吩嗪

【背景及概况】[1][2]

    吩嗪在有机化学领域有着一定的特殊地位。19世纪中叶，Perkin 试图合成奎宁，却阴差阳错地得到了苯胺紫（取代吩嗪和其他化合物的混合物），这是人类首次以化学法得到一种可以染色的物质，从此开始了染料的人工合成新纪元。吩嗪和二氢吩嗪由儿茶酚和邻苯二酚反得到。这个合成方法有 2 个缺点：不能大规模生产，生成相当数量的杂质，人们为此吃尽苦头。早期，人们以硝基苯和苯胺为原料，在苛性碱的存在下合成吩嗪，但是反应很危险，又难以控制，只能得到少量的吩嗪前驱体-氧化吩嗪。 氧化吩嗪经还原可以得到吩嗪，以前的合成需要昂贵试剂，并产生无用的副产物而难以商业化，所以吩嗪很贵。但是，纯净吩嗪和二氢吩嗪及其衍生物的用途日益扩大，它们不仅可以制备染料和染料中间体，也可以制备药物和其他化学品。例如，许多5,10-二取代二氢吩嗪和在 1～4 位和 （或）6～9 位环上取代的 5,10-二取代二氢吩嗪电致变色性能，可作为生色团而被用于可电衰减的透镜等领域。

【特性】[3]

    分子式C12H8N2。分子量180.20。又名夹二氮杂蒽。无色或淡黄色针状晶体。熔点 171℃。沸点>360℃。不溶于水，微溶于乙醇、苯和乙醚，溶于无机酸成黄色至红色溶液。

【生产工艺】[1][4]

路线1：苯二胺和邻苯二酚在密闭管中加热，该反应在密封的容器中、一定的压力下将茶儿酚和邻二胺基苯加热到 200～210 ℃，反应 35～40 h，收率中等，中间体为 5,10-二氢吩嗪， 粗品在纯化后收率大约60％；然后，通入氧气，把中间体转化为吩嗪。该法的最大缺点是无法大规模生产，并且有相当数量的无法检测的副产物生成，反应过程如下：

路线2：邻氨基二苯胺与氧化铅蒸馏，该反应的收率极低，仅为 5％左右；

路线3：2-氨基二苯胺，以氧化钙为催化剂，在氮气保护下，600℃高温反应40min，可以70％的收率得到吩嗪，反应过程如下：

路线4：N-苯基-2-硝基苯胺在铁粉存在下反应，得到吩嗪，收率为 46％。 硝基首先被还原为氨基，然后发生氧化关环反应，生成吩嗪。

路线5：由2，2′-二硝基二苯胺与氯化亚锡在盐酸和乙酸存在下共沸，然后用过氧化氢氧化而得。

路线6：美国专利报道，邻氨基二苯基胺在氧化铅的作用下生成邻硝基二苯基胺， 然后在 0 价金属或低价金属氧化物的催化下，例如氧化铬和次氧化铅（它们作为氧的接受体），发生环合反应，得到吩嗪。该方法用到大量危险性的、含有硝基的芳烃化合物，而且产生大量的含有重金属的废料，对环境造成污染。

【产品及应用】[1][3]

    吩嗪及其衍生物最早的应用是染料，接着发现它们有生物活性，可以用作杀菌剂。近年来吩嗪在医药、农药、发色体、导体和电池材料等领域的应用越来越广泛。

1. 染料吩嗪染料，特别是吩嗪隐色基染料的中间体，被用于工业领域已经有 100 多年的历史，最早被用作染料的称为脓毒紫（1-羟基-5-甲基吩嗪）。

    众所周知的吩嗪染料有 Heliotrope B （鸡血石B）和 Phenosafranine（酚藏花红）。 能够提供红色、橙色和品红等色调的所有吩嗪染料，在其 3-位，或者7-位，或者 3,7-位基本上都有未被取代的氨基，它们能制备成还原染料的隐色体，对棉纤维有较好的亲和力，被纤维吸附后，经空气或其他氧化剂氧化后，又恢复为还原染料，而呈红色、黄色、品红色和橙色。隐色体在显色体系的预氧化过程中具有足够的稳定性。吩嗪染料的氧化态（氧化体）对热和光也有良好的稳定性。在 10-位上酰化反应是提供稳定的吩嗪染料隐色体的通用方法。可是，10-位酰化，3-和（或）7-含有氨基的吩，提供的吩嗪染料隐色体，由于氨基没有被取代，在含有金属硝酸盐的显色体系中非常不稳定。Miller 提出，3,7-二氨基吩嗪染料至少在 3-位和 7-位上 1 个氨基的氮原子上，含有至少 1 个吸电子取代基。这些染料能被用来制备还原态隐色体染料，进而在纤维染色时被氧化，产生红色、黄色、橙色和品红等各种颜色。这种氧化态的吩嗪染料对光和热的稳定性很好。Sato Kozo 等人提出一种新的染料隐色体，它能够转变为有色染料，其在近红外范围内（不低于700nm）有较强的吸收带，对光线有较高的抵抗力。例如，吩嗪化合物。

    吩嗪是还原染料隐色体，具有近红外区域的吸收带，可作为记录材料，广泛应用于压敏纸、热敏纸。它所形成的色象可被光学特性阅读器读出。    

2. 医药

    人们发现 5,10-N,N-二羟基吩嗪及其相关化合物具有最高的抗某些微生物活性，1-羟基吩嗪和脓毒紫（吩嗪的最简单衍生物）也具有明显的抗微生物活性。 吩嗪类衍生物可以治疗耐多种药物微生物感染引起的疾病。吩嗪化合物包括吩嗪-N-氧化物特别是吩嗪-5,10-二氧化物，以及 7,8-取代-吩嗪-5,10 - 二氧化物。耐多种药物的细菌和病毒包括emophilus spp、E coli、Enterobacter spp、Citrobacter spp、Proteus spp、Morganella spp、Shigella spp、Yersiniaspp、Salmonella spp 等。吩嗪衍生物在谷氨酸毒性的抑制面有极好的表现。 吩嗪-5-氧化物的衍生物及其盐对谷氨酸毒性有抑制功能。

    吩嗪衍生物用于抑制多腺苷二磷酸-核糖聚合酶的药物组分，可治疗或预防因坏死、脑局部缺血等细胞损伤或死亡引起的神经组织损伤或死亡等疾病，它可延长细胞寿命和细胞增殖的能力，可改变细胞衰老的基因表达，也可治疗放射致敏缺氧性肿瘤细胞；对皮肤老化、动脉粥样硬化、骨关节炎、骨质疏松、肌肉营养不良、骨骼肌肉变坏等疾病有疗效。荧光假单胞菌一般在植物根部泥土中，它能够通过抑制植物病原体来促进植物的生长。其机理为铁载体、氰化钠和抗菌素的产生。吩嗪-1-甲酸和 1-吩嗪甲酰胺是其中的抑制疾病的有用抗生素。

    吩嗪-5,10-二氧化物及其取代衍生物具有抗微生物的活性，革兰氏-阴性专性或兼性厌氧菌。它也有抗胶原酶活性，以缓解由革兰氏-阴性厌氧菌释放的胶原酶的组织破坏作用；对革兰氏-阴性厌氧菌传染病有治疗作用，对处理牙周感染特别有用。吩嗪-5,10-二氧化物的抗胶原酶活性，通过直接抑制胶原酶介体组织坏死， 而对牙周病的治疗有独立和突出的效果。化合物包括吩嗪-5,10-二氧化物和 2-甲基吩-5,10-二氧化物等等。

3.农药

    随着农业生产种植结构的调整，瓜果蔬菜种植面积正在不断扩大。但各种作物的枯萎性病害，如黄瓜和西瓜的枯萎病害、甜瓜和哈密瓜的蔓枯病害、甜椒的根腐病害，以及蔬菜的疫病、各种水稻、小麦等作物的纹枯病等，给生产带来严重损害。目前国内外对这些病害无特效的农药可用，只能以一般化学杀菌剂防治，但它们对动物和人类有害，且长期使用会造成作物病原菌产生抗性，残留在环境中的农药还会严重破坏生态系统，现有的化学杀菌剂对于防治各种作物的枯萎性根腐和茎腐病害并不完全有效。

    吩嗪-1-羧酸可用于农作物真菌性病害防治。它可以消除和克农作物因真菌、 细菌和病毒等各种微生物造成的各种农作物病害如瓜类的枯萎病、蔓枯病，果树的黑星病、轮纹病等。

4. 其他

    研究发现最好的有机导电体是 N-甲基吩嗪阳离子（NMP）和四氢基对醌二甲烷（TCNQ）负离子的盐（2 者质量配比 1:1），后者具有均匀分离堆积的晶体结构，它与 28 个其他的具有平面闭壳氮杂环单正离子与 TCNQ 等摩尔成盐的情况完全不一样， 后者是绝缘体。

    近年来，有机固体光二极管作为未来低成本太阳能电池被广为研究，但是，目前的有机光电池的能量转换比硅半导体光电池的低得多。 Takeshi 等提出D-σ-A 分子/导电聚合物光电池概念，并且制备出金-[聚(3-甲基硫酚)]-[10-(对硝基苄基)-2-(10H)吩嗪酮](25）-铝光电池，其能量转化率达到 0.051％，它有望成为低成本太阳能电池。

D-σ-A 分子/导电聚合物光电池如图：

【参考文献】

[1] 茅晓晖, 史鸿鑫, 武宏科, 等. 吩嗪的合成及其应用[J]. 化工生產與技術, 2009, 16(3): 42-47.

[2] 曹瑛. 吩嗪染料与 DNA 分子相互作用的紫外—可见光谱研究[J]. 高等学校化学学报, 1998, 19(5): 714-716.

[3] 吴世敏,印德麟 主编.简明精细化工大辞典.沈阳：辽宁科学技术出版社.1999.

[4] 申泮文,王积涛 主编.化合物词典.上海：上海辞书出版社.2002.第389页.