噻唑类化合物的电化学合成方法与流程

本发明涉及一种溴化物与四氯氢醌双催化电化学合成方法，用来合成噻唑化合物，属于噻唑化合物制备技术领域。

背景技术：

噻唑作为一类重要的五元芳香杂环，其含有氮、硫杂原子，特殊的结构使其在医药、农药、材料、生物染色剂及人工离子受体方面具有十分广泛的用途(徐宝财.香料香精化妆品,1995(02):34-38.)。如抗生素药物头孢克肟、抗癌药物达沙替尼、抗寄生虫药物硝唑尼特、消炎药物美洛昔康，还有多种杀虫除草剂药物中，都含有噻唑环。

噻唑类化合物广泛存在于人们日常所见的食物中，由于其独特的坚果样、蔬菜样、硫样、烘烤食品香、肉香及焦香香气，因而可广泛用于坚果类、肉及肉汁汤类、软饮料、冷饮、花香类、可可及巧克力等香韵的食品香精、烟用香精及调味品中。其市场需求量较大，如何简单高效低成本的合成噻唑化合物，目前已经成为人们关注的焦点。

对于噻唑化合物的合成方法，d.kikelj和u.urleb早在2002年已有过非常详尽的总结阐述(d.kikeljandu.urleb,scienceofsynthesis,2002,11,627-833.)。传统上合成噻唑化合物主要有以下五种方法：

由硫代酰胺与卤代醛或酮制备；

由二聚巯基乙醛与醛反应制得；

由α-卤代酮与二硫代氨基甲酸氨盐反应生成2-巯基噻唑类，再经氧化制得；

腈类与α-巯基酮类反应制得；

由n-酰基氨基酸酯与p2s5反应制得。

如raymondp.和ellisv.brown报道过的一种合成4,5-二甲基噻唑的方法(r.p.kurkjyande.v.brown.journaloftheamericanchemicalsociety.1952,74(22):5778-5779.)，该方法是先将五硫化二磷溶解于二氧六环中，然后快速滴加甲酰胺，在冰水混合物冷却条件下，以足够快的速度滴加甲基α-溴乙基酮，滴加完毕后回流反应一小时，而后加入水和浓盐酸，继续回流反应一小时，最后经过一系列较复杂的后处理以72％的收率得到目标产物4,5-二甲基噻唑。此方法步骤繁琐，后处理麻烦，且在后处理过程中会产生大量的废水，环境污染严重，不符合现代原子经济及绿色发展的有机合成宗旨。同样的，其他几种合成方法也存在着同样的问题。

目前来说，以二氢噻唑(噻唑啉)为原料，以醌类氧化剂(如四氯苯醌、ddq)为氧化脱氢试剂，来实现对噻唑啉的氧化脱氢，得到目标产物噻唑，是一种常用的重要合成方法。张序红(张序红.cn101891700a,2010-11-24.)报道过一种利用预先制备的2-异丁基-2,5-二氢噻唑为原料，以苯醌为脱氢氧化试剂，在苯中回流进行反应，反应完成后混合物用氢氧化钠水溶液洗涤，经多次萃取后减压蒸馏得产物2-异丁基噻唑。而dubs等人(p.dubsandm.pesaro.synthesis.1974,1974(04):294-295.)报道了一种合成2位取代的1,3-噻唑化合物的化学合成方法。该方法是以2,5-二氢噻唑为原料，以四氯苯醌或ddq为氧化剂，苯为溶剂，加热回流条件下完成一系列噻唑化合物的合成。

此类方法存在的主要问题如下：

(1)需使用化学计量的醌类氧化剂，浪费严重，对环境危害大；

(2)以剧毒的苯作为溶剂，危险性大；

(3)反应温度高，操作不便，后处理过程复杂，会产生大量的废水，环境污染严重。

目前，通过电化学催化来实现噻唑化合物的一锅法合成尚未见国内外文献报道。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种操作简单且成本低的电化学催化合成方法，用以实现溴化物与四氯氢醌双催化氧化2,5-二氢噻唑，进而得到目标产物1,3-噻唑类化合物。其反应路线及机理示意图见图1。

本发明所提供的溴化物/四氯氢醌双催化合成1,3-噻唑的电化学方法，其步骤是在单室电解池中以2,5-二氢噻唑类(式ⅰ)为原料，在电解液中，以催化量的溴化物和四氯氢醌(式ⅱ)为催化剂，一定反应温度及电流密度下，恒电流通入一定电量后，得到1,3-噻唑化合物(式ⅲ)。

其中，r¹、r²均选自-h、-me；r³选自-h、-me、-et、i-bu。

上述电解液为二氯甲烷/水、1,2-二氯乙烷/水，优选1,2-二氯乙烷/水两相体系，优选两相体积比为1:1。

上述溴化物为溴化钠、溴化钾、溴化铵，优选溴化钠，此外溴化物替换为碘化钠也可反应。

上述溴化物用量为0.1-1当量，优选0.3-1当量。

上述四氯氢醌的用量为0.2-0.6当量。

上述反应体系无需外加支持电解质和添加剂。

上述电解用的阳极为石墨片，阴极为石墨、不锈钢等。

上述电解时的电流密度为1-5ma/cm²。

上述电解时通入电量为2.0-4.0f/mol。

上述反应温度优选40-80℃，优选80℃。

优选2,5-二氢噻唑类原料在电解液中的为每0.5-2mmol2,5-二氢噻唑类原料对应10ml电解液。

本发明方法与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)采用操作简单的电化学催化的间接电解方法合成了1,3-噻唑类化合物，大大改善了之前dubs等人所使用的化学合成方法，用毒性较小的1,2-二氯乙烷代替苯作为溶剂，氧化剂可以在反应体系中循环利用，节能环保。实现了在单室电解池完成该转化，单室电解池内阻较小，电解时分解电压小，因而极大的降低了能耗，同时，单室电解池装置简单，用普通玻璃管或烧杯即可，操作简单，易于控制。

(2)采用恒电流电解方法，该方法所需设备成本低，同时，恒电流电解更适合工业化生产。

(3)反应中不用加入任何支持电解质和添加剂，实验操作简便，成本较低。

(4)电极使用的是石墨片及不锈钢网，廉价易得，使得成本大大降低。

(5)本发明方法使用普通的试剂和常规的生产条件，反应条件温和，操作简单。反应过程中以电子作为氧化剂，也是一种清洁的生产过程。

附图说明

图1为本发明反应路线及机理示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1：电化学方法合成4,5-二甲基-2-异丁基噻唑

在50ml的单室电解池中，将4,5-二甲基-2-异丁基噻唑啉(1.0mmol)、溴化钠(1.0mmol)、四氯氢醌(0.5mmol)加入到5ml二氯甲烷与5ml水的混合两相溶剂体系中，以石墨片电极为阳极、不锈钢网为阴极，在3ma/cm²恒定电流下电解，40℃搅拌，当通电量达到3.0f/mol时，停止电解，冷却至室温后，用二氯甲烷萃取，并用氢氧化钠水溶液(0.5m)和水各洗三次，经柱层析分离，得到4,5-二甲基-2-异丁基噻唑。收率：41％。

yellowliquid；¹hnmr(400mhz,cdcl3)δ0.97(d,j＝6.8hz,6h),1.96-2.08(m,1h)，2.29(s,3h),2.30(s,3h),2.75(d,j＝7.2hz,2h)；¹³cnmr(100mhz,cdcl3)δ11.2,14.6,22.3,29.8,42.3,124.9,147.2,165.7.

实施例2：电化学方法合成4,5-二甲基-2-异丁基噻唑

在50ml的单室电解池中，将4,5-二甲基-2-异丁基噻唑啉(1.0mmol)、溴化钠(1.0mmol)、四氯氢醌(0.5mmol)加入到5ml1,2-二氯乙烷与5ml水的混合两相溶剂体系中，以石墨片电极为阳极、不锈钢网为阴极，在3ma/cm²恒定电流下电解，80℃搅拌，当通电量达到3.0f/mol时，停止电解，冷却至室温后，用二氯甲烷萃取，并用氢氧化钠水溶液(0.5m)和水各洗三次，经柱层析分离，得到4,5-二甲基-2-异丁基噻唑。收率：65％。

实施例3：电化学方法合成4,5-二甲基-2-异丁基噻唑

在50ml的单室电解池中，将4,5-二甲基-2-异丁基噻唑啉(1.0mmol)、溴化钠(1.0mmol)、四氯氢醌(0.5mmol)加入到5ml1,2-二氯乙烷与5ml水的混合两相溶剂体系中，以石墨片电极为阳极、不锈钢网为阴极，在3ma/cm²恒定电流下电解，60℃搅拌，当通电量达到3.0f/mol时，停止电解，冷却至室温后，用二氯甲烷萃取，并用氢氧化钠水溶液(0.5m)和水各洗三次，经柱层析分离，得到4,5-二甲基-2-异丁基噻唑。收率：38％。

实施例4：电化学方法合成4,5-二甲基-2-异丁基噻唑

在50ml的单室电解池中，将4,5-二甲基-2-异丁基噻唑啉(1.0mmol)、溴化钠(1.0mmol)、四氯氢醌(0.5mmol)加入到5ml1,2-二氯乙烷与5ml水的混合两相溶剂体系中，以石墨片电极为阳极、不锈钢网为阴极，在3ma/cm²恒定电流下电解，40℃搅拌，当通电量达到3.0f/mol时，停止电解，冷却至室温后，用二氯甲烷萃取，并用氢氧化钠水溶液(0.5m)和水各洗三次，经柱层析分离，得到4,5-二甲基-2-异丁基噻唑。收率：27％。

实施例5：电化学方法合成4,5-二甲基-2-异丁基噻唑

在50ml的单室电解池中，将4,5-二甲基-2-异丁基噻唑啉(1.0mmol)、溴化钠(1.0mmol)加入到5ml1,2-二氯乙烷与5ml水的混合两相溶剂体系中，以石墨片电极为阳极、不锈钢网为阴极，在3ma/cm²恒定电流下电解，80℃搅拌，反应过程中tlc监测，原料一直在，基本无产物生成，由此说明四氯氢醌在该反应中是必不可少的。

实施例6：电化学方法合成4,5-二甲基-2-异丁基噻唑

在50ml的单室电解池中，将4,5-二甲基-2-异丁基噻唑啉(1.0mmol)、溴化钠(0.5mmol)、四氯氢醌(0.5mmol)加入到5ml1,2-二氯乙烷与5ml水的混合两相溶剂体系中，以石墨片电极为阳极、不锈钢网为阴极，在3ma/cm²恒定电流下电解，80℃搅拌，当通电量达到3.0f/mol时，停止电解，冷却至室温后，用二氯甲烷萃取，并用氢氧化钠水溶液(0.5m)和水各洗三次，经柱层析分离，得到4,5-二甲基-2-异丁基噻唑。收率：72％。

实施例7：电化学方法合成4,5-二甲基-2-异丁基噻唑

在50ml的单室电解池中，将4,5-二甲基-2-异丁基噻唑啉(1.0mmol)、碘化钠(0.5mmol)、四氯氢醌(0.5mmol)加入到5ml1,2-二氯乙烷与5ml水的混合两相溶剂体系中，以石墨片电极为阳极、不锈钢网为阴极，在3ma/cm²恒定电流下电解，80℃搅拌，当通电量达到3.0f/mol时，停止电解，冷却至室温后，用二氯甲烷萃取，并用氢氧化钠水溶液(0.5m)和水各洗三次，经柱层析分离，得到4,5-二甲基-2-异丁基噻唑。收率：68％。

实施例8：电化学方法合成4,5-二甲基-2-异丁基噻唑

在50ml的单室电解池中，将4,5-二甲基-2-异丁基噻唑啉(1.0mmol)、溴化钠(0.3mmol)、四氯氢醌(0.5mmol)加入到5ml1,2-二氯乙烷与5ml水的混合两相溶剂体系中，以石墨片电极为阳极、不锈钢网为阴极，在3ma/cm²恒定电流下电解，80℃搅拌，当通电量达到3.0f/mol时，停止电解，冷却至室温后，用二氯甲烷萃取，并用氢氧化钠水溶液(0.5m)和水各洗三次，经柱层析分离，得到4,5-二甲基-2-异丁基噻唑。收率：78％。

实施例9：电化学方法合成4,5-二甲基-2-异丁基噻唑

在50ml的单室电解池中，将4,5-二甲基-2-异丁基噻唑啉(1.0mmol)、溴化钠(0.3mmol)、四氯氢醌(0.3mmol)加入到5ml1,2-二氯乙烷与5ml水的混合两相溶剂体系中，以石墨片电极为阳极、不锈钢网为阴极，在3ma/cm²恒定电流下电解，80℃搅拌，当通电量达到3.0f/mol时，停止电解，冷却至室温后，用二氯甲烷萃取，并用氢氧化钠水溶液(0.5m)和水各洗三次，经柱层析分离，得到4,5-二甲基-2-异丁基噻唑。收率：51％。

实施例10：电化学方法合成4,5-二甲基-2-异丁基噻唑

在50ml的单室电解池中，将4,5-二甲基-2-异丁基噻唑啉(1.0mmol)、溴化钠(0.1mmol)、四氯氢醌(0.1mmol)加入到5ml1,2-二氯乙烷与5ml水的混合两相溶剂体系中，以石墨片电极为阳极、不锈钢网为阴极，在3ma/cm²恒定电流下电解，80℃搅拌，当通电量达到3.0f/mol时，停止电解，冷却至室温后，用二氯甲烷萃取，并用氢氧化钠水溶液(0.5m)和水各洗三次，经柱层析分离，得到4,5-二甲基-2-异丁基噻唑。收率：53％。

通过上述条件优化发现，反应体系中溴化钠用量为0.3当量，四氯氢醌用量为0.5当量时，反应效果最好。

实施例11：电化学方法合成4,5-二甲基-2-乙基噻唑

在50ml的单室电解池中，将4,5-二甲基-2-乙基噻唑啉(1.0mmol)、溴化钠(0.3mmol)、四氯氢醌(0.5mmol)加入到5ml1,2-二氯乙烷与5ml水的混合两相溶剂体系中，以石墨片电极为阳极、不锈钢网为阴极，在3ma/cm²恒定电流下电解，80℃搅拌，当通电量达到3.0f/mol时，停止电解，冷却至室温后，用二氯甲烷萃取，并用氢氧化钠水溶液(0.5m)和水各洗三次，经柱层析分离，得到4,5-二甲基-2-异丁基噻唑。收率：74％。

colorlessliquid；¹hnmr(400mhz,cdcl3)δ1.33(t,j＝7.6hz,3h),2.29(s,3h),2.30(s,3h),2.92(q,j＝7.6hz,2h)；¹³cnmr(100mhz,cdcl3)δ11.2,14.4,14.6,26.8,124.8,147.2,168.2.

实施例12：电化学方法合成4,5-二甲基噻唑

在50ml的单室电解池中，将4,5-二甲基-3-噻唑啉(1.0mmol)、溴化钠(0.3mmol)、四氯氢醌(0.5mmol)加入到5ml1,2-二氯乙烷与5ml水的混合两相溶剂体系中，以石墨片电极为阳极、不锈钢网为阴极，在3ma/cm²恒定电流下电解，80℃搅拌，当通电量达到3.0f/mol时，停止电解，冷却至室温后，用二氯甲烷萃取，并用氢氧化钠水溶液(0.5m)和水各洗三次，经柱层析分离，得到4,5-二甲基-2-异丁基噻唑。收率：30％。

colorlessliquid；¹hnmr(400mhz,cdcl3)δ2.37(s,3h),2.38(s,3h),8.51(s,1h)；¹³cnmr(100mhz,cdcl3)δ11.2,14.6,125.9,148.5,148.9.

实施例13：电化学方法合成2-异丁基噻唑

在50ml的单室电解池中，将2-异丁基噻唑啉(1.0mmol)、溴化钠(0.3mmol)、四氯氢醌(0.5mmol)加入到5ml1,2-二氯乙烷与5ml水的混合两相溶剂体系中，以石墨片电极为阳极、不锈钢网为阴极，在3ma/cm²恒定电流下电解，80℃搅拌，当通电量达到3.0f/mol时，停止电解，冷却至室温后，用二氯甲烷萃取，并用氢氧化钠水溶液(0.5m)和水各洗三次，经柱层析分离，得到4,5-二甲基-2-异丁基噻唑。收率：21％。

colorlessliquid；¹hnmr(400mhz,cdcl3)δ0.99(d,j＝6.8hz,6h),2.07-2.17(m,1h),2.90(d,j＝7.2hz,2h),7.19(d,j＝3.2hz,1h),7.68(d,j＝3.2hz,1h),；¹³cnmr(100mhz,cdcl3)δ22.3,29.8,42.2,118.0,142.2,170.3。