研究通讯

光催化2-氨基苯甲醇与异硫氰酸酯脱硫环化合成2-氨基-1,3-苯并噁嗪

  • 汪晨程 a ,
  • 欧阳班来 b ,
  • 钟品勇 a ,
  • 张莺瑢 a ,
  • 刘晋彪 , a, *
展开
  • a 江西理工大学化学化工学院 赣州 341000
  • b 南昌师范学院化学与食品科学学院 南昌 330032

收稿日期: 2025-06-15

  网络出版日期: 2025-07-15

基金资助

国家自然科学基金(21961014)

Photocatalyzed Desulfurative Cyclization of 2-Aminobenzyl Alcohols and Isothiocyanates for the Synthesis of 2-Amino-1,3-Benzoxazines

  • Chencheng Wang a ,
  • Banlai Ouyang b ,
  • Pinyong Zhong a ,
  • Yingrong Zhang a ,
  • Jinbiao Liu , a, *
Expand
  • a School of Chemistry and Chemical Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China
  • b College of Chemistry and Food Science, Nanchang Normal University, Nanchang 330032, China

Received date: 2025-06-15

  Online published: 2025-07-15

Supported by

National Natural Science Foundation of China(21961014)

摘要

2-氨基-1,3-苯并噁嗪是一类重要的杂环化合物, 在药物和功能材料领域具有广泛应用. 本研究发展了一种无金属参与的可见光催化策略, 以罗丹明B为光敏剂, 氧气为绿色氧化剂, 实现了2-氨基苯甲醇与异硫氰酸酯的脱硫环化反应, 高效合成2-氨基-1,3-苯并噁嗪衍生物. 机理研究表明, 反应通过可见光介导自由基氧化过程, 促进硫脲中间体的脱硫及分子内C—N/C—O键的构筑. 该方法避免了金属催化剂和外源氧化剂的使用, 条件温和、操作简便, 为苯并噁嗪类化合物的绿色合成提供了新思路.

本文引用格式

汪晨程 , 欧阳班来 , 钟品勇 , 张莺瑢 , 刘晋彪 . 光催化2-氨基苯甲醇与异硫氰酸酯脱硫环化合成2-氨基-1,3-苯并噁嗪[J]. 化学学报, 2026 , 84(1) : 1 -7 . DOI: 10.6023/A25060220

Abstract

2-Amino-1,3-benzoxazines, as privileged heterocyclic scaffolds, exhibit broad applications in pharmaceuticals and functional materials. This study presents a metal-free visible-light photocatalytic strategy using rhodamine B (Rh.B) as the photocatalyst and molecular oxygen as a green oxidant, enabling the efficient one-step synthesis of 2-amino-1,3-benzoxazine derivatives via desulfurative cyclization of 2-aminobenzyl alcohols and isothiocyanates. Systematic optimization revealed acetonitrile as the optimal solvent and 4-dimethylaminopyridine as the preferred base, achieving an 85% yield of the target product under ambient air and blue LED irradiation. Substrate scope evaluation demonstrated excellent compatibility with halogen substituents (F, Cl, Br, I), electron-donating (-CH3, -OCH3), electron-withdrawing (-NO2, -CN), naphthyl, and pyridyl groups, affording products in 45%~90% yields. Mechanistic investigations, including radical trapping experiments and atmosphere-controlled studies, confirmed a radical-mediated pathway. The reaction initiates with thiourea intermediate formation, followed by Rh.B*-triggered single-electron transfer to generate a sulfur-centered radical, which undergoes oxygen-assisted desulfurization and subsequent intramolecular C—N/C—O bond formation. This protocol eliminates the need for metal catalysts, stoichiometric oxidants, or harsh conditions, offering a sustainable and operationally simple route for benzoxazine synthesis. The typical operational steps are as follows: In a test tube, 2-aminobenzyl alcohol (24.6 mg, 0.2 mmol), rhodamine B (9.6 mg, 0.02 mmol), p-tolyl isothiocyanate (35.8 mg, 0.24 mmol), and acetonitrile (2 mL) were sequentially added. The mixture was stirred under irradiation with a 10 W blue LED (λmax=455 nm) at room temperature under air. Reaction progress was monitored by thin-layer chromatography (TLC). After completion, the solvent was removed under reduced pressure. The crude product was purified by silica gel column chromatography using petroleum ether/ethyl acetate (10∶1, V/V) as the eluent to afford 3aa as a white solid (40.5 mg, 85% yield).

1 引言

苯并噁嗪类化合物作为氮氧杂环体系的重要结构单元, 凭借其刚性共轭骨架和药效团的可修饰特性, 在药物研发(如中枢神经系统药物、抗癌药物)及功能材料领域(如紫外屏蔽涂层、光电材料)具有核心应用价值. 在生物医药领域, 该类化合物通过靶向γ-氨基丁酸A型受体(GABA)、前列腺特异性膜抗原(PSA)等生物靶点, 可表现出抗焦虑(如图1化合物I)和抗肿瘤(如图1化合物II)等药理活性[1-3]; 在材料科学中, 其分子内的推拉电子效应使其具备宽谱紫外吸收能力(如图1化合物III)[4], 成为新型光稳定材料的优势构建模块. 这种跨领域的应用潜力持续推动着该类骨架合成方法学的创新.
图1 含有苯并噁嗪结构的功能分子

Figure 1 Functional molecules containing benzoxazine structure

尤其是2-氨基-1,3-苯并噁嗪骨架, 因其在药物前体与功能材料中的多重应用价值[5-11], 近年来备受关注. 目前, 该类骨架的合成主要通过2-氨基苯甲醇与异硫氰酸酯反应实现, 涉及的氧化脱硫试剂包括高价碘 (III)[12]、1,1'-(乙烷-1,2-二基) 二吡啶双三溴化物(EDPBT)[13]、二氯化三苯基铋[14]、氧化亚铜[15]、单质碘[16]及过氧化氢[17](图2a). 尽管部分方法合成效率较高, 但普遍存在依赖化学计量氧化剂、使用有毒有害试剂(如铋、碘化物)等不足. 因此, 亟待开发一种高效经济、环境友好且稳定可靠的合成策略, 以突破现有2-氨基- 1,3-苯并噁嗪制备的技术瓶颈.
图2 2-氨基-1,3-苯并噁嗪的合成方法

Figure 2 Synthesis methods of 2-amino-1,3-benzoxazine

近期, Malakar[18]与An[19]课题组先后通过电化学阳极氧化策略(图2b), 实现了2-氨基-1,3-苯并噁嗪的电化学合成. 相较于传统合成路径, 这一电化学方法通过阳极氧化替代化学氧化剂, 显著减少了副产物生成, 但仍面临电极材料成本较高、反应规模受限等工程化挑战.
光催化有机合成因其温和的反应条件和精准的官能团兼容性, 近年来在复杂分子骨架构建中展现出独特优势[20-25]. 值得注意的是, 光催化合成在硫元素的选择性转化方面具有显著优势, 为硫脲的脱硫转化提供了新思路[26-29]. 基于本课题组前期建立的光催化脱硫策略——即通过光催化剂介导的超氧自由基实现硫脲与羧酸的选择性酰胺/N-酰基脲转化[30-31], 本研究进一步开发了罗丹明B (Rh.B)光催化体系(图2c). 该体系在碱性条件下, 通过光诱导的脱硫环化机制, 实现了2-氨基苯甲醇与异硫氰酸酯的一步环化, 成功构建2-氨基-1,3-苯并噁嗪骨架.

2 结果与讨论

2.1 反应体系的优化

为探究2-氨基-1,3-苯并噁嗪(3aa)的光催化合成最佳反应条件, 本研究以2-氨基苯甲醇(1a)与对甲苯异硫氰酸酯(2a)为模板底物进行条件筛选(表1). 初始反应体系采用10 mol%的罗丹明B (Rh.B)为光催化剂、4-二甲氨基吡啶(DMAP)为碱、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)为溶剂, 在室温条件下经10 W蓝色LED光源照射12 h, 目标产物3aa的产率为41%(表1, Entry 1). 通过溶剂筛选实验(表1, Entries 2~7), 依次考察了二甲基亚砜(DMSO)、1,2-二氯乙烷(DCE)、乙醇(EtOH)、乙腈(MeCN)、甲苯(Toluene)和1,4-二氧六环(1,4-dioxane)的替代效果, 结果显示乙腈(MeCN)为最佳溶剂, 产率提升至85%. 随后系统评估不同碱的影响(表1, Entries 8~14), 包括1,8-二氮杂二环十一碳-7-烯(DBU)、氢氧化钾(KOH)、叔丁醇钾(t-BuOK)、1,5-二氮杂二环[4.3.0]壬-5-烯(DBN)、碳酸钾(K2CO3)、三乙胺(Et3N)和磷酸三钠(Na3PO4), 最终确认4-二甲氨基吡啶(DMAP)仍为最优碱. 进一步筛选光催化剂(表1, Entries 15~18), 对比曙红Y (Eosin Y)、玫瑰红(Rose Bengal)、三(2,2'-联吡啶)二氯化钌([Ru(bpy)3]Cl2)和亚甲基蓝(Methylene Blue)的效果, 发现罗丹明B的综合性能最佳. 控制实验表明: 光照是该体系的关键因素, 无光照时产率低于5%; 未添加Rh.B时产率降至10%, 证实其光催化必要性(表1, Entries 19~20).
表1 2-氨基-1,3-苯并噁嗪合成反应条件的优化a

Table 1 Optimization of reaction conditions for the synthesis of 2-amino-1,3-benzoxazinesa

Entry Photocatalyst Solvent Base Yield/%
1 Rh.B DMF DMAP 41
2 Rh.B DMSO DMAP 50
3 Rh.B DCE DMAP 36
4 Rh.B EtOH DMAP 30
5 Rh.B MeCN DMAP 85
6 Rh.B Toluene DMAP 71
7 Rh.B 1,4-Dioxane DMAP 53
8 Rh.B MeCN DBU 45
9 Rh.B MeCN KOH 50
10 Rh.B MeCN t-BuOK 47
11 Rh.B MeCN DBN 50
12 Rh.B MeCN K2CO3 78
13 Rh.B MeCN Et3N 75
14 Rh.B MeCN Na3PO4 78
15 Eosin Y MeCN DMAP 48
16 Rose Bengal MeCN DMAP 61
17 [Ru(bpy)3]Cl2 MeCN DMAP 26
18 Methylene Blue MeCN DMAP 81
19b Rh.B MeCN DMAP <5
20 MeCN DMAP 10

a Reaction conditions: 1a (0.2 mmol), 2a (0.24 mmol), photocatalyst (0.02 mmol), base (0.4 mmol), solvent (2.0 mL), open air, r.t., 12 h. b Without light.

2.2 反应底物的拓展

在确定最优反应条件后, 本研究系统评估了底物结构的普适性. 首先, 针对2-氨基苯甲醇的苯环取代基进行拓展(表2). 与未取代的模板底物(1a)相比, 含卤素取代基的底物(1b~1e)在12 h反应时间内转化不完全, 但延长反应至24 h后可实现原料完全转化, 目标产物(3ba~3ea)产率达60%~70%. 进一步分析取代基效应发现, 苯环对位/邻位甲基取代的底物(1f1g)可顺利生成产物(3fa3ga), 产率稳定于中等水平; 而当醇羟基α位引入甲基(1h)时, 产物3ha的产率显著下降至45%, 推测该位点甲基引发的空间位阻抑制了环化进程. 最后对含强吸电子基团(硝基)的底物(1i)进行了尝试, 然而反应并未成功. 这一结果表明, 该反应受电子效应的影响较为显著, 吸电子效应会对该反应的发生起到不利作用. 此外, 当使用烷基类氨基醇(1j)或烷基异硫氰酸酯(2n)进行反应时, 未能观察到目标环化产物的生成, 这可能是由于形成的烷基硫脲中间体活性较低, 难以进一步发生氧化脱硫和环化反应所致.
表2 2-氨基苯甲醇的适用范围a

Table 2 Scope of 2-aminobenzyl alcoholsa

a Reaction conditions: 1 (0.2 mmol), 2a (0.24 mmol), DMAP (0.4 mmol), Rh.B (0.02 mmol), MeCN (2.0 mL), open air, r.t., 12~24 h. ND=Not Detected.

随后, 系统研究了异硫氰酸酯底物的适用范围(表3), 结果表明该反应对各类取代基均表现出良好的兼容性. 含强吸电子基团(硝基、氰基)的异硫氰酸酯能以84%和75%的产率分别得到产物3ab3ac, 而供电子基团(甲氧基、甲基)取代的底物同样以75%~80% (3ad~3af)的产率顺利转化, 并且苯基异硫氰酸酯也可以75%的产率得到产物3ag. 值得注意的是, 萘基取代的异硫氰酸酯表现出优异的反应活性, 产物3ah产率高达90%, 但吡啶杂环取代的底物产率略降至74%. 此外, 卤素取代的异硫氰酸酯(氟、氯、溴、碘)均能以70%~80%的产率得到目标产物, 这为后续通过交叉偶联反应进一步修饰苯并噁嗪骨架提供了便利. 整体而言, 不同电子性质和结构特征的异硫氰酸酯在该反应中均能高效转化为目标产物.
表3 异硫氰酸酯的适用范围a

Table 3 Scope of isothiocyanatesa

a Reaction conditions: 1a (0.2 mmol), 2 (0.24 mmol), DMAP (0.4 mmol), Rh.B (0.02 mmol), MeCN (2.0 mL), open air, r.t., 12 h. ND=Not Detected.

为了进一步拓展光催化脱硫环化反应的底物适用范围, 我们还考察了2-氨基苯乙醇、2-氨基苯酚和2-氨基苯硫酚分别与异硫氰酸酯的反应(图3). 在标准反应条件下, 2-氨基苯乙醇可与对甲苯基异硫氰酸酯、对氯苯基异硫氰酸酯反应, 分别以65%和66%的产率得到预期产物4,5-二氢苯并[1,3]氧氮杂䓬衍生物5aa5ak (图3a). 2-氨基苯酚亦可与对甲苯异硫氰酸酯反应, 以75%的产率得到了目标产物5ba; 但遗憾的是, 2-氨基苯硫酚与异硫氰酸酯的反应并未得到目标产物5ca (图3b). 推测可能是自由基条件下, 巯基易形成二硫醚, 而导致关环失败.
图3 4,5-二氢苯并[d][1,3]氧氮杂䓬、苯并噁唑和苯并噻唑的合成

Figure 3 Synthesis of 4,5-dihydrobenzo[d][1,3]oxazepine, benzoxazole and benzothiazole

2.3 反应机理的探究

为深入探究反应机理, 我们设计并开展了一系列对照实验(图4). 首先, 在最优反应条件下, 将对甲苯异硫氰酸酯替换为对甲苯异氰酸酯(图4a), 结果未检测到目标产物3aa的生成, 这一结果确证了异硫氰酸酯中硫原子的关键作用[30-31]. 其次, 我们尝试在体系中加入2.0 equiv.的自由基捕获剂2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基(TEMPO)时, 产物产率降低至65%; 当TEMPO提升至5.0 equiv.时, 反应产率显著降低至23%(图4b), 表明该反应可能经历自由基中间体过程. 之后, 通过气体保护实验发现, 在氧气氛围中反应可保持80%的产率(图4c), 而在氮气氛围下产率则急剧下降至20%(图4d), 这充分证明分子氧在催化循环中发挥着不可或缺的作用. 为验证反应是否经过硫脲中间体, 将分离得到的中间体3ag'作为底物, 在标准反应条件下进行转化, 成功以83%的收率获得目标产物3ag (图4e).
图4 对照试验

Figure 4 Control experiments

2.4 反应机理的提出

基于以上实验结果和参考文献[28-31], 本文提出了可能的反应机理(图5). 该催化循环过程可分为以下几个关键步骤: 首先, 2-氨基苯甲醇与对甲苯异硫氰酸酯缩合形成硫脲中间体A; 随后在碱性条件(DMAP)下, A经历去质子化生成亲核性阴离子B. 与此同时, 光激发态Rh.B*B发生单电子转移(SET)过程, 产生自由基中间体C和阴离子自由基(Rh.B•-). 后者与分子氧通过SET过程生成超氧自由基(O2•-), 同时完成催化剂的再生循环. 随后, 超氧自由基(O2•-)进攻中间体C, 通过消除硫酸根(SO42⁻)生成碳二亚胺中间体E, 最终通过分子内亲核环化生成目标产物3aa.
图5 可能的反应机理

Figure 5 Proposed mechanism

3 结论

本研究开发了一种基于罗丹明B的光催化脱硫环化策略, 成功实现了2-氨基-1,3-苯并噁嗪的高效合成. 该反应在室温条件下以分子氧为氧化剂, 通过光催化产生的超氧自由基介导硫脲中间体的脱硫环化过程, 以最高90%的产率构建目标产物. 该方法具有条件温和、环境友好等优势, 对卤素、萘环及杂环等官能团展现出良好的兼容性, 为苯并噁嗪类化合物的绿色合成提供了新思路. 机理研究表明, 该反应通过单电子转移过程实现C—N和C—O键的协同构建, 为杂环化合物的光催化合成开辟了新途径.

4 实验部分

以化合物3aa的合成操作为例: 在试管中依次加入2-氨基苯甲醇(24.6 mg, 0.2 mmol)、罗丹明B (9.6 mg, 0.02 mmol)、对甲基异硫氰酸苯酯(35.8 mg, 0.24 mmol)及乙腈(2 mL). 反应体系在10 W蓝色LED (λmax=455 nm)照射下室温搅拌反应, 薄层色谱(TLC)监测反应进程. 反应完成后, 减压浓缩除去溶剂, 粗产物经硅胶柱层析(洗脱剂: V(石油醚)∶V(乙酸乙酯)=10∶1)纯化, 得到白色固体产物3aa (40.5 mg, 收率85%).
(Cheng, B.)
[1]
Capasso, A.; Biondi, A.; Palagiano, F.; Bonina, F. P.; Montenegro, L.; de Caprariis, P.; Pistorio, E.; Sorrentino, L. Eur. Neuropsychopharmacol. 1997, 7, 57.

DOI

[2]
Palagiano, F.; Bonina, F. P.; Montenegro, L.; Biondi, A.; Sorrentino, L.; Capasso, A.; De Caprariis, P. Pharmazie 1997, 52, 272.

PMID

[3]
Capasso, A.; Gallo, C. J. Med. Chem. 2009, 5, 343.

[4]
Goncalves, R. V.; Liposki, I. Q.; Dias, L. W.; Baldissera, A. F.; Silveira, M. R. D. S.; Ferreira, C. A.; Bonnaud, L.; Basso, N. R. D. S. J. Coat. Technol. Res. 2022, 19, 575.

DOI

[5]
Koini, E. N.; Papazafiri, P.; Vassilopoulos, A.; Koufaki, M.; Horváth, Z.; Koncz, I.; Virag, L.; Papp, G. J.; Varro, A. J. Med. Chem. 2009, 52, 2328.

DOI

[6]
Matralis, A. N.; Katselou, M. G.; Nikitakis, A.; Kourounakis, A. P. J. Med. Chem. 2011, 54, 5583.

DOI PMID

[7]
Zhou, C.-L.; Lu, X.; Xin, Z.; Liu, J.; Zhang, Y.-F. Prog. Org. Coat. 2013, 76, 1178.

[8]
Takeichi, T.; Guo, Y. Polym. J. 2001, 33, 437.

DOI

[9]
Agag, T.; Jin, L.; Ishida, H. Polymer. 2009, 50, 5940.

DOI

[10]
Garg, A.; Kant, K.; Roy, K. K.; Sahoo, A.; Malakar, C. C.; Gupta, S. Mater. Today 2022, 57, 300.

[11]
Wei, Z.-B.; Xi, K. Acta Chim. Sinica 2025, 83, 266. (in Chinese)

DOI

(魏兆博, 袭锴, 化学学报, 2025, 83, 266).

[12]
Ghosh, H.; Yella, R.; Nath, J.; Patel, B. K. Eur. J. Org. Chem. 2008, 6189.

[13]
Yella, R.; Patel, B. K. J. Comb. Chem. 2010, 12, 754.

DOI

[14]
Murata, Y.; Matsumoto, N.; Miyata, M.; Kitamura, Y.; Kakusawa, N.; Matsumura, M.; Yasuike, S. J. Organomet. Chem. 2018, 859, 18.

DOI

[15]
Zhang, J.-L.; Chen, L.; Dong, Y.-B.; Yang, J.-C.; Wu, Y.-J. Org. Biomol. Chem. 2020, 18, 7425.

DOI

[16]
Putta, V. P. R. K.; Vodnala, N.; Gujjarappa, R.; Tyagi, U.; Garg, A.; Gupta, S.; Pujar, P. P.; Malakar, C. C. J. Org. Chem. 2020, 85, 380.

DOI

[17]
Fuchiya, A.; Miyamura, T.; Nariki, H.; Noda, S.; Makiyama, K.; Sonoda, M.; Tanimori, S. Synthesis 2022, 54, 483.

DOI

[18]
Kant, K.; Naik, P.; Patel, C. K.; Devi, T. A.; Jyoti; Kabi, A. K.; Al-Misned, F. A.; Singh, V.; Malakar, C. C. J. Org. Chem. 2025, 90, 1835.

DOI

[19]
Sun, F.-K.; Miao, M.; Huang, Y.; Wu, X.-L.; Li, W.-X.; Lan, X.-B.; Yu, J.-Q.; Zhang, J.; An, Z.-Y. J. Org. Chem. 2025, 90, 2307.

DOI

[20]
Wang, J.-Y.; Xu, X.; Zheng, S.-J.; Wei, P.-F.; An, W.-K. Prog. Chem. 2024, 36, 645. (in Chinese)

(王静怡, 许昕, 郑仕佳, 魏丕峰, 安万凯, 化学进展, 2024, 36, 645).

[21]
Liu, Y.; Lin, L.-Q.; Han, Y.-H.; Liu, Y.-J. Chin. J. Org. Chem. 2020, 40, 4216. (in Chinese)

DOI

(刘洋, 林立青, 韩莹徽, 刘颖杰, 有机化学, 2020, 40, 4216).

[22]
Dai, X.-J.; Xu, X.-L.; Li, X.-N. Chin. J. Org. Chem. 2013, 33, 2046. (in Chinese)

DOI

(戴小军, 许孝良, 李小年, 有机化学, 2013, 33, 2046).

[23]
Wang, C.; Gao, S.-T.; Zhou, X.; Wu, Q.-H.; Jiao, C.-N.; Wang, Z. Chin. J. Org. Chem. 2014, 34, 2217. (in Chinese)

DOI

(王春, 高书涛, 周欣, 吴秋华, 教彩娜, 王志, 有机化学, 2014, 34, 2217).

[24]
Xu, W.-X.; Dai, X.-Q.; Xu, H.-J.; Weng, J.-Q. Chin. J. Org. Chem. 2018, 38, 2807. (in Chinese)

DOI

(徐雯秀, 戴小强, 徐涵靖, 翁健全, 有机化学, 2018, 38, 2807).

[25]
Xin, C.; Jiang, J.; Deng, Z.-W.; Ou, L.-J.; He, W.-M. Acta Chim. Sinica 2024, 82, 1109. (in Chinese)

DOI

(辛翠, 蒋俊, 邓紫微, 欧丽娟, 何卫民, 化学学报, 2024, 82, 1109).

[26]
Bai, L.-Y.; Jiang, X.-F. Chem Catal. 2023, 3, 100752.

[27]
Bai, L.-Y.; Jiang, X.-F. CCS Chem. 2025, 7, 1889.

DOI

[28]
Saetan, T.; Sukwattanasinitt, M.; Wacharasindhu, S. Org. Lett. 2020, 22, 7864.

DOI

[29]
Wan, Y.-M.; Wu, H.; Ma, N.-N.; Zhao, J.; Zhang, Z.-G.; Gao, W.-J.; Zhang, G.-S. Chem. Sci. 2021, 12, 15988.

DOI

[30]
Duan, L.-L.; Zhong, P.; Liu, J.; Liu, K.; Luo, N. Mol. Catal. 2024, 564, 114344.

[31]
Zhong, P.-Y.; Yang, M.; Liu, K.-M.; He, W.-M.; Liu, J.-B. Chem. Eur. J. 2024, e202402677.

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