異硫氰酸乙氧羰酯的合成

梁文杰，鐘 宏，何謀海

（中南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083）

異硫氰酸乙氧羰酯的合成

梁文杰＊，鐘 宏，何謀海

（中南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083）

以氯甲酸乙酯和硫氰酸鈉為原料，席夫堿為催化劑，采用相轉(zhuǎn)移催化法合成異硫氰酸乙氧羰酯.研究了催化劑用量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間和原料配比等對(duì)產(chǎn)品收率的影響.結(jié)果表明：適當(dāng)提高反應(yīng)溫度和延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間有利于反應(yīng)收率的提高；通過(guò)試驗(yàn)確定了該合成反應(yīng)的適宜條件為：反應(yīng)溫度35℃，反應(yīng)時(shí)間3h，硫氰酸鈉、氯甲酸乙酯和席夫堿催化劑的摩爾比為1.1∶1∶0.015，產(chǎn)品收率96.8%.

異硫氰酸乙氧羰酯；合成；席夫堿；相轉(zhuǎn)移催化

異硫氰酸酯及其衍生物是一類(lèi)重要的有機(jī)合成中間體，可參與多種有機(jī)反應(yīng)，用于合成多種類(lèi)型的含硫、含氮、含氧的有機(jī)化合物，廣泛應(yīng)用于農(nóng)藥、醫(yī)藥、染料等有機(jī)合成產(chǎn)品的制備［1-4］，因此，對(duì)它們進(jìn)行深入的研究具有十分重要的意義.異硫氰酸乙氧羰酯是異硫氰酸酯中的一類(lèi)很重要的衍生物，是一個(gè)非常有用的有機(jī)合成試劑，可以用于合成多種類(lèi)型的雜環(huán)化合物［5］.其合成的雜環(huán)化合物大多數(shù)具有生物活性，如在農(nóng)藥上用作抗菌、殺蟲(chóng)劑、除草劑等，在醫(yī)藥上用于抗菌消炎以及癌癥等疾病的治療，還可以用于測(cè)定肽和蛋白質(zhì)中氨基酸順序以及作為熒光素標(biāo)記物.異硫氰酸乙氧羰酯的合成主要是以氯甲酸乙酯和硫氰酸鈉為原料，采用相轉(zhuǎn)移催化合成法進(jìn)行合成［6］，相轉(zhuǎn)移催化劑是其關(guān)鍵技術(shù).美國(guó)拜爾公司和氰胺公司分別申請(qǐng)了烷氧基羰基異硫氰酸酯及其衍生物合成方法的專(zhuān)利［7-8］.拜爾公司采用 N，N－二烷基芳胺作為催化劑；而氰胺公司采用的催化劑為喹啉、吡啶等含有一個(gè)或兩個(gè)氮原子的六元單環(huán)或十元稠合多環(huán)的芳香雜環(huán)化合物，但是這些芳胺類(lèi)催化劑大多有毒.

席夫堿（schiff堿）是一類(lèi)含亞胺基的有機(jī)化合物，許多具有生物活性且基本無(wú)毒.席夫堿的應(yīng)用非常廣泛，在醫(yī)學(xué)、催化、分析化學(xué)、腐蝕以及光致變色領(lǐng)域都有重要應(yīng)用［9-10］.目前，席夫堿及其配合物已廣泛應(yīng)用于催化劑領(lǐng)域［11-12］.根據(jù)席夫堿的結(jié)構(gòu)特征分析及初步實(shí)驗(yàn)證實(shí)，席夫堿可望成為異硫氰酸酯相轉(zhuǎn)移催化合成的高效低毒催化劑.本文以席夫堿為相轉(zhuǎn)移催化劑研究異硫氰酸乙氧羰酯的合成工藝，整個(gè)反應(yīng)過(guò)程操作簡(jiǎn)單，條件溫和，同時(shí)產(chǎn)率也較高，基本上屬于綠色高效合成方法.反應(yīng)方程式為：

1 試驗(yàn)部分

1.1 主要試劑與儀器

Vario EL型元素分析儀；Nicode FT－5DX型紅外光譜儀（KBr壓片）.

氯甲酸乙酯，硫氰酸鈉，環(huán)己酮，3－二甲氨基丙胺，苯，六氫吡啶均為分析純，席夫堿催化劑JA－1（自制）.

1.2 催化劑的制備

在150mL的燒瓶中分別加入20mL苯，0.1mol的3－二甲氨基丙胺和0.11mol的環(huán)己酮，裝上分水器和回流裝置，然后在集熱式恒溫加熱磁力攪拌器中反應(yīng)，反應(yīng)溫度為120℃，反應(yīng)時(shí)間為2小時(shí).反應(yīng)完后，采用旋轉(zhuǎn)蒸餾裝置減壓蒸餾出反應(yīng)溶劑苯，得到席夫堿催化劑JA－1，收率達(dá)到94.4%.采用KBr壓片法對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行紅外光譜分析，在1661cm－1處出現(xiàn)了－C＝N－雙鍵的伸縮振動(dòng)吸收，而在譜圖中沒(méi)有出現(xiàn)C＝O和－NH2的特征吸收峰，說(shuō)明底物中的C＝O與－NH2已縮聚得到具有亞胺（－C＝N－）結(jié)構(gòu)化合物，即席夫堿.

1.3 合成實(shí)驗(yàn)基本步驟

在150mL的三頸燒瓶中加入15mL的環(huán)己酮，然后依次加入一定量的硫氰酸鈉和上述自制的催化劑JA－1，裝好攪拌裝置后置于恒溫水浴鍋中，設(shè)定反應(yīng)溫度后，在攪拌下滴加0.05mol的氯甲酸乙酯，添加完畢后，開(kāi)始計(jì)時(shí).反應(yīng)結(jié)束后，減壓蒸餾除去反應(yīng)溶劑（可回收再利用），得到紅棕色油狀液體即為異硫氰酸乙氧羰酯，采用滴定法測(cè)定異硫氰酸乙氧羰酯的收率.

2 結(jié)果與討論

2.1 異硫氰酸乙氧羰酯含量的測(cè)定

異硫氰酸乙氧羰酯的含量可以采用六氫吡啶直接滴定法測(cè)定［13］.其原理是：先用過(guò)量的標(biāo)準(zhǔn)六氫吡啶溶液和產(chǎn)品中的異硫氰酸乙氧羰酯反應(yīng)，生成相應(yīng)的取代硫脲固體，然后用鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定過(guò)量的六氫吡啶，按照式（1）計(jì)算出基于氯甲酸乙酯的異硫氰酸乙氧羰酯的收率.

式（1）中，m：合成所得產(chǎn)品的總質(zhì)量，g；c1：六氫吡啶標(biāo)準(zhǔn)溶液的標(biāo)定濃度，mol／L；c2：鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的標(biāo)定濃度，mol／L；v1：用于中和異硫氰酸乙氧羰酯的六氫吡啶標(biāo)準(zhǔn)液的體積，mL；v2：用于滴定過(guò)量六氫吡啶所消耗鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，mL；w：合成所得產(chǎn)品的取樣量，g；n：用于合成異硫氰酸乙氧羰酯的氯甲酸乙酯的用量，mol.

2.2 催化劑用量的影響

在反應(yīng)溫度為35℃、反應(yīng)時(shí)間為3h、硫氰酸鈉與氯甲酸乙酯的摩爾比為1.10∶1的條件下，當(dāng)催化劑JA－1的用量分別為氯甲酸乙酯（摩爾比）的0.25%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%時(shí)，按照上述試驗(yàn)基本步驟合成目標(biāo)產(chǎn)物，考察催化劑用量對(duì)產(chǎn)品收率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示.由圖1可以看出，異硫氰酸乙氧羰酯的收率隨催化劑用量增加而增加，但是當(dāng)催化劑用量增加到1.5%時(shí)，若再繼續(xù)增加催化劑用量，收率不再增加，因此，催化劑JA－1的最佳用量為1.5%.

2.3 原料配比對(duì)收率的影響

圖1 催化劑用量對(duì)收率的影響Fig.1 Relationship between the quantity of catalyst and yield

設(shè)定反應(yīng)溫度為35℃、反應(yīng)時(shí)間為3h、催化劑JA－1的用量為氯甲酸乙酯（摩爾比）的1.5%，加入不同用量的硫氰酸鈉，其用量分別為氯甲酸乙酯（摩爾比）的1.0、1.05、1.1、1.15、1.20，考察不同原料配比對(duì)產(chǎn)品收率的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示.由圖2可知，硫氰酸鈉用量的增加有利于產(chǎn)品收率的提高.當(dāng)兩種原料的摩爾比為1.10∶1時(shí)，收率達(dá)到最大值，繼續(xù)增大硫氰酸鈉的用量，產(chǎn)品收率不再增加.由此可以看出，硫氰酸鈉與氯甲酸乙酯的摩爾比為1.10∶1時(shí)較為合適.

圖2 原料配比對(duì)收率的影響Fig.2 Relationship between the proportion of material and yield

2.4 反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)溫度的影響

在100mL的三頸燒瓶中先加入15mL的環(huán)己酮，然后依次加入0.055mol干燥的硫氰酸鈉，1.5%（與氯甲酸乙酯的摩爾比）的催化劑JA－1，設(shè)定不同的溫度，在攪拌下滴加0.05mol的氯甲酸乙酯，滴加完畢后，開(kāi)始計(jì)時(shí)，然后分別在設(shè)定的溫度條件下反應(yīng)不同的時(shí)間，考察反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)品收率的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示.從圖3可以看出，升高溫度不僅有利于催化合成異硫氰酸乙氧羰酯的收率的提高，而且還能加快反應(yīng)的速率，同時(shí)，當(dāng)反應(yīng)溫度一定時(shí)，反應(yīng)收率隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)而升高.反應(yīng)溫度較低時(shí)（15℃），反應(yīng)速率也低，反應(yīng)收率也相對(duì)比較低.當(dāng)反應(yīng)溫度升高至25℃時(shí)，反應(yīng)速率顯著提高，反應(yīng)收率也明顯提高.進(jìn)一步升高反應(yīng)溫度至35℃，反應(yīng)1h后，反應(yīng)收率就達(dá)到93.8%，3h后反應(yīng)收率已達(dá)到最大值96.8%，且反應(yīng)收率高于15℃和25℃下的最大值.在35℃下繼續(xù)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，反應(yīng)收率變化不大.由此可以看出，該合成較適宜的反應(yīng)溫度為35℃，反應(yīng)時(shí)間為3h.

圖3 反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間對(duì)收率的影響Fig.3 Relationship between the reaction time and yield at different reaction temperature

綜上所述，采用席夫堿JA－1作催化劑相轉(zhuǎn)移催化合成異硫氰酸乙氧羰酯的適宜條件是：反應(yīng)溫度為35℃，反應(yīng)時(shí)間為3h，硫氰酸鈉和氯甲酸乙酯的配比為1.10∶1（摩爾比），催化劑的用量為1.5%（與氯甲酸乙酯的摩爾比），在此條件下，異硫氰酸乙氧羰酯的收率達(dá)到96.8%，高于國(guó)外專(zhuān)利水平.

2.5 產(chǎn)品分析

在上述優(yōu)化條件下所制得的產(chǎn)品進(jìn)行了元素分析，其結(jié)果為：測(cè)量值（理論值）%：C，36.61（36.59）；H，3.83（3.81）；N，10.66（10.67）.采用KBr壓片法對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行紅外光譜分析，特征峰（cm－1）：2 950（CH3）；2 866（CH2）；1 981和 865（N＝C＝S）；1 715（C＝O）；1 250（O－C）.測(cè)量所得的數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)值［14］一致，可確定最終產(chǎn)品為目標(biāo)產(chǎn)物.

3 結(jié)論

以氯甲酸乙酯和硫氰酸鈉為原料，席夫堿為催化劑，采用相轉(zhuǎn)移催化法合成了異硫氰酸乙氧羰酯.該法反應(yīng)時(shí)間短，反應(yīng)條件溫和，操作簡(jiǎn)單，收率高，催化劑催化效果好.

考察了催化劑用量、原料配比、反應(yīng)溫度以及反應(yīng)時(shí)間對(duì)收率的影響，得出異硫氰酸乙氧羰酯適宜的合成工藝為：反應(yīng)溫度為35℃，反應(yīng)時(shí)間為3h，催化劑用量為1.5%（與氯甲酸乙酯的摩爾比），原料配比為1.1∶1（硫氰酸鈉和氯甲酸乙酯的摩爾比），在此條件下，異硫氰酸乙氧羰酯的收率達(dá)到96.8%.

［1］袁 露，鐘 宏，劉廣義.異硫氰酸酯的制備及應(yīng)用［J］.精細(xì)化工中間體，2007，37（6）：10－13.

［2］Mi Lixin，Gan Nanqin，Cheema A，et al.Cancer preventive isothiocyanates induce selective degradation of cellularα－and β－tubulins by proteasomes［J］.The Journal of Biological Chemistry，2009，284（25）：17039－17051.

［3］Dash P K.Methods and compositions for treatment of central nervous system injury with isothiocyanates［P］.United States Patent，US0116423A1，2006－01－01.

［4］高 寧.異硫氰酸酯類(lèi)化合物在制備治療白血病的藥物中的應(yīng)用［P］.中國(guó)專(zhuān)利，CN101474170A，2009－07－08.

［5］Weso＇1owska A，Gro S＇L，Westerlich S，et al.Synthesis and reactions of p－h(huán)ydroxythiobenzamides［J］.ARKIVOC，2008（ⅩⅤ）：239－255.

［6］Morris E Lewellyn，Samuel S Wang，Peter J Strydom.Preparation of ethoxycarbonyl isothiocyanate using apyridine or quinoline catalyst［J］.J Org Chem，1990，55（18）：5230－5231.

［7］Fu Y L，Strydom P J.Process for the production of isothiocyanate derivatives［P］.United States Patent，US4659853，1987－04－21.

［8］Kulkani S V，Desai V C.Process for manufacture of N－alkoxy（or aryloxy）carbonyl isothiocyanate derivatives in the presence of N，N－dialkylarylamine catalyst and aqueous solvent［P］.United States Patent，US 6184412，2001－02－06.

［9］夏江濱，楊 紅，李富友，等.新型席夫堿鋅配合物的合成及其在染料敏化太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用［J］.高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報(bào)，2006，27（2）：204－207.

［10］陳玉紅，唐致遠(yuǎn)，童汝亭，等.席夫堿結(jié)構(gòu)對(duì)Cu緩蝕作用的影響［J］.中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào)，2007，27（3）：156－161.

［11］Drozdzak R，Allaert B，Ledoux N，et al.Synthesis of Schiff base－ruthenium complexes and their applications in catalytic processes［J］.Advanced Synthesis ＆ Catalysis，2005，347（14）：1721－1743.

［12］Gupta K C，Sutar A K.Catalytic activities of Schiff base transition metal complexes［J］.Coordination Chemistry Reviews，2008，252（12－14）：1420－1450.

［13］姜子濤，陳慶森，李 榮.直接滴定法測(cè)定芥末籽中辛辣成分—異硫氰酸酯含量研究［J］.陜西糧油科技，1994，19（2）：51－52.

［14］盧涌泉，鄧振華.實(shí)用紅外光譜解析［M］.北京：電子工業(yè) 出版社，1989：45－95.

Study on the synthetic process of ethoxycarbonyl isothiocyanate

LIANG Wenjie，ZHONG Hong，HE Mouhai
（School of Chemistry and Chemical Engineering，Central South University，Changsha 410083）

Using Schiff base as a phase transfer catalyst，ethoxycarbonyl isothiocyanate was synthesized by reacting ethyl chloroformate with sodium thiocyanate.Effect of the amount of catalyst，reaction temperature，reaction time and the proportion of material on the reaction yield was investigated.The results show that increasing reaction temperature or prolonging reaction time can improve the yield.The appropriate reaction condition was determined by experiment as follows：reaction temperature was 35℃，reaction time was 3hand the mol proportion of sodium thiocyanate，ethyl chloroformate and Schiff base catalyst was 1.1∶1∶0.015，the yield was 96.8%.

ethoxycarbonyl isothiocyanate；synthesis；Schiff base；phase transfer catalyst

O623.76

A

1000－1190（2011）04－0591－04

2011－06－17.

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2007AA06Z122）；中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目（20110491267）；中南大學(xué)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目（74341015502）.

＊E－mail：liang＿wenjie＠163.com.