用得到3種長鏈烷氧基苯甲酰基硫脲衍生物2、3和4(Scheme 1)，其結構經(jīng)1H NMR，13C NMR，IR和MS確證，并考察了3種化合物的凝膠行為。

Scheme 1

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Bruker-NMR 400 MHz型核磁共振儀(氘代CDCl3為溶劑，TMS為內(nèi)標)；Nicolet iS50型紅外光譜儀；Bruker-micro TOF-Q Ⅲ型電噴霧質(zhì)譜儀；Quanta450FEG型掃描電子顯微鏡。

化合物1參照文獻[22]合成；其余所用試劑均為分析純或化學純。

1.2 合成

(1)化合物2～4的合成(以2為例)

稱取11.50 g(2 mmol)和硫氰酸銨0.31 g(4 mmol)，攪拌下加入丙酮20 mL，加入0.5 mL PEG-400，升溫回流，反應2 h(TLC檢測)。完成后不經(jīng)分離，直接加入對硝基苯胺0.28 g(2 mmol)，繼續(xù)回流2 h，冷卻至室溫，將反應液倒入冰水混合物中攪拌至出現(xiàn)絮狀沉淀，過濾，濾餅用冷丙酮(3×10 mL)洗滌，干燥后得化合物2，化合物3和4的合成方法與化合物2類似。

化合物2：淡黃色固體1.45 g，收率77%，m.p.69～71 ℃;1H NMRδ: 11.04(s, 2H), 9.14(d,J=4.0 Hz, 2H), 8.31(dd,J=4.0 Hz, 1H), 8.29(dd,J=4.0 Hz, 1H), 7.97(d,J=8.0 Hz, 2H), 4.05(m, 6H), 1.79(m, 6H), 1.47(m, 6H), 1.26(m, 60H), 0.88(t,J=8.0 Hz, 9H);13C NMRδ: 178.26, 167.05, 153.58, 145.18, 143.75, 143.33, 126.31, 125.46, 124.61, 123.09, 113.56, 106.29, 73.77, 69.68, 31.92, 29.73, 29.70, 29.66, 29.37, 29.36, 29.30, 26.05, 22.68, 14.09; IRν: 3360, 2954, 2850, 2920, 1710, 1570, 1470, 1340, 1227, 1111 cm-1; MS(ESI)m/z: Calcd for C56H95N3O6S{[M+K+H2O+2H]+}996.684, found 996.604。

化合物3：黃色固體1.49 g，收率78%，m.p.44～46 ℃;1H NMRδ: 13.16(s, 1H), 9.01(s, 1H), 8.30(d,J=8.0 Hz, 1H), 8.08(m, 3H), 7.04(s, 1H), 6.63(d,J=8.0 Hz, 2H), 4.03(m, 6H), 1.84(m, 6H), 1.56(m, 3H), 1.47(m, 6H), 1.26(m, 57H), 0.88(t,J=8.0 Hz, 9H);13C NMRδ: 182.49, 169.21, 166.34, 153.47, 153.09, 150.40, 147.94, 139.90, 126.13, 111.58, 106.23, 31.93, 30.32, 29.74, 29.70, 29.66, 29.64, 29.36, 29.29, 26.07, 25.33, 22.68, 15.76, 14.10; IRν: 3299, 2954, 2850, 2920, 1720, 1617, 1430, 1330, 1220, 1120 cm-1; MS(ESI)m/z: Calcd for C56H96N4O6S{[M+K+H2O-H]+}1008.671, found 1008.830。

化合物4：深黃色固體1.64 g，收率82%，m.p.62～64 ℃;1H NMRδ: 8.36(d,J=12.0 Hz, 1H), 8.25(d,J=8.0 Hz, 1H), 8.14(s, 1H), 8.12(d,J=8.0 Hz, 1H), 7.90(d,J=8.0 Hz, 1H), 7.56(d,J=8.0 Hz, 1H), 7.05(d,J=8.0 Hz, 2H), 4.02(m, 6H), 1.82(m, 6H), 1.47(m, 6H), 1.26(m, 60H), 0.88(t,J=8.0 Hz, 9H);13C NMRδ: 169.25, 155.16, 153.46, 153.09, 152.05, 145.15, 137.68, 129.98, 128.99, 123.54, 116.36, 106.26, 73.53, 69.43, 31.92, 30.32, 29.73, 29.70, 29.66, 29.63, 29.36, 26.07, 25.48, 22.68, 16.99, 14.09; IRν: 3320, 2954, 2850, 2920, 1730, 1610, 1470, 1331, 1295, 1110 cm-1; MS(ESI)m/z: Calcd for C56H95N5O8S{[4M+H]+}3993.775, found 3993.776。

1.3 凝膠實驗

將0.05 g化合物加入一個密閉的玻璃瓶中，然后再加入0.5 mL待測純?nèi)軇ㄟ^加熱使化合物全部溶解，冷卻至室溫，觀察冷卻后的結果并記錄實驗現(xiàn)象。上述實驗中所使用的純?nèi)軇┚鶠榉治黾儯椅醇兓苯邮褂谩?/p>

2 結果與討論

2.1 化合物2、3 和4 的凝膠行為

詳細研究測試了在20種常見純?nèi)軇┲?種化合物2、3和4的凝膠行為，凝膠實驗溶液的濃度為5.5 mg/mL，如表1所示。

表1 化合物2、3 和4 在不同溶劑中的凝膠行為#

圖1 化合物在乙醇中凝膠示意圖

化合物2在測試的20種純?nèi)軇┲锌梢孕纬?種凝膠，形成的凝膠包括醇類(乙醇、正丁醇、異丁醇、正辛醇)、羧酸類(醋酸)、醛酮類(正丁醛、丙酮)，并且均為不透明凝膠，而在DMSO、正戊醇、DMF和甲醇中形成沉淀。從極性角度分析，能夠形成凝膠的純?nèi)軇┚鶠闃O性溶劑，主要是由于溶劑極性的升高促進了長鏈烴基的疏水聚集能力，從而更容易形成凝膠。在這20種純?nèi)軇┲校衔?在乙醇、醋酸、DMF、甲醇中形成凝膠，且在正戊醇和正辛醇這兩種醇類試劑中有沉淀。而在化合物2形成凝膠的正丁醇、異丁醇、正辛醇、正丁醛和丙酮中，化合物3則為溶液。這可能是由于化合物3比化合物2多了一個N—H鍵，形成更多的氫鍵，從而使化合物3的極性增強。

化合物在乙醇中均為黃色不透明凝膠。2中酰基硫脲單元可與DMF分子形成分子間氫鍵而使得分子剛性增加，不能形成凝膠。與化合物2和3相比，化合物4僅在極性較大的乙醇、醋酸和DMF中形成凝膠，而在甲醇和正辛醇中形成沉淀。考慮到化合物4的結構中含有2個強吸電子的硝基基團，增加了化合物的極性，且鄰位硝基的引入在一定程度上增強了其形成分子內(nèi)氫鍵的能力，從而降低了分子間的聚集能力，最終導致化合物4形成凝膠的能力有所減弱。通過以上分析可知，活潑氫的個數(shù)及分子的極性對化合物的凝膠行為有一定影響。因此，可以通過替換芳香環(huán)取代基及胺，肼等含可形成氫鍵單元，實現(xiàn)對化合物凝膠能力的有效調(diào)控。

2.2 凝膠的微觀形貌

通過SEM技術對3種凝膠劑在不同溶劑中所形成凝膠進行微觀結構分析，測試樣品是將剛制備的凝膠經(jīng)冷凍干燥所得到的干凝膠，同時利用導電膠固定于樣品臺，并進行噴金處理。

如圖2所示，通過對3種典型不同溶劑干凝膠的SEM圖分析可知，化合物中活潑氫和硝基個數(shù)對凝膠的微觀結構具有一定的影響。化合物2在乙醇中形成了條帶狀網(wǎng)格結構(圖2a)，條帶寬度約為1 μm。多了一個N—H鍵的化合物3在醋酸中形成的凝膠與化合物2差別較大，形成了不規(guī)則的葉片形狀(圖2b)。多了一個N—H鍵和硝基的化合物4在DMF中同樣形成了不規(guī)則的葉片結構，且葉片致密，凹凸不平(圖2c)。正是由于在整個凝膠體系中充滿了這些條帶或葉片的堆積，使得溶劑被固定而形成凝膠。

圖2 化合物2、3和4在不同溶劑中形成的干凝膠SEM圖(a.乙醇; b.醋酸; c.DMF)

以沒食子酸和溴代十四烷為最初原料，合成了3種長鏈烷氧基苯甲酰基硫脲衍生物2、3和4，并考察研究了這3種化合物的凝膠行為。結果表明：3個化合物N—H鍵和硝基個數(shù)的差異，導致分子極性及聚集能力不同，形成凝膠的能力化合物2>3>4。不同化合物及溶劑形成凝膠的微觀結構具有一定的差異。該類長鏈烷氧基苯甲酰基硫脲衍生物的開發(fā)對長鏈有機化合物的發(fā)展及凝膠制備領域均有參考及應用價值。