異硫氰酸酯類化合物合成及應(yīng)用研究進(jìn)展*

高冬梅，吳 華

（1. 楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2. 西北農(nóng)林科技大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

0 前 言

異硫氰酸酯類化合物具有RN=C=S 結(jié)構(gòu)通式，與硫氰酸酯互為同分異構(gòu)體，屬于異核累積雙烯烴，是一類含硫、含氮化合物，具有辛辣、刺激性氣味。該類化合物因其結(jié)構(gòu)的特殊性，常用于含硫、含氮及雜環(huán)骨架化合物的構(gòu)建，是重要的有機(jī)合成中間體[1]。同時(shí)，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，該類化合物可以提高機(jī)體免疫能力，能夠增強(qiáng)機(jī)體抗氧化、抗突變和抗癌能力，除此之外，還是很多高效、低毒殺菌劑、殺蟲劑、除草劑等農(nóng)藥的合成中間體。由于該類化合物在醫(yī)藥、農(nóng)藥等領(lǐng)域的突出表現(xiàn)，逐漸受到相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)專家學(xué)者的高度關(guān)注。該類化合物自然界來源為十字花科植物，但受到植物資源的限制，隨著科技的進(jìn)步，目前人工合成是該類化合物的主要來源。本文就目前報(bào)道的較為成熟的異硫氰酸酯類化合物的化學(xué)合成方法及該類化合物的應(yīng)用進(jìn)行歸納和總結(jié)。

1 異硫氰酸酯的合成

1.1 硫代光氣法

硫代光氣可以與芳香胺、脂肪胺反應(yīng)生成異硫氰酸酯，1976年Goddard 等人[2]利用該法合成了芳香基取代的異硫氰酸酯，并獲得發(fā)明專利。此方法具有反應(yīng)時(shí)間短、產(chǎn)率高、步驟簡單等優(yōu)勢(shì)，但合成原料之一硫代光氣有劇毒，為揮發(fā)性液體，生產(chǎn)、儲(chǔ)存、使用過程中危險(xiǎn)性較高，且對(duì)人類、環(huán)境有較大危害。另外，硫代光氣目前無工業(yè)原料，因此該方法實(shí)現(xiàn)規(guī)?；墓I(yè)生產(chǎn)較為困難。

1.2 硫代氯甲酸苯酯法

Burke[3]等人于2000年首次用硫代氯甲酸苯酯替代硫代光氣，與伯胺反應(yīng)生產(chǎn)硫代氨基甲酸酯中間體，然后在三氯硅烷和三乙胺作用下脫去保護(hù)基，生成異硫氰酸酯。2015年，李正義等人改進(jìn)了該方法，以甲苯為溶劑，以硫代氯甲酸苯酯和脂肪伯胺或芳香胺為原料，不加堿的條件下，一步合成異硫氰酸酯。改進(jìn)后的方法經(jīng)作者研究發(fā)現(xiàn)，具有環(huán)境污染小、原料易得、操作簡便等優(yōu)勢(shì)，但需要較高的反應(yīng)溫度，且反應(yīng)時(shí)間較長，反應(yīng)溶劑甲苯毒性較大，因此該方法規(guī)?；a(chǎn)具有難度。

1.3 取代硫脲法[4]

單芳基硫脲或二取代硫脲在特定條件下發(fā)生分解反應(yīng)后可生成相應(yīng)的異硫氰酸酯[5]，該方法具有環(huán)保優(yōu)勢(shì)，但受硫脲結(jié)構(gòu)的限制，使其應(yīng)用范圍有一定局限性。

Baxter 等人[6]在1954年報(bào)道了單芳基硫脲在適宜溶劑中加熱至150 ℃可獲得較高產(chǎn)率的芳基異硫氰酸酯。

二取代硫脲在特定條件下也可發(fā)生分解反應(yīng)，產(chǎn)生異硫氰酸酯[7]。

1.4 硫氰酸鹽法

該方法以硫氰酸鹽與氯甲酸酯、鹵代烴、醇等為原料，首先獲得硫氰酸酯，然后在催化劑作用下，硫氰酸酯異構(gòu)化得到異硫氰酸酯[8]。該法中，硫氰酸鹽與氯甲酸酯的反應(yīng)具有安全環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，已被應(yīng)用于工業(yè)化研究；硫氰酸鹽與鹵代烴、醇等原料的反應(yīng)，有后處理復(fù)雜的缺陷。

硫氰酸鹽與氯甲酸酯為底物，水作反應(yīng)溶劑，通過相轉(zhuǎn)移催化法合成N- 烴氧基羰基異硫氰酸酯。

硫氰酸鹽與鹵代烴合成異硫氰酸酯。Lewellyn等人以硫氰酸鈉和氯丙烯為原料，水為溶劑，采用相轉(zhuǎn)移催化法，合成烯丙基硫氰酸酯，后升溫回流使烯丙基硫氰酸酯異構(gòu)化得到異硫氰酸酯。

氯丙烯具有易揮發(fā)、易燃，高毒強(qiáng)腐蝕的特點(diǎn)，采用上述方法合成異硫氰酸酯時(shí)，受到氯丙烯運(yùn)輸、儲(chǔ)存、使用的局限性，因此，武榮成等人在發(fā)明專利一種硫代氨基甲酸酯類化合物的制備方法中用丙烯醇替代氯丙烯，與硫氰酸銨反應(yīng)生成烯丙基硫氰酸酯，進(jìn)一步異構(gòu)化獲得異硫氰酸酯。2006年報(bào)道了三苯基膦與DDQ、N- 四正丁基硫氰酸銨組成的復(fù)合試劑與叔醇反應(yīng)合成了相應(yīng)結(jié)構(gòu)的異硫氰酸酯。

1.5 二硫化碳法

有機(jī)胺與二硫化碳在有機(jī)堿或無機(jī)堿作用下反應(yīng)生成N- 烷基二硫代氨基甲酸鹽中間體，在脫硫試劑作用下合成異硫氰酸酯。該方法具有收率高、步驟短、工藝簡單的優(yōu)勢(shì)，屬于合成異硫氰酸酯類化合物的經(jīng)典方法，若有較為廉價(jià)的堿和脫硫試劑，該方法有較好的工業(yè)化生產(chǎn)前景。文獻(xiàn)報(bào)道的脫硫試劑有光氣[9]、次氯酸鈉[10]、碘[11]、雙氧水[12]、氯甲酸乙酯[13]、固體光氣[14]、乙基三苯基三溴化膦[15]等。孫楠等人采用無機(jī)堿碳酸鈉，以三聚氯氰為脫硫試劑合成了異硫氰酸酯，產(chǎn)率雖高，但三聚氯氰價(jià)格昂貴[16]。

1.6 Lawesson 試劑法

Lawesson 試劑是一種硫羰基化試劑，可將有機(jī)物中的羰基轉(zhuǎn)變成硫羰基[17]。該法以Lawesson 試劑和異氰酸酯為原料，無溶劑，微波輻射作用下合成異硫氰酸酯。Valette L[18]等人采用該方法制備異硫氰酸酯，產(chǎn)率可達(dá)45%～97%。該法具有低污染、反應(yīng)速度快的優(yōu)勢(shì)，但所用Lawesson 試劑價(jià)格較高。

1.7 其他方法

2019年，張寶華[19]等人針對(duì)胺與二硫化碳合成異硫氰酸酯的反應(yīng)中所用脫硫試劑存在價(jià)格昂貴、有毒、污染環(huán)境等問題，開發(fā)出了一鍋法合成異硫氰酸酯的方法，并制備了系列烷基、芳基、雙功能基異硫氰酸酯化合物，這種方法具有底物范圍廣、副反應(yīng)少、收率高等優(yōu)勢(shì)。

2019年，張思等[20]人針對(duì)目前各種異硫氰酸酯合成方法存在缺陷的問題展開研究，開發(fā)出了超聲輔助蒙脫土負(fù)載碘催化制備異硫氰酸酯的方法。該法以芳香胺、二硫化碳為反應(yīng)底物，堿性條件下以蒙脫土負(fù)載碘為催化劑，超聲輔助作用下合成了系列異硫氰酸酯類化合物。該方法具有環(huán)保、簡單、低毒特性。

2 異硫氰酸酯類化合物的應(yīng)用

2.1 食品領(lǐng)域

異硫氰酸酯因其獨(dú)特的辛辣風(fēng)味，可作為食品調(diào)味劑使用。另外，因異硫氰酸酯顯著的防腐保鮮作用，故常應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品減損防腐保鮮領(lǐng)域。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，異硫氰酸酯主要通過破壞真菌的菌絲體結(jié)構(gòu)、細(xì)胞壁及細(xì)胞膜的完整性和下調(diào)OTA 毒素合成基因表達(dá)的方式來抑制真菌生長及產(chǎn)毒。異硫氰酸酯也被當(dāng)作防腐劑，用于酒水、果汁等中，表現(xiàn)出了顯著的保鮮作用，故其在食品領(lǐng)域有較大研究空間。

2.2 農(nóng)業(yè)領(lǐng)域

異硫氰酸酯廣泛存在于自然界的十字花科植物中，是十字花科植物中大量存在的硫苷的酶解產(chǎn)物。近年來，科學(xué)家們對(duì)異硫氰酸酯的殺菌、殺蟲作用做了大量研究，結(jié)果表明，異硫氰酸酯的殺菌、殺蟲效果良好[21]，且可作為殺菌劑、殺蟲劑、除草劑的有機(jī)合成中間體使用。異硫氰酸酯在低濃度下（<100 μg/mL）對(duì)人體安全，在環(huán)境中易于降解，符合理想農(nóng)藥化合物的特性，極具有開發(fā)為新農(nóng)藥的潛質(zhì)，對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)而深入的研究有望開發(fā)出新型的無公害農(nóng)藥。

2.3 醫(yī)療領(lǐng)域

Techapiesancharoenkij N 等人[22]研究發(fā)現(xiàn)，異硫氰酸酯具有殺菌、抗氧化等生物活性，還是十字花科植物中的抗腫瘤活性成分[23]，能夠有效抑制癌癥。在醫(yī)藥領(lǐng)域的抗菌、消炎及癌癥疾病的治療方面應(yīng)用較多。研究數(shù)據(jù)表明，經(jīng)常食用十字花科蔬菜可以顯著降低癌癥發(fā)生幾率。Nomura 等人[24]從山葵中獲得的6- 甲磺酰己基異硫氰酸酯，對(duì)其乳腺癌、黑素瘤細(xì)胞的抑制作用進(jìn)行了體外試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)它能有效控制腫瘤細(xì)胞。在中醫(yī)理論中有研究發(fā)現(xiàn)異硫氰酸酯具有開胃、化痰、消炎、止痛等功效。

3 結(jié) 語

異硫氰酸酯在食品、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用體現(xiàn)了該類化合物在日常生活、生產(chǎn)中的重要作用，說明對(duì)該類化合物的研究具有重要意義。目前獲得硫氰酸酯類化合物的途徑主要為十字花科植物中提取和化學(xué)合成法，植物提取法受植物資源的限制，具有較大局限性，化學(xué)合成法存在試劑昂貴、高毒、高污染等缺陷，因此開發(fā)出一種低毒、高效、低污染、低成本、可規(guī)模化生產(chǎn)的合成方法具有重要研究意義。