（林产化学加工工程专业论文）n—酰基ed3a的合成.pdf

摘要 n 一酰基e d 3 a 是一种新型的表面活性剂。它具有良好的螫和性和表面活 性，温和、无毒、无刺激，因而广泛应用于个人护理、家庭用品及各种工业产 品，具有广泛的应用前景。它的应用研究是当前的研究热点之一。 本文用乙二胺、甲醛和氰化钾合成了n ，n7 一乙二胺二乙酸( s e d d a ) ， 然后由n ，n 一乙二胺二乙酸合成了2 一氧一1 一哌嗪乙酸( s k p ) ，再虏2 一氧一1 一哌嗪乙酸( s k p ) 和氯乙酸合成了2 一氧一1 ，4 一哌嗪二乙酸( 3 p 、) 。 通过1 h n m r 和”c n m r 对以上合成的三种物质的分子结构进行了表征。 通过单因素分析，合成n ，n 一乙二胺二乙酸( s e d d a ) 的最佳反应条 件为：反应温度为1 8 ，水解时间为8 小时，甲醛：氰化钾：乙二胺的摩尔比 为2 4 ：2 4 ：1 。 通过单因素分析，合成s k p 的最佳反应条件为：在沸腾状态下，回流8 小时，h c l ：s e d d a 的摩尔比为2 6 ：1 。 通过单因素分析，合成3 k p 的最佳反应条件为：反应温度为4 0 ，反应 时间为8 小时，氯乙酸：s k p 的摩尔比为1 1 ：1 。 将3 k p 在强碱性条件下水解，生成e d 3 a n a 3 的水溶液，然后分别与月桂 酰氯、棕榈酰氯和苯甲酰氯反应，成功制得n 一月桂酰基e d 3 a 和n 一棕榈酰 基e d 3 a ，并用o h n m r 和”c n m r 对n 一月桂酰基e d 3 a 的分子结构进行了 表征，用1 h n m r 对n 一棕榈酰基e d 3 a 的分子结构进行了表征。 关键词：n ，n 一乙二胺二乙酸：2 一氧一1 一哌嗪乙酸；2 一氧一1 ，4 一哌嗪 二乙酸；n - - 月桂酰基e d 3 a ；n 一棕榈酰基e d 3 a t h ep r e p a r a t i o no fn a c y l e d 3 a a b s t r a c t n a c y l e d 3 ai san e wt y p eo fs u r f a c t a n t i th a v ep o w e r f u lc h e l a t i n ga n d s t r o n gs u r f a e t a n c y ，s u p e r i o rm i l d n e s s ，l o wt o x i c i t y ，m i n i m a li r r i t a n c y e t c p r o p e r t i e s i ta p p l i e si np e r s o n a lc a r e ，h o u s e h o l da n di n d u s t r yp r o d u c t i tw i l lh a v e v e r yp o t e n t i a la p p l i c a t i o n s t h es t u d yo ft h ea p p l i c a t i o n so ni t i so n eo ft h ea c t i v e f i e l d s n n - - e t h y l e n e d i a m i n ed i a c e t i ca e i d ( s - e d d a ) w a sp r e p a r e db yc o n d e n s a t i o no f e t h y l e n e d i a m i n e ，f o r m a l d e h y d ea n dp o t a s s i u mc y a n i d e t h e n2 - o x o - 1 - p i p e r a z i n e a c e t i c a c i d ( s k p ) w a s p r e p a r e d f r o m n ，n - - e t h y l e n e d i a m i n e d i a c e t i c a c i d ( s - e d d a ) i na d d i t i o n ，2 - o x o 一1 ，4 - - p i p e r a z i n ed i a c e t i ca c i d ( 3 一k p ) w a s p r e p a r e df r o m 2 - o x o 一1 一p i p e r a z i n ea c e t i ca c i d ( s k p ) w i t hc h l o r o a c e t i ca c i d t h e m o l e c u l a rs t r u c t u r e s o ft h e mw e r er e s p e c t i v e l yc h a r a c t e r i z e db y1 h n m ra n d 1 3 c n m r o p t i m a lp r o c e s s c o n d i t i o n sf o rp r e p a r i n gn ，n 一e t h y l e n e d i a m i n e d i a c e t i c a c i d ( s e d d a ) ：p o t a s s i u mc y a n i d e w a sc o m b i n e dw i t hf o r m a l d e h y d ea n d e t h y l e n e d i a m i n ea tam o l er a t i oo f2 4t o2 4t o1 ，a tt e m p e r a t u r e18 ，a n dt h e nw a s h y d r o l y z e df o r8h o u r s o p t i m a lp r o c e s sc o n d i t i o n sf o rp r e p a r i n g2 - o x o - i - p i p e r a z i n ea c e t i ca c i d ( s - k p ) ： n ，n - - e t h y l e n e d i a m i n ed i a c e t i ea c i d ( s - e d d a ) w i t hh y d r o c h l o r i ca c i da tam o l e r a t i oo f1t o2 6 ，w a sc y e l i z e dt of o r m2 - o x o - i - p i p e r a z i n ea c e t i ca c i d ( s k p ) b y r e f l u x i n gf o r8h o u r s o p t i m a lp r o c e s sc o n d i t i o n s f o rp r e p a r i n g2 - o x o 一1 ，4 - p i p e r a z i n ed i a c e t i c a c i d ( 3 k p ) ：2 - o x o 一1 - p i p e r a z i n ea c e t i ca c i d ( s - k p ) w a sc o m b i n e dw i t hc h l o r o a c e t i c a c i da tam o l er a t i oo f1t o1 1 ，a tt e m p e r a t u r e4 0 cf o r 8h o u r s t r i s o d i u ms a l to fn ，n ，n - - e t h y l e n e d i a m i n et r i a e e t i ca c i dw a sp r e p a r e db y h y d r o l y z i n g2 - o x o i ，4 - p i p e r a z i n ed i a c e t i ca c i d ( 3 一k p ) i nt h es t r o n gb a s es o l u t i o n t h e ni tw a sc o m b i n e dw i t hl a u r o y lc h l o r i d e ，h e x a d e c a n o y lc h l o r i d ea n db e n z o y l c h l o r i d e r e s p e c t i v e l y n l a u r o y l 一e d 3 aa n dn - - h e x a d e c a n o y l - - e d 3 a w e r e p r e p a r e d i ns u c c s c s s t h em o l e c u l a rs t r u c t u r eo fn - - l a u r o y l - - e d 3 aw a s c h a r a c t e r i z e db y1 h n m ra n d”c n m r t h em o l e c u l a r s t r u c t u r eo f n - - h e x a d e c a n o y l - - e d 3 aw a sc h a r a c t e r i z e db y1 h n m r k e y _ w o r d s ： n a c y l 一e d 3 a ； n ，n - - e t h y l e n e d i a m i n e 2 - o x o - 1 - p i p e r a z i n e a c e t i ca c i d ； 2 - o x o - 1 ，4 - p i p e r a z i n e n l a u r o y l e d 3 a ；n - - h e x a d e c a n o y l - - e d 3 a d i a c e t i c a c i d ； d i a c e t i ca c i d ； 致谢 v 7 4 s 5 0 3 本论文是在鞠昭年副教授的悉心的指导下完成的。导师渊博 的知识、科学的思维方式和严谨的治学态度使作者在研究过程中 受益非浅。本论文的顺利完成，导师倾注了大量的心血，在此， 谨向导师表示最真挚的谢意。 本论文的完成得到了精化教研组老师林中祥、季永新、朱凯、 朱新宝、毛连山的帮助和支持，在此特别感谢。 本论文的完成还得到了居宏伟、彭锐、黄芳、朱超宇、冯建 良、张进城等同学和舍友熊国兵的帮助和支持，特此感谢。 最后，向在研究生期间给予本人关心和帮助的所有老师、同 学、朋友和亲人表示衷心的感谢! 作者：富刚 2 0 0 5 年4 月 第一章前言 n 一酰基乙二胺三乙酸，即n 一酰基e d 3 a ，是一种具有螯合性能的表面活 性剂【1 1 ，具有良好的螯合性、表面活性、生物降解性能、抗硬水性和无刺激性2 1 ， 因而具有广阔的应用前景，它的应用研究已成为当前的热点之一。 1 1 n 一酰基e d 3 a 的毒理性质 1 1 1 对哺乳动物的急性口服毒性 t o x i k o n 实验室根据毒性物质控制条例( t s c a 4 0 c f rp a r t 7 9 8s u b p a r ta ) 用n 一月桂酰基e d 3 a 对8 p r a g u ed a w l e y 鼠进行口服毒性试验，共进行十四天， 在试验期间无一例死亡或有任何中毒症状【3 】。根据t s c a 机构定的标准，n 一月 桂酰基e d 3 a 对于s p r a g u cd a w l e y 鼠的l d 5 0 值为5 9 k g ，可定为无毒。而据 b u c h k e 等人【4 】报道，烷基苯磺酸钠对于老鼠的急性口服毒性l d 5 0 值为 9 0 0 m g k g ，月桂基硫酸钠对于老鼠的急性口服毒性l d 5 0 值为1 2 0 0 m g k g 。 1 1 2 对水生生物的毒性 n 一酰基e d 3 a 对水生生物毒性的研究是由a b c 实验室进行的，被研究的水生 生物有虹鳟鱼( r a i n b o wt r o u t ) 、一种水虱( d a p h n i am a g n a ) 和一种单细胞藻 类( a l g a l ) 共三种水生生物”1 。 1 1 2 1 对虹鳟鱼毒性 经过周期为9 6 小时的试验，在各种浓度下，无一条虹鳟鱼有反常现象，更 无死亡。对于虹鳟鱼来说，n 一月桂酰基e d 3 a 的n o e c ( 无观察效果浓度) 为 3 2 0 m g 1 ，其9 6 小时的l c 5 0 ( 半数致死浓度) 值大于3 2 0 m g l ，而烷基苯磺酸钠 对虹鳟鱼9 6 小时l c 5 0 值为0 3 6r a g 1 1 5 1 ，月桂基硫酸钠的2 4 小时l c 5 0 值为 4 6 2r a g 11 6 1 。 1 1 2 2 对水虱毒性 经过4 8 小时的试验，在各种浓度下，未发现水虱有反常和致命现象。对水 虱来说，n 一酰基e d 3 a d 8 小时的n o e c 值为1 1 0 m g 1 ，而烷基苯磺酸钠对水虱的 9 6 小时l c 5 0 值为3 9 4 m g 1 ，n o e c 值为1 1 8 m g 1 盯1 ，月桂基硫酸钠对水虱的4 8 小时l c 5 0 值为6 3m g 1 。 1 1 2 3 对藻类毒性 经过9 6 小时的试验，未发现藻类有任何的异常现象。n 一月桂酰基e d 3 a 对 藻类9 6 小时的l c 5 0 值为1 1 0 0m g 1 ，n o e c 值为5 7 0m g 1 ，而烷基苯磺酸钠( l a s ) l 对这种藻类的l c 5 0 值为5 0 一1 0 0m g 1 ，d 一烯基磺酸盐对藻类的l c 5 0 值为4 5 m g l ”1 。与常用的阴离子表面活性剂相比，n 一酰基e d 3 a 几乎是无毒的。 1 1 3 生物降解性能 美国新泽西州的联邦试验公司对n 一月桂酰基e d 3 a 钠盐进行了o e c d 封闭 瓶试验法，用来测定水溶性物质在需氧的水介质中的生物降解性能，在瓶内n 一 月桂酰基e d 3 a 钠盐以2m g 1 的浓度被溶解于营养液中，再移入专门的微生物， 密闭后放在暗处，温度控制在2 0 ，定期检测氧气变化。根据有关标准，3 0 天 降解大于6 0 的可定义为易生物降解。n 一月桂酰基e d 3 a 钠盐在3 0 天被分解了 7 0 5 ，属易生物降解物质【9 j 。 1 1 4 抑制微生物的生长 n 一月桂酰基e d 3 a 钠盐对各种微生物如绿兰单胞杆菌、蜡状杆菌、胶球菌、 毒霉菌、黑曲霉菌、增殖颤藻茵的m i c 值( 最小抑制细菌浓度) 均大于1 0 0 0 p p m ， 对于梭状芽孢杆菌的m i c 值也为5 0 0 p p m 。因此，在自然界中n 一酰基e d 3 a 不 会引起微生物的中毒，不会对环境造成破坏，不会影响生态体系的平衡【2 j 。 1 1 5 体内刺激性研究 1 1 5 1 皮肤刺激性试验 皮肤刺激性试验，是用浓度为1 的n 一月桂酰基e d 3 a 钠盐溶液( p h 7 ) ，对 新西兰白兔皮肤进行刺激试验。该项工作也是由t o x i k o n 实验室根据毒性物质控 制条例( t s c a 4 0 c f rp a r t 7 9 8s u b p a r te ) 有关对专门器官组织毒性及初级皮肤 刺激性的条款进行的，结果表明该物质在1 浓度下对皮肤无刺激1 0 j 。 1 1 5 2 体内眼睛刺激性试验 试验在t o x i k o n 实验室进行，用0 1 m l 的1 浓度的n 一月桂酰基e d 3 a 钠 盐溶液( p h7 ) 滴入新西兰白兔的左眼，右眼不处理，经过7 2 小时后进行左右 眼对比，结果表明该物质在1 浓度下对眼睛无刺激( 1 们。 1 1 6 试管培养法进行刺激性研究 1 1 6 1 试管培养法进行皮肤刺激性试验 美国加州l aj e l l a 高等细胞组织研究机构开发了m t t 皮肤细胞毒性验证法。 通过m t t 试验法所得结果与体内试验结果完全相符【l 。用m t t 法评价表面活 性剂一般分四级：强刺激性、一般刺激性、温和及无刺激性。m t t 值越低，表 示试验物质的毒性越大，刺激性越强，通过对n 一月桂酰基e d 3 a 钠盐和钾盐以 及一般市售的其它表面活性剂的测试，发现n 一月桂酰基e d 3 a 钠盐和钾盐的 m t t 5 0 值远大于其它表面活性剂，属于无刺激性级。 2 1 1 6 2 试管培养法进行眼睛刺激性试验 p e r k i n 等人开发了细胞等效验证技术( t e a ) ，将皮肤上皮组织和活性细胞 作为眼角膜等效物，放在试管内的试验物质溶液中进行培养试验，将活性细胞数 量减少到半时的时间定为t 5 0 值，根据t s 0 值可将试验物质对眼睛的刺激性 分级：强刺激性、一般刺激性、温和及几乎无刺激性。用n 一月桂酰基e d 3 a 钠 盐溶液( p h7 ) 的细胞组织培养试验，3 0 分钟存活率在7 3 以上，3 0 分钟n 一 月桂酰基e d 3 a 三乙醇胺盐样品存活率达8 3 ，属于对眼睛无刺激性的表面活性 剂【3 1 。 1 2 表面活性和其他性能 1 2 1 表面张力 n 一酰基e d 3 a 的表面张力与p h 值有关，当p h 值为5 8 时，其表面张力 最小，而当低于5 时，因不溶性酸开始从溶液中沉淀出来，其表面张力急剧上升， 而p h 值大于8 时，其主要以三乙酸盐的形式存在，头基的极性过强，致使其表 面活性下降【1 0 j 。 1 2 2 泡沫稳定性 表面活性剂溶液的泡沫稳定性可用泡沫排水时间来表示，测定方法为h a r t 和d e g e o v g e 法【12 1 。一般的阴离子表面活性剂在存在过量的电解质尤其是多价金 属离子时，泡沫稳定性降低，而n 一月桂酰基e d 3 a 钠盐的稳定性会大大增加， 这可能是由于表面膜上相邻的极性头基之间通过二价金属离子的桥梁作用形成 稳定的网状结构所致【l ”。在同样条件下，其比月桂基硫酸钠稳定2 5 倍。由此可 见，n 一月桂酰基e d 3 a 具有优异的耐盐和耐硬水性，有非常好的泡沫稳定性。 1 2 3 螯合金属离子的能力 螯合剂络合钙离子的能力可以表示为钙螯合值( c v ) 。这个值表示钙的数量 是以c a c 0 3 表示的，即用己知重量的螯合剂能螯合的c a c 0 3 的量，通常c v 值 与浓度无关，如螯合剂e d t a ，不管浓度有多大，其最大螯合能力为2 6 0 m g c a c 0 3 。 g 1 。n 一月桂酰基e d 3 a 却与e d t a 不同，其c v 值随着自身的浓度增加而增 加。在低浓度时，其c v 值为2 0 m g c a c 0 3 。g - 1 ，而在8 5 9 l 时，达到1 9 0 m g c a c 0 3 。 g - 1 。其它类型的表面活性剂的c v 值一般不超3 0m g c a c 0 3 。g - 1 。 同时n 一酰基e d 3 a 可以螯合多种多价金属离子，与之形成络合物。至今， 已研究了n 一酰基e d 3 a 与m g ”、c d 2 + 、p b 2 + 、c u 2 + 、f e 抖、n i 2 + 【8 1 ，此外还有 c 0 2 + 、f e “、z n ”、m n 2 + 【l4 1 、a g l + 【1 5 】。 n 一酰基e d 3 a 与多价金属离子螯合力的顺序如下： m 9 2 + ( c d 2 + n i 2 + = c u 2 + p b 2 + f e 3 + 【1 6 1 。 1 2 4 与酶的相容性 n - - 酰基e d 3 a 与各种酶具有良好的相容性，如蛋白水解酶、脂肪酶、定粉 3 酶等【1 7 】。有些表面活性剂易使酶失去活性，如月桂基硫酸钠或直链烷基苯磺酸 钠，许多金属离子如：c u 2 + 、f e 3 + 、n i 2 + 、c 0 2 + 能使酶变性，而n 一酰基e d 3 a 对这些金属有很强的螯合力，不会对酶的活性产生影响，其与酶之间具有良好的 协同效应，其洗涤能力优于各自的单独体系【1 8 】。 1 2 5 与其它表面活性剂的配伍性 n 一酰基e d 3 a 与其它表面活性剂之间具有优异的协同效应，这一点可以从 混合体系的表面张力、泡沫能力和润湿能力，尤其是洗涤能力的试验结果中明显 看出1 9 1 。n 一酰基e d 3 a 可与多种表面活性剂混合使用，如烷基苯磺酸钠( l a s ) 、 烷基多苷( a p g ) 、脂肪醇醚硫酸钠( a e s ) 。 1 3n _ 酰基e d 3 a 的应用 n - - 酰基e d 3 a 螫合型表面活性剂可广泛用于个人护理、家用及工业清洗剂、 医药产品等各个领域。 1 3 1 应用于洗涤剂 n 一酰基e d 3 a 螯合型表面活性剂最有潜力的用途是洗涤剂，它可以用作洗 涤剂主活性物，也可以取代三聚磷酸钠( s t p p ) 等洗涤助剂，使洗涤剂有很强 的去污力又不至于污染环境。现在已经出现了一系列的含有n 一酰基e d 3 a 的洗 涤剂配方如：液体洗涤剂配方1 9 】【2 0 1 、抗菌的轻垢型洗涤剂配方【2 1 儿22 1 、以n 一酰 基e d 3 a 作稳定剂的洗涤剂配方2 3 1 和去油脂的轻垢型洗涤荆配方【2 4 1 等。 另外，n 一酰基e d 3 a 钠盐用作洗衣剂的助剂 2 5 】，可以与酶配伍【2 6 1 ，对皮肤 的刺激和毒性几乎没有，非常适合用于手洗洗涤剂。 1 3 2 温和的皮肤清洗剂 目前皮肤清洗产品已倾向于不用刺激性表面活性剂及碱性的皂类，而倾向于 用中性的合成皂块及温和的表面活性剂，如：酰胺谷氨酸盐、n 一酰胺肌氨酸盐 和烷基多苷( a p g ) 。n - - 酰基e d 3 a 类表面活性剂无毒无刺激性，是皮肤清洗 剂的良好选择，已应用于一系列的沐浴露配方【2 7 儿2 8 1 和皂块配方【2 9 1 1 3 0 】。 1 3 3 温和香波 由于n 一酰基e d 3 a 具有很强的螯合力，非常耐硬水，在存在电解质以及硬 水离子时具有泡沫稳定性，同时又无刺激，因而广泛应用于各种香波配方【3 l 】口”。 1 3 4 其它个人护理产品 n 一酰基e d 3 a 还广泛应用于其它的个人护理产品，如：头发蓬松剂【 儿”j 、 头发拉直剂3 ”、化妆品中的去死皮换肤剂等3 6 儿37 1 。 1 3 5 家庭应用 n 一酰基e d 3 a 也可用于卫生陶瓷洁具的除垢剂配方 3 8 】【3 9 1 。 1 3 6 其它方面的应用 n 一酰基e d 3 a 用于清洗时，可同时溶解油污，螯合表面氧化膜，所以清洗 过程很快。因此可应用于金属清洗剂和抛光剂的配方中1 4 0 1 ，也可用于耐腐蚀的 4 金属加工液中的消泡剂配方【4 1 1 。 n 一酰基e d 3 a 的银络台物，具有光学活性，对各种细菌如：大肠杆菌、克 雷伯氏杆菌属、假单胞菌属、葡萄球菌属具有抑制作用，其对大肠杆菌和克雷伯 氏杆菌属的最低致死浓度( m l c ) 和最小抑制浓度( m i c ) 为1 0 p p m ，可用作外 用药膏、注射针剂和内服药等抗菌药【”】。 n 一酰基e d 3 a 还应用于水生植物抑制剂配方 4 2 1 ，也可用作增溶剂和萃取 剂，用来增加生长激素在永中的溶解度【4 3 1 。 同时，其还可用于表面改性的助剂，如用于增加皮革、纺织品和其它纤维材 料的防水性【4 4 1 ，用于热塑性的高分子薄膜材料的表面改性处理【4 5 1 等。 此外，还可作为螫合剂应用于微量养料配方中，含有n 一酰基e d 3 a 的过渡 金属元素络合物可用作具有选择性的除草剂配方的活性成分【4 6 1 。 1 4 合成研究进展 1 4 1 n ，n 一乙二胺二乙酸( s e d d a ) 的合成进展 n ，n 一乙二胺二乙酸最早由德国的r e i n h o l df i c k 等人【4 针，用乙二胺、甲 醛和氰化氢反应制得。 b e r s w o r t h 等人mj 后来用乙二胺、甲醛和氰化钠制备n ，n 一乙二胺二乙 酸，并指出了分离提纯的方法【4 鲥。 h o e c h s t 等人 5 0 】用乙二胺和氯乙酸于2 0 5 0 ( 2 ，保持p h9 l o ，氧化铝水合 物作催化剂，反应2 0 小时，然后生温至6 0 7 0 c ，保温两小时，加盐酸至p h 2 ， 即可制得n ，n 一乙二胺二乙酸。 g o r e l o v 等人【5 l 】将n ，n 一乙二胺二丙二酸于酸性介质中脱去羧基，生成 n ，n 一乙二胺二乙酸。反应式如下： 岫、h c h n c h 2 c i 士n h c h f 洲 h o 。c c o o h h + 啼h o o c c h z n h c m c p a n h c c o o h a n t o n 等人”1 用环氧乙烷与氨基乙酸于7 0 ( 2 反应，制备n ，n 乙二胺二 乙酸。反应式如下： + h 2 n c h 2 c o o h - h o o c c h 2 n h c h 2 c h 2 n h c h 2 c o o h 黄智等人5 3 1 用乙二胺与氯乙酸反应，制备n ，n ，一乙二胺二乙酸，所得产 物含有大量的乙二胺四乙酸和其它副产物，没有得到纯净的n ，n 乙二胺二 乙酸。除此之外，国内尚未有这方面研究的报道。 1 4 2e d 3 a 的合成进展 由于e d 3 a 非常容易成环，当p h 低于9 时，即很快成环，生成2 一氧一l ， 5 4 一哌嗪二乙酸( 3 - k p ) ，而难以得到e d 3 a h “。 d o r a n t 5 5 1 在用乙二胺、氰化物和甲醛制备e d t a 时，发现产物中有一定数量 的副产品e d 3 a 和3 - k p ，但是没有将其分离出来。 b l a e k m e r 等人1 56 】将乙二胺与氯乙酸以l ：3 的摩尔比，在l o 于碱性溶液中 反应2 4 小时，得到乙二胺二乙酸钠、乙二胺三乙酸钠和乙二胺四乙酸钠，然后 加入钴盐配位络合，钴络合物通过离子交换被分离，得到纯的e d 3 a 钴络合物。 g e n i k s a s b e r e z o w s k y 等人【卯】将乙二胺与氯乙酸以1 ：3 的摩尔比，在室温 下于碱性溶液中反应1 0 天，然后酸化，再用二甲基甲酰胺( d m f ) 将所得混合物 进行重结晶，得到纯的生成2 一氧一1 ，4 一哌嗪二乙酸( 3 - k p ) ，然后将3 - k p 与 氢氧化钠以1 ：6 的摩尔比配制成水溶液，回流2 4 小时，生成e d 3 a n a 3 。 w i l s o n 等人i s 8 l 以n ，n 一乙二胺二乙酸( s e d d a ) ，加入盐酸，生成2 一 氧一l 一哌嗪乙酸( s - k p ) ，然后由s - k p 与溴乙酸反应生成2 一氧一1 ，4 一哌嗪 二乙酸( 3 - k p ) ，再由3 - k p 在强碱性条件下水解得到e d 3 a n a 3 。反应式如下： h o 叭n 於c o o h 三h o 。c n n 泸- - - - - n n h n a o o c n n 厂n h c o o n a n b r c h 2 c o o h n a o hh 咖q 扒c o o h 一 苦卜一 近年来，h a m p s h i r e 化学公司的p a r k e r 等人做了独创性的开发工作 5 9 1 1 6 0 ， 合成了e d 3 a n a 3 ，其主要采用两中方法：一是简易的单釜合成法 6 1 6 2 1 ；二是高 纯合成法【6 3 1 。 单釜合成法是从s - e d d a 钠盐溶液开始，工业合成的s - e d d a 钠盐水溶液 一般含有百分之几的游离n a o h ，在进行e d 3 a 合成以前，溶液中所有的游离碱 和e d d a 钠盐溶液必须被中和，以防止e d d a 钠盐的衍生物一n ，n 一二羟甲 基二乙酸盐的生成。当e d d a 钠盐溶液中和到每摩尔e d d a 中钠当量2 时， 加入甲醛与之缩合，生成稳定的五元环中间体l ，3 一二羧甲基咪唑啉啶，再加 入h c n 使之开环，变成n 一氰甲基一乙二胺二乙酸钠。在水溶液是弱碱性情况 下，该化合物变成为n 一酰胺基一乙二胺二乙酸钠盐，接着分子中酰胺基与胺基 发生环化反应，生成稳定的六元环结构3 - k p 。甲醛和h c n 的加成反应温度为 5 0 ，然后程序升温2 小时达到沸腾，放出氨。3 - k p 在碱性条件下水解，开环 生成e d 3 a n a 3 。反应式如下： 6 一令、c 。舳旦 ) c h c n 咚f a 一 ；h 2 0 一扒1 h 小乏 一h 7 一n 八a o o c f ，n h 八删? 八) 八一 。 高纯合成法，用适当的酸如硫酸将n ，n 一乙二胺二乙酸钠盐酸化到p h 一 一0 飞o 八咖 i c = 、c 0 0 h 9 2 1 仪器和试剂 第二章实验部分 2 1 1 仪器 w m z k o l 温度指示控制仅 j j 一增力电动搅拌器 z f q 8 5 a 旋转蒸发器 s h z d ( i i i ) 循环水真空泵 瑞士b r u k e rd r x 5 0 0 型核磁共振仪( n a o h 、d 2 0 为溶剂，t m s 为内标) 2 1 2 试剂 乙二胺( a r ) 氰化钾( c p ) 甲醛( a r ) 浓盐酸( a r ) 无水碳酸钠( a r ) n ，n 一二甲基甲酰胺( a r ) 无水乙醇( a r ) 氯乙酸( a r ) 氢氧化钠( a r ) 月桂酸( c p ) 氯化亚砜( a r ) 棕榈酰氯( 9 5 ) 苯甲酰氯( a r ) p h 试纸( 1 一1 4 ，0 5 5 0 ，3 8 5 4 ，5 4 7 0 ，9 5 1 3 0 ) 2 2 实验方法 2 2 1 n ，n 一乙二胺二乙酸( s e d d a ) 的合成 将5 2 9 氰化钾溶于1 0 0 m l 水中，然后倒入5 0 0 m l 的四1 ：3 烧瓶中与乙二胺混合 均匀，在搅拌状态下，慢慢滴加3 7 甲醛溶液6 2 m l ，大约1 1 5 小时滴完，然后 加入l g 氢氧化钠，升温至9 8 ，此时有大量氨气放出，保温数小时1 4 ，冷却至 室温后，加入浓盐酸至p h6 0 ，减压浓缩，将浓缩液冷却至室温后抽滤，然后向 滤液中加入等体积的无水乙醇 4 引，放入冰箱冷藏过夜，然后将其抽滤，烘干后 得白色或淡黄色固体，用蒸馏水进行重结晶，得到银白色晶体。 2 2 2 2 一氧一l 一哌嗪乙酸( s k p ) 的合成 将纯的s - e d d a l 7 6 9 ，水1 0 0 m l ，浓盐酸1 7 2m l 加入园底烧瓶中，加热至 沸腾，回流数小时，然后将其倒出，加入1 0 6 9 无水碳酸钠，至p h5 1 ，减压浓 缩至有晶体析出，将浓缩液倒入1 0 0 0 m l 烧杯中，加入4 0 0 m l 无水乙醇，然后冷 1 0 藏过夜，再进行抽滤，烘干后得白色固体，将白色固体加入1 2 0 m ln ，n 一二甲 基甲酰胺( d m f ) ，煮沸，趁热抽滤，等滤液冷却后，加入两倍体积的无水乙醇， 冷藏数小时，然后抽滤，烘干后得淡黄色固体【5 7 1 ，将淡黄色固体溶于1 0 m l 水中， 边搅拌边加入1 0 0 m l 无水乙醇，冷藏数小时，抽滤，烘干后得自色晶体。 2 2 3 2 一氧一l ，4 一哌嗪二乙酸( 3 k p ) 的合成 将7 9 9 s - k p 和1 6 m l 水加入四口烧瓶中，搅拌至s - k p 完全溶解后，缓慢滴 加5 2 9 氯乙酸溶于5 m l 水的溶液，1 0 分钟左右滴完，然后向其中漫漫滴加2 5 的氢氧化钠溶液，至p h8 ，陆续滴加2 5 的氢氧化钠溶液，保持p h8 不变【5 8 1 ， 数小时后，加浓盐酸至p h2 ，然后减压浓缩至有晶体析出，向浓缩液中加入两 倍体积的无水乙醇，冷藏过夜，抽滤，烘干后得白色固体。将白色固体加入2 0 m l d m f ，煮沸，趁热抽滤，然后将滤液减压浓缩至糖浆状，将浓缩液倒出，加入等 体积的蒸馏水，冷藏数小时，抽滤，烘干后得白色晶体。 2 2 4e d 3 a n a 3 的合成 将3 - k p 5 4 9 、氢氧化钠5 9 和水2 5 m l 加入1 0 0 m l 的圆底烧瓶中加热至沸腾， 回流2 4 小时1 5 ”，然后过滤，不用分离，待下一步反应使用。 2 2 5 n _ 一酰基e d 3 a 的合成 2 2 5 1 月桂酰氯的制备 将1 0 0 9 月桂酸加入到2 5 0 m i 的单1 ：3 圆底烧瓶中，然后滴加7 0 m l s o c l 2 ，加 热升温至7 5 ，搅拌反应2 小时，再升温至9 0 。c ，回流2 小时。然后将反应混 合物减压蒸馏，先减压蒸除过量的氯化亚砜，然后收集1 4 6 1 5 0 的馏分，即为 月桂酰氯删。 2 2 5 2n _ 月桂酰基e d 3 a 的合成 将以上合成的e d 3 a n a 3 溶液倒入四口烧瓶，加入8 m l 的异丙醇，在搅拌状 态下，慢慢滴加月桂酰氯5 ，4 m l ，一小时左右滴完，保温数小时后【“1 ，加入3 0 m l 水稀释，升温至5 0 ( 2 ，加入浓盐酸至p h 4 6 ，趁热抽滤，待滤液冷却后加浓盐 酸至p h l ，然后抽滤，烘干后得白色固体，用1 0 0 m l 无水乙醇进行重结晶，然后 将滤液冷藏数小时，抽滤，烘干，得白色晶体。将白色晶体加入3 0 m l 水中，然 后加入2 5 的氢氧化钠溶液至p h 8 ，再过滤，向滤液中加浓盐酸至p h l ，抽滤， 烘干，得白色固体，用无水乙醇进行重结晶，得白色晶体。 2 2 5 3n 一棕榈酰基e d 3 a 的合成 将以上合成的e d 3 a n a 3 溶液倒入四口烧瓶，加入8 m l 的异丙醇，在搅拌状 态下，慢慢滴加棕榈酰氯8 m l ，一小时左右滴完，保温数小时后 5 4 1 ，加入3 0 m l 水稀释，升温至5 0 1 2 ，加入浓盐酸至p h 4 6 ，趁热抽滤，待滤液冷却后加浓盐酸 l i 至p h l ，然后抽滤，烘干后得白色固体，用1 0 0 m l 无水乙醇进行重结晶，然后将 滤液冷藏数小时，抽滤，烘干，得白色晶体。将白色晶体加入3 0 m l 水中，然后 加入2 5 的氢氧化钠溶液至p h 8 ，再过滤，向滤液中加浓盐酸至p h l ，抽滤，烘 干，得白色固体，用无水乙醇进行重结晶，得白色晶体。 2 2 5 4 n 一苯甲酰基e d 3 a 的合成 将e d 3 a n a 3 溶液倒入四口烧瓶，在搅拌状态下，慢慢滴加苯甲酰氯3 m l ， 半小时滴完，保温数小时【5 4 1 后，加入3 0 m l 水稀释，加入浓盐酸至p h 4 6 ，趁热 抽滤，待滤液冷却后加浓盐酸至p h l ，然后抽滤，烘干后得白色固体，用无水乙 醇进行重结晶，得白色晶体。经检测为苯甲酸，而未得到n 一苯甲酰基e d 3 a 。 2 3 使用氰化钾的安全注意事项 氰化钾属巨毒化学品，致死剂量为0 1 - 0 3 9 ，当与酸类物质、氯酸钾、亚硝 酸盐、硝酸盐混放时，或者长时间暴露在空气中，易产生巨毒、易燃易爆的h e n 气体，当h c n 在空气中的浓度为2 0 p p m 时，经过数小时入就产生中毒现象。因 此，使用时应注意以下几点： 1 操作时，应穿好工作服，戴好橡胶手套、口罩和防护眼镜。 2 实验室应保持通风，同时应配制大量5 的硫代硫酸钠溶液，以备紧急情 况使用。 3 与氰化钾接触的玻璃仪器，在用完之后应浸泡于5 的硫代硫酸钠溶液中 2 4 小时后，方可清洗。 4 氰化钾应单独存放于安全处。 5 反应时，反应体系应始终保持碱性。 1 2 第三章结果与讨论 3 1 关于合成n ，n7 一乙二胺二乙酸( s e d d a ) 的结果与 讨论 本文采用乙二胺、甲醛和氰化钾合成n ，n 一乙二胺二乙酸( s - e d d a ) ， 其反应式如下： h 2 n c h 2 c h 2 n h 2+ c h 2 0 + k c n + h o o c c h 2 n h c h 2 c h 2 n h c h 2 c o o h 在整个反应中，首先反应的是甲醛和氰化钾，在较低的温度下就能进行，生 成羟基乙腈，然后与乙二胺发生缩合反应，生成n ，n 一乙二胺二乙腈。最后 n ，n 一乙二胺二乙腈在碱性条件下水解，生成n ，n 一乙二胺二乙酸盐。 在甲醛与k c n 的加成反应中，起决定作用的是c n 一离子。c n 一是个强的 亲核试剂，它对羰基的加成反应历程可表示如下： 0 i i h c + c 兰苎n = = = h h o - f c c 三三 i h + h + n 亍h 一? 一c 三nh 反应分两步进行，首先是亲核试剂c n 一对羰基的进攻，然后是负离子中间体的 质子化。第一步反应即亲核试剂进攻的一步，是反应中最慢的一步，也是决定整 个反应速度的一步 6 5 1 。 羟基乙腈与乙二胺发生缩合反应，生成n ，n7 一乙二胺二乙腈，这是由于 羟基腈类结构中的羟基极易被氨基置换，而普通羟基化合物中的羟基不易被氨基 置换1 6 6 1 。其反应式如下： h 2 n c i - 乜c h 2 n h 2 h o c h 2 c n n c c h 2 n h c h 2 c h 2 n h c h 2 c n 然后n ，n7 一乙二胺二乙腈在碱性条件进步水解，最终生成n ，n 一 乙二胺二乙酸盐，其反应式如下： q旦-oocci-hnhch2chanhch2coonccfhnhch2ch2nhch2cn 一 。， u u n c2hchn 2h 圮j hchn2h c cn 3 1 1n ，n 一乙二胺二乙酸( s - e d d a ) 的表征 n ，n 一乙二胺二乙酸( s - e d d a ) 的结构如下所示： h 0 0 c c h 2 n h c h 2 c h 2 n h c h 2 c o o h 12 3 表3 - 1 1n ，n ，一乙二胺二乙酸( s - e d d a ) 的1 3 c n m r 和1 h n m r 谱的化学 位移值 ( s ) = s i n g l o i 目m r i 图3 - i 1n ，n7 一乙二胺二乙酸( s - e d d a ) 的1 h n m r 谱 1 4 一 一 髓_ j啪i x ，糯r 瞰x 蛳 il： iii l 一一 品百一 i 一一了葛：；一一百一r i 一一i 1 r 1 图3 - j 2n ，n ，一乙二胺二乙酸( s - e d d a ) 的1 c n m r 谱 由图3 卜2 可知，由高场到低场两组峰的积分比为1 ：1 ( 共4 个氢) ，62 6 1 为单峰，是15 5 c 上2 个h 的信号，63 1 1 为单峰，是2 # c 上2 个h 的信号。 由图3 1 、3 可知，61 7 9 6 1 为羧基碳的信号，64 7 。7 5 和65 2 。0 7 为亚甲基 碳的信号1 6 ”。 因n ，n ，一乙二胺二乙酸( s o e d d a ) 的分子结构具有对称性，所以从以 上1 h n m k 谱和1 a c n m r 谱的解析来看，与n ，n 一乙二胺二乙酸( s e d d a ) 的分子结构相符合。 3 1 2 单因素分析 在合成n ，_ n 一乙二胺二乙酸( s e d d a ) 的过程中，本文通过单因素分 析研究了反应温度、水解时间和摩尔比对得率的影响，经多次实验得到结果如表 3 1 2 所示。 表3 - i 2 合成n ，n 一乙二胺二乙酸( s - e d d a ) 的实验数据 3 1 2 i 反应温度对n ，n 一乙二胺二乙酸( s - e d d a ) 得率的影响 1 8 1 6 1 4 1 2 s 1 0 鐾8 6 4 2 o 1 83 04 05 0 6 0 反应温度( ) 图3 - 1 3 反应温度对n ，n7 7 , - 胺二乙酸( s - e d d a ) 得率的影响 1 6 由图可知，随着反应温度的升高，产品的得率呈下降趋势。这是由于k c n 易水解，在3 0 的水溶液中就会慢慢水解，在6 0 以上水解速度很快。k c n 一 旦水解，生成甲酸盐，就无法与甲醛发生加成反应。同时反应生成的羟基乙腈也 很容易在碱性条件下水解，6 0 以上水解速度很快，如一旦水解生成羟基乙酸， 则羟基乙酸上的羟基无法被乙二胺上的氨基所置换。这是由于羟基腈类结构中的 羟基极易被氨基置换，而普通羟基化合物中的羟基不易被氨基置换【6 。 3 1 2 2 水解时间对n 。n 一乙二胺二乙酸( s - e d d a ) 得率的影响 兽 番 卜 难 2468 水解时间( h ) 图3 一卜4 水解时间