新型荧光农药2-(2,6-二氯-4-三氟甲基-苯基)-5-(5-苯基-1H-[1,2,4]三唑)-4-三氟甲基-2H-吡唑-3-胺的溶剂热法合成与结构表征

陈连清，杜艳婷，黄裕峰

(中南民族大学 化学与材料科学学院 催化材料科学国家民委-教育部共建重点实验室，武汉 430074)

氟虫腈是一种以苯基吡唑为骨架，能有效干扰害虫的神经中枢，且与现有杀虫剂无交互抗性的新一代杀虫剂，常用于农药和公共卫生领域[1].氟虫腈在自然界中不易降解[2]，为其增加类似三唑的发色团后，吸光性增加，不仅能加快自然降解的速度，还可作为荧光探针监测农药疏导性，指导设计新型靶向农药分子.由于目前国内外现有高效液相色谱法、气相色谱法、气相色谱-质谱法等检测农药残留[3,4]，操作繁琐费力，无法有效跟踪生物体内农药疏导的路径[5]，对于近几年新研发了一系列对生物体内农药残留检测荧光光谱技术，合成相应的农药性质相似的荧光探针十分重要[6].

五元杂环三唑是一类具有广泛生物活性的化合物，可作为杀菌剂、植物生长调节剂、除草剂等[7,8].特别是1,2,4-三唑环有抗菌、扛痉挛、抗血小板凝聚等用途[9].若在氟虫腈的苯基吡唑骨架上接上1,2,4-三唑环，可能产生新的生物活性，提高抗虫抗菌效果，为寻找新药具有重要意义[10,11].氰基一般转化为相应的酰胺、酸、亚胺等[12]；或与叠氮盐反应生成四唑化合物[13]，反应时间长、产率较低.但氟虫腈上的氰基较稳定，一般先变成酯再合成三唑环，尚无氟虫腈上的氰基与苄氨肟合成三唑环的报道[14].与传统加热回流相比，溶剂热法在密闭空间里能形成高温高压条件，反应物均匀分散在溶液中有利于反应进行，方便回收溶剂和进行后处理.因此使用溶剂热法使氰基与氨肟反应生成1,2,4-三唑环具有较大的创新意义.

本文以氟虫腈和苯甲腈为起始原料，使用铜离子作为催化剂，在溶剂热法下得到了一种新型荧光化合物：2-(2,6-二氯-4-三氟甲基-苯基)-5-(5-苯基-4H-1,2,4-三唑)-4-三氟甲基亚砜基-3-氨基-2H-吡唑.以氟虫腈的苯基吡唑环作为母体接上三唑基团，期待能获得荧光性能更好和生物活性更优良的化合物，合成路线如图1.

图1 化合物2的合成路线图Fig.1 Synthesis route of compound 2

1 实验部分

1.1 试剂和仪器

氟虫腈、苯甲腈、盐酸羟胺、醋酸铜、乙醇、三乙胺、乙酸乙酯和石油醚均为市售分析纯，使用前未进一步纯化.

傅立叶红外光谱仪(NEXUS470型，美国尼高力)；全数字化核磁共振谱仪(AVANCEIII 400 MHz，瑞士布鲁克)；液质连用仪(LCQ Fleet，美国安捷伦)；低温冷却液循环泵(DLSB-5L/20，巩义予华)；旋转蒸发器(RE-52，上海亚荣)；数字熔点仪(WRS-1B，上海精科)；荧光光谱仪(PE LS-55 型，美国PerkinElmer).

1.2 化合物1的合成

在50 mL单口烧瓶中加入10 mmol苯甲腈、20 mL乙醇溶液和5 mL三乙胺，室温下缓慢加入12 mmol的盐酸羟胺，在80 ℃下回流加热120 min.反应完成后使用乙酸乙酯萃取3次，收集有机相，旋蒸后得到淡黄色粘稠液体，化合物1，产率为97.6%.1H NMR(DMSO,400 MHz),δ: 9.67(s,1H, N—OH), 7.67(s,2H, Ar—H), 7.35(s,3H, Ar—H), 5.83(s,2H, N—H); IR(KBr,ν/cm-1): 3447, 2901, 1492, 1464, 886, 811. Anal. calc for C7H8N2O: C 61.75, H 5.92, N 20.58; found C 61.68, H 5.86, N 20.52.

1.3 化合物2的合成

将得到的化合物1加入到聚四氟乙烯内衬中，再加入12 mmol的氟虫腈，1 mmol醋酸铜，5 mL三乙胺和20 mL DMSO.把内衬装入高压反应釜中，放入烘箱后，在120 ℃下反应720 min.停止反应后，使用乙酸乙酯萃取3次，收集有机相，用无水MgSO4干燥后，抽滤.使用硅胶吸附并干法制样，洗脱剂为体积比1∶4的乙酸乙酯与石油醚，经柱层析法提纯产物，得到白色粉末化合物2，收率为55.7%，ESI-MS,m/z: 554.99[M+H]+.1H NMR(DMSO, 400 MHz),δ: 14.88(s, 1H,Ar—H), 8.28(s,1H, Ar—H), 8.26(s,1H, Ar—H), 8.01(s,1H, Ar—H), 7.99(s,1H, Ar—H), 7.56(s,1H, Ar—H), 7.54(s,1H, Ar—H), 7.49(s,1H, Ar—H), 6.95(s,1H, Ar—H), 6.80(s,1H, Ar—H); IR(KBr,ν/cm-1): 3425, 3303, 1629, 1554, 1509, 1436, 1397, 1326, 966, 817. Anal. calc for C19H10Cl2F6N6OS:C 41.10, H 1.82, N 15.13; found C 41.08, H 1.88, N 15.09.

2 结果与讨论

2.1 产物的结构表征

由化合物2的1HNMR数据中可知：在14.88处有单峰出现，此峰为三唑上氢的特殊峰；其余峰出现在8.50～6.50，说明这些峰代表的都是芳香氢.图2为化合物2的1H NMR谱图，图2a是以氘代DMSO作为溶剂，图2b是滴加D2O交换后的1H NMR谱图.在滴加重水后，14.88与6.80处的峰几乎消失，说明这两处的峰为活泼氢，14.88处的峰对应化合物2三唑上的氢，6.80处的峰对应氨基上的氢.结合目标化合物结构分析可知：8.28, 8.01,7.56处的峰对应于苯环上的H，在滴加重水后水峰向低场有所移动，且峰有所增强.1H NMR谱中其他峰无明显变化，说明化合物2在D2O中是稳定的.由IR数据可见：化合物1的—OH的特征吸收峰2901在化合物2中消失，证明化合物1和化合物2的红外数据均和结构相符.

图2 化合物2的1H NMR谱图Fig.2 1H NMR spectrum of compound 2

图3为化合物2的质谱图(ESI-MS，正离子模式)和结构式，其分子式为C19H10Cl2F6N6OS，精确质量为553.99，分子离子峰[M+H]+为554.99，与计算结果一致，质荷比576为[M+Na]+的碎片峰.由于化合物2的结构中含有2个Cl原子和1个S原子，在质谱图上554～560处的峰表现为同位素峰簇.

图3 化合物2的质谱图Fig.3 Mass spectrum of compound 2

2.2 化合物2的晶体结构

化合物2的晶胞参数见表1，分子结构图和分子堆积结构图分别见下图4和图5，表2为化合物2的部分键长和键角数据.结合图表可知，化合物2的分子式为：C19H10Cl2F6N6OS，属于单斜晶系，其中a≠b≠c，α=β≠γ，空间群为P21/c.每个晶胞单元含有6个化合物2分子；其中Cl(1)—C(1)的键长1.734(5) Å明显比F(6)—C(18)的键长1.308(6) Å长，说明C—Cl键比C—F键的键长长；N(4)—N(5)的键长比N(1)—N(2)的键长短，是由于三唑环比吡唑环的共轭程度大.通过这些晶体学数据表明化合物2是预期的目标产物.

表1 化合物2的晶胞参数Tab.1 Cell parameters of compound 2

图4 化合物2的晶体图Fig.4 Crystal diagram of compound 2

图5 化合物2的分子堆积结构Fig.5 Molecular packing structure of compound 2

表2 化合物2的部分键长和键角

2.3 化合物2的合成条件优化

2.3.1 催化剂对反应的影响

使用CuCl2、 CuSO4、 Cu(OAc)2为催化剂合成化合物2，观察对产率的影响.反应条件为：DMSO为溶剂，三乙胺为碱性试剂，催化剂的用量为0.1摩尔浓度比，反应温度120 ℃，在溶剂热方法下反应12 h. Cu为催化剂能使反应进行，其中CuCl2和CuSO4作为催化剂产率为5.7%和7.6%，Cu(OAc)2为催化剂的产率最高达到75.7%，因为Cu(OAc)2在DMSO中的溶解性高.

2.3.2 碱性试剂对反应的影响

使用K2CO3、NaOH、吡啶与三乙胺为碱性试剂合成化合物2，观察对产率的影响.反应条件为：DMSO为溶剂，Cu(OAc)2为催化剂，反应温度120 ℃，在溶剂热方法下反应12 h.其中 K2CO3和NaOH的产率为零，因为在高温高压与无机碱的存在下，原料氟虫腈已被完全分解，有机碱中三乙胺的产率为75.7%，高于吡啶的46%.

2.3.3 溶剂对反应的影响

使用甲苯、DMF与DMSO为溶剂合成化合物2，观察对产率的影响.反应的条件为：DMSO为溶剂，三乙胺为碱性试剂，Cu(OAc)2为催化剂，反应温度120 ℃，反应时间12 h. 由图6可见：使用DMSO作为溶剂时产率最高，DMF为溶剂时产率较低，甲苯为溶剂时产率最低；因为氟虫腈在甲苯的溶解度不大.

图6 溶剂对化合物2产率的影响Fig.6 Effect of solvent on the yield of compound 2

2.3.4 加热方式对反应的影响

使用油浴加热与溶剂热两种方法合成化合物2，观察对产率的影响.反应的条件为：DMSO为溶剂，三乙胺为碱性试剂，Cu(OAc)2为催化剂，在溶剂热方法下反应12 h. 由表3可见：产物的产率受温度影响，温度越高产率有所提高.当温度到达140 ℃时，化合物2会分解使产率降低，用溶剂热法较使用油浴加热的产率高.

表3 不同合成方法对化合物2产率的影响Tab.3 Effect of different synthetic methods on the yield of compound 2

2.4 化合物2的反应机理推测

由化合物2的晶体图中可确定1,2,4-三唑环上氢的位置在2号位上，对化合物2提出了可能的反应机理，见机理图7.醋酸铜中的二价铜与氟虫腈分子上的腈基先发生配位，苯甲胺肟上的羟基氧由于有孤对电子，可与铜配位后的腈基发生亲核反应，形成中间体，中间体中氨基上的一个氢与羟基在二价铜的作用下脱去一分子的水生成最终产物2-(2,6-二氯-4-三氟甲基-苯基)-5-(5-苯基-4H-1,2,4-三唑)-4-三氟甲基亚砜基-3-氨基-2H-吡唑(化合物).

图7 化合物2的反应机理图Fig.7 Reaction mechanism diagram of compound 2

2.5 化合物2的荧光性能

表4为相同摩尔浓度下氟虫腈与化合物2的荧光发射光谱和紫外吸收光谱分析.从荧光数据与图8可见，氟虫腈和化合物2的最大激发波长均在约290 nm，氟虫腈的最大发射波长在441 nm，此时的荧光强度为38.82，化合物2的最大发射波长在333 nm，此时的荧光强度为109.90，是为氟虫腈的3倍.说明氟虫腈的荧光发射主要集中在苯环与吡唑环上，当引入三唑环时，整体的共轭结构发生明显改变，共轭程度大大增强.由于化合物2的光物理性能稳定，荧光性能比氟虫腈强，为后续作为荧光探针检测农药分子导向性和农药残留奠定了基础.

表4 氟虫腈与化合物2的荧光性能Tab.4 Fluorescence properties of fipronil and compound 2

a溶剂: 乙腈;bI: 荧光强度

图8 氟虫腈与化合物2的荧光光谱Fig.8 Fluorescence spectrum of fipronil and compound 2

3 结语

以氟虫腈和苯甲腈为初始原料，醋酸铜为催化剂，将氰基转化为三唑环，溶剂热法成功合成了一种新型荧光农药5-氨基-1-(2,6-二氯-对三氟甲基-甲苯基)-4-三氟甲基亚磺酰基吡唑-3-(1,2,4-三唑-苯基)，利用IR、1H NMR、MS和元素分析等表征手段确认，提供了该化合物的晶体结构，优化了合成条件.当溶剂为DMSO，醋酸铜为催化剂，三乙胺为碱性试剂，120 ℃下反应12 h，产率最高可达75.7%.这种苯基吡唑骨架和三唑环连接的新型荧光化合物的合成具有重要的意义，其优良的荧光性能为后续为加快氟虫腈自然降解和使用荧光技术检测氟虫腈农药残留奠定了基础.