咔唑三胺衍生物及其制备方法和应用

本发明属于有机合成技术领域，具体涉及一种咔唑三胺衍生物及其制备方法，尤其涉及3，6，9-三氨基咔唑及其制备方法与应用。

背景技术：

咔唑类衍生物是一类含有富电子的氮原子的芳香杂环结构，因其具有较大的共轭体系、良好的刚性共轭平面和优良的给电子能力，使其在医学、生物学和发光材料等方面有着广泛的应用。在近年来的报道中，基于咔唑设计的光学器件表现出极高的荧光量子效率和发光寿命，另外，咔唑相关材料表现出出色的气体吸附性质。

胺类化合物可广泛应用于生物界和染料工业，更是席夫碱类化合物的主要原料，席夫碱类化合物在医药、催化、发光、材料科学等领域均有着广泛的应用。因此，合成咔唑三胺衍生物，可以与不同拓扑结构的醛通过席夫碱缩合反应实现特定功能性化合物的合成。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种咔唑三胺衍生物及其制备方法与应用，以克服现有技术的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种咔唑三胺衍生物，它具有如式(i)所示的结构：

本发明实施例还提供了一种3，6-二硝基咔唑衍生物，它具有如式(ii)所示的结构：

其中，r选自氢和氨基中的任一者。本发明实施例还提供了一种咔唑三胺衍生物的制备方法，其包括：

(1)使包含三水合硝酸铜、醋酸酐、醋酸的第一均匀混合反应体系冷却至10～15℃，加入咔唑后的第二均匀混合反应体系于90～100℃反应3～8h，制得3，6-二硝基咔唑；

(2)在保护性气氛下，使包含所述3，6-二硝基咔唑、2，4-二硝基羟胺、第一碱性物质和第一溶剂的第三均匀混合反应体系于25～35℃反应20～24h，制得3，6-二硝基-9-氨基咔唑；

(3)使包含所述3，6-二硝基-9-氨基咔唑、钯催化剂、还原剂和第二溶剂的第四混合反应体系于80～90℃反应1～2天，制得咔唑三胺衍生物。本发明实施例还提供了由前述方法制备的咔唑三胺衍生物。

本发明实施例还提供了述的咔唑三胺衍生物于医学、生物学和发光材料等领域中的用途。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明提供的制备方法以商品化的咔唑、三水合硝酸铜为原料，价格低廉，原料在酸性条件下发生亲电取代反应得到3，6-二硝基咔唑，然后在碱性条件下利用2，4-二硝基羟胺将仲胺氨基化得到3，6-二硝基-9-氨基咔唑，随后硝基还原为氨基得到咔唑三胺衍生物，反应过程操作简单、合成路线较为简洁且有很高的反应收率；

本发明制备的咔唑三胺衍生物，可以与不同拓扑结构的醛通过席夫碱缩合反应实现特定功能性化合物(如共价有机框架材料)的合成。咔唑三胺衍生物为该类材料提供了重要合成前体，得到的相应共价有机框架材料在医学、生物学和发光材料等领域均有着广泛的应用，因此，制备咔唑三胺衍生物具有重要意义。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例1中步骤(1)制备的3，6-二硝基咔唑的核磁氢谱图；

图2是本发明实施例1中步骤(2)制备的3，6-二硝基-9-氨基咔唑的核磁氢谱图；

图3是本发明实施例1中步骤(2)制备的3，6-二硝基-9-氨基咔唑的核磁碳谱图；

图4是本发明实施例1中步骤(3)制备的3，6，9-三氨基咔唑的核磁氢谱图；

图5是本发明实施例1中步骤(3)制备的3，6，9-三氨基咔唑的核磁碳谱图；

图6是本发明实施例2中所得基于咔唑的席夫碱类化合物tacb-dfb-cof的红外光谱图；

图7是本发明实施例2中所得基于咔唑的席夫碱类化合物tacb-dfb-cof的热重分析曲线图；

图8是本发明实施例2中所得基于咔唑的席夫碱类化合物tacb-dfb-cof的粉末x射线衍射图；

图9是本发明实施例2中所得基于咔唑的席夫碱类化合物tacb-dfb-cof的氮气吸附-脱附曲线图；

图10是本发明实施例2中所得基于咔唑的席夫碱类化合物tacb-dfb-cof的孔径分布图。

具体实施方式

鉴于现有技术的缺陷，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的主要目的在于提供一种咔唑三胺衍生物及其制备方法与应用，以克服现有技术的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种咔唑三胺衍生物，它具有如式(i)所示的结构：

本发明中，所述咔唑三胺衍生物为3，6，9-三氨基咔唑。本发明实施例还提供了一种3，6-二硝基咔唑衍生物，它具有如式(ii)所示的结构∶

其中，r选自氢和氨基中的任一者。

本发明实施例的另一个方面还提供了一种咔唑三胺衍生物的制备方法，其包括：

(1)使包含三水合硝酸铜、醋酸酐、醋酸的第一均匀混合反应体系冷却至10～15℃，加入咔唑后的第二均匀混合反应体系于90～100℃反应3～8h，制得3，6-二硝基咔唑；

(2)在保护性气氛下，使包含所述3，6-二硝基咔唑、2，4-二硝基羟胺、第一碱性物质和第一溶剂的第三均匀混合反应体系于25～35℃反应20～24h，制得3，6-二硝基-9-氨基咔唑；

(3)使包含所述3，6-二硝基-9-氨基咔唑、钯催化剂、还原剂和第二溶剂的第四混合反应体系于80～90℃反应1～2天，制得咔唑三胺衍生物。

在一些较为具体的实施方案中，步骤(1)中所述咔唑、三水合硝酸铜、醋酸酐与醋酸的摩尔比为5∶6∶(60～70)∶(70～80)。

在一些较为具体的实施方案中，所述制备方法还包括：在所述第二均匀混合反应体系反应完成后，对所获混合物进行碱化、酸化、干燥、纯化处理；进一步的，所述纯化处理包括：将所述干燥处理后的产物于四氢呋喃与正己烷的体积之比为(2～1)∶1的混合溶剂中重结晶。

在一些较为具体的实施方案中，步骤(2)中所述3，6-二硝基咔唑、2，4-二硝基羟胺和第一碱性物质的摩尔比为1.5∶(1.8～3)∶1。

进一步的，所述第一碱性物质包括氢化钠或碳酸钾，且不限于此。

进一步的，所述第一溶剂包括n，n-二甲基甲酰胺或二甲基亚砜，且不限于此。

进一步的，所述保护性气氛包括氮气气氛和/或氩气气体气氛，且不限于此。

进一步的，所述制备方法还包括：在所述第三均匀混合反应体系反应完成后，对所获混合物进行水洗、甲醇洗、干燥处理。

进一步的，所述纯化处理包括：将所述水洗处理后的产物于甲醇溶液中分散，多次充分离心除去杂质。

在一些较为具体的实施方案中，步骤(3)中所述3，6-二硝基-9-氨基咔唑、钯催化剂与还原剂的摩尔比为1∶0.1∶(20～40)。

进一步的，所述还原剂包括水合肼。

更进一步的，所述水合肼的质量浓度为80wt％。

进一步的，所述第二溶剂包括醇类溶剂和/或醇类溶剂与高溶解度溶剂的混合溶液，且不限于此。

更进一步的，所述醇类溶剂包括甲醇、乙醇中的任意一种或两种的组合，且不限于此。

更进一步的，所述高溶解度溶剂包括四氢呋喃和乙酸乙酯中的任意一种或两种的组合，且不限于此。

进一步的，所述钯催化剂包括钯碳催化剂，且不限于此。

更进一步的，所述钯碳催化剂包括：钯5wt％，其余部分包括活性碳。

在一些较为具体的实施方案中，所述制备方法还包括：在所述第四混合反应体系反应完成后，对所获混合物进行过滤、纯化处理。

更进一步的，所述过滤部分收集滤液，进一步过滤收集滤饼。

更进一步的，所述纯化部分包括升华。

在一些更为具体的实施方案中，所述咔唑三胺衍生物的制备方法包括：

(1)将三水合硝酸铜、咔唑溶于醋酸酐和醋酸，加热至100℃，反应完成后，向体系中加碱液处理，进一步酸化得到固体，干燥后于四氢呋喃与正己烷(1.4∶1)的混合溶剂中重结晶，得到3，6-二硝基咔唑。

(2)3，6-二硝基咔唑、氢化钠、2，4-二硝基羟胺、n，n-二甲基甲酰胺在氮气保护下进行反应，反应完成后，向体系内加水处理，甲醇洗，过滤得到3，6-二硝基-9-氨基咔唑；

(3)将3，6-二硝基-9-氨基咔唑溶于醇类溶剂中，加入固态钯催化剂，以水合肼为还原剂，在水热釜中加热回流1-2天，反应结束后从体系中分离出钯催化剂，过滤，升华获得相应的咔唑三胺衍生物。

进一步的，步骤(1)中，咔唑、三水合硝酸铜、醋酸酐与醋酸的摩尔比为5∶6∶62∶70。

进一步的，步骤(2)中，3，6-二硝基咔唑、2，4-二硝基羟胺和氢化钠的摩尔比为1.5∶1.8∶1。

进一步的，步骤(3)中，3，6-二硝基-9-氨基咔唑、钯催化剂与还原剂的摩尔比为(1∶0.1∶20～40)。

优选的，步骤(3)中，所述醇类溶剂为甲醇或乙醇或醇类与高溶解度溶剂的混合溶液。

进一步的，步骤(3)中，所述固态钯催化剂采用钯/碳，其中包括5wt％钯，其余部分包含活性炭。

进一步的，步骤(3)中，所述的还原剂为80％水合肼。

本发明中，以三水合硝酸铜、咔唑和2，4-二硝基羟胺为原料，合成咔唑三胺衍生物及的反应路线如下所示：

本发明实施例的另一个方面还提供了由前述方法制备的咔唑三胺衍生物。

本发明实施例的另一个方面还提供了前述咔唑三胺衍生物用于制备席夫碱类化合物的用途。

下面结合若干优选实施例及附图对本发明的技术方案做进一步详细说明，本实施例在以发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

下面所用的实施例中所采用的实验材料，如无特殊说明，均可由常规的生化试剂公司购买得到。

实施例1

(1)3，6-二硝基咔唑的合成：

称取三水合硝酸铜(7.5g，30mmol)置于100ml三口圆底烧瓶，而后依次加入醋酸酐(30ml，317mmol)和醋酸(20ml，350mmol)。上述混合液冷却至15℃，10min内分两次加入咔唑(4.2g，25mmol)。然后混合液升温至27℃，搅拌30min后再升至100℃搅拌30min。监测反应进度，反应完毕后冷却至室温，加入10ml醋酸。将反应液倒入250ml蒸馏水中，搅拌30min。过滤，收集黄色沉淀物并用蒸馏水洗涤。然后，将滤饼溶解于20gkoh、250ml乙醇和250ml蒸馏水的冷溶液中，搅拌30min后过滤，收集滤液。向滤液中边搅拌边滴加30ml浓盐酸酸化，滤液由深红色滤液变为黄色。过滤收集黄色沉淀物并水洗，真空干燥后得到粗品3.95g。对粗品进一步使用四氢呋喃和正己烷体积分数为1∶1得混合溶剂重结晶处理，最终真空干燥得到3，6-二硝基咔唑(3g，47％)。其核磁氢谱如图1所示，¹hnmr(400mhz，dmso-d6)δppm12.70(s，1h)，9.50(d，j＝2.3hz，2h)，8.39(dd，j＝9.0，2.3hz，2h)，7.76(d，j＝9.0hz，2h).

(2)3，6-二硝基-9-氨基咔唑的合成：

称取3，6-二硝基咔唑(771mg，3mmol)置于250ml三口圆底烧瓶并置换成在氮气氛围)。搅拌30min后，称取2，4-二硝基羟胺(716.4mg，3.6mmol)缓慢加入到体系中。反应24h后，检测反应进度。反应结束后，将100ml蒸馏水加到体系中并搅拌15min。然后将反应液转移到离心管中，离心收集固体并用水和甲醇分别洗三次。最后，真空干燥得到3，6-二硝基-9-氨基咔唑(613mg，75％)。其核磁氢谱和碳谱分别如图3和图4所示，¹hnmr(400mhz，dmso-d6)δppm9.52(d，j＝2.4hz，2h)，8.48(dd，j＝8.8，2.4hz，2h)，7.84(d，j＝8.8hz，2h)，6.39(s，2h).¹³cnmr(100mhz，dmso-d6)δ145.45，141.18，122.58，119.66，118.55，110.38.

(3)3，6，9-三氨基咔唑的合成：

称取3，6-二硝基-9-氨基咔唑(217.6mg，0.8mmol)，钯碳催化剂(18.9mg，0.08mmol)，水合肼(0.78ml，16mmol)，超干四氢呋喃(8ml)和脱气无水乙醇(16ml)混合于聚四氟乙烯的衬管中，放置在水热釜中加热至88℃回流搅拌1.5天。反应结束后，用硅藻土过滤钯/碳，并用无水乙醇洗涤，过滤的过程中接收器中有固体析出，过滤收集固体，通过升华对所得固体进一步提纯，得到目标产物3，6，9-三氨基咔唑(64mg，38％)。其核磁氢谱和碳谱分别如图5和图6所示，¹hnmr(400mhz，dmso-d6)δppm7.13(d，j＝8.5hz，2h)，7.00(d，j＝2.1hz，2h)，6.68(dd，j＝8.5，2.1hz，2h)，5.36(s，2h)，4.55(s，4h).¹³cnmr(100mhz，dmso-d6)δ140.53，135.60，120.19，114.73，109.19，103.94.

实施例2

基于咔唑的席夫碱类化合物的制备

将21.2mg3，6，9-三氨基咔唑(tacb)、20.1mg对苯二甲醛(dfb)加入到10ml斯莱克管中，然后加入2ml二氧六环，超声溶解后加入0.6ml3mol/l醋酸溶液。再将反应体系在液氮中冷冻-真空-解冻循环三次脱气处理。将反应混合物密封在恒温油浴中加热至120℃并保温3天，反应结束后冷却至室温，将所得混合物离心分离收集固体，然后用n，n-二甲基甲酰胺和四氢呋喃离心洗涤，在80℃下真空干燥24h得到橙色粉末基于咔唑的席夫碱类化合物tacb-dfb-cof，产率为88％。

对本发明实施例2中所得基于咔唑的席夫碱类化合物tacb-dfb-cof进行红外光谱测试、x射线粉末衍射、热重分析测试、氮气吸附脱附测试，分别对其分子结构、晶态、比表面积以及孔径分布和热稳定性进行表征，其表征结果如图6～10所示；

如图6所示，所得到的基于咔唑的席夫碱类化合物的红外光谱图。结果表明，原料中的氨基和醛基明显消失，而且生成了亚胺键，成功制备了目标产物；

如图7所示，所得到的基于咔唑的席夫碱类化合物的粉末x射线衍射图，与理论模拟结果对照一致。结果表明，制备得到的样品具有两种不同尺寸的方形孔，且结晶度良好；

如图8及图9所示，所得到的基于咔唑的席夫碱类化合物的氮气吸附脱附等温线和孔径分布曲线图，可以得到，基于咔唑的席夫碱类化合物比表面积为283m²/g，孔径分布集中在1.24nm和3.94nm两个位置。结果表明，制备得到的基于咔唑的席夫碱类化合物具有两种不同尺寸的方形孔；

如图10所示，所得到的基于咔唑的席夫碱类化合物的热重分析曲线图。结果表明，当温度升至260℃时，tacb-dfb-cof的重量剩余95％；温度升至最终温度800℃时，样品的重量剩余48.6％。

此外，本案发明人还参照前述实施例，以本说明书述及的其它原料、工艺操作、工艺条件进行了试验，并均获得了较为理想的结果。

本发明的各方面、实施例、特征及实例应视为在所有方面为说明性的且不打算限制本发明，本发明的范围仅由权利要求书界定。在不背离所主张的本发明的精神及范围的情况下，所属领域的技术人员将明了其它实施例、修改及使用。

在本发明案中标题及章节的使用不意味着限制本发明；每一章节可应用于本发明的任何方面、实施例或特征。

在本发明案通篇中，在将组合物描述为具有、包含或包括特定组份之处或者在将过程描述为具有、包含或包括特定过程步骤之处，预期本发明教示的组合物也基本上由所叙述组份组成或由所叙述组份组成，且本发明教示的过程也基本上由所叙述过程步骤组成或由所叙述过程步骤组组成。

应理解，各步骤的次序或执行特定动作的次序并非十分重要，只要本发明教示保持可操作即可。此外，可同时进行两个或两个以上步骤或动作。

尽管已参考说明性实施例描述了本发明，但所属领域的技术人员将理解，在不背离本发明的精神及范围的情况下可做出各种其它改变、省略及/或添加且可用实质等效物替代所述实施例的元件。另外，可在不背离本发明的范围的情况下做出许多修改以使特定情形或材料适应本发明的教示。因此，本文并不打算将本发明限制于用于执行本发明的所揭示特定实施例，而是打算使本发明将包含归属于所附权利要求书的范围内的所有实施例。此外，除非具体陈述，否则术语第一、第二等的任何使用不表示任何次序或重要性，而是使用术语第一、第二等来区分一个元素与另一元素。