自修复超分子单体-芳香族双官能团冠醚化合物的合成
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自修复超分子单体-芳香族双官能团冠醚化合物的合成,修复,分子,份子,单体,芳香族,官能团,化合物,合成
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中期报告题目：自修复超分子单体-芳香族双官能团冠醚化合物的合成1、设计（论文）进展状况自修复指的是生物体系或者人工合成体系在遭受外力产生破损的时候能自发的修复自身形貌和功能的一种能力,是材料最让人惊异的性能之一。从概念上来说,自修复体系可以分为三种,基于胶囊的修复体系,基于微管的修复体系和自修复的聚合物体系。在这三种体系中,聚合物体系由于其自主修复的能力和相对简单的修饰与广泛的应用受到越来越多的关注。然而，对于一般的聚合物材料来说,由于材料中的共价键一旦被打破就很难恢复到其原始状态使得我们无法获得具有如此优异性能的材料。利用主客体单元之间的可逆性结合以及其对外界信号的独特响应特性，该类超分子动态材料在化学转换器、记忆元件开关、传感器、人造肌肉、化学存储器、分子分离体系、活性酶的固定、组织工程、药物载体等方面具有很好的应用前景。由于主客体络合的有效性和主客体构型的稳定性以及方向性，被广泛地用来构筑超分子聚合物和超分子凝胶。尽管基于环糊精、葫芦脲以及冠醚等作为主体来构筑超分子凝胶已经见诸报道，但是对于这种主客体相互作用构筑的凝胶的性质的研究大都停留在其可调控性上，而对于其自修复性能的研究还非常少。所以，我们就在主客交互作用的基础上应用冠醚与二级铵盐合成自修复性能很好得超分子凝胶。本人从 2014 年 2 月 25 日进入实验室工作，在第一周的前两天内熟悉实验仪器的使用方法，回顾并练习基础有机合成实验技术，熟悉聚合物的合成原理和表征方法。随即根据指导老师的要求，利用每晚课余时间进行与本课题相关的文献检索和翻译。第二周至第三周，在不断优化实验条件的基础上，已经用二缩三乙二醇合成了二缩三乙二醇单对甲苯磺酸酯并以纯化。图 1 二缩三乙二醇单对甲苯磺酸酯的合成用 3,4-二羟基苯甲醛，二缩三乙二醇单对甲苯磺酸酯，K 2CO3 ，KI ，合成了化合物 1并以纯化。图 2 化合物 1 的合成第五周至第六周，重复上两步，探究最佳工艺。2、存在问题及解决措施1）在合成二缩三乙二醇单对甲苯磺酸酯的过程中，要逐滴加人催化剂，催化剂的滴入速度会影响产物的合成速率。2）化合物 1 在合成过程中有油相和水相，出现分层，影响反应速度。对以上出现的问题进行了具体分析，在合成过程中保证油相和水相溶解均匀，在滴加过程中尽量控制速度缓慢，使水相和油相混合分散均匀，以上几个方面都是在实验中需要特别注意的，在后期的实验中尽量减小对实验有影响的一些因素，保证实验顺利进行。3、后期工作安排第七周至第十周完成冠醚化合物的合成。用红外光谱仪等设备检测化合物的结构，测试化合物的性能。第十一周至十五周，整理实验结果，进行数据分析，撰写论文，准备毕业答辩。指导教师签字：年 月 日开题报告题目：自修复功能材料的合成及表征开 题 报 告 填 写 要 求1.开题报告作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成。2.开题报告内容必须按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）填写并打印（禁止打印在其它纸上后剪贴） ，完成后应及时交给指导教师审阅。3.开题报告字数应在 1500 字以上，参考文献应不少于 15 篇（不包括辞典、手册，其中外文文献至少 3 篇） ，文中引用参考文献处应标出文献序号， “参考文献”应按附件中 参考文献 “注释格式”的要求书写。4.年、月、日的日期一律用阿拉伯数字书写，例：“2008 年 11 月 26 日” 。5.开题报告增加封面，封面格式：题目：宋体，加粗，二号；系别等内容格式：宋体，四号，居中。1、毕业设计（论文）综述1.1 题目背景及研究意义1967 年，美国科学家 Pedersen 首先发表了关于冠醚的合成和选择性络合碱金属的报告 1，揭示了分子和分子聚集体的形态对化学反应的选择性起着重要的作用。Cram 则基于在大环配体与金属或有机分子的络合化学方面的研究，提出了以配体(受体)为主体，以络合物(底物) 为客体的主客体化学。法国科学家 Lehn 模拟蛋白质的螺旋结构，超越了大环与主客体化学的研究范畴,首次提出了超分子化学这一概念 2。他指出： “基于共价键存在着分子化学领域,基于分子组装体和分子间键而存在着超分子化学” 。1987 年 ，这三人也因为在主-客体化学方面的突出贡献得到了 Nobel 化学奖。Lehn 教授在其获奖报告中提出了化学信息论及有关分子识别和超分子化学的概念。从此，以非共价键的弱相互作用为研究对象的超分子化学使传统的化学科学发生了一次升华和质的飞跃。超分子化学，又称“超越分子层次的化学” 3。它的定义是 1987 年的诺贝尔化学奖得主法国科学家 Jean-Marie Lehn 在获奖演说中提出来的。与以往的分子化学通常关注于单个分子个体不同，超分子化学主要是研究单个分子或是低级聚集体如何通过各种弱的相互作用自组装成分子聚集体，这些分子聚集体往往具有先前单个分子或低级聚集体所没有的结构和功能。作为一门发展迅速、高度交叉的新兴学科,超分子化学已经吸引了化学家、物理学家、材料学家和生物学家的广泛关注，并逐渐渗透到包括材料化学、生物化学和信息学的多个领域之中。超分子化学可定义为研究分子组装和分子间键的化学。超分子化学的研究对象是基于分子间弱的相互作用(如非共价键)形成的分子聚集体。非共价键主要包括氢键、静电作用、范德华力和疏水效应。作为超分子相互作用的主要结合力。虽然强度远不如共价键，但对温度、溶剂等外部条件的变化具有高度的响应性能，使材料的各种可逆性能变为可能。正是这种可逆性能使超分子材料在分子器件、传感器、药物缓释、细胞识别、膜传递等方面有着重要作用。人们认为，超分子聚合物是一种新材料，它不仅具有各种可逆特征，更重要的是组装的灵活性。各个结构片段的数量和组织形式可通过引入合适的官能团而真正实现自下而上的组装。超分子是分子之间的结合，借助的结合力是非共价键力。与共价键力相比，非共价键力属于弱相互作用，包括范德华力、 静电引力、 氢键力、- 相互作用力与疏水相互作用等。超分子体系在主客体化学、 生物有机化学、 液晶材料、 超分子材料与分子器件等方面显示出强大的应用潜力，是设计新颖功能材料的一条全新途径。非共价连接的现象和分子聚集体还在生物结构中发挥着重要的作用。主客体化学作为超分子化中至关重要的一部分，由于其良好的选择性，高度的有效性以及简便的响应性，被广泛地用来构筑一些功能型的自组装结构 4。在主客体化学发展的历史长河中，冠醚作为第一代的超分子主体始终起着至关重要的作用。自修复指的是生物体系或者人工合成体系在遭受外力产生破损的时候能自发的修复自身形貌和功能的一种能力，是材料最让人惊异的性能之一 5。从概念上来说，自修复体系可以分为三种，基于胶囊的修复体系，基于微管的修复体系和自修复的聚合物体系6。在这三种体系中，聚合物体系由于其自主修复的能力和相对简单的修饰与广泛的应用受到越来越多的关注 7。然而，对于一般的聚合物材料来说，由于材料中的共价键一旦被打破就很难恢复到其原始状态使得我们无法获得具有如此优异性能的材料。1.2 国内外相关研究情况自从 1967 年佩德森(Charles Pedersen)偶然合成了冠醚并发现其络合碱金属离子的特性以来，这一类大环分子就因为其精美的结构和分子识别方面的应用开始受到广泛的关注。1974 年克拉姆(Donald James Cram)合成并研究了一系列具有光学活性的冠醚以模拟酶和底物的相互关系，继而提出了主客体化学 8的概念。法国 Louis Pasteus 大学的莱恩(Jean-Marie Lehn)发展了一系列氮杂穴醚,在分子识别的研究中发现了分子相互识别的决定性因素，于 1978 年提出了超分子化学(Supramolecular Chemistry)的概念，这三位教授由于其在发展与开拓超分子化学方面的成就分享了 1987 年的诺贝尔化学奖。经历了四十多年的发展，许多新的大环主体如杯芳烃、环糊精、菊卢脲等相继被合成出来，极大地推动了超分子化学的发展 9，使得现代的超分子化学已成为集分子识别与分子传感、分子机器与分子器件、分子逻辑门、液晶材料、药物缓释与传输、超分子聚合物材料等许多方面为一体的综合学科。超分子化学的发展使得化学家的研究对象从简单的小分子逐步转变为分子聚集体，这与现在比较流行的“积小为大”这一构筑方式的目的完全吻合。主客体化学作为超分子化中至关重要的一部分，由于其良好的选择性，高度的有效性以及简便的响应性，被广泛地用来构筑一些功能型的自组装结构。在主客体化学发展的历史长河中，冠醚作为第一代的超分子主体始终起着至关重要的作用。从最初的提高冠醚及其衍生物(穴醚,cryptand)与客体分子之间的结合能力逐步转变为构筑基于冠醚衍生物的超分子聚合物、小分子弹性体以及自修复材料等具有特定功能的组装体，对于冠醚与穴醚的研究与深化始终走在国际的前沿 10。超分子的结构与其功能密切相关，通过自组装所得的超分子聚合物作为超分子化学和高分子化学的交叉学科，正日益受到人们的高度关注 13。由于主客体相互作用是生物体系中最常见的非共价键相互作用，因此从生命现象中获得灵感，利用主客体相互作用将人工合成的构建基元组装形成拓扑结构各异的超分子聚合物是设计动态功能材料的一条新途径 14。利用主客体单元之间的可逆性结合以及其对外界信号的独特响应特性，该类超分子动态材料在化学转换器、记忆元件开关、传感器、人造肌肉、化学存储器、分子分离体系、活性酶的固定、组织工程、药物载体等方面具有很好的应用前景。2、本课题的主要内容和拟采用的合成方案、合成方法或措施2.1 本课题的主要内容（1）二缩三乙二醇单对甲苯磺酸酯的合成及检测（2）化合物的合成及检测 2.2 合成方案将二缩三乙二醇(120.0g，0.80mol)溶于四氢呋喃(120mL)中，然后加入氢氧化钠(16.0g， 0.27mol)水溶液(150mL) 。将体系冷至0向其逐滴加入 TsCl(52.3g，0.66mol)的THF溶液 (300mL)，滴加完即反应完毕。蒸去 THF，加乙酸乙酯溶解，分别用饱和NaHCO3和NaCl溶液洗涤，用 MgSO4干燥，所得粗产品过柱纯化(EA/PE，1/1) 得到无色油状物。图 2.1 单对甲苯磺酸酯的合成向混合物 3,4-二羟基苯甲醛(0.5g，3.6mmol)，二缩三乙二醇单对甲苯磺酸酯(2.9g， 9.6mmol)，K 2CO3(5.0g，36.0mmol)和 KI(0.3g，1.9mmol) 加入 DMF(15mL)，充分置换 N2 后，放入 80反应 30h。蒸去 DMF，加 DCM 和水溶解，油相分别用饱和NaHCO3 和 NaCl 溶液洗涤。所得粗产品过柱纯化(EA/MeOH ，20/1)，得到黄色油状物。图 2.2 化合物 1 的合成2.3 合成方法3、本课题的重点及难点，前期已展开的工作3.1 重点单对甲苯磺酸酯和化合物 1 的原料选取及合成。 3.2 难点合成时反应条件的选择和控制。3.3 前期已展开的工作1) 查阅相关资料，确定合成物原料及合成路线。OH O O OH TsCl TsO O O OHOHOOHTsOOOHO OOOO OHOO OHOK2CO3,KI 2) 通过之前的综合实验，已熟悉红外、热重等表征方法。3) 具备合成聚合物的基本操作及相关经验，能够完成聚合反应。4、完成本课题的工作方案及进度计划（按周次填写）第 1-2 周 做前期准备，查阅相关资料，完成开题报告；第 3 周 开题答辩；第 4-7 周 完善设计方案，准备材料，进行试验；第 8 周 完成中期报告，中期答辩；第 9-12 周 合成反应、 合成物的鉴定与测试； 第 13-14 周 整理实验结果并写出完整的毕业论文；第 15 周 毕业答辩。指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见）指导教师： 年 月 日 所在系审查意见：系主管领导： 年 月 日参考文献1 张兴才,容敏智,章明秋. 自修复材料研究进展J. 宇航材料工艺 .2006（1）2 李思超,韩 朋,许华平. 自修复高分子材料J. 化学进展 .2012（7）3 李海燕,张丽冰,王 俊. 本征型自修复聚合物材料研究进展 J.化工进展.2012 (7)4 闫 刚,魏伯荣,肖 琰,杨海涛. 自修复的复合材料J. 化学与粘合 .2010（5）5 章明秋,容敏智. 结构用自修复型高分子材料的制备J.高分子学报.2012（11）6 祁恒治,赵蕴慧,朱孔营,袁晓燕. 自修复聚合物材料的研究进展 J.化学进展.2011(12)7 Wang H P, Yuan Y C, Rong M Z, Zhang M Q. Macromolecules . 20108 Han P ,Ma N ,Ren H, Xu H ,Li Z, Wang Z, Zhang X. Langmuir . 20109 Haraguchi K Uyama K Tanimoto H. Macromol Rapid Commun . 201110 Liu Y L, Yu Y ,Gao J ,Wang Z Q, Zhang X. Angewandte Chemie International Edition . 201011 羊海棠,吕 群,方证平. 聚合物基自修复材料研究进展J.材料科学与工程学报.2009（10）12 陈大柱, 何平笙, 杨海洋. 具有自修复能力的聚合物材料 J.化学通报.2004(2)13 汪海平, 章明秋, 容敏智. 智能自修复型聚合物基复合材料 J. 航空制造技术.2011(20)14 晁小练, 杨祖培, 杜宗罡, 康 超, 杨莉莉. 自修复技术及自修复复合材料J. 塑料科技.2006(2)15 唐敏捷, 曹左群, 沈 青. 自愈和聚合物材料的研究进展 J.广州化学.2011(3)16 杨 哲, 魏宏亮, 楚晖娟, 朱 靖, 李志成. 应用 Diels-Alder 反应制备聚合物的研究进展J.高分子通报.2010(1)17 胡仲禹 , 黄华山, 夏美玲, 程传杰. 马来酸酐和呋喃的 DielsAlder 反应研究J.江西化学.2013(3)题目：自修复超分子单体-芳香族双官能团冠醚化合物的合成自修复超分子单体-芳香族双官能团冠醚化合物的合成摘 要超分子化学的发展使得化学家的研究对象从简单的小分子逐步转变为分子聚集体。自修复是在无外界作用的情况下，材料本身对缺陷的自我判断、控制和回复的能力。本课题通过 Wiliiamson 醚化反应合成了新型的双官能团冠醚化合物，首先合成对称取代的芳香族双官能团冠醚化合物，采用“高度稀释法”和“模板法”相结合的方法，合成了大量的双醛基二苯并-24-冠-8，关环收率比较高，达到72%。 最后对合成过程中遇到的问题进行了探讨。得出了制备单对甲苯磺酸酯的最佳工艺是试剂除水，在 0下每分钟 60 滴的速度滴加原料，产物用甲醇重结晶。关键字：Wiliiamson 醚化反应；双官能团冠醚化合物；自修复；超分子IThe Material of Self-healing Supramolecular-aromatic Crown Ethers with Di-functional GroupsAbstractThe development of supramolecular chemistry expands the research objects of chemists from small molecules to molecular aggregates. Self- healing describes in the absence of external action, the material is self-judgment of the defect itself, the control and recovery capabilities.The synthesis of a novel crown ethers with di-functional groups by Williamson reaction was described in this thesis. First synthesis of symmetrical substituted aromatic bifunctional crown ether compounds. Under high dilution conditions and adopting template-directed method, diformyldibenzo-24-crown-8 was effectively prepared with a good yield of 72%. Finally, the problems encountered in the process of synthesis were discussed. Obtained the best technology of preparation of single p-toluene sulfonic acid ester reagent is in addition to water, under 0 to 60 per minute rate drops and raw materials, products with methanol recrystallization.Key words: Williamson reaction; crown ethers with di-functional groups; self-healing; supramolecularII目 录1 绪论 .11.1 概述 .11.2 超分子聚合物 .11.2.1 外援型自修 复 .11.2.2 本征型自修复 .21.2.3 可逆共价键自修复 .21.2.4 可逆非共价键自修复 .31.2.5 超分子超分子化学 .51.2.6 自修复超分子材料 .51.3 关于冠醚 .61.4 超分子聚合物研究进展 .71.4.1 国外研究现状 .71.4.2 国内研究现状 .71.5 本课题研究意义 .81.5.1 研究意义 .81.5.2 课题设想 .92 实验部分 .92.1 实验试剂 .92.2 实验仪器 .102.3 二缩三乙二醇单对甲苯磺酸酯的合成 .102.4 化合物 I 的合成 .113 结果与讨论 .123.1 中间体的合成 .123.1.1 温度对反应的影响 .123.1.2 滴加方法对反应的影响 .143.1.3 水对反应的影响 .153.1.4 重结晶操作对反应的影响 .163.1.5 催化剂对反应的影响 .17III3.2 化合物 I 的合成 .183.2.1 加料顺序对反应的影响 .183.2.2 水对反应的影响 .203.2.3 操作不当对反应的影响 .214 结论 .22参考文献 .2301 绪论1.1 概述聚合物材料尤其是聚合物基复合材料因其优异的性能而被广泛应用于航空、航天、电子、机械等高新技术领域，材料在使用过程中不可避免会产生损伤，其中微裂纹是材料微观损伤的主要形式，微裂纹的产生会导致材料力学性能下降从而降低材料使用寿命。微裂纹同时也是一种安全隐患，例如在航空航天飞行器领域。由于航空航天飞行器在运行过程中速度高，需要克服高压和高温的外界条件，微裂纹若不进行及时修复，最终导致飞行器遭到破坏，出现问题甚至报废。由于都是高空作业，要对飞行器进行即时外援修复是不现实的或者说需要高人力物力，不符合经济效应。因此，聚合物材料作为一种新颖的智能结构功能材料，通过实现微裂纹的自愈合，为预防潜在的危害提供了一种新方法，在一些重要工程和尖端技术领域孕育着巨大的发展前景和应用价值 1。自修复材料的发展具有深远的科学意义和广阔的应用前景。例如可延长在能源生产建设( 如风能、太阳能、热能)，新型照明器件(如发光二极管)以及组织工程( 如人工软骨、人工皮肤)中作为关键部件的材料的使用寿命，从而显著提高材料安全性，优化经济效益 2。自修复材料最早发现是在19世纪70年代，在硬弹性聚丙烯材料中人们发现在垂直于聚合物挤出轴方向上存在叠片状的形貌，使材料在随后的拉伸过程中表面能转变成应变能，在外力作用下促使裂纹闭合，进而修复层间微孔，实现材料自修复 3。自修复聚合物材料作为一种重要的仿生智能材料，有着潜在的应用领域：人为修复难以实现或修复需要较大挑战性的领域如高层建筑、航海设备、地下管道、风力发电机组等；不能受损的材料表面如一些价格昂贵的装饰涂层、防腐涂层、隔热涂层等；在要求具有高可靠性的航天工业领域，如在过载或无法预料的载荷下的应用领域；需要较长循环使用寿命的领域如防洪设施、隧道、网络管道等；长期储存核材料的设备；生物医疗材料领域。1.2 超分子聚合物聚合物材料自修复方法目前大致分为两大类： 外援型自修复、本征型自修复。11.2.1外援型自修复外援型自修复即借助外加修复剂实现材料的自修复功能，如在材料中加入纳米粒子，聚合物损伤部位的损耗导致纳米粒子向损伤区域扩散，形成固态纳米粒子层将损伤区域修复 5。外援型自修复根据其反应机理不同可分为：(1)空心纤维自修复即将空心纤维埋植在基体材料中，空心纤维内装有修复剂流体，材料发生破坏时通过释放空心纤维内的修复剂流体粘接裂纹处实现损伤区域自修复；(2)纳米粒子自修复即当材料产生裂纹时，纳米粒子向裂纹区域扩散(纳米粒子尺寸越小扩散效果越好)，扩散后的纳米粒子相将裂纹处填充从而起到修复的作用；(3)微胶囊自修复 其原理为将内含修复剂的微胶囊埋入聚合物基体材料中，同时在基体中预埋催化剂（也可将催化剂微胶囊化后埋入基体材料中），材料产生裂纹后，裂纹的扩展导致微胶囊破裂，释放出的修复剂在虹吸作用下向损伤区域扩散，遇到催化剂后发生聚合反应修复裂纹；(4)微脉管自修复 即通过在材料内部埋入具有三维网状结构的微脉管，可实现修复剂的持续补充，因此可实现材料损伤的多次修复。微胶囊自修复技术的引入为外援型自修复提供了广大的发展空间，自2001年White等在Nature杂志上首次提出微胶囊自修复概念后，它的发展日趋成熟，相关报道也是目前所有自修复方法中最多的。近几年研究学者们开发了具有三维网络结构的微脉管自修复体系，这一体系可实现多次循环自修复，但在材料制备过程尤其是三维网络结构的制备比较复杂 6。1.2.2本征型自修复本征型自修复，其自修复机理主要是通过聚合物材料内部本身具有的可逆化学反应的分子结构或大分子的扩散等形式来实现的，根据可逆化学反应的类型分为可逆非共价键自修复(物理型)和可逆共价键自修复(化学型)两大类。在修复过程中，如需外部能量和刺激如机械力、光、热、pH 值变化等实现的自修复称为非自主型自修复，不需外加条件就可实现的自修复称为自主型自修复。1.2.3可逆共价键自修复a. 可逆酰腙键自修复酰腙键是通过酰肼和醛基的缩合反应制得，在酸催化下，酰腙键的形成是可逆的，因此可制备pH值响应的自修复材料。可通过调节体系 pH值实现凝胶-溶胶可逆转换，即通过酰腙键的可逆断裂与重组实现自修复功能。Deng等 7研究了一种自修复有机凝胶，采用聚乙二醇两端修饰二苯甲酰肼与三(4- 醛基苯氧基)- 甲基 乙烷的3个末端的醛基反应，酰肼与醛基缩合生成酰胺键。酰腙键具有可逆反应性，当pH4时，反应生成凝胶， pH97% 台州市中大化工有限公司对甲苯磺酰氯(TsCI) Cp 国药集团化学试剂有限公司二氯甲烷 AR 天津市化学试剂一厂N，N一二甲基甲酰胺(DMF) 99.8% 天津市天力化学试剂有限公司二缩三乙二醇 AR 天津市化学试剂一厂四氢呋喃 AR 天津市化学试剂一厂乙酸乙酯 AR 天津市化学试剂一厂甲醇 AR 国药集团化学试剂有限公司2.2实验仪器本实验所采用的实验仪器与设备详见表2.2。表2.2 实验仪器与设备名称 规格 产地10傅立叶变换红外光谱仪 NEXUS 美国Nicolet公司紫外- 可见分光光度计 SHIMADIR-UV02550 日本岛津公司高效液相/凝胶色谱仪 Wsters-Breeze 美国Wsters公司FE-SEM Sirion 200(SEM) FEI(SEM)平行流变仪 CaBER 1 (美国) Thermo Fisher公司旋转蒸发器 R系列 上海申生科技有限公司电热鼓风干燥箱 101-1型 天津市泰斯特仪器有限公司磁力搅拌器 85-2 上海司乐仪器有限公司2.3二缩三乙二醇单对甲苯磺酸酯的合成将二缩三乙二醇(120.0g，0.80mol)溶于四氢呋喃(120mL)中，然后加入氢氧化钠(16.0g ， 0.27mol)水溶液(150mL) 。将体系冷至 0向其逐滴加入TsCl(52.3g，0.66mol)的THF溶液(300mL)，滴加完即反应完毕。蒸去THF ，加乙酸乙酯溶解，分别用饱和NaHCO 3和NaCl溶液洗涤，用 MgSO4干燥，所得粗产品过柱纯化(EA/PE，1/1)得到无色油状物。用溴化钾压片，进行红外检测，分析图谱，确定合成产物。OH O O OH TsCl TsO O O OH图2.1 单对甲苯磺酸酯的合成2.4 化合物 I 的合成向混合物 3，4-二羟基苯甲醛(0.5g，3.6mmol)，二缩三乙二醇单对甲苯磺酸酯(2.9g ，9.6mmol)，K 2CO3(5.0g，36.0mmol)和 KI(0.3g，1.9mmol) 加入 DMF (15mL)，充分置换 N2 后， 放入 80反应 30h。蒸去 DMF，加 DCM 和水溶解，油相分别用饱和 NaHCO3 和 NaCl 溶液洗涤。所得粗产品过柱纯化(EA/MeOH，20/1)，得到黄色油状物。用溴化钾压片，进行红外检测，分析图谱，确定合成产物。OHOOHTsOOOHO OOOO OHOO OHOK2CO3,KI图 2.2 化合物 I 的合成113 结果与讨论冠醚是一类大环多醚类化合物，其合成方法大体上是利用一些众所周知的类型反应而成环。在众多合成冠醚化合物的方法中，最早被采用的，也是现今最常用的一种方法就是 Williamson 醚化反应合成法，即二醇或二酚在碱性条件下作为亲核试剂，与作为烷化剂的二卤化物或双对甲苯磺酸酯进行关环反应而制得冠醚。3.1 中间体的合成冠醚合成的基本原料有二元酚、多甘醇(二醇)、多甘醇二卤化物和多甘醇二对甲苯磺酸酯等。其中，多甘醇的对甲苯磺酸酯是合成冠醚的重要中间体，在反应中它以对甲苯磺酸根作为离去基团，反应活性要比多甘醇二卤化物高，而且毒性较低，操作简单易行。本课题在合成多官能团冠醚化合物时首先选择合成重要的中间体：二缩三乙二醇单对甲苯磺酸酯。由于几率效应即当高分子链上的相邻功能基无规成对参与反应时，反应过程中会产生孤立的单个功能基，这些留下的单个孤立功能基难以继续反应，因而不能 100%的转化，只能达到有限的反应程度。在制备对称二醇的单对甲苯磺酸酯时伴随有副产物双对甲苯磺酸酯生成，二醇的单对甲苯磺酸酯的产率较低，反应条件要求较高。通过阅读文献，发现通过控制投料量的化学计量比来减少副产物的生成，即将原料二缩三乙二醇大大过量，最终能方便有效地合成出大量的二缩三乙二醇单对甲苯磺酸酯。在反应结束后，为得到更高纯度的产物，用纯化柱对反应产物进行柱纯化，柱纯化的原理及制作纯化柱的具体方法如下：在反应过程中我们多次用到纯化柱对产物进行提纯，所以先对硅胶柱层析的原理进行介绍硅胶层析法的分离原理是根据物质在硅胶上的吸附力不同而得到分离，一般情况下极性较大的物质易被硅胶吸附，极性较弱的物质不易被硅胶吸附，整个层析过程即是吸附、解吸、再吸附、再解吸过程。层析过程是基于样品组分在互不相溶的两“相” 溶剂之间的分配系数之差（分配层析） ，组分对吸附剂吸附能力不同（吸附层析） ，和寓子交换，分子的大小（排阻层析）而分离。硅胶是一种酸性吸附剂，适用于中性或酸性成分的层析。通过实验及分析，得出以下影响二缩三乙二醇单对甲苯磺酸酯合成的因素。3.1.1 温度对反应的影响12第一次反应取用预计量的六分之一来进行实验。制备 2.67g 氢氧化钠的水溶液 25mL、8.72g TsCl 溶于 50mL THF 溶液、饱和 NaHCO3 和饱和 NaCl 溶液。将二缩三乙二醇 20.0g 溶于 20mL 四氢呋喃中，然后加入氢氧化钠的水溶液。体系冷至 5(冰块敲碎，用冰块包围反应体系)后用胶头滴管向其逐滴加入TsCl 的 THF 溶液，滴加完即反应完毕。用旋转蒸发仪温度调节为 35蒸去THF。再加乙酸乙酯溶解，溶液会发生分层，用分液漏斗将两相分开取上层油相，分别用饱和 NaHCO3 和饱和 NaCl 溶液洗涤、分层，去上层油相，再用MgSO4 干燥。完成之后向体系中加入甲醇，放入冰箱进行重结晶(两天)。最后所得粗产品用纯化柱进行柱纯化(EA/PE，1/1)。最终得到的产物通过红外分析得到图 3.1 的图谱。图 3.1 单对甲苯磺酸酯红外图谱从图 3.1 可以看出，在波峰为 3434cm-1 是 O-H 键的伸缩振动，波峰为1652cm-1 是苯环的伸缩振动，波峰为 1419cm-1 是 C-H 键的面内弯曲振动，波峰为 1103cm-1 是 C-O、C-C 骨架振动，波峰为 619cm-1 是 C-H 键的面外弯曲振动。由图 2.1 知合成的单对甲苯磺酸酯中有特殊官能团酯基存在，而酯基的波数是2500-1900cm-1 以双峰的形式出现。从图中可以看出在该位置没有出现峰，说明该化合物不是我们要合成的。应此我们应考虑合成工艺的影响。经过分析与讨论得出结论：温度影响了反应结果。由于系统温度为 0时，对甲苯磺酰氯中的磺酰氯基团活性最高，在二缩三乙二醇大大过量的情况下，50 40 30 20 100.0.20.40.60.81.01.234.7329 1652.79414.23410.1387619.0691透光率/%波 数 /cm-113使对甲苯磺酰氯与二缩三乙二醇发生反应机率增大，提高了二缩三乙二醇单对甲苯磺酯的产率。其次，磺酰氯基团在常温碱性条件下易发生水解。在反应体系中存在氢氧化钠水溶液，使体系显碱性，为水解反应提供了条件。对甲苯磺酰氯水解后产生对甲苯磺酸，与剩余的氢氧化钠发生反应生成盐类。当反应温度为 0时，酰氯基团水解的程度降低。气温高使包围在体系周围的冰渣易融化，体系温度升高，无法保证体系温度一直处于 0。用冰浴锅对体系进行冷却，可以使体系处于 0。保证对甲苯磺酰氯滴加过程中体系温度为 0。3.1.2 滴加方法对反应的影响在对实验方案进行改进即在其它条件不变的情况下用冰浴锅进行冷却后进行第二次实验，产物通过红外分析得到图 3.2 的图谱。图 3.2 单对甲苯磺酸酯红外图谱从图 3.2 可以看出，在波峰为 3434cm-1 是 O-H 键的伸缩振动，波峰为1652cm-1 是苯环的伸缩振动，波峰为 1419cm-1 是 C-H 键的面内弯曲振动，波峰为 1103cm-1 是 C-O、C-C 骨架振动，波峰为 619cm-1 是 C-H 键的面外弯曲振动。而没有出现特殊官能团酯基的特殊峰。说明该化合物不是我们要合成的物质。在第二次反应过程中，由于用胶头滴管滴加单对甲苯磺酰氯，不能准确的确定滴加速率，使反应不能顺利进行，发生了其它变化，没有合成出预期产物。由于反应是合成反应。由能量守恒原理，整个体系在反应过程中会放热，单对甲苯磺酰氯与二缩三乙二醇反应速率很快，滴加单对甲苯磺酰氯完成后即反应结束，滴加单对甲苯磺酰氯过快，反应速率增加即在短时间内释放出较多50 40 30 20 100.0.20.40.60.81.01.234.7329 1652.79414.23410.1387619.0691透光率/%波 数 /cm-114的热量。反应体系要求在环境温度为 0的条件下进行，在反应过程中依靠反应体系与外界进行热交换来保持温度的平衡，加入反应物过快会导致无法快速的进行体系和外界热交换从而使体系的温度升高，从而导致副产物的产生及反应的失败。同时，由于二缩三乙二醇单对甲苯磺酸酯是由于几率效应产生的，是由于在形成二缩三乙二醇双对甲苯磺酸酯的过程中没有达到 100%转化而产生的。因此在反应过程中应降低反应过程中的转化率。加入对甲苯磺酰氯过快会导致原反应的反应速率向着生成物方向偏移，将会导致二缩三乙二醇双对甲苯磺酸酯的产率增加，转换率增加。对实验方案进行了进一步改进即改用滴液漏斗滴加单对甲苯磺酰氯，控制滴加速率为每分钟 60 滴，其他条件不变。3.1.3 水对反应的影响在对实验方案进行改进后我们进行了第三次实验，最终得到的产物通过红外分析得到图 3.3 的图谱。图 3.3 单对甲苯磺酸酯红外图谱从图 3.3 可以看出，在波峰为 3434cm-1 是 O-H 键的伸缩振动，波峰为1652cm-1 是苯环的伸缩振动，波峰为 1419cm-1 是 C-H 键的面内弯曲振动，波峰为 1103cm-1 是 C-O、C-C 骨架振动，波峰为 619cm-1 是 C-H 键的面外弯曲振动。而没有出现特殊官能团酯基的特殊峰。说明该化合物不是我们要合成的物质。通过分析实验方案以及相关文献的查询，得知水的存在对反应产生影响。50 40 30 20 100.0.20.40.60.81.01.234.7329 1652.79414.23410.1387619.0691透光率/%波 数 /cm-115对甲苯磺酰氯水解为对甲苯磺酸而失活，影响产率，水很难从产物酯里除去。该反应的反应环境是呈碱性的，磺酸与氢氧化钠反应生成盐破坏了反应环境，影响了整合成过程。溶解单对甲苯磺酰氯的溶剂为四氢呋喃，四氢呋喃易吸水。故结论为：影响合成的原因是四氢呋喃中含有水份。因此，对四氢呋喃进行了除水预处理即在氮气保护下加入金属钠回流四氢呋喃，用二苯丙酮做指示剂，当溶液变为深蓝色时蒸馏，然后干燥保存使用。而且在溶解了单对甲苯磺酰氯后，立即用保鲜膜将烧杯封口。而在滴加时，用玻璃塞将滴液漏斗封口。保证单对甲苯磺酰氯没有发生变化。为避免空气湿度对反应的影响，尽量在干燥条件进行反应。鉴于以上因素，对实验方案进行改进，产物通过红外分析得到图 3.4 的图谱。图 3.4 单对甲苯磺酸酯红外图谱由图 3.4 可知，波数为 3417cm-1 的峰为 O-H 键的伸缩振动，波数为2958cm-1 的峰为 C-H 键的伸缩振动，波数为 2024cm-1 处是酯基的伸缩振动，波数为 1637cm-1 是苯环的伸缩振动，波数为 1349cm-1 是 C-H 键的面内弯曲振动，波数为 779cm-1 是 C-H 键的面外弯曲振动。有特殊官能团的波峰，说明出现了我们要合成的物质，也进一步证明了含有水份的四氢呋喃对合成的影响。在制备二缩三乙二醇单对甲苯磺酸酯的过程中伴随有副产物双对甲苯磺酸酯生成，通过控制投料量的化学计量比来减少副产物的生成，即将原料二缩三乙二醇大大过量，最终也能方便有效地合成出大量的二缩三乙二醇单对甲苯磺酸酯。产品纯化时，采用加入甲醇重结晶，然后进一步经过柱纯化即可方便地得到很纯的目标产物，加快产物分离。50 40 30 20 100.0.20.40.60.81.03417.416212958.4178204.92681637.512349.512106.9679.14046.691透光率/%波 数 /cm-1163.1.4 重结晶操作对反应的影响由于副产物二缩三乙二醇双对甲苯磺酸酯在甲醇中结晶能力很强，产物二缩三乙二醇单对甲苯磺酸酯能溶于甲醇，因此用甲醇重结晶法进行产物提纯。在重结晶时，起初采用直接向溶解于乙酸乙酯的产物中加入甲醇进行重结晶，实验结果证明重结晶效果不好，结晶后的产物当中仍含有二缩三乙二醇双对甲苯磺酸酯。原因为产物中的乙酸乙酯增大了二缩三乙二醇双对甲苯磺酸酯的溶解度，在重结晶操作之前应当对产物进行除溶剂的操作。因此，采用在加入甲醇进行重结晶之前对产物进行旋干即在旋转蒸发仪中调节温度为 30蒸发除去当中的乙酸乙酯后再在冰箱中进行重结晶步骤。实验证明，在将溶剂乙酸乙酯除去后，二缩三乙二醇双对甲苯磺酸酯结晶明显增多。3.1.5 催化剂对反应的影响Bouzide 等采用在氧化银和碘化钾存在下，通过形成分子内氢键而使对称二醇中两个羟基的酸碱性产生差异，从而选择性地使其中一个羟基与对甲苯磺酰氯反应高收率地制备了单对甲苯磺酸酯。张阿方等采用在 KI 存在下，二缩三乙二醇和对甲苯磺酰氯在四氢呋喃和氢氧化钠水溶液下直接反应来制备二缩三乙二醇单对甲苯磺酸酯，结果有效地抑制副产物二缩三乙二醇双对甲苯磺酸酯的生成。由于甲醇条件下重结晶后发现结晶产物较多，因此证明反应副产物二缩三乙二醇双对甲苯磺酸酯较多，需要的产物单对甲苯磺酸酯产率较低。最后决定通过在反应过程中加入 KI 来抑制副产物二缩三乙二醇双对甲苯磺酸酯的生成。在完整的反应操作后，向产物加入甲醇在冰箱中重结晶三天，产物明显减少，证明 KI 抑制了副产物二缩三乙二醇双对甲苯磺酸酯的生成，提高了产率。同时对未结晶部分进行了检测，最终得到的产物通过红外分析得到图 3.5 的图45040350302502015010500.0.20.40.60.81.0透光率/%波 数 /cm-131028741972158313461077317谱。图 3.5 二缩三乙二醇双对甲苯磺酸酯从图 3.5 中可以看出，在波数为 3103cm-1 处是 O-H 键的伸缩振动，在波数为 2874cm-1 处是 C-H 键的伸缩振动，在波数为 1583cm-1 处是苯环的伸缩振动，在波数为 1346cm-1 处是 C-H 键的面内弯曲振动，在波数为 1017cm-1 处是 C-C骨架振动，在波数为 773cm-1 处是 C-H 键的面外弯曲振动。在 2500-2000cm-1 波数段有酯基的振动，说明合成物为单对甲苯磺酸酯。进一步说明加入催化剂对反应的影响。在确定目标产物及产率后，进行了大量实验，制备了一定量的二缩三乙二醇单对甲苯磺酸酯为实验的第二步做准备。3.2 化合物 I 的合成选用 3,4-二羟基苯甲醛与二缩三乙二醇单对甲苯磺酸酯进行 Williamson 醚化反应制得化合物 I。用 3,4-二羟基苯甲醛与二缩三乙二醇单对甲苯磺酸酯在碳酸钾和碘化钾存在下反应生成化合物 I。反应收率比较高，达到 89%。碘化钾是 Williamson 醚化反应中常用的催化剂，其催化原理是反应中的亲核性较大的碘离子取代掉二缩三乙二醇单对甲苯磺酸酯中对甲苯磺酸酯，进而易于酚盐进行醚化反应。此外，该步反应需要在无水无氧环境下进行，否则原料二元酚很容易被氧化，反应体系变黑，从而导致产率降低。由于化合物 I 具有较大的水溶性，选用碱性较强的无机碱氢氧化钾水溶液作碱，在 THF 和水的混合溶剂中将其双端羟基转化成相应的对甲苯磺酸酯。后来，经过反复试验操作发现，化合物 I 的粗产品不需要进行柱纯化，直接开始第二步反应最终也能高收率的制得纯度很高的目标化合物 II，这样就提高合成效率。通过多次实验及分析，最终得出以下影响化合物 I 的因素。3.2.1 加料顺序对反应的影响由于第二步反应用量较少，完全按照原计划用量进行第二步实验的初次尝试。将混合物 3,4-二羟基苯甲醛 0.5g，二缩三乙二醇单对甲苯磺酸酯 2.9g， K2CO35.0g 和 KI0.3g，加入 15mL DMF，充分置换 N2 后放入油浴 80反应30h(在反应过程中用冷凝管进行回流)。用旋转蒸发仪蒸去 DMF(沸点 153)蒸发温度调节为 95，加 DCM(二氯甲烷)和水溶解，溶液发生分层，用分液漏斗取下层油相分别用饱和 NaHCO3 和饱和 NaCl 溶液洗涤，分层后去油相。最后将所得粗产品过柱纯化(EA/MeOH ，20/1) ，得到黄色油状物。18在反应结束后，将生成的实验产物进行红外检测，最终得到如图 3.6 所示的红外图谱。图 3.6 化合物 1 的红外图谱在波峰为1652cm -1有苯环的伸缩振动，波峰为1103cm -1有 C-C 骨架的振动，波峰为606cm -1有 C-H 键的伸缩振动。谱图中没有特殊基团的峰出现，说明没有产物生成。在分析实验结果后，对实验原理进行分析，得出以下结论：实验选用威廉姆逊醚化法来合成化合物 I。根据威廉姆逊醚化原理为卤代烃和醇盐发生亲核取代反应，即醇羟基在碱性条件下形成醇负离子，而后与带有合适离去基团的烃类分子反应，烃类分子烃类分子脱去离去基团形成醚键。R-ONa + R-X R-O-R + NaX这里的离去基团包括：碘、溴等卤素，或磺酸酯。威廉姆逊合成法中只能选用伯卤代烷与醇钠为原料。因为醇钠既是亲核试剂，又是强碱，仲、叔卤代烷（特别是叔卤代烷）在强碱条件下主要发生消除反应而生成烯烃。 其取决于醇羟基的酸性，对酚羟基这种强酸性羟基，则可以使用 Na2CO3、 K2CO3这样较弱的路易斯碱。其反应溶剂一般使用 DMF、DMSO 这类非质子极性溶剂，若使用乙醇一类的质子极性溶剂则非常容易让卤代烃发生消除反应。其反应活性为：烷基活性：甲基 烯丙基、苄基 一级碳 二级碳。离去基团活性：OTs、I OMs Br Cl。由于实验选用的3，4-二羟基苯甲醛含有酚羟基，所以用 K2CO3来形成醇负离子同时提供碱性环境。选用 DMF 作为反应溶剂，第一步产物二缩三乙二醇单对甲苯磺酸酯含有活性强的离去基团OTs。4504035030250201501050010203040506070透光率/%波 数 /cm-1 60103165219经过讨论研究认为试剂的添加顺序应为：DMF3,4- 二羟基苯甲醛碳酸钾二缩三乙二醇单对甲苯磺酸酯KI。首先加 DMF 作为反应介质，之后加入 3,4-二羟基苯甲醛和碳酸钾是反应先生成钾盐，最后加二缩三乙二醇单对甲苯磺酸酯。关键点是保证使酚类成钾盐。碘化钾是 Wiliiamson 醚化反应中常用的有效催化剂，其催化机理是反应中亲核性较大的碘离子取代掉二缩三乙二醇单对甲苯磺酸酯中的对苯磺酸酯，进而易与酚盐进行醚化反应。所以选择在最后加入 KI 催化剂。3.2.2 水对反应的影响在对实验方案进行改进后后，进行第二步实验得到如图3.7所示的图谱。图 3.7 化合物 1 的红外光谱在波峰为 3426cm-1 有 O-H 键的伸缩振动，波峰为 2865cm-1 有 C-H 键的伸缩振动，波峰为 1865cm-1 有 C=O 键的伸缩振动。波峰为 1368cm-1 和 665cm-1有 C-H 键的面内弯曲振动和面外弯曲振动。对实验方案、操作过程及对可能对实验产生影响的因素进行分析与总结，并且查阅了相关文献，得出以下结论：磺酸酯在碱性条件下发生水解，且水解程度随温度递增。第二步反应是在80的温度下进行并且反应环境为碱性，如果反应过程中存在水，则二缩三乙二醇单对甲苯磺酸酯首先会发生水解生成磺酸，进而磺酸便会中和碱，是反映环境发生变化，从而阻止反应的进行。45040350302502015010500.0.20.40.60.81.0透光率/%波 数 /cm-134262865 6518651598136820而反应过程中参与的水来自 DCM。因此需要对 DCM 进行除水处理。在查阅了相关文献后决定在氮气保护下用氢化钙回流 DCM。由于所用的 DCM 是一般分析纯，所以在回流 6-8 小时蒸馏出即可使用。3.2.3 操作不当对反应的影响由于第二步实验要在氮气保护下进行，在第一次合成化合物 I 时，整个反应体系体用氮气保护，系温度为 80，反应时间为 30 小时，反应结束后，体系变为白色糊状物，没有化合物 1 的生成。分析原因是在对反应体系进行真空通入氮气时，没有操作完善，使体系中含有空气，影响了反应结果。在第二次合成过程中通氮气时，重复了三遍，确保整个体系没有空气的条件下再次合成化合物 I。反应完毕后，除去溶剂，得到黄色油状物。在查阅相关文献后发现经过反复试验发现，粗产品化合物 I 不需走柱纯化，直接进行第二步反应最终也能高收率地制得很纯的目标化合物 II。由于柱纯化操作比较耗费时间，所以取消了柱
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