季戊四醇的部分氨化和醚化研究.docx

季戊四醇的部分氨化和醚化研究1.前言具有多官能团的季戊四醇在合成中具有重要意义。季戊四醇分子中含有四个等同的羟甲基，具有高度的对称性，空间四面延展，是一种制备树枝状分子的理想原料1-4，树枝状分子在分子识别研究方面具有潜在意义；主要用来生产润滑剂、醇酸树脂、聚氨酯、表面活性剂、乳化剂、医药、农药以及炸药等，在树脂、涂料、化工、制药以及国防等方面具有广泛的应用 5-6 。以季戊四醇溴化形成的多溴代化合物为中间体进一步合成新型树枝状大分子材料，具有独特的结构和性质。据文献资料显示，该类化合物在工业、农业、国防、医学、生命科学、环境保护等领域有着重要的应用前景，如作为抗癌细胞转移药物 、缓释药物的载体、信息贮存材料、导电材料、高效催化剂、高吸水材料、非线性光学材料、纳米材料、感光材料，特别是在生物大分子的分离方面起着非常重要的作用7-8。二溴新戊二醇（DBNPG)是季戊四醇的溴衍生物，具有双官能团、结构对称，是一种重要的有机试剂和药物中间体9 。由于其独有的结构特征，使得以其为中间体制得的聚合物具有出色的阻燃性、光稳定性和抗化学品性。国内外对其合成和应用方面都进行过研究 10。有机胺类化合物应用于医药、农药、染料、表面活性剂、橡胶助剂、聚氨酯助剂、离子交换树脂等众多领域11。以醇为原料进行胺化是生产有机胺的重要方法之一，随着先进的科学技术高速发展石油、化工业迅速发展的今天，醇的来源越来越丰富，价格适中，以醇为原料生产有机胺类物质越来越显现出其优越性。本文在前人工作的基础上，通过实验找出合成二溴新戊二醇的最佳条件。同时对二溴新戊二醇的两个溴进行醚化和氨基化作了初步研究，目的是为了在季戊四醇上接上氨基，使季戊四醇的两个羟基环化被保护起来，为进一步的研究做准备。2.二溴新戊二醇的合成 二溴新戊二醇的合成方法主要包括气相合成和液相合成 12-15。本实验采用液相法合成二溴新戊二醇，并通过多次重复实验找出最佳合成条件。2.1主要试剂和仪器主要试剂：季戊四醇（分析纯），乙酸酐，浓硫酸，溴化钠，无水乙醇，无水硫酸镁，浓盐酸 ，碳酸氢钠等药品均为化学纯 。 主要仪器：恒温磁力搅拌器，电子天平，旋转蒸发仪。2.2 二溴新戊二醇的合成二溴新戊二醇的合成路线如图2.1： 图2.1 二溴新戊二醇合成路线Figure 2.1The synthetic route of dibromoneopentyl glycol称取13.6150g(0.1000 mol) 季戊四醇放置于100 ml三颈烧瓶内，加入20.0 ml（0.2099 mol）乙酸酐（按季戊四醇与乙酸酐摩尔比1:2.1），缓慢加热使季戊四醇完全溶解后，滴加12滴浓硫酸，升高温度至126左右，搅拌回流8 h，用旋转蒸发仪蒸去反应体系内的乙酸，得透明粘稠物；将粘稠物转移到100ml三颈烧瓶中（主反应器），在另一250 ml三颈烧瓶内加30.0000 g（0.2831 mol）溴化钠（副反应器），联通两个反应器，副反应器中用恒压滴液漏斗缓慢滴加25.0 ml（0.4691 mol）浓硫酸，生成的气体通入主反应器，至无气体生成断开连接，回流7 h。回流结束后，旋蒸反应体系，剩棕黄色粘稠物；将其转移到100ml圆底烧瓶中并加入6.5ml浓盐酸和30.0 ml乙醇，搅拌回流34 h。用旋转蒸发仪蒸去溶剂，加入蒸馏水中，用饱和碳酸氢钠溶液洗涤，经超声波振动，有白色沉淀浮于液面上，静置，抽滤，干燥。得到白色固体。用上述方法重复23次实验。2.3结果讨论2.3. 1反应物的选择二溴新戊二醇的合成反应中，酯化过程是可逆反应，反应体系要保持无水状态，所以选用乙酸酐(进行蒸馏干燥处理)与季戊四醇反应，通入溴化氢气体(制备溴化氢气体的反应体系应加热，注意防止倒流)进行溴代，利于正反应的进行，提高了二溴新戊二醇的产率。直接加入浓盐酸反应收率较低，原因可能是脂不溶于水；通过用乙醇做溶剂加入浓盐酸产率较高。2.3.2反应物料摩尔比的影响通过实验证实乙酸酐与季戊四醇的摩尔比对反应有较大的影响，若乙酸酐用量过少或用量过多，都会增大副反应的进行。如表1所示,季戊四醇与乙酸酐的摩尔比为1:2.1时，产率较高。表 1季戊四醇与乙酸酐的比例对二溴新戊二醇产率的影响Table 1 Pentaerythritol with acetic anhydride ratio of dibromoneopentyl glycol yield 季戊四醇：醋酸酐（摩尔比） 产 率（%） 1:1.9 38.31:2.0 40.81:2.1 45.61:2.2 41.82.3.3温度的影响反应刚开始时，应缓慢加热，当季戊四醇固体完全溶解后，再把回流温度固定在124128左右。温度过高，反应体系温度急剧增加,使体系爆沸而喷出。通气时，主反应体系温度应控制在7080左右。温度较低反应不易进行，温度过高会使溴化氢气体溢出速度加快，反应体系不能充分进行有效反应。2.3.4加料速度的影响加料速度(HBr)不应太快或太慢，太快则溴化氢气体大量溢出，不能有效的充分反应，太慢则容易倒流；一般控制在1.5 h3.0 h左右。2.4本章结论通过反复实验并不断改变反应条件得出结论。反应的最佳条件是：回流温度：124128 ，通气温度:7080 ；物料摩尔比：季戊四醇:乙酸酐为1:2.1；加料速度(HBr)： 1.5 h3.0 h；总反应时间：8 h 15 h。3.二溴新戊二醇的醚化和氨基化探索对二溴新戊二醇的两个溴进行醚化和氨基化进行初步研究，目的是为了让季戊四醇接上氨基，使季戊四醇的两个羟基环化被保护起来，为进一步的研究做准备。3.1主要试剂和仪器主要试剂：苯酚，水杨醛，乙二胺，二甲基亚砜，氢氧化钠，无水碳酸钠，氧化铜，N,N - 二甲基甲酰胺，四氢呋喃，无水乙醇，乙酸乙酯，石油醚等药品均为化学纯。主要仪器：恒温磁力搅拌器，电子天平，旋转蒸发仪等。3.2实验部分3.2.1苯酚与二溴新戊二醇的作用苯酚与二溴新戊二醇的合成路线16-18，如图3.1图 3.1苯酚与二溴新戊二醇的作用Figure 3.1The effect of phenol and bromine neopentyl alcohol在100 ml三颈烧瓶中，用10.0 ml无水乙醇溶解0.5000 g(5.32 m mol)苯酚，然后加入0.2128 g氢氧化钠固体，在60加热搅拌保温30min后，升高温度至回流，将0.6968 g(2.66 m mol)二溴新戊二醇溶于10.0 ml无水乙醇后用恒压滴液漏斗缓慢滴加入三颈烧瓶。反应期间用TLC法(薄层色谱法, thin-layer chromatography)跟踪反应进程，反应开始30 min后点板显示有新物质生成（如图3.2）。薄层板上的反应体系只有一个点时反应完成，把溶液冷却、用旋转蒸发仪蒸去溶剂，得紫红色液体。将紫红色液体与乙醚混溶，静置3天，出现白色晶体。图3.2 用TLC跟踪反应进程Figure 3.2 Reaction process with the TLC method3.2.2水杨醛与乙二胺的相互作用3.2.2.1中间体B的制取反应原理19-21如图3.3： 图3.3水杨醛与乙二胺的作用Figure 3.3The role of salicylaldehyde and ethylenediamine在100 ml三颈烧瓶中，取3.3ml(0.05 mol)乙二胺溶于30.0 ml无水乙醇中，在冰水浴条件下用恒压滴液漏斗缓慢滴入5.5 ml(0.05 mol )水杨醛。室温下搅拌23h,反应期间用TLC法跟踪反应进程（如图3.4）。反应进行很快，刚滴加水杨醛体系中就有浅黄色固体生成，反应完结后，抽滤出固体，用无水乙醇洗三遍，得产品8.0468 g，产率98.13%。 图3.4 用TLC跟踪反应进程Figure 3.4 Reaction process with the TLC method3.2.2.2中间体C的合成合成路线如图3.5：图3.5水杨醛与乙二胺作用Figure 3.3The role of salicylaldehyde and ethylenediamine在100 ml三颈烧瓶中，量取2.3 ml(0.022mol)水杨醛溶于50.0 ml无水乙醇中，在冰水浴条件下用恒压滴液漏斗缓慢滴入0.7 ml(0.010mol )乙二胺。室温下搅拌23h，反应期间用TLC法跟踪反应进程（如图3.6）。反应完全后，抽滤，用无水乙醇洗三遍，干燥，得淡黄色固体2.6414 g，产率98.56%。 图3.6 用TLC跟踪反应进程Figure 3.6 Reaction process with the TLC method3.2.2.3区别化合物B与化合物C取新制的化合物B与化合物C少量分别溶解于两个装有丙酮溶剂的点瓶中，制成标样，利用薄层色谱法对照鉴定，点板显示（如图3.7）它们不属于同种物质。图3.7用TLC对照鉴定化合物B与化合物CFigure 3.7 B elucidated by TLC and compounds were C3.3化合物B与二溴新戊二醇作用化合物B与二溴新戊二醇的合成路线22-26如图3.8：图3.8化合物B与二溴新戊二醇作用Figure 3.8The reaction of compound B and DBNPG 在100 ml三颈烧瓶中，将 1.0000g(6.098mmol) 化合物B溶解于10.0 ml二甲基亚砜中，然后加入0.9000g 无水碳酸钠。在120保温30min，将1.5900g(6.098mmol)二溴新戊二醇溶解于15ml二甲基亚砜溶剂中后，用恒压滴液漏斗缓慢滴加入反应体系，反应过程中用TLC法跟踪反应进程（如图3.9）。反应完结后，加入蒸馏水，用乙酸乙酯萃取，用旋转蒸发仪蒸去乙酸乙酯，除杂，得褐色固体。 图3.9用TLC跟踪反应进程Figure 3.9Reaction process with the TLC method3.4化合物C与二溴新戊二醇的作用化合物C与二溴新戊二醇的合成路线22-26如图3.10：图3.10化合物C与二溴新戊二醇作用Figure 3.10The reaction of compounds C and the DBNPG在100 ml三颈烧瓶中，用10 ml 二甲基亚砜溶解0.5000 g(1.86mmol)化合物C,并加入0.3944g无水碳酸钠。升高温度到124左右，保温30min后加入少量氧化铜粉末，将0.4873 g (1.86mmol)二溴新戊二醇溶解于二甲基亚砜后用恒压滴液漏斗缓慢滴加入三颈烧瓶中，在125 140左右进行反应，期间用TLC法跟踪反应进程（如图3.11）。反应结束后加入水，用乙酸乙酯萃取，用旋转蒸发仪蒸去乙酸乙酯，除杂，得浅褐色固体0.2769g，产率为40.46%。图3.11 用TLC跟踪反应进程Figure 3.11 Reaction process with the TLC method3.4.1结果与讨论3.4.1.1溶剂的选择本文对其反应条件进行了研究，发现选用极性非质子溶剂（N,N - 二甲基甲酰胺、二甲基亚砜）原料能均匀溶解混合，且散热及时，控温比较稳定；而选用弱极性溶剂（乙醇、三氯甲烷、四氢呋喃）原料不能完全溶解混合，散热效果不够理想，局部过热现象明显，控温不稳定。在合成化合物E时，反应温度要求较高，溶剂N,N - 二甲基甲酰胺碱性条件下在90以上会发生轻微分解，影响化合物E转化率；反应物料在溶剂二甲基亚砜的溶解性与N,N - 二甲基甲酰胺相当，但沸点和稳定性高于N,N - 二甲基甲酰胺，且所需反应温度比用N,N - 二甲基甲酰胺时要低，可能是有一定的催化活性，降低了反应的活化能。因此选择二甲基亚砜为反应的溶剂。3.4.1.2缚酸剂用量的影响当温度为125，反应时间为5h时，改变缚酸剂无水碳酸钠的用量对合成化合物E的转化率进行研究，结果如表2所示。表2缚酸剂用量对化合物E产率的影响Table 2 Consumption antacids tied the impact of response rate output of compound E缚酸剂用量（摩尔比 ） 产率/%1.0:0.8 28.451.0:1.0 36.661.0:1.2 40.461.0:1.4 35.56实验结果表明，缚酸剂无水碳酸钠用量（酚羟基与无水碳酸钠钠的摩尔比）为1.0:1.2时产率最高。因此，合成化合物E时缚酸剂用量选用1.0:1.2。3.4.1.3温度的选择反应温度低于100时不发生反应，反应体系颜色保持淡黄色；当温度为115时，反应体系由淡黄色变为棕红色，反应发生，但点板显示不是所要目标产物；当温度达到120时，反应体系由棕红色变为褐色，点板显示有目标产物产生;当温度高于150时，反应体系颜色变深，点板显示又出现了新点，导致了更多的副反应发生。因此，反应温度应控制在125140，如图3.12所示。图3.12用TLC跟踪反应进程Figure 3.12 Reaction process with the TLC method3.4.1.4反应时间的选择化合物E收率随着反应时间的延长有所增加,反应56h反应体系的酸值变化不大,反应已基本完成。若再延长反应时