（微生物与生化药学专业论文）n邻位取代苯基马来酰亚胺的合成研究与表征.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 n - 邻位取代苯基马来酰亚胺的合成研究和表征 摘要 n - 苯基取代马来酰亚胺是近几十年来发展起来的一种新型树脂改 性单体，由于单体内酰亚胺五元环的存在，阻碍了聚合物绕高分子链 的旋转，并且使高分子链的运动变得困难，使聚合物具有良好的热性 能。 本实验研究了一系列n - 邻位取代苯基马来酰亚胺的合成。根据不 同的苯胺邻位取代基团，采用了两种合成方法( 乙酐法和共沸法) ，同 马来酸酐反应制备目的产物。 以乙酸酐为脱水剂，三乙胺和金属盐为催化剂，同时加入阻聚剂， 采用乙酐法合成了n 邻甲苯基马来酰亚胺和n - 邻氯苯基马来酰亚胺。 经过优化实验，n - 邻甲苯基马来酰亚胺的最佳工艺条件为：邻甲苯胺 用量0 0 5 m o l 时，物料比1 1 ，三乙胺和乙酸酐的用量分别2 m l 和1 2 m l ， 反应温度5 5 。c ，反应时间2 小时，产品收率8 0 8 ，纯度9 5 3 ，重 结晶提纯后，收率6 8 6 ，纯度9 9 3 。n 邻氯苯基马来酰亚胺的最佳 工艺条件为：邻氯苯胺用量0 0 5 m o l 时，物料比1 1 ，三乙胺和乙酸酐 的用量分别2 m l 和9 m l ，反应温度5 0 ，反应时间1 5 小时，产品收 率8 4 1 ，纯度9 3 1 ，重结晶提纯后，收率7 1 4 ，纯度9 8 3 。 以甲苯、d m f 为混合溶剂，对甲苯磺酸为催化剂，采用共沸法合 成了n 邻乙苯基马来酰亚胺、n 邻硝基苯基马来酰亚胺和n 邻羟基苯 浙江工业大学硕士学位论文 基马来酰亚胺。经过优化实验，n 邻乙苯基马来酰亚胺的最佳工艺条 件为：邻乙基苯胺用量0 0 5 m o l 时，物料比1 1 ，对甲苯磺酸用量0 6 9 ， 共沸温度1 3 5 ，共沸时间3 5 小时，产品收率7 8 2 ，纯度9 7 4 重结晶提纯后，收率6 9 5 ，纯度9 9 6 。n 邻硝基苯基马来酰亚胺的 最佳工艺条件为：邻硝基苯胺用量0 0 5 m o l 时，物料比1 1 ，对甲苯磺 酸用量0 6 9 ，共沸温度1 3 0 。c ，共沸时间3 小时，产品收率4 0 6 ，纯 度9 6 5 ，重结晶提纯后，收率3 5 7 ，纯度9 8 6 。n 邻羟基苯基马 来酰亚胺的最佳工艺条件为：2 氨基酚用量0 0 5 m o l 时，物料比1 1 ， 对甲苯磺酸用量0 7 9 ，共沸温度1 4 5 c ，共沸时间4 5 小时，产品收率 5 2 3 ，纯度9 6 2 ，重结晶提纯后，收率3 0 2 ，纯度9 9 2 经过优化，各步反应的工艺条件均获得了改进和提高，取得了良 好的结果。各步反应收率均达到或超过文献报道值，产物质量符合要 求。产品经过熔点、i r 、1 h n m r 、1 3 c n m r 表征确认。该合成工艺具 备工业化应用价值。 关键词：n - 邻位取代苯基马来酰亚胺，合成，优化，表征 l i 浙江工业大学硕士学位论文 s y 套汀h e s i sa n dc ha r ac t e r i z a t i o n o fn - - ( o r t h o - s u bs t i t u t e dp i - i e c 儿) a bs t r a c t n s u b s t i t u t e dp h e n y lm a l e i m i d e sa r eo n ek i n do ft h e r m a li m p r o v e r s w h i c ha r ed e v e l o p e dr e c e n t l y w h e nc o p o l y m e r i z e dw i t hc o m m o n v i n y l m o n o m e r s ，t h er e s u l t i n gc o p o l y m e r sc o n t a i nf i v e - m e m b e rp l a n a rr i n g si n t h ec h a i nc a nh i n d e rt h er o t a t i o no ft h ei m i d e sr e s i d u e sa r o u n dt h e b a c k b o n ec h a i no ft h em a c r o m o l e c u l e s ，r e s u l t i n gi nag r e a t e rs t r u c t u r a l s t i f f n e s sa n dah i g h e rt h e r m a ls t a b i l i t y i nt h i ss t u d yw es y n t h e s i z e das e r i e so fn 一( o - s u b s t i t u t e dp h e n y l ) m a l e i m i d e s t w os y n t h e t i cm e t h o d sw e r ea d o p t e da c c o r d i n gt od i f f e r e n t a n i l i n eo - s u b s t i t u t e dg r o u p s ：a c e t i c a n h y d r i d em e t h o da n da z e o t r o p i c m e t h o d n - ( 2 一m e t h y l p h e n y lm a l e i m i d e ，n 一( 2 一c h l o r o p h e n y l ) m a l e i m i d ew e r e p r e p a r e df r o mm a l e i ea n h y d r i d ea n dt h ec o r r e s p o n g d i n ga n i l i n eu s i n g a c e t i ca n h y d r i d ea sd e h y d r a t o r ，t r i e t h y l a m i n ea n dm e t a l l i cs a l ta sc a t a l y s t ， h y d r o q u i n o n ea sp o l y m e r i z a t i o nr e t a r d e r t h r o u g ho r t h o g o n a le x p e r i m e n t s ， i i i 浙江工业大学硕士学位论文 t h eo p t i m a ls y n t h e s i sp r o c e s so fn - ( 2 - m e t h y l p h e n y lm a l e i m i d ei sa s f o l l o w s ：w h e n2 - t o l u i d i n ei s0 0 5 m o l ，t h em o lr a t eo fm a l e i ea n h y d r i d ei s 1 1 ；t r i e t h y l a m i n ea n da c e t i ca n h y d r i d ea r e2 m la n d12 m lr e s p e c t i v e l y ； t h er e a c t i o nt e m p e r a t u r ei s5 5 c ；t h er e a c t i o nt i m ei s2 h ；t h ey i e l do fc r u d e p r o d u c ti s8 0 8 ，a n dt h ep u r i t yi s 9 5 3 a f t e rr e c r y s t a l l i z a t i o n , t h e f i n a l l yy i e l di s6 8 6 ，a n dt h ep u r i t yi s9 9 3 t h eo p t i m a ls y n t h e s i s p r o c e s s o f n 一( 2 一c h l o r o p h e n y l ) m a l e i m i d e i s 嬲f o l l o w s ：w h e n 2 - c h l o r o a n i l i n ei s0 0 5 m o l ，t h em o lr a t eo fm a l e i ea n h y d r i d ei s1 1 ； t r i e t h y l a m i n ea n da c e t i ca n h y d r i d ea r e2 m la n d9 m lr e s p e c t i v e l y ；t h e r e a c t i o nt e m p e r a t u r ei s5 0 。c ；t h er e a c t i o nt i m ei s1 5 h ；t h ey i e l do fc r u d e p r o d u c ti s8 4 1 ，a n dt h ep u r i t yi s9 3 1 a l t e rr e c r y s t a l l i z a t i o n ，t h e f i n a l l yy i e l di s71 4 ，a n dt h ep u r i t yi s9 8 3 n - ( 2 一e t h y l p h e n y l ) m a l e i r n i d e ，n - ( 2 - n i t r o p h e n y l ) m a l e i m i d e a n d n - ( 2 - h y d r o x y p h e n y l ) m a l e i m i d ew e r ep r e p a r e df r o mm a l e i ca n h y d r i d ea n d t h ec o r r e s p o n g d i n ga n i l i n eu s i n gt o l u e n ea n dd m fa sm i x e ds o l v e n t , p - t o l u e n e s u l f o n i ca c i da sc a t a l y s t t h r o u g ho r t h o g o n a le x p e r i m e n t s ，t h e o p t i m a ls y n t h e s i sp r o c e s so fn - ( 2 - e t h y l p h e n y l ) m a l e i m i d ei sa sf o l l o w s ： w h e n2 - e t h y l a n i l i n ei s0 0 5 m o l ，t h em o lr a t eo fm a l e i ca n h y d r i d ei s 1 1 ； p - t o l u e n e s u l f o n i ca c i di s0 6 9 ；t h er e a c t i o nt e m p e r a t u r ei s1 3 5 ；t h e r e a c t i o nt i m ei s3 5 h ；t h ey i e l do fc r u d ep r o d u c ti s7 8 2 ，a n dt h ep u r i t yi s 9 7 4 a l t e rr e c r y s t a l l i z a t i o n ，t h ef i n a l l yy i e l di s6 9 5 ，a n dt h ep u r i t yi s 9 9 6 t h eo p t i m a ls y n t h e s i sp r o c e s so fn - ( 2 - n i t r o p h e n y l ) m a l e i m i d ei sa s i v 浙江工业大学硕士学位论文 f o l l o w s ：w h e n2 - n i t r o a n i l i n ei s0 0 5 m o l ，t h et o o lr a t eo fm a l e i ca n h y d r i d e i s1 1 ；p t o l u e n e s u l f o n i ca c i di s0 6 9 ；t h er e a c t i o nt e m p e r a t u r ei s130 。c ； t h er e a c t i o nt i m ei s3 h ；t h ey i e l do fc r u d ep r o d u c ti s4 0 6 ，a n dt h ep u r i t y i s9 6 5 a f t e rr e c r y s t a l l i z a t i o n ，t h ef i n a l l yy i e l di s35 7 ，a n dt h ep u r i t yi s 9 8 6 t h eo p t i m a ls y n t h e s i sp r o c e s so fn - ( 2 一h y d r o x y p h e n y l ) m a l e i m i d e i sa sf o l l o w s ：w h e n2 - a m i n o p h e n o li so 0 5 m o l ，t h et o o lr a t eo fm a l e i c a n h y d r i d ei s1 1 ；p t o l u e n e s u l f o n i ca c i di s0 7 9 ；t h er e a c t i o nt e m p e r a t u r ei s 14 5 。c ；t h er e a c t i o nt i m ei s4 5 h ；t h ey i e l do fc r u d ep r o d u c ti s5 2 3 ，a n d t h ep u r i t yi s9 6 2 a f t e rr e c r y s t a l l i z a t i o n ，t h ef i n a l l yy i e l di s30 2 ，a n d t h r o u g ho p t i m a lc o n d i t i o n s ，t h es y n t h e s i sp r o c e s sw a si m p r o v e da n d d e v e l o p e d t h ey i e l d so fe a c hp r o d u c tw e r er e a c h e do rs u r p a s s e dt h ey i e l d s o ft h ec o n c e r n e dd o c u m e n t s ，t h eq u a l i t i e so ft h ep r o d u c tw a sm e tt h e r e q u i r e m e n t t h e s t r u c t u r e sw e r ec o n f i r m e d b ym e l t i n g p o i n t i r 1 h - n m r 1 3 c - n m r t h i ss y n t h e s i sp r o c e s so fn - ( o s u b s t i t u t e d p h e n y l ) m a l e i m i d e sh a st h ev a l u eo fb e i n gi n d u s t r i a l i z e d k e y w o r d s ：n 一( o s u b s t i t u t e dp h e n y l ) m a l e i m i d e ，s y n t h e s i z e ，o p t i m i z e ， c h a r a c t e r i z a t i o n v 浙江工业大学硕士学位论文 符号说明 t l c t h i n l a y e rc h r o m a t o g r a p h y 薄层色谱法( 薄层层析法) i r - i n f r a r e ds p e c t r o s c o p y 红外吸收光谱法 h p l c ：h i 曲p e r f o r m a n c el i q u i dc h r o m a t o g r a p h 高效液相色谱法 n m r - _ n u c l e a r m a g n e t i cr e s o n a n c es p e c t r o s c o p y 核磁共振波谱法 n p m i n - p h e n y lm a l e i m i d en - 苯基马来酰亚胺 v i 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙 江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明 的法律责任。 作者签名：1 之东日闩 日期：五研年f 月) 广白 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密彤 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：砖，铀r 刷噬轹辑 日期圆年f 月玎e t日期年s 月孙 已舞沙6 每箩乒以日 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1n _ 取代马来酰亚胺概述 n 取代马来酰亚胺是近几十年来发展起来的一种新型树脂改性单体【1 1 ，由于单 体内酰亚胺五元环的存在，阻碍了聚合物绕高分子链的旋转，并且使高分子链的 运动变得困难，使聚合物具有良好的热性能，并且它与通用单体进行共聚后可以 提高聚合物的玻璃化转变温度和热分解温度，改善材料的加工性【2 】。相对于早期使 用耐热材料马来酸酐( m a ) 优点较为明显：不受聚合方法的限制；提高共聚物耐热 性明显，而且对材料的力学性能影响较小；改性后的共聚物工艺性好；此外价格 适中。因此最近几年利用马来酰亚胺开发新型材料成为国内外研究热点，如与异丁 烯( i b ) 交替共聚开发新型透明材料、改性有机玻璃( p 心压a ) 、p s 、u p 等。其通式 为： h f h 呻 r - - - 烷基，幂蕃，环已丕等 有关n - 取代马来酰亚胺型耐热改性剂的研制工作，目前主要集中在n 苯基取 代系列马来酰亚胺和n 环己基马来酰亚胺( c n ) 方面。上世纪5 0 年代末开始有 制备这类化合物的专利发表，6 0 年代初利用这类化合物作为聚合反应和共聚反应 的单体，或利用该系列中的某些化合物，如n ，n 间苯双马来酰亚胺，作为不饱和橡 胶的硫化剂，硫化时它能使橡胶防焦烧，还可提高橡胶的强度和耐疲劳性。另外， n 苯基取代马来酰亚胺系列产品还是聚丙烯、聚氯乙烯的交联剂，可制各粘合剂， 改善金属和橡胶的粘合作用。 其中n 苯基马来酰亚胺( n p h e n y lm a l e i m i d e ，简称n p m i ) 是苯基取代系列马 来酰亚胺中最简单，研究最多，也是最重要的产品之一。它是一种浅黄色的片状 晶体，熔点8 8 9 0 。c 。苯基马来酰亚胺是一类强的亲二烯体，所以广泛地用于 浙江工业大学硕士学位论文 d i e l s a l d e r 反应，除了作为耐热剂，近年来又发现n 苯基马来酰亚胺可用于制造 难燃塑料的添加剂、杀菌剂、杀虫剂、防锈剂以及光学物质等。 n 苯基马来酰亚胺在国外如日本、美国等的生产已形成一定规模，我国由于 n p m i 研究起步较晚，目前生产规模不大。随着兰化、吉化、大庆石化、盘锦乙 烯以及宁波永兴等a b s 树脂新扩建装置的投产，国内总生产能力已超过3 0 0 k t a 。 预计，2 0 1 0 年以前国内还将有数套新扩建a b s 树脂装置投产，为此，n p m i 合成 成为国内科研人员的研究热点。应通过对现有合成工艺的进一步改进，简化操作， 降低成本，扩大生产规模，以适应市场的需求。 1 2n - 苯基取代马来酰亚胺研究进展 1 2 1n 苯基取代系列马来酰亚胺的应用 n 苯基取代系列马来酰亚胺即刚性五元环上的n 与有取代基的苯环连接的马 来酰亚胺，其通式为： h c 0 3 r 卜r 6 = 各种苯环取代基团 这类化合物最主要的应用是作为耐热改性剂，首先，当它用作a b s 树脂耐热 改性剂时，可以提高a b s 树脂的软化点 3 1 ，在提高耐热性的同时，保持了良好的 加工性、热熔性及耐冲击性，可代替部分工程塑料应用于汽车工业上。其次，n 苯基取代马来酰亚胺常用作p v c 树脂的耐热改性【4 】。聚氯乙烯( p v c ) 树脂是一种产 量大、综合性能优良的通用树脂，但脆性大，抗冲击性差，耐热性也较差【5 1 。而控 制n 苯基马来酰亚胺在聚氯乙烯树脂中的含量可得到耐热性、抗冲性、加工性能 等综合性能优异及价格适中的改性聚氯乙烯 6 1 。最后，n 苯基取代马来酰亚胺还常 用于m m a 树脂的耐热改性。聚甲基丙烯酸甲酯( p m m a ，俗称有机玻璃) 具有许多 优良性能，如化学稳定性好，物理机械性能比较均衡，耐候性、加工性和透光率 都好于价格昂贵的聚碳酸酯( p c ) 等，但它具有耐热性较差，吸水率较大等缺点。采 用n p m i 与m m a ( 甲基丙烯酸甲醋) 悬浮聚合的方法改进p m m a 的耐热性，改性 浙江工业大学硕士学位论文 后的树脂不仅具有较好的耐热性，其他性能也得到改善i | 丌。 n 苯基取代马来酰亚胺的其它应用则包括：( 1 ) 作防污抗菌剂 8 1 ，它可以防止 水中有害生物的附着与繁殖【9 】。( 2 ) 合成中间体，n p m i 可以合成咔唑3 ，4 二羧基 酰亚胺及苯基吡咯咔唑【1 0 】等。具有抑制细胞毒素和抗肿瘤的作用。( 3 ) 合成光学 材料，n - p m i 与苯乙烯的聚合物可用来合成感光性树脂【1 1 1 ；n p m i 改性的m m a 树 脂是一种耐热光学材料；n p m i 和少量疏水性单体与m m a 共聚，得到的树脂是性 能优异的光盘材料【1 2 1 ；最近发现它还是液晶材料的热门研究对象【1 3 】( 4 ) 其他应用， n p m i 是聚丙烯、聚氯乙烯的交联剂，还可用于制造难燃塑料的添加剂【1 4 】、杀菌剂、 杀虫剂、防锈剂以及落果剂【1 5 】等。 1 2 2n 苯基取代马来酰亚胺的制备工艺 在n 取代马来酰亚胺单体合成中，研究最多的是n 苯基马来酰亚胺1 6 1 - 1 2 1 1 。 下面就以n 苯基马来酰亚胺( n p m i ) 为例简要介绍单体的合成方法。n p m i 按合 成工艺的不同，目前工业上最主流的是乙酐法和共沸法，此外还有一步法吲、c o c h 反应法阿、酯化法嗍等。现在具体介绍下乙酐法和共沸法： ( 1 ) 乙酐法：用乙酐作脱水剂，乙酸钠作催化剂，在较低温度下进行脱水闭 环反应，收率可达到6 0 8 0 【2 5 1 。生成物用水作沉淀剂，后处理十分简单。采 用此法的有美国杜邦公司( 用丙酮作溶剂) 闭，美国的e a s t m a nk o d a k 公司( 用 乙酸作溶剂) 。该工艺优点是溶剂无毒，反应时间短，溶剂便于回收利用。缺点是 需要使用化学计量的脱水剂乙酐，增加了成本。为此有人对此工艺进行了改进， 有专利介绍，通过对反应的催化体系加以改进，改用有机碱( 如三乙胺、三丁胺) 和金属盐( 如醋酸钻、硫酸镁等) 作共催化剂，进行低温脱水闭环反应，收率8 5 以 卜【2 叼 l o ( 2 ) 共沸法：该方法是以顺酐和苯胺为原料，在有机溶剂中进行反应，采用 合适的催化剂脱水闭环，日本厂家现多采用此法。日本三井油化公司【2 9 1 ，触媒化 学公司【3 0 1 ，日东化学公司【3 1 1 纷纷发表专利。它们的基本方法是：使用一种或两种 惰性有机溶剂( 甲苯类、d m f 、氯烷类、四氢呋哺类等) ，一种酸催化剂( 磷酸、浓 硫酸、对甲苯磺酸、p 2 0 5 等) ，在溶剂的沸点下进行酰亚胺化反应，生成的水不断 籍助合适的分水设备从反应体系中分离除去，收率可达9 0 以上。催化剂的选择使 用和生成水的及时移走对产品收率有明显影响。此法仍然存在副产物和共聚现象 等问题，通过不断深化研究可望得到解决。 浙江工业大学硕士学位论文 1 3n - 邻位取代苯基马来酰亚胺研究概况 目前，国内外对对位取代的苯基马来酰亚胺研究较多【3 2 】【3 6 】，而n 邻位取代苯 基马来酰亚胺由于空间位阻的关系，活性、产量和高聚物分子量等都不如对位取 代的马来酰亚胺，一直得不到人们的关注和重视。 1 3 1 物理和热力学特性研究 苯环上邻位取代的马来酰亚胺，因为其特殊的取代基位置，首先被人们研究 的是它自身的物理和热力学性 质。 n 取代马来酰亚胺的碳碳 双键有很高的贫电子性，活性 很高，容易进行亲核加成反应， 也容易进行阴离子聚合反应 【3 7 】，光敏诱导聚合反应【3 8 1 、自 由基反应【3 7 1 以及共聚反应【3 9 1 。 n 邻位取代苯基马来酰亚 胺具有优异的热稳定性。武伟红 【舯】研究了以下各种聚n 苯基取 代马来酰亚胺，其中邻甲基、邻 二甲基、邻氯苯基马来酰亚胺均 聚物均能耐3 0 0 以上高温，热 稳定性表现都较好，见表1 。 日本的a k k a z u 4 1 1 以三 氟甲基和甲基作为苯环取代基 农i聚n - 取代玛求晚亚胺的热匝分析藏据 r t - ( )t ( )5 0 0 时的残余物( ，o 分 3 甜4 恐4 2 s 2 1 5 矿3 3 蛇4 2 74 3 52 4 上 3 竹4 拈4 弘1 1 3 、a i g 4 0 4 4 3 24 4 13 8 2 “ 3 秘4 1 84 3 13 3 1 5 渗 3 移4 1 74 2 5i o 5 兮4 0 24 2 24 4 63 1 8 t a b l ei it h e r m a lp r o p e r t i e e o fp o l y 【肿h m i ) s - 舶4 死w a sn o to b s e r v e db e l o w 瓦雌 n o td e t e m f l r 蜘 团，做了类似分析。从表2 可以看出邻位取代( 三氟甲基、甲基) 苯基马来酰亚 胺聚合物，其热力学性能都类似于各自的对位取代聚合物，略高于其间位取代和 没有取代基团的n 芳环马来酰亚胺聚合物。 1 3 2 单体和聚合物溶解性研究 上面热力学的研究结果，我们发现不同取代位置聚合物的热学性质差距并不 浙江工业大学硕士学位论文 大。但邻位取代苯基单体和聚合物有一个显著的特点：更强的有机溶剂溶解能力。 刘祥萱【4 2 】在合成邻甲苯基马来酰亚胺单体时提到，最后一步水析沉淀酰亚胺 时，它不能自然析出，只能改用稀盐酸水溶液并强力搅拌下才能析出固体，而对 甲苯基马来酰亚胺则可直接迅速析出沉淀。 a k i k a z u 4 1 1 参考了邻、间、对位三氟甲基马来酰亚胺聚合物在1 4 种溶剂下 的溶解性能，见表3 。其中对位 三氟甲基苯基马来酰亚胺聚合 物溶解性最差，仅微溶于1 ，2 二 氯苯，大大弱于能溶于3 种有机 溶剂的邻位取代聚合物。 虽然一定程度上聚合物可 溶性强意味着抗溶抗蚀性的不 足，但是，单体进行聚合反应时 可选择的溶剂范围大大扩大了。 t a b l ei hs o l u b i l i t yo fp o l y ( t f p h m i ) s s u b s t i i m e n t , s o l v e n t 2 - c f 2 孓c f 。 扛c b 聚合物在材料学上的选择余地 s , s o l u v b a l l e 嘲；s w i i i , s w p 盯e l l e i n n t h g ；艄i , i n s i n o l d l u b c l a t e e as o l u m h t y 岬 也得到了加强。 1 3 3 手性旋光性研究 马来酰亚胺是一种很好的光学材料【4 3 】。要研究这类化合物的手性和旋光性， 不得不提到“阻转异构 4 4 1 。 阻转异构英文名为a t r o p i s o m c r ，首先由k u h n 于1 9 3 3 年提出嘲。是指某些分 子单键自由选择受阻时，产生光活性异构体的现象，也可看作是构象异构的一类。 它们是一类含有手性轴的旋光异构体。 最早被发现的阻转异构体是四个邻位都被位阻较大基团取代的联苯类化合 物。如图：。而邻位的苯基马来酰亚胺由于其特殊的立体结构，当不饱 和五元环上的烯键参加了不同基团的加成反应后，碳氮键就变成了手性轴，生成 了阻转异构体闱。n 邻位取代苯基马来酰亚胺是天生的阻转异构体研究对象。 文献4 7 - 4 9 提出当芳香类马来酰亚胺苯环上邻位位置被两个中等大小替代物 取代后，对氮苯键的轴旋转产生较大的阻转作用。 浙江工业大学硕士学位论文 k b n o p 墩0 v a 和他同事例制备了邻位分别为甲基和乙基的二取代苯基马来酰 亚胺，让它与腈氧化物环加成反应，研究阻转异构现象。该反应没有立体选择性， 阻转异构产物能获得分离和各自表征，在室温下不能互相转化。说明它们阻旋能 力很强，立体选择性很弱。反应如下： m eo + d e n n i spc u r r a n 5 l 】期望获得比上述的阻旋能力低、立体选择性高的产物，他 们决定用一个更大的和一个更小的替代物取代上面的邻位甲基和乙基，理论上讲， 取代基的增大同时增加阻旋效应和立体选择性。氢是最小的基团，较大替代物则 选择了叔丁基、异丙基和乙基，即邻叔丁基、邻异丙基和邻乙基苯基马来酰亚胺。 这些马来酰亚胺通过与环戊二烯d i e l s a l d e r 加成和- 与t b u h g c l 自由基加成来测定其 空间选择性。反应如下： h 咖h 由h 曲h 嘶 结果显示邻位取代基团更大的马来酰亚具有更好的不对称反应潜力。邻位取 代基团和五元加成环上的叔丁基基团由于其显著的立体效应，反应过程中选择性 相当高。邻位芳香马来酰亚胺是个很好的手性研究辅助物。 浙江工业大学硕士学位论文 1 3 4 共聚反应研究 a k i k a z u 4 1 】研究邻、间、对三氟甲基苯基马来酰亚胺6 0 下苯溶液环境下 的自由基聚合反应。并与邻、间、对甲基苯基马来酰亚胺做比对。所有三氟甲基 苯基马来酰亚胺都形成了高产量的聚合物。对位取代聚合物具有极强的抗溶剂溶 解能力。而聚合物的玻璃化转化温度取决于取代基在苯环上的位置，邻位取代聚 合物都能在初始分解温度前测得玻璃化转化温度，对位取代聚合物均无法得到数 据，见表2 。 t o r ud o i ，a k i r aa k i m o t o 5 2 】选择了甲基和乙基作为苯基马来酰亚胺的 邻位单取代和二取代基团，研究其与异丁烯( ) 的自由基共聚反应。结果表明 邻位取代苯基马来酰亚胺很容易在均相系统中与m 形成交替共聚产物。但是交替 聚合的速率趋势按以下顺序递减：邻乙基、邻二甲基、邻二乙基( 苯基马来酰亚胺) 。 体现了基团大小和空间结构位阻对共聚聚合的影响。它们都具有很强的热力学稳 定性，很高的玻璃转化温度和热分解温度。 m a r c u lj c a u l f i e l d 和d a v i dh s o l o m o n 5 3 】研究了苯环上邻、间、对位酚基及 酚基衍生物马来酰亚胺的均聚聚合反应。发现三种位置的羟苯基马来酰亚胺在 d m f 溶剂中形成的聚合物，分子量和聚合率都十分低下，邻位最弱。当三种位置 的羟基上了不同保护基团，各马来酰亚胺均聚聚合能力都有了显著提高，邻位提 高相对最少。作者对此现象提出了假设，认为邻酚基产生的自由基过于接近碳碳 双键的聚合链，使得碳中心和氧中心的自由基紊乱，导致均聚反应的终止。 t h a l l u n m 和p 州a d i 5 4 】在均聚反应基础上研究了其共聚反应。他们选择了1 8 种n 苯基取代马来酰亚胺，其中包括邻位是c n 、c h 3 、c f 3 的单取代和邻对位是 c i 、o c h 3 、c h 3 、b r 的二取代苯基马来酰亚胺，以a i b n 做引发剂，考察其与醋 酸乙烯的自由基共聚反应。发现这些邻位化合物的共聚产率远高于他们均聚产率， 都是交替聚合的。酰亚胺均聚物的软化点最高，但是分子量也最低。增加醋酸乙 烯含量可以显著提高共聚物分子量，但也会明显降低共聚物的软化点。有意思的 是邻位均聚物软化点温度普遍高过其他位置2 0 到3 0 ，或许邻位取代共聚过程中 更容易能在聚合物软化点和分子量的提高中找到平衡点。 浙江工业大学硕士学位论文 1 4 本课题的研究内容和意义 1 4 1 课题研究目的 本论文的主要研究目的是寻找原料易得、工艺路线短、操作简便、收率高的 合成邻位取代苯基马来酰亚胺的路线。在查阅文献的基础上，综合评析了几条主 要工艺路线的优缺点，确定出合适的工艺路线，对其不足之处进行了改进，并在 实验的基础上进行了优化，合成出一系列不同邻位取代基团的苯基马来酰亚胺。 实验采用改进的乙酐法或常压共沸法进行合成，取得最大产率，最后进行表征和 数据分析。 1 4 2 实验方法和路线 ( 1 ) 改进的乙酐法t 在装有搅拌器、温度计和滴液漏斗的三口烧瓶中加入马 来酸酐和溶剂，搅拌溶解，室温下滴加等物质量的邻位芳胺溶液，滴加完后，熟化 反应得到马来酰胺酸。不经分离依次加入三乙胺、醋酸锰及醋酸酐，并添加阻聚 剂对苯二酚，加热反应2 4 h ，大量水沉淀，洗涤，干燥，得到粗产物，计算产率， 乙醇中重结晶，所获针状结晶用于分析。 ( 2 ) 共沸法：在装有搅拌器、滴液漏斗、分水器及冷凝器的三口圆底烧瓶中加 入马来酸酐和甲苯、d m f 的混合溶剂，搅拌溶解，室温下缓慢滴加等物质量的邻位 芳胺溶液，滴加完后，熟化反应得到马来酰胺酸。不经分离直接加入催化剂，升温 至1 4 0 ，加热回流3 - 4 h ，减压蒸馏，除去大部分溶剂后，用碳酸氢钠溶液沉淀水 析，真空干燥，计算产率，重结晶后获得针状结晶用于分析。 1 4 3 课题研究内容 本论文主要研究内容分为以下几个部分： ( 1 ) 用改进的乙酐法合成n 邻甲基、邻氯取代苯基马来酰亚胺，及其产率优 化( 实验证明此类邻位小基团取代酰亚胺用乙酐法合成效果较好) 。 ( 2 ) 用共沸法合成n 邻羟基苯基马来酰亚胺，及其产率优化( 邻羟基苯基马 来酰亚胺用乙酐法会生成中间产物n ( 2 一乙酰氧基苯基) 马来酰胺酸，由于邻位取代 的特殊性，此中间产物为液态，需要分离纯化，成环生成n ( 2 乙酰氧基苯基) 马来 酰亚胺之后，还需加醇酯化循环反应8 小时以上，以脱去乙酰氧基还原成羟基， 步骤繁琐冗长，对产率也影响较大，乙酐法并不合适) 。 ( 3 ) 用共沸法合成n 邻乙基、邻硝基苯基马来酰亚胺，及其产率优化( 实验 浙江工业大学硕士学位论文 发现此类邻位大基团取代酰亚胺采用乙酐法会发生大量副反应，副产物和目的产 物互相混溶呈乌黑液态，无法析出沉淀，无法得到目的产物) 。 ( 4 ) 对合成的产物进行纯度测定，结构表征及波谱分析。 1 4 4 课题研究意义 目前，国内外n 苯基取代马来酰亚胺的研究较少，主要集中在n 对位取代苯 基马来酰亚胺的合成和表征上【3 2 】- 3 0 3 。邻位苯基取代几无涉及，只有作为对位取代 苯基马来酰亚胺的性质比照物出现，此类化合物没有系统的合成及优化的文献出 现。虽然邻位取代苯基马来酰亚胺有活性差、产量低和高聚物分子量小等劣势， 但其聚合物同样拥有热力学性好、溶解性强和光学性质独特等优点，理应得到人 们的关注和重视。 本课题研究较少被关注的n 邻位取代苯基马来酰亚胺的合成和优化。针对不 同性质的邻位取代基，采用不同的工艺方法，系统地合成了一系列n 邻位取代苯 基马来酰亚胺，提高了收率，对工业化的生产和优化提供了更广阔的途径，具有 一定的新颖性和实用性。 浙江工业大学硕士学位论文 第二章实验部分 2 1 实验药品及仪器的来源与规格 2 1 1 原料和试剂 表2 - 1 主要原料和试剂 浙江工业大学硕士学位论文 硅胶板 电热恒温水浴锅 玻璃点样毛细管 电动搅拌器 电子天平 紫外分析仪 电热真空干燥箱 循环水式多用真空泵 旋转蒸发器 数字熔点仪 高效液相色谱仪 核磁共振波谱仪 傅立叶红外光谱仪 1 0 0 x 2 0 0 m m h h s2 1 _ 4 f 0 5 m m 10 0 m m j j - 1 f a l 0 0 4 n z f 2 z k 8 2 b s 皿皿 r - 2 0 1 w r 5 2 12 0 0 s e d c s a n a n c e m ( 5 0 0 m ) m i c o l e t6 7 0 0 青岛海洋化工厂分厂 上海医疗器械五厂 华西医科大学 河南太康科教器材厂仪器厂 上海精密科学仪器有限公司 上海安亭电子仪器厂 上海实验仪器厂有限公司 河南太康科教器材厂 上海申胜生物技术有限公司 上海思尔达科学仪器有限公司 a g i l e n t 公司 瑞士b r u k e r 公式 美国t h e r m o 公司 2 2n - 邻位取代苯基马来酰亚胺的合成方法的选择 以马来酸酐为起始原料合成n 邻位取代苯基马来酰亚胺的反应路线如下图： r 地n 勺 詈呤 + l 、 弋、 r + h 2 0 r 为苯环的邻位取代基团 由于乙酐法反应条件温和，合成反应所需温度低，只要5 5 , - - 6 5 ，能显著减 少产物因高温而共聚的副反应；反应时间周期较短，只要1 2 小时，提高了生产 循环的效率；溶剂选用的是丙酮等沸点低、毒性小的可回收溶剂，有利减少环境 的污染；而且此工艺对生产设备要求较低。 相对于共沸法的高温( 1 2 0 - - 一1 5 0 c ) 、反应周期长( 4 - - 6 小时) 、设备复杂( 需 浙江工业大学硕士学位论文 要高效分水器和密闭耐热设备) 、环境毒性和污染性大( 以高熔点、难降解、具有 致癌性的甲苯、二甲苯和d m f 为溶剂) ，乙酐法虽然产率相对略低，需要消耗脱 水剂醋酸酐，增加了成本，但却是适合我国国情和环保要求的较佳生产工艺。 本实验主要采用的是改进的乙酐法。传统的乙酐法分为两步，需要分离中间 产物n 邻位取代苯基马来酰胺酸，催化剂系统为醋酸酐和醋酸钠，产率不高。我 们将不分离中间产物，改催化剂系统为三乙胺、醋酐和络合金属盐( 无水醋酸镍) ， 并加入阻聚剂( x c 苯二酚) ，一步合成目的产物，减少中间产物损耗，提高催化效 率和最终收率。 然而实验中发现，并不是所有的n - 邻位取代苯基马来酰亚胺都可以用乙酐法 合成，取代基的性质和大小，对最终合成效果具有很大影响：当邻位取代基是较 小基团( 甲基、氯等卤素) 时效果较好，工艺流程快速简便，产率纯度均较高； 当邻位是具有活泼性质的羟基时，会和催化剂乙酐生成中间产物n ( 2 乙酰氧基苯 基) 马来酰胺酸，此中间产物为液态，需要进一步分离纯化，然后成环生成n ( 2 乙酰氧基苯基) 马来酰亚胺，再需加醇酯化循环反应8 小时以上，脱去乙酰氧基还 原成羟基，步骤繁琐冗长，对产率影响很大，乙酐法并不适用；当邻位取代基为 相对较大基团( 乙基、硝基) ，会发生大量副反应，副产物和产物互相混溶呈乌黑 液态，无法析出沉淀，无法得到目的产物，乙酐法无法适用( 合成n 对位取代苯基 马来酰亚胺则无此问题，可能是空间位阻构象等原因) 。 综合利弊，决定对邻甲基、邻氯苯基马来酰亚胺采用乙酐法进行合成，而对 邻羟基、邻乙基、邻硝基苯基马来酰亚胺采用共沸法进行合成。记录产率和纯度， 进行优化，获得最佳工艺。 2 2 1n 邻甲苯基马来酰亚胺的合成 装有搅拌器的三口烧瓶中加入4 9 9 ( o 0 5 m 0 1 ) 马来酸酐和5 0 m l 丙酮，待马来酸 酐溶解后，滴加含5 4 m l ( 0 0 5 m 0 1 ) 邻甲基苯胺的1 5 m i , 丙酮溶液，控制滴加速度，约 0 5 h 滴完。溶液由无色转为黄色，逐渐变浅变淡，2 0 分钟左右后形成淡黄色悬浮液。 常温熟化l h 。 向上述反应瓶中，依次加a 2 m l 左右三乙胺，0 0 3 9 醋酸锰、0 0 2 9 对苯二酚和 1 5 m l 醋酐，升温后，沉淀迅速溶解，5 0 - 6 0 c 下反应1 - 2 h ，溶液逐步由橙黄色变 深转为墨黄色，反应过程用t l c 监控。 后处理方法：旋转蒸发除去大部分溶剂，用n a h c 0 3 溶液和大量冷水沉析洗涤， 浙江工业大学硕士学位论文 过滤，真空干燥，得到n 邻甲苯基马来酰亚胺粗产品，用乙醇重结晶，得到淡土 黄色针状晶体，熔点7 2 7 3 。分子式如下： o 2 2 2n 邻