3-巯基-4-甲基戊醇及其酯类化合物的合成研究

.3硫酚硫酚类化合物有机合成中种重要的中间体，广泛的被应用于部分医学药品的合成研究和重金属离子的络合试剂以及部分感光材料的阻聚剂。由于硫酚化合物具有极大的刺激性气味，可以作为煤气检漏的警示剂。生活中最为常见的硫酚化合物是苯硫酚，其苯环上的巯基的作用类似于苯环上的羟基的作用，在空气中非常容易被氧化。氧化剂不同，氧化过程产生的产物不同。苯硫酚可以与烯烃化合物发生自由基的加成反应。在碱性溶剂的条件下还可以与卤代烃反应生成硫醚化合物。苯硫酚和磺酸可以相互还原还原苯磺酸可，但在此类合成反应中是以重金属离子为原材料，因此在反应中会产生大量的重金属有毒物质，因此在操作过程中不仅会增加后处理的难度，其副产物中的二氧化硫和三氧化硫还会对大气环境造成严重的污染，若大量生产甚至有可能会形成酸雨。1.4巯基化合物的应用前景巯基化合物在实际生产中的应用非常广泛，硫醇类化合物可以作为医学药品、农药、高分子化合物的中间体和橡胶硫化过程中的促进剂。硫酚化合物广泛的应用于药物研究和染料的合成研究等。国内生产巯基化合物的生产厂并不多，多数需要从外国进口。正是因为因此，国内的疏基化合物的生产还是有很大的发展空间和发展潜力。在硫醇化合物中，十二碳硫醇在医药和农药以及染料方面都有着广泛的应用。正丁硫醇不仅是农药合成过程中的一种中间体，还能够有机合成的溶剂和部分化学反应的调节剂和稳定剂。正丁硫醇独特的气味使之可以作为天然气和煤气中的赋臭剂。在橡胶的生产过程中正辛硫醇是主要的调节剂，调节分子间的聚合和硫化。随着不断的发展，市场对正辛硫醇的需求越来越大。正十二碳硫醇在合成树脂、合成纤维、合成橡胶的过程中可以作为分子转移的链转移剂。尤其在ABS树脂的合成中扮演着无法缺少的角色。树脂是汽车工业、家电工业生产的重要原料，除此之外，树脂还可以作为某些乙烯基树脂的稳定剂和抗氧剂。特别是近年来，我国的石油化工产业又步入了高速发展的阶段，因此对ABS树脂和其他硫醇类化合物需求快速增长，国内的产量已经无法再满足市场的需求，据报道我国在进口的各类树脂已经达到了200万吨以上。苯硫酚被人们称为是一种昂贵的化工产品，不仅仅只是因为它的造价高，更是依靠它的多用性和无法代替的因素。它可以作为香料和染料的中间体，橡胶产品的促进剂、抑制剂、抗氧剂，还可以作为部分化合物的稳定剂。在农药产品的研发过程中，苯硫酚及其衍生物都是重要的中间体或产品。部分苯硫酚的衍生物还可以治疗一些特殊的病症，减轻患者的痛苦。如间甲氧基苯硫酚与某些化合物反应可生成一些能够影响胰岛素分泌的有机，利于控制血糖浓度，治疗糖尿病。1.5硫醇的合成方法根据文献记载，目前国内外关于巯基类化合物的合成方法有以下几种：1.5.1多硫化钠法此反应为多硫化钠法，具有成本较低，收率较高，反应时间短，产品质量好的特点。其中由于甲氧基容易被初生态氢还原，使得化学反应难度加大，化学反应体系很难控制。1.5.2硫代硫酸钠法用硫代硫酸钠做反应物生成硫醇的过程中，只涉及三个反应两个操作，具有成本低，收率高的优点，产生的废弃物和污染物较少，还具有较高经济价值，试用于工业化工厂生产。1.5.3碱金属硫氢盐法过卤代烃与硫氢化钠反应可以生成硫醇，生成的硫醇与硫氢盐进一步反应，产生硫醇盐。

在硫醇盐中，烃硫负离子作为亲核试剂，可以非常容易的与卤代烷发生反应生成硫醚等副产物。为防止此类现象的发生，可以使用过量的硫氢盐来避免该副反应的发生。1.5.4二硫化物还原法二硫化物（R-S-S-R1）在经过氢化铝锂，液氨中的金属锂等还原剂还原后可以得到硫醇化合物。此方法是实验室中常用的硫醇制备方法，具有反应时间短，产率高，易于控制的优点。1.6研究意义及内容综上所述，巯基类化合物及其衍生物广泛的存在于各种医学药物和化学产品之间。3-巯基-4-甲基戊醇及其酯类化合物都具有很高的生物活性，可以广泛的应用于药物研究方面。同时巯基类化合物也是许多分子的亚结构单元，具有极大的发展潜力。从工艺步骤繁琐、原料的来源、工业的可操作性、以及收率和成本等因素考虑，设计了以5-甲基戊-1,3-二烯-2-醇为起始原料，经过一系列的化学反应生成3-巯基-4-甲基戊醇及其酯类化合物的合成路线。第2章实验部分2.1合成路线目标产物合成路线：2.2合成原理：此路线是以5-甲基戊-1,3-二烯-2-醇为起始原料，经过浓硫酸的强氧化作用，以及硫代乙酸和氢化铝锂的作用，通过一定的化学反应，使原来分子中原来的化学键断裂，产生新的化学键，分子发生转变，形成新的化合物。最终生成3-巯基-4-甲基戊醇。最后在乙酰氯的作用下生成-巯基-4-甲基戊酯。2.3主要原料和试剂：表2.1主要原料和试剂原料或试剂名称规格生产厂家5-甲基戊-1,3-二烯-2-醇98%国药集团化学试剂有限公司无水乙醇分析纯天津市风船化学试剂科技有限公司浓硫酸95%—98%西陇化工股份有限公司硫代乙酸分析纯上海山浦化工有限公司柱层析硅胶化学纯青岛海洋化工厂氢化铝锂分析纯青岛海洋化工厂乙酰氯分析纯天津市风船化学试剂科技有限公司乙醚化学纯青岛海洋化工厂甲基叔丁基醚分析纯国药集团化学试剂有限公司石油醚分析纯天津市风船化学试剂科技有限公司乙酸乙酯分析纯天津市风船化学试剂科技有限公司二氯甲烷分析纯烟台市双双化工有限公司实验仪器：（1）SY-2000型旋转蒸发器：上海亚荣生化仪器厂（2）恒温加热磁力搅拌器：上海勒顿实业有限公司（3）循环水多用真空泵：杭州佑宁仪器有限公司（4）电热恒温干燥烘箱：邢台润联科技开发有限公司（5）电子天平：常州万泰天平仪器有限公司（6）玻璃仪器包括三口瓶、冷凝管、烧杯、分液漏斗、玻璃柱子2.4实验过程：2.4.1步骤1：乙基-4-甲基戊-2-烯酸的合成在室温（25℃）的条件下，将18gSM（5-甲基戊-1,3-二烯-2-醇）完全溶解到盛有360ml乙醇溶剂的三口烧瓶中后，使用磁力搅拌机一边搅拌一边滴加7.2ml的浓硫酸，滴加完毕后，反应体系加热至80℃，用球形冷凝管冷凝回流2个小时后，利用高锰酸钾显色剂和薄层色谱（TLC）板在石油醚和乙酸乙酯为比10：１的展开剂中展开，观察TLC板显示原材料反应完全以及液质检测生成物的相对分子质量为142后，进行化学反应的后处理。条状条状分析：TLC板上的三个点从左到右依次为，反应物点、反应和生成物的混合点、生成物点，最高点为产品点，由板显示可以看出以看出原料已经全部反应完成，且产品中没有杂质。后处理：将反应完毕后的化学反应体系冷却降至室温（25℃）后倒入适量清水中，水相用调制好的碳酸氢钠的水溶液来调PH，在PH调到7-8之间即可，用过量的DCM（二氯甲烷）和分液漏斗对水相进行萃取，留下有机相，剩余的水相再用DCM（二氯甲烷）萃取三遍，混合有机相，再用饱和食盐水洗一遍，有机相用干燥剂（无水硫酸钠）进行干燥，旋干后最终得到25g的乙基-4-甲基戊-2-烯酸白色结晶性粉末粗品。实验材料如下表为步骤所需要的材料用量及产品生成量表2.2实验材料序号化学名称分子量用量及单位EquivA/V单位15-甲基戊-1,3-二烯-2-醇11418g12乙醇360ml3浓硫酸7.2ml4Product14225g产率:由=得m2=22.42g(理论产量）γ==111%注：经检测所得产品纯度为94%，含有部分杂质（盐类化合物），故产率较高，但不影响下一步骤的进行。2.4.2步骤2：3-（乙酰硫基）-4-甲基戊酸乙酯的合成在氮气保护的条件下，分批次将25gSM（乙基-4-甲基戊-2-烯酸）加入盛有18,7g硫代乙酸的三口烧瓶中，在完全溶解后，使用磁力搅拌机匀速搅拌，化学反应体系升温至80℃反应12个小时，用球形冷凝管冷凝回流（缓慢升温，使用温度稳定的加热锅，硫代乙酸若不能冷凝到反应体系中，容易导致反应不完全）。过夜一天后经过液质检测发现反应体系没有反应完全，再次补加0.6个当量的硫代乙酸(8g)，再次反应12个小时，利用高锰酸钾显色剂和薄层色谱（TLC）板在石油醚和乙酸乙酯比为10：１的展开剂中展开，观察TLC板显示原材料反应完全以及液质检测生成物的相对分子质量为218后，进行化学反应的后处理。分析：TLC板上的三个点从左到右依次为，反应物点、反应和生成物的混合点、生成物点，最高点为产品点，由板显示可以看出以看出原料已经全部反应完成，且产品中没有杂质。后处理：将反应完毕后的化学反应体系冷却降至室温（25℃）后倒入适量清水中，经过液质检测，发现产品中有比较多的硫代乙酸。将产品用过量的EA（乙酸乙酯）进行萃取，分离有机相，水相再用EA（乙酸乙酯）萃取两至三遍，混合有机相，再用饱和食盐水洗一遍，有机相用干燥剂（无水硫酸钠）进行干燥，利用旋蒸仪器将过量的硫代乙酸旋出，最终得到36g的3-（乙酰硫基）-4-甲基戊酸乙酯粗品。液相检测发现产品的纯度不够。纯化：用适量DCＭ（二氯甲烷）将36ｇ粗品溶解在单口烧瓶中，加入60ｇ层析硅胶拌样过柱，用石油醚和乙酸乙酯比为20：１到10：１洗脱剂冲洗。将得到的产品进行旋干，最终得到16g较纯的3-（乙酰硫基）-4-甲基戊酸乙酯和20g少量杂质的3-（乙酰硫基）-4-甲基戊酸乙酯。（柱层析色谱，硅胶拌样时，层析硅胶的用量一般为产品的1.5倍至2倍）实验材料如下表为步骤所需要的材料用量及产品生成量表2.3实验材料序号化学名称分子量用量及单位EquivA/V单位1乙基-4-甲基戊-2-烯酸14225g12硫代乙酸7618.7+8g1.4+0.63Product21836g产率:由=得m2=38.38g(理论产量）γ=≈93.8%2.4.3步骤3:3-巯基-4-甲基戊烷-1-醇的合成在氮气保护的条件下，用干冰降温至-20℃后，将18.2g氢化铝锂分批次缓慢的加入盛有180ml乙醚溶剂的三口烧瓶中，使用磁力搅拌机匀速搅拌5min，将35.5gSM（3-（乙酰硫基）-4-甲基戊酸乙酯）缓慢的滴入盛有360ml乙醚溶液的三口烧瓶中（注意反应放出大量的热），滴加完毕后，用磁力搅拌机匀速搅拌15min，将两个反应体系进行混合，混合后，缓慢升至室温，反应一段时间后，利用高锰酸钾显色剂和薄层色谱（TLC）板在石油醚和乙酸乙酯比为10：１的展开剂中展开，观察TLC板显示原材料反应完全以及液质检测生成物的相对分子质量为134后，进行化学反应的后处理。分析：TLC板上的三个点从左到右依次为，反应物点、反应和生成物的混合点、生成物点，最高点为产品点，由板显示可以看出以看出原料已经全部反应完成，且产品中没有杂质。后处理：在反应完毕后，向反应体系中缓慢的滴加3N盐酸进行萃灭，用分液漏斗分离出乙醚相，剩余的固体用少量水溶解加入量的EA（乙酸乙酯）进行萃取，水相再用EA（乙酸乙酯）萃取三遍，混合有机相，再用饱和食盐水洗一遍。有机相用干燥剂（无水硫酸钠）进行干燥，旋干后最终得到32g的3-巯基-4-甲基戊烷-1-醇粗品。液相检测发现产品的纯度不够。纯化：用适量DCＭ（二氯甲烷）将32ｇ粗品溶解在单口烧瓶中，加入50ｇ层析硅胶拌样过柱，用石油醚和乙酸乙酯比为20：１到10：１洗脱剂冲洗。将得到的产品进行旋干，最终得到3g纯度为95%的产品,和12g纯度为90%的产品。（柱层析色谱，硅胶拌样时，层析硅胶的用量一般为产品的1.5倍至2倍）实验材料如下表为步骤所需要的材料用量及产品生成量表2.4实验材料序号化学名称分子量用量及单位EquivA/V单位13-（乙酰硫基）-4-甲基戊酸乙酯21835.5g12乙醚180ml3氢化铝锂3718.2g34乙醚680ml5Product1315g产率:由=得m2=22.12g(理论产量）γ=≈68%危险提示：氢化铝锂属于化学危险品，在120°C以下和干燥空气中相对稳定，但遇水即爆炸性分解。操作时一定要注意安全。2.4.4步骤4:3-巯基-4-甲基戊酯在氮气保护的条件下，将3gSM(3-巯基-4-甲基戊烷-1-醇)完全溶解到盛15mlDCM（二氯甲烷）的三口烧瓶中，将1.5g的乙酰氯完全溶解到10ml的DCM（二氯甲烷）中，将乙酰氯/DCM的混合溶液分批次的滴加至反应体系中（注意反应放出大量的热），使用磁力搅拌机匀速搅拌2个小时，利用高锰酸钾显色剂和薄层色谱（TLC）板在石油醚和乙酸乙酯比为5：１的展开剂中展开，观察TLC板显示原材料反应完全以及液质检测生成物的相对分子质量为176后，进行化学反应的后处理。分析：TLC板上的三个点从左到右依次为，反应物点、反应和生成物的混合点、生成物点，最高点为产品点，由板显示可以看出以看出原料已经全部反应完成，且产品中没有杂质（TLC至原料很淡反应不完因为乙酰氯过量）。后处理：在反应完毕后，将反应体系缓慢的倒入适量的饱和食盐水中，再加入过量的MTBE（甲基叔丁基醚）进行萃取，分离有机相，水相再用MTBE（甲基叔丁基醚）萃取两至三遍，混合有机相，再用饱和食盐水洗一遍。有机相用干燥剂（无水硫酸钠）进行干燥，旋干后最终得到了粗品3.8g。液相检测发现产品的纯度不够。纯化：用适量DCＭ（二氯甲烷）将3.8ｇ粗品溶解在单口烧瓶中，加入50ｇ层析硅胶拌样过柱，用石油醚和乙酸乙酯比为10：１到5：１的洗脱剂冲洗。将得到的产品进行旋干，最终得到无色透明有恶臭的液体。液相检测后发现液相检测发现产品的纯度没有明显变化(过柱过了3次没有变化，纯度达到88%，不符合要求）。将提纯后的产品进行减压蒸馏，减蒸油温80℃，气温50℃出产品，蒸出的GC都在95%以上。蒸2g，蒸出0.5g合格。)实验材料表2.5实验材料序号化学名称分子量用量及单位EquivA/V单位13-巯基-4-甲基戊烷-1-醇1343g12DCM15ml3乙酰氯78.51.53g0.874DCM10ml5Product1763.8g产率:由=得m2=3.9g(理论产量）γ=≈64.1%

第3章分析与讨论定性分析和定量分析是化学分析中常用的分析方法，不仅能够控制生产流程，还能在反应过程中确定一些物质的性质，在研究反应机理以及反应过程等方面也有显著作用，液体的粘度测量，溶液中的动态平衡，各种反应物生成物的化学键性质，都离不开这两种分析方法；在动力学方面，确定温度与化学交换系数之间的关系，对自扩散系数进行测定；在高分子化学中，在变温条件下研究高分子材料的分子结构动态变化；在有机合成反应中，讨论原子间的关系及空间位置，利用核磁共振谱和气象色谱确定有机化合物的变化。本文对中间化合物及目标产物进行核磁共振分析和气象色谱分析。3.1表征分析3.1.13-巯基-4-甲基戊烷-1-醇图3.13-巯基-4-甲基戊烷-1-醇1H-NMR谱图如图是化合物的3-巯基-4-甲基戊烷-1-醇1H-NMR谱图。在图中共有7组峰，化学位移1.190ppm处对应的峰为基团末端-CH3中的H，化学位移1.217ppm处对应的峰是与主链相连的-SH中的H，1.559-1.664ppm处对应的峰为与醇羟基相连又与异丙基相连的亚甲基中的H，1.826-2.041ppm处对应的峰为与两个甲基相连又与异丙基相连的-CH-基团中的H，2.898-2.918ppm处对应的峰为与巯基相连的-CH-基团上的H，3.809-3.848ppm处对应的峰为与羟基相连的-CH2-基团中的H，在高场7.271ppm处对应的峰位某端-OH中的H。综上，1H-NMR谱表征进一步说明该化合物为3-巯基-4-甲基戊烷-1-醇。图3.23-巯基-4-甲基戊烷-1-醇的气象色谱分析报告3.1.23-巯基-4-甲基戊酯图3.33-巯基-4-甲基戊酯的1H-NMR谱图如图是化合物3-巯基-4-甲基戊酯的1H-NMR谱图。在图中共有8组峰，其中位于高场7.260处的峰为溶剂中-OH官能团中的H，化学位移0.934-1.004ppm处对应的峰为基团末端-CH3中的H，化学位移1.176-1.197ppm处对应的峰是与主链相连的-SH中的H，1.690-1.714ppm处对应的峰为与酯烃基相连又与异丙基相连的亚甲基中的H，1.851-1.861ppm处对应的峰为与两个甲基相连的异丙基-CH-基团中的H，1.997-2.034ppm处对应的峰为与酯基相连的某端-CH3基团上的H，2.808-2.833ppm处对应的峰为与巯基相连的主链上的-CH-基团中的H，在高场4.244-4.273ppm处对应的峰为与酯基相连又与丁基相连的-CH2基团中的H，综上，1H-NMR谱表征进一步说明该化合物为3-巯基-4-甲基戊酯。 图3.43-巯基-4-甲基戊酯的气象色谱分析报告3.2影响实验的因素3.2.1反应温度对反应体系的影响在原料配比相同的条件下，反应温度对反应体系收率的影响，结果如表3.5所示。表3.5温度对3-（乙酰硫基）-4-甲基戊酸乙酯收率的影响序号反应温度/℃收率/%17050%27565%38093%48570%由表3.5可知，当反应温度达到80℃时，产品的收率最高，达到了93%，经液相检测后观察到产品的纯度在95%以上。3.2.2原料配比对反应体系的影响在反应温度均为（室温）25℃的条件下，原料配比对反应体系收率的影响，结果如表3.6所示。表3.63-巯基-4-甲基戊烷-1-醇和乙酰氯配比收率的影响序号配比收率/%11:113.6%21:0.964.1%31:0.822%由表3.6可知，反应温当度为（室温）25℃时，原料配比为1:0.9时，产品的收率最高，达到了64%，经液相检测后观察到产品纯度在90%以上。

结论随着全球能源危机的出现、化学探索的不断深入研究、现代社会对于可持续化再生产的要求，直接对有机化合物中的C-H键进行官能化产生了重大影响，合成物质已经俨然成为现在有机合成发展中的一个重要的研究方向和未来发展重点。而有机合成研发又是一项系统性、逻辑性很强的实践活动，不同的实验方法有不同的优缺点随着技术的进步，有机合成有了更大的发展空间。通过论述3-巯基-4-甲基戊醇及其酯类化合物的制备方法与现有方法相比，具有以下几个优点：本实验的化学反应操作都较为简便，后处理只需要简单的萃取、旋干、过柱纯化即可达到满足需要的纯度，既纯度能达到95%以上。本实验的成本非常低，与其他制备方法相比，本文所利用的合成原料价格均较为低廉，与现有类似合成方法相比，大大降低了生产成本。产率高。从合成路线上观察到在合成3-巯基-4-甲基戊醇的过程中，各步骤的收率都达到了90%。合成原理简单，反应条件可控，没有不可控因素，收率高，进行工5业化的大规模生产。实验研究目的是减少反应的成本或是提高产品的收率。产品成本的减少，就可以大幅度的增加经济效益。影响产品收率的因素属于人为的可控因素，特别是反应的温度和反应时间。化学反应的成败还与反应物的浓度有关。反应物浓度的增加，就会使反应体系中的转化率发生变化。如上述实验中3-（乙酰硫基）-4-甲基戊酸合成过程中适当增加反应物的浓度提高了反应的转化率。选择性虽只是温度和浓度的函数，看似简单，却实际操作远比转化率关系复杂。将研究复杂的收率问题转化为研究选择性和转化率的问题，在一定程度上可简化研究过程。在反复投试反应的过程中遇到非常多的困难，其中有一些实验操作不规范导致整个反应全部失败的情况，这些本不该出现的问题就因为疏忽导致长时间的辛苦付出就白费了，特别是一些实验药品投试的顺序问题很容易出错。在投试化学反应的实验过程中要注意保护好个人的人身安全，实验室中有些化学药品具有非常大的毒性，几毫克就可以致人死亡，还有部分药品具有强烈的腐蚀性，容易造成人身体上的伤害。像本次试验中的氢化铝锂就属于危险化学药品，遇到空气中的水分就会燃烧，因此在做化学实验时，要保持高度的警惕性，避免意外的发生。在实验过程中发现反应的温度和实验原料的配比都可以对化学反应造成直观的影响，任何细小的细节都可以影响反应的成败。在实验过程中，很好的将理论知识与实践相互结合在了一起。3-巯基-4-甲基戊烷-1-醇在药物合成方面具有显著作用。3-巯基-4-甲基戊烷-1-醇为重要的有机化工原料中间体，它的主要用途是充当有机合成、聚合反应和氰化反应的溶剂。通过对3-巯基-4-甲基戊烷-1-醇进一步的合成研究和合成优化是非常具有理论意义和研究价值的。

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