Vilsmeier試劑合成雙(2-氯乙基)胺

李柏林， 曾偉男， 李金環(huán)， 牛瑞霞

( 1. 東北石油大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，黑龍江 大慶 163318; 2. 中國(guó)石油大慶煉化公司 研究院，黑龍江 大慶 163411 )

雙(2-氯乙基)胺是重要的精細(xì)化工中間體，分子中含有強(qiáng)極性的C—Cl鍵，有較高的化學(xué)反應(yīng)活性，可與多種親核試劑作用發(fā)生取代反應(yīng)，衍生多種功能化合物[1].如與N,N—二甲基十二烷基叔胺進(jìn)行季銨化反應(yīng)，制備Gemini表面活性劑[2]；與三甲胺、環(huán)氧氯丙烷，通過(guò)季銨化、共聚反應(yīng)，合成主、側(cè)鏈都有季氮原子的陽(yáng)離子聚合物[3-4]；與胺基發(fā)生環(huán)化反應(yīng)，制備哌嗪類醫(yī)藥中間體[5-6].

氯代反應(yīng)不用催化劑，二氯亞礬(DCSO)用量大，產(chǎn)物收率低[7-8].吡啶可以和鹵化氫成鹽而提高鹵離子濃度，提高氯代反應(yīng)速率.吡啶刺激性強(qiáng)并污染環(huán)境，難以實(shí)際應(yīng)用[9].以二乙醇胺(DEA)為原料和DCSO進(jìn)行置換氯化，因?yàn)镈EA分子中含有2個(gè)羥基，化學(xué)空間位阻較大，為提高DEA轉(zhuǎn)化率，須使用活性很強(qiáng)的氯代試劑.筆者以DMF作為催化劑兼溶劑，DMF和DCSO形成Vilsmeier試劑[10]，生成氯代活性更強(qiáng)的氯代烯胺鹽中間體，提高DEA的轉(zhuǎn)化率和雙(2-氯乙基)胺的收率.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑與儀器

1.1.1 試劑

DEA，分析純，沈陽(yáng)市東興試劑廠；DCSO，分析純，上海同方精細(xì)化工有限公司；DMF，分析純，天津市縱橫興工貿(mào)有限公司；乙酸酐，分析純，宜興市第二化學(xué)試劑廠；吡啶，分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠.氫氧化鈉、濃硫酸、乙醇、酚酞為分析純.

1.1.2 儀器

Bruker ADVANCE Ⅲ 400MHz核磁共振儀；Bruker Tensor27 FT紅外分光光度計(jì)；上海精科WRS-1B數(shù)字熔點(diǎn)儀.

1.2 方法

1.2.1 雙(2-氯乙基)胺合成

1.2.1.1 反應(yīng)機(jī)理

取代酰胺DMF和DCSO形成的復(fù)合試劑稱為Vilsmeier試劑，其實(shí)質(zhì)是DMF和DCSO作用，先生成亞磺酰氯烯胺中間體，再分解脫除SO2，產(chǎn)生氯代烯胺鹽.氯代烯胺鹽具有活性大、反應(yīng)迅速、選擇性好、結(jié)合HCl等優(yōu)點(diǎn)，特別適宜于醇羥基氯置換反應(yīng)[11]，其反應(yīng)：

無(wú)DMF時(shí)，羥基與DCSO反應(yīng)首先生成氯代亞硫酸酯和氯化氫，然后氯代亞硫酸酯發(fā)生分解并放出SO2.在Vilsmeier試劑中DMF為催化劑時(shí)，氯代烯胺鹽和羥基發(fā)生親核取代反應(yīng)，羥基被氯置換，其反應(yīng)：

1.2.1.2 合成方法

基本反應(yīng)條件：DMF與DEA質(zhì)量比為0.15，DCSO和DEA物質(zhì)的量比為2.6∶1，反應(yīng)溫度為70 ℃，反應(yīng)時(shí)間為3 h.采用控制變量法，改變其中某一因素，研究該影響因素對(duì)DEA轉(zhuǎn)化率的影響規(guī)律[12].

在250 mL四口瓶中加入88.0 g的DCSO，冰水冷卻到5 ℃，滴加4.5 g的DMF[13]，機(jī)械攪拌30 min；在溫度5 ℃下用恒壓滴液漏斗滴加30.0 g的DEA，反應(yīng)升溫明顯并有氣體生成；DEA滴加完畢，30 ℃下攪拌1 h，加裝冷凝管，升溫至70 ℃，反應(yīng)6 h后結(jié)束.趁熱加入95%乙醇，冷卻，隔夜抽濾.產(chǎn)品經(jīng)真空干燥，得到白色針狀晶體46.7 g，雙(2-氯乙基)胺收率為91.7%.產(chǎn)品熔點(diǎn)為211.7～213.4 ℃，與文獻(xiàn)[14]給出的結(jié)果相近.

1.2.2 DEA轉(zhuǎn)化率測(cè)定

采用吡啶催化的乙?；y(cè)定DEA轉(zhuǎn)化率[3].

2 結(jié)果與討論

2.1 DMF與DEA質(zhì)量比

不同DMF與DEA質(zhì)量比對(duì)DEA轉(zhuǎn)化率的影響曲線見(jiàn)圖1.由圖1可知，隨著DMF與DEA質(zhì)量比的增大，DEA的轉(zhuǎn)化率先增大后趨于平緩.當(dāng)DMF與DEA質(zhì)量比為0.15時(shí)，DEA的轉(zhuǎn)化率達(dá)到96.1%；再增大DMF與DEA質(zhì)量比，DEA的轉(zhuǎn)化率增大幅度非常小.DMF和DCSO形成氯化活性很強(qiáng)的氯代烯胺鹽，二元氯代反應(yīng)空間位阻大，DMF用量少時(shí)，反應(yīng)體系中氯代烯胺鹽濃度低，氯化能力差，導(dǎo)致DEA的轉(zhuǎn)化率較低.當(dāng)DMF與DEA質(zhì)量比大于0.15時(shí)，反應(yīng)體系中的氯代烯胺鹽達(dá)到一定濃度，加之DMF的助溶作用，有利于氯代反應(yīng)，DEA的氯化轉(zhuǎn)化率較高[15].

2.2 DSCO與 DEA物質(zhì)的量比

不同DCSO與DEA物質(zhì)的量比對(duì)DEA轉(zhuǎn)化率的影響曲線見(jiàn)圖2.由圖2可知，隨著DCSO與DEA物質(zhì)的量比增大，DEA轉(zhuǎn)化率先增大后趨于平緩.當(dāng)DCSO與DEA物質(zhì)的量比為2.6時(shí)，DEA轉(zhuǎn)化率達(dá)到96.1%；再增大DCSO與DEA物質(zhì)的量比，DEA轉(zhuǎn)化率增大幅度非常小.DCSO與DEA反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量物質(zhì)的量比為2.0∶1，增加DCSO用量，有利于反應(yīng)平衡向產(chǎn)物方向移動(dòng)，提高DEA轉(zhuǎn)化率.在DMF的作用下，DCSO與DEA物質(zhì)的量比為2.6時(shí)，DEA的氯化轉(zhuǎn)化率已達(dá)較高.

圖1 DMF與DEA質(zhì)量比對(duì)DEA轉(zhuǎn)化率的影響曲線

圖2 DCSO與DEA物質(zhì)的量比對(duì)DEA轉(zhuǎn)化率的影響曲線

2.3 反應(yīng)溫度

不同反應(yīng)溫度對(duì)DEA轉(zhuǎn)化率的影響曲線見(jiàn)圖3.由圖3可知，隨著反應(yīng)溫度升高，DEA轉(zhuǎn)化率先增大后減小.當(dāng)反應(yīng)溫度為70 ℃時(shí)，DEA的轉(zhuǎn)化率達(dá)到96.1%；再升高反應(yīng)溫度，DEA的轉(zhuǎn)化率下降.反應(yīng)溫度低，氯代烯胺鹽形成速度慢，氯代活性低，DEA的轉(zhuǎn)化率低，反應(yīng)溫度高，氯化亞砜受熱分解，揮發(fā)損失大，導(dǎo)致DEA轉(zhuǎn)化率降低.反應(yīng)溫度為70 ℃時(shí)，低于DCSO沸點(diǎn)6 ℃，DEA氯化轉(zhuǎn)化率達(dá)到最高.

2.4 反應(yīng)時(shí)間

不同反應(yīng)時(shí)間對(duì)DEA轉(zhuǎn)化率的影響曲線見(jiàn)圖4.由圖4可知，隨反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)，DEA轉(zhuǎn)化率先增大后略減小.當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為3 h時(shí)，DEA轉(zhuǎn)化率達(dá)到96.1%；再延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，DEA轉(zhuǎn)化率略有下降.延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，有利于反應(yīng)中間產(chǎn)物HCl脫除，提高DEA轉(zhuǎn)化率.反應(yīng)時(shí)間為3 h時(shí)，DEA的轉(zhuǎn)化率已達(dá)到較高，反應(yīng)已趨于平衡，再延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，反應(yīng)體系顏色加深，副反應(yīng)加劇，不利于DEA的氯化反應(yīng).

圖3 反應(yīng)溫度對(duì)DEA轉(zhuǎn)化率的影響曲線

圖4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)DEA轉(zhuǎn)化率的影響曲線

3 結(jié)構(gòu)表征

3.1 FT-IR解析

雙(2-氯乙基)胺IR譜圖見(jiàn)圖5.由圖5可知，1 431 cm-1與1 255 cm-1為—CH2—Cl中C—H面內(nèi)和面外彎曲振動(dòng)吸收峰；754 cm-1為—CH2—Cl中C—Cl伸縮振動(dòng)吸收峰；1 591 cm-1為N—H彎曲振動(dòng)吸收峰；DEA的1 500～1 350 cm-1O—H彎曲振動(dòng)的中等強(qiáng)度吸收雙峰消失，1 150～1 050 cm-1C—O伸縮振動(dòng)強(qiáng)吸收峰消失，說(shuō)明—OH完全被—Cl取代.

3.2 1H-NMR解析

雙(2-氯乙基)胺1H-NMR譜圖見(jiàn)圖6.由圖6可知，δ4.12為—CH2—Cl共振吸收峰，δ3.53為—N—CH2—共振吸收峰，δ2.74為—NH—共振吸收峰；—CH2—Cl、—N—CH2—與―NH—共振吸收峰的積分面積比為4∶4∶1，與3個(gè)基團(tuán)質(zhì)子個(gè)數(shù)相符；DEA的—OH共振吸收峰消失，受—Cl影響，2個(gè)亞甲基的化學(xué)位移有所增加，說(shuō)明—OH完全被—Cl取代.

圖5 雙(2-氯乙基)胺IR譜圖(薄膜)

圖6 雙(2-氯乙基)胺1H-NMR譜圖(CD3Cl)

4 結(jié)論

(1)以Vilsmeier試劑為氯化劑，DMF為催化劑兼溶劑，合成雙(2-氯乙基)胺.經(jīng)FT-IR、1H-NMR分析，產(chǎn)物結(jié)構(gòu)和目標(biāo)分子結(jié)構(gòu)相符.

(2)優(yōu)化的合成工藝條件：當(dāng)DMF和DEA質(zhì)量比為0.15、DCSO和DEA物質(zhì)的量比為2.6∶1、反應(yīng)溫度70 ℃、反應(yīng)時(shí)間3 h時(shí)，DEA轉(zhuǎn)化率達(dá)到96.1%，雙(2-氯乙基)胺收率為91.7%.