TWI603962B - 含硫噁嗪化合物及其合成方法 - Google Patents

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    • A01N43/86—Biocides, pest repellants or attractants, or plant growth regulators containing heterocyclic compounds having rings with nitrogen atoms and oxygen or sulfur atoms as ring hetero atoms six-membered rings with one nitrogen atom and either one oxygen atom or one sulfur atom in positions 1,3

Description

含硫噁嗪化合物及其合成方法
本發明是有關於一種噁嗪化合物及其合成方法，且特別是有關於一種含硫噁嗪化合物及其合成方法。
具有硫基的化合材料因為具有生物藥物活性、抗菌能力、防腐、熱穩定以及可操作性等特性，因此已被廣泛地應用。然而，含硫基的化合物的合成方法需要複雜的反應途徑，且這些反應途徑是不容易進行且需要使用到不易操作且危害環境的試劑。因此，目前含硫基的化合物的合成仍受到很大的限制。
本發明提供一種含硫噁嗪化合物的合成方法，其具有簡單、環境友善且安全的步驟。
本發明提供一種含硫噁嗪化合物，其藉由前述的合成方法所合成。
本發明的含硫噁嗪化合物的合成方法包括以下步驟。首先，提供噁嗪化合物作為前驅物以及元素硫作為原料。接著，使所述元素硫直接與噁嗪化合物反應，以合成含硫噁嗪化合物。
本發明的含硫噁嗪化合物藉由上述的含硫噁嗪化合物的合成方法所合成。
在本發明的一實施例中，上述的噁嗪化合物包括苯并噁嗪化合物。
在本發明的一實施例中，上述的噁嗪化合物包括雙官能基噁嗪化合物。
在本發明的一實施例中，上述的噁嗪化合物包括氧代氮代苯并環己烷。
在本發明的一實施例中，上述的元素硫包括菱形硫（S 8）。
在本發明的一實施例中，以噁嗪化合物中胺基的α-亞甲基為1當量，元素硫的量為0.1當量以上。
在本發明的一實施例中，以噁嗪化合物中胺基的α-亞甲基為1當量，元素硫的量為0.5當量以上。
在本發明的一實施例中，以噁嗪化合物中胺基的α-亞甲基為1當量，元素硫的量為1當量以上。
在本發明的一實施例中，上述的使元素硫直接與噁嗪化合物反應的步驟包括使用一溶劑混合元素硫與噁嗪化合物。
在本發明的一實施例中，上述的溶劑的沸點高於115 oC。
在本發明的一實施例中，上述的溶劑包括二乙二醇二甲醚。
在本發明的一實施例中，上述的使元素硫直接與噁嗪化合物反應的的反應溫度為115-300℃。
在本發明的一實施例中，上述的含硫噁嗪化合物包括含硫基的氧代氮代苯并環己烷。
在本發明的一實施例中，上述的含硫噁嗪化合物具有抗菌活性。
基於上述，本發明提供噁嗪化合物作為前驅物，且直接使用元素硫作為原料與噁嗪化合物反應，以合成含硫噁嗪化合物。因此，此合成方法具有步驟簡單成本、低成本以及環境友善的優點。此外，所合成的含硫噁嗪化合物具有抗菌活性。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
本發明提供一種含硫噁嗪化合物的合成方法，其中提供噁嗪化合物作為前驅物，以及直接使用元素硫作為原料與噁嗪化合物反應，以合成含硫噁嗪化合物。
在本實施例中，含硫噁嗪化合物的合成方法例如是包括以下步驟。首先，使噁嗪化合物與元素硫混合，以形成混合物。在一實施例中，作為前驅物的噁嗪化合物具有如以下化學式1所示的主結構。在一實施例中，噁嗪化合物可為雙官能基噁嗪化合物，其可藉由使用生物來源的呋喃化合物製備。在本實施例中，噁嗪化合物例如是苯并噁嗪化合物，且例如是氧代氮代苯并環己烷(bis(3-furfuryl-3,4-dihydro-2H-1,3-benzoxazinyl)isopropane， BPA-FBz)，其具有如下所示的化學式2，化學式2中箭頭所指為具反應活性的中胺基的α-亞甲基（α-CH 2）基團。在本實施例中，噁嗪化合物例如是具有較高的熱穩定性以及對於再次化學反應（further chemical reaction）具有較高的化學抗性等優點。在一實施例中，元素硫例如是煉油的副產物或豐富蘊含於地底中的硫粉。在本實施例中，元素硫例如是菱形硫（S 8）。在一實施例中，以所述噁嗪化合物中胺基的α-亞甲基為1當量，所述元素硫的量為0.1當量以上。在一實施例中，以所述噁嗪化合物中胺基的α-亞甲基為1當量，所述元素硫的量為0.5當量以上。在一實施例中，以所述噁嗪化合物中胺基的α-亞甲基為1當量，所述元素硫的量為1當量以上。在本實施例中，元素硫的濃度例如為10 wt%、20 wt%、30 wt%或60 wt%。在本實施例中，例如是使用溶劑來混合噁嗪化合物與元素硫，使其混合均勻。在本實施例中，溶劑的沸點高於115 oC。在本實施例中，溶劑例如是二乙二醇二甲醚。
接著，使噁嗪化合物與元素硫在反應溫度下反應一段時間，以合成含硫噁嗪化合物。在本實施例中，反應溫度例如是115-300℃。在一實施例中，反應時間例如為20-180分鐘。在本實施例中，反應時間例如為60分鐘。在本實施例中，反應混合物在1分鐘內就均質化且接著轉變成伴隨發出氣體的黑色物質，其中所發出的氣體為硫化氫（H 2S）。在本實施例中，反應過程中不需要額外添加任何試劑與催化劑。
在本實施例中，反應流程例如是如下反應式1所示，其詳細流程例如是如下反應式2所示。
如反應式2中所示，苯并噁嗪化合物的-CH 2-基團在自由基轉移反應中具有高度反應性，因此自由基可由元素硫（S n *）轉移至-CH 2-基團，以產生-HC *-活性物質與-HS n *-。接著發生自由基偶合反應，而產生-HC(S n)-中間物。以HS n *對-HC(S n)-進行氫提取反應以產生-C(=S)-與副產物H 2S。基於上述反應流程，在苯并噁嗪化合物中形成一個硫基需要消耗兩個硫原子，也就是說，產生1莫耳的-C(=S)-基團需要2莫耳的硫。
在一實施例中，於180℃下反應5分鐘後，在 13C-DEPT NMR光譜中幾乎看不見三級胺基的α- C H 2的共振峰（在δ＝47、49以及56 ppm處）。此結果進一步證實苯并噁嗪化合物中的三級胺基的所有3個α-CH 2基團(如以下箭頭所指之處)在硫基形成中是具有反應活性的。在本實施例中，以BPA-FBz作為苯并噁嗪化合物，如上文的化學式2所示，BPA-FBz具有6個反應性-CH 2-基團，並進行如上文的反應式3的反應，其中所形成的-C(=S)-基團數目取決於硫原料比例。由於BPA-FBz具有多個反應性位點，因此所得到的產物確實為各種含硫BPA-FBz化合物的混合物。
接下來提供實驗例，以驗證前述的反應流程以及測量所合成的含硫基氧代氮代苯并環己烷樣本的特性。
在一實驗例中，於不同反應時間下（分別為1分鐘、2分鐘以及5分鐘）取樣反應物並對其進行 13C-DEPT NMR分析，結果如圖1所示。圖1(a)顯示將含硫基氧代氮代苯并環己烷樣本於180℃下反應1分鐘、2分鐘以及5分鐘下的 13C-NMR結果圖，以及圖1(b)顯示將含硫基氧代氮代苯并環己烷樣本於180℃下反應1分鐘、2分鐘以及5分鐘下的 13C-DEPT-135結果圖。 13C-DEPT-135是針對CH 2進行量測，其出現相對於所有CH與CH 3反向的位相。由δ＝190 ppm處的峰值可知C=S基團的形成，其伴隨著O- C H 2-N在δ＝182 ppm處的峰值強度逐漸降低的情形。這樣的結果顯示第一個硫基形成反應發生在苯并噁嗪環的O-CH 2-N位置。此外，O-C(=S)-N基團的形成對兩個-N-CH 2-基團造成消遮蔽效應（deshielding effect），因而產生δ＝49 ppm與δ＝47 ppm偏移至δ＝56 ppm。在反應時間為5分鐘時，在δ＝49 ppm與δ＝47 ppm處的共振峰完全消失，顯示所有O-CH 2-N位置都已被轉換為O-C(=S)-N或與S 8反應相關的兩個-N-CH 2-基團。上述結果與前述的反應流程2一致。
接著，對所生成的含硫BPA-FBz化合物進行FTIR光譜分析與DSC熱分析，結果如圖2(a)至圖2(c)所示，其中含硫BPA-FBz化合物1-4是使BPA-FBz分別與10 wt%、20 wt%、30 wt%以及60 wt%的S 8反應所生成的化合物。圖2(a)顯示含硫BPA-FBz化合物1-4的FTIR分析結果。如圖2的(a)所示，在FTIR分析中，含硫BPA-FBz化合物在1184cm -1具有清楚的吸光度，其對應於O-C(=S)-N基團的C=S吸收度。由此可知，BPA-FBz化合物的O-CH 2-N基團對於硫化反應具有相對高的反應性。此外，在FTIR量測中，具有較高C=S含量的含硫BPA-FBz化合物由於化合物結構的共軛長度增加，因此在C=S吸受度處展現紅色偏移。再者，含硫BPA-FBz化合物的苯并噁嗪環結構表徵為在940cm -1與1225cm -1處分別具有N-C-O與C-O-C的吸收峰。
圖2(b)顯示含硫BPA-FBz化合物4的典型 13C-DEPT光譜。硫基的峰值出現在180ppm至190ppm。此外，所有α-CH 2基團的訊號都消失，顯示所有可能存在的反應性α-CH 2基團被硫化成-C(=S)-基團。
圖2(c)顯示含硫BPA-FBz化合物1-4的DSC熱分析圖。由圖2(c)可知，含硫BPA-FBz化合物1-4分別展現放熱峰，且放熱峰的最高溫度隨著含硫BPA-FBz化合物中的C=S含量的增加而降低。相似於苯并噁嗪化合物，含硫BPA-FBz化合物仍保留熱交聯特性且能用作製備具有高硫含量的對應熱硬化樹脂的含硫單體。
再者，對含硫BPA-FBz化合物1-4進行硫含量分析，結果如下表1所示。由表1可知，當原料中的元素硫含量較低時（諸如10 wt%），所合成的含硫BPA-FBz化合物中的硫含量實質上比理論值還高。這有可能是因為多餘的硫是來自於所產生的H 2S與苯并噁嗪化合物之間的副反應，此副反應可能導致苯并噁嗪環的開環反應。另一方面，使用60 wt%的硫所合成的含硫BPA-FBz化合物中的硫含量實質上比理論值略低，這是因為要將BPA-FBz中所有6個反應性-CH 2-基團完全轉換成C=S仍存在一定難度。然而，由表1可知，本實驗例的方法在製備高度經硫化的BPA-FBz化合物中具有高達80%的顯著轉換率。 表1 <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 樣本 </td><td> 含硫BPA-FBz化合物1 </td><td> 含硫BPA-FBz化合物2 </td><td> 含硫BPA-FBz化合物3 </td><td> 含硫BPA-FBz化合物4 </td></tr><tr><td> 原料中的含硫量(wt%) </td><td> 10 </td><td> 20 </td><td> 30 </td><td> 60 </td></tr><tr><td> 理論含硫量(wt%) </td><td> 5 </td><td> 10 </td><td> 15 </td><td> 29.6 </td></tr><tr><td> 實際含硫量(wt%) </td><td> 7.6 </td><td> 11.4 </td><td> 15.1 </td><td> 23.7 </td></tr></TBODY></TABLE>
接著，使用兩株葡萄球菌ATTC6341(Sa)與ATTC11632(Sr)來評估所製備的含硫BPA-FBz化合物的抗菌活性，結果如下表2所示。其中，Sa菌株與Sr菌株對於抗生素具有不同感受性，Sa菌株對盤尼西林具有感受性，以及Sr菌株則是對盤尼西林具有抗藥性，以及使用安比西林作為正控制組。由表2可知，BPA-FBz以及具有低硫含量的含硫BPA-FBz化合物（即化合物1與2）都不具有抗菌活性。然而，具有高硫含量的含硫BPA-FBz化合物（即化合物3與4）則在兩株菌株中皆展現抗菌活性。此外，由於高硫含量的含硫BPA-FBz化合物對於Sr菌株的抗菌能力可以與安比西林比擬，可知高硫含量的含硫BPA-FBz化合物對於Sr菌株具有更顯著的抗菌活性。由上述結果可知，將C=S基團引入噁嗪化合物可顯著地增加其抗菌能力，因此在未來可以廣泛地應用於生物醫學中。 表2 <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> </td><td> 抑制圈（mm） </td></tr><tr><td> 菌株 </td><td> BPA-FBz </td><td> 含硫BPA-FBz化合物1 </td><td> 含硫BPA-FBz化合物2 </td><td> 含硫BPA-FBz化合物3 </td><td> 含硫BPA-FBz化合物4 </td><td> 安比西林 </td></tr><tr><td> Sa </td><td> - </td><td> - </td><td> - </td><td> 11.5 </td><td> 11.7 </td><td> 34.0 </td></tr><tr><td> Sr </td><td> - </td><td> - </td><td> - </td><td> 9.7 </td><td> 10.3 </td><td> 9.0 </td></tr></TBODY></TABLE>
綜上所述，本發明提供一種使用元素硫作為原料以將硫基引入噁嗪化合物的化學方法，此反應可以擴及至具有三級胺的其他化合物。再者，經由此方法所合成的硫化噁嗪化合物展現一定程度的抗菌能力，特別是有效於對於對盤尼西林具有抗藥性的菌株。此外，由於直接使用低成本且含量豐富的元素硫作為原料與反應劑，因此能大幅降低含硫噁嗪化合物的製造成本。此外，本發明的合成方法具有簡易與環境友善的優點。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
無。
圖1(a)顯示將含硫基氧代氮代苯并環己烷樣本於180℃下反應1分鐘、2分鐘以及5分鐘下的 13C-NMR結果圖。 圖1(b)顯示將含硫基氧代氮代苯并環己烷樣本於180℃下反應1分鐘、2分鐘以及5分鐘下的 13C-DEPT-135結果圖。 圖2(a)顯示含硫氧代氮代苯并環己烷化合物1-4的FTIR分析結果。 圖2(b)顯示含硫氧代氮代苯并環己烷化合物4的典型 13C-DEPT光譜。 圖2(c)顯示含硫氧代氮代苯并環己烷化合物1-4的DSC熱分析圖。

Claims (16)

  1. 一種含硫噁嗪化合物的合成方法，包括：提供噁嗪化合物作為前驅物以及元素硫作為原料；以及使所述元素硫直接與噁嗪化合物反應，以合成含硫噁嗪化合物，其中所述噁嗪化合物中胺基具有α-亞甲基。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的合成方法，其中所述噁嗪化合物包括苯并噁嗪化合物。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的合成方法，其中所述噁嗪化合物包括多官能基噁嗪化合物。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的合成方法，其中所述噁嗪化合物包括氧代氮代苯并環己烷。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的合成方法，其中所述元素硫包括菱形硫(S8)。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的合成方法，其中以所述噁嗪化合物中胺基的α-亞甲基為1當量，所述元素硫的量為0.1當量以上。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的合成方法，其中以所述噁嗪化合物中胺基的α-亞甲基為1當量，所述元素硫的量為0.5當量以上。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的合成方法，其中以所述噁嗪化合物中胺基的α-亞甲基為1當量，所述元素硫的量為1當量以上。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的合成方法，其中使元素硫直接與噁嗪化合物反應的步驟包括使用一溶劑混合元素硫與噁嗪化合物。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的合成方法，其中所述溶劑的沸點高於115℃。
  11. 如申請專利範圍第9項所述的合成方法，其中所述溶劑包括二乙二醇二甲醚。
  12. 如申請專利範圍第1項所述的合成方法，其中使元素硫直接與噁嗪化合物反應的的反應溫度為115-300℃。
  13. 如申請專利範圍第1項所述的合成方法，其中所述含硫噁嗪化合物包括含硫基的氧代氮代苯并環己烷。
  14. 一種含硫噁嗪化合物，其藉由如申請專利範圍第1項所述的合成方法所合成，其中所述含硫噁嗪化合物中胺基的α位置皆為-C(=S)-基團。
  15. 如申請專利範圍第14項所述的含硫噁嗪化合物，其為含硫基的氧代氮代苯并環己烷。
  16. 如申請專利範圍第14項所述的含硫噁嗪化合物，其具有抗菌活性。
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