25,27-二異丙氧基-26,28-二羥基杯[4]芳烴的合成*

農(nóng)蘭平，肖成梁，劉運(yùn)海，彭 杰，張安運(yùn)

(1.廣東石油化工學(xué)院 化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，廣東 茂名 525000；2.浙江大學(xué) 化學(xué)工程與生物工程學(xué)院，浙江 杭州 310027)

137Cs和90Sr是高放廢液(HLLW)中主要的長壽命、高釋熱的放射性元素。HLLW中137Cs的半衰期為30年，其發(fā)熱性所引起的物理化學(xué)不安定性被認(rèn)為是影響HLLW玻璃固化安全處置最危險的元素之一。若能將137Cs分離出來，不但能達(dá)到減少玻璃固化體積，縮短冷卻廢液時間和廢物儲存年限的目的，而且由于熱量釋放的減少，直接有助于地質(zhì)處置時的簡單操作和節(jié)約成本。

杯芳冠醚表現(xiàn)出對銫(Cs)離子超強(qiáng)的選擇配合能力，且容易回收，二次廢物少，溶劑萃取法可以實(shí)行連續(xù)化操作。杯芳冠醚作為萃取劑，去除(回收)銫是處理含銫廢水的一種非常有前景的方法[1～4]。25,27-二異丙氧基杯[4]冠-6(3)對銫具有良好的萃取效果，在HLLW除Cs中表現(xiàn)出獨(dú)特的應(yīng)用前景[5]。 25,27-二異丙氧基-26,28-二羥基杯[4]芳烴(2)是合成3的重要的中間產(chǎn)物，其產(chǎn)率和純度對3的純化難易及成本有關(guān)鍵性影響。迄今為止，還未有人對此進(jìn)行過系統(tǒng)研究[6,7]。

本文以MeCN為溶劑，K2CO3為催化劑，25,26,27,28-四羥基杯[4]芳烴(1)與碘代異丙烷(i-PrI)經(jīng)雙烷基化反應(yīng)合成了2(Scheme 1)，其結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR和MS確證。系統(tǒng)研究了原料摩爾比，離子化溫度和時間及反應(yīng)溫度等對2產(chǎn)率的影響。結(jié)果表明，在最佳反應(yīng)條件下[1 23.8 mmol,n(1)∶n(K2CO3)∶n(i-PrI)∶n(MeCN)=1．0∶1.1∶3.3∶84.0，于84 ℃離子化1.5 h，回流反應(yīng)24 h]下，2的產(chǎn)率和純度分別為84．13%和95%。

Scheme 1

1 實(shí)驗部分

1．1 儀器與試劑

X5型顯微熔點(diǎn)儀(溫度未校正)；Bruker Avance DMX 500型核磁共振儀(CDCl3為溶劑，TMS為內(nèi)標(biāo))；Perkin Elmer SCIEX API 3000型質(zhì)譜儀。

1按文獻(xiàn)[5]方法合成；K2CO3，研磨，在馬弗爐中于500 ℃焙燒5 h; MeCN,用P2O5回流除水，重蒸后使用；其余所用試劑均為分析純。

1．2 2的合成

氮?dú)獗Ｗo(hù)，在燒瓶中加入1 10.07 g(23.8 mmol), K2CO3粉末3.6 g及MeCN 150 mL，攪拌下于84 ℃離子化1.5 h。加入i-PrI 8.8 g(518 mmol)，回流反應(yīng)24 h。蒸除MeCN，殘液用混合溶劑[V(2 mol·L-1鹽酸)∶V(CH2Cl2)=1∶1]萃取，合并有機(jī)相，用蒸餾水洗至中性，無水硫酸鎂干燥。蒸除CH2Cl2后加入適量無水甲醇，析出大量白色沉淀，沉淀完全后抽濾，濾餅用無水甲醇洗滌兩次，真空干燥得白色粉末2，m.p．174 ℃～175 ℃，產(chǎn)率84．13%，純度95%以上；1H NMRδ： 1.56(d，12H, CH3)，3.35，4.31(t，8H，ArCH2Ar)，4.70(d，2H，CH in Pr)，6.62, 6.65(t，4H, ArH)，6.95, 7.02(d，8H, ArH)，9.11(s，2H, ArOH)； ESI-MSm/z： 509.2，526.2，531.1，547.1，568.1； M=508.2。

2 結(jié)果與討論

2.1 合成

Araki等[8]采用酸滴定法測定杯[4]芳烴四個活性酚羥基的離解常數(shù)時發(fā)現(xiàn)，杯[4]芳烴和一烷基化產(chǎn)物的pKa1均比苯酚的離解能低，而二烷基化產(chǎn)物的pKa1卻比苯酚高。因此，杯[4]芳烴在弱堿K2CO3的作用下只能生成二元取代物。K2CO3選擇性地合成一丙氧基杯[4]芳烴非常困難，但以Ba(OH)2作堿DMF為溶劑，或者以NaH作堿甲苯為溶劑，都能夠選擇性地合成出一丙氧基杯[4]芳烴[9]。但本反應(yīng)中，K2CO3和MeCN未作除水處理，只能得到一烷基化產(chǎn)物。這是由于杯[4]芳烴的pKa1值非常低，即使有水存在仍然可以解離形成氧負(fù)離子，和碘代烷反應(yīng)，生成一烷基化產(chǎn)物。一烷基化產(chǎn)物的酚羥基解離形成的氧負(fù)離子與反應(yīng)體系中的水分子形成氫鍵，使二烷基化產(chǎn)物難于生成。K2CO3吸濕性強(qiáng)，容易與水形成一水化物、二水化物和三水化物，原料中的水會影響反應(yīng)的進(jìn)程，因此，該反應(yīng)需在無水條件下進(jìn)行。

2．2 反應(yīng)條件對2產(chǎn)率的影響

(1) 離子化時間

從反應(yīng)機(jī)理可知，1，K2CO3和i-PrI解離形成離子是該反應(yīng)發(fā)生的前提條件。123.8 mmol,其余反應(yīng)條件同1.2,考察離子化時間對2產(chǎn)率的影響,結(jié)果見圖1。

Time/min

從圖1可以看出，隨著離子化時間的增加，產(chǎn)率增加。這是因為盡管1的第一個和第二個酚羥基特別容易解離，但1和K2CO3在MeCN中的溶解度都不大，所以，充分的離子化時間有利于反應(yīng)原料的充分解離。但離子化時間過長，反應(yīng)體系中生成的水增多，一烷基化產(chǎn)物的酚羥基解離形成的氧負(fù)離子與反應(yīng)體系中的水分子形成氫鍵，二烷基化產(chǎn)物的產(chǎn)率會降低。較佳的離子化時間為1.5 h。

(2) 離子化溫度

化合物解離的過程是一個吸熱反應(yīng)，升高溫度有利于1的第一個和第二個酚羥基的解離，也有利于K2CO3的解離。123.8 mmol,離子化時間1.5 h,其余反應(yīng)條件同1.2,考察離子化溫度對2產(chǎn)率的影響,結(jié)果見表1。表1結(jié)果表明，隨著離子化溫度的升高，產(chǎn)率逐漸提高；當(dāng)達(dá)到MeCN的回流溫度(81 ℃)時，反應(yīng)體系的溫度保持恒定；如反應(yīng)溫度過高，MeCN會從冷凝管帶出。適宜的離子化溫度為84 ℃。

表1 離子化溫度對2產(chǎn)率的影響*

*123.8 mmol,離子化時間1.5 h,其余反應(yīng)條件同1.2

r[n(K2CO3)∶n(1)]

123.8 mmol,于84 ℃離子化1.5 h,其余反應(yīng)條件同1.2,考察r對2產(chǎn)率的影響，結(jié)果見圖2。由圖2可知，適宜的r=1.1∶1.0。

(3) K2CO3用量r[n(K2CO3)∶n(1)]

1的第三個酚羥基的pKa1值大于12，不易進(jìn)行三烷基化和四烷基化。在K2CO3催化下只能生成二烷基化產(chǎn)物2。 K2CO3為二元堿，1 mol的1理論上只需要0.5 mol的K2CO3,但由于K2CO3在MeCN中溶解度不大而影響了其解離，所以需要適當(dāng)過量，但過量太多會導(dǎo)致其它副反應(yīng)的發(fā)生。

(4)i-PrI用量y[n(i-PrI)∶n(1)]

123.8 mmol,于84 ℃離子化1.5 h,r=1.1∶1.0，其余反應(yīng)條件同1．2，考察y對2產(chǎn)率的影響,結(jié)果見圖3。從圖3可以看出，隨著i-PrI用量的增加，產(chǎn)率逐漸提高，當(dāng)y=3．3∶1．0時，產(chǎn)率最佳；再增大用量，產(chǎn)率基本恒定。較佳的y=3．3∶1．0。

y[n(i-PrI)∶n(1)]

k[n(MeCN)∶n(1)]

(5) MeCN用量k[n(MeCN)∶n(1)]

MeCN在反應(yīng)中有3個作用:(1)溶解作用，使反應(yīng)物充分的離子化；(2)保持反應(yīng)溫度恒定；(3)受熱均勻。123.8 mmol,于84 ℃離子化1.5 h,r=1.1∶1.0，y=3．3∶1．0,其余反應(yīng)條件同1.2,考察k對2產(chǎn)率的影響，結(jié)果見圖4。由圖4可見，MeCN用量不足時，反應(yīng)物溶解不充分，離子化不完全，導(dǎo)致產(chǎn)率下降；但MeCN過多，體系中單位體積內(nèi)反應(yīng)物離子濃度降低，反應(yīng)速度減小，同樣反應(yīng)時間內(nèi)二烷基化產(chǎn)物減少，同時還會造成試劑的浪費(fèi)。較佳的k=120∶1。

(6) 反應(yīng)時間

以K2CO3為催化劑，在溫和條件下產(chǎn)物是一烷基化和二烷基的混合物；回流狀態(tài)下，一烷基化產(chǎn)物會迅速轉(zhuǎn)化為二烷基化產(chǎn)物[9]。123.8 mmol,于84 ℃離子化1.5 h,r=1.1∶1.0，y=3．3∶1．0,k=84∶1，其余反應(yīng)條件同1.2,考察反應(yīng)時間對2產(chǎn)率的影響，結(jié)果見表2。由表2可見，回流條件下反應(yīng)24 h已達(dá)到平衡，再延長反應(yīng)時間，副產(chǎn)應(yīng)增多，產(chǎn)率反而降低。較佳的反應(yīng)時間為24 h。

表2 反應(yīng)時間對2產(chǎn)率的影響*

*123.8 mmol,于84 ℃離子化1.5 h,r=1.1∶1.0，y=3．3∶1．0,k=84∶1，其余反應(yīng)條件同1.2

綜上所述，合成2的最佳反應(yīng)條件為：1 23.8 mmol,n(1)∶n(K2CO3)∶n(i-PrI)∶n(MeCN)=1．0∶1.1∶3.3∶84,于84 ℃離子化1.5 h，回流反應(yīng)24 h；在最佳反應(yīng)條件下進(jìn)行放大10倍的實(shí)驗，2產(chǎn)率達(dá)84.13%。

2．3 放大實(shí)驗條件對2產(chǎn)率的影響

(1) 攪拌方式

由于1和K2CO3在MeCN中的溶解度都不大，隨著合成量的增加，反應(yīng)體系的傳質(zhì)傳熱效果必然會受到影響。在最佳反應(yīng)條件下進(jìn)行放大實(shí)驗,1 150 mmol,轉(zhuǎn)速800 r·min-1,在保證反應(yīng)裝置氣密性的前提下，考察了電動攪拌及磁力攪拌方式對產(chǎn)率的影響。結(jié)果表明，電動攪拌采用攪拌槳攪拌，剪切力大，溶液攪拌狀態(tài)一致，而磁力攪拌在將受攪拌的溶液混合均勻和力度以及傳熱等方面都比電動攪拌要差，電動攪拌(82．80%)的效果明顯高于磁力攪拌(74．58%)。

(2) 攪拌速度

表3 攪拌速度對2產(chǎn)率的影響*

*1150 mmol，最佳反應(yīng)條件

電動攪拌，其余反應(yīng)條件同2.3(1),考察攪拌速度對2產(chǎn)率的影響，結(jié)果見表3。由表3可見，攪拌速度增加，提高了反應(yīng)體系的傳質(zhì)傳熱效果，提高了產(chǎn)率。但超過1 000 r·min-1后，攪拌過程中液體容易飛濺；低于800 r·min-1，溶液攪拌不完全。較為適宜的攪拌速度為900 r·min-1。

2．4 重結(jié)晶溶劑甲醇用量對2收率的影響

2易溶于CH2Cl2，在甲醇中的溶解較小，利用重結(jié)晶可將粗產(chǎn)品進(jìn)行純化。稱取2 2.0 g 6份，分別加入CH2Cl225 mL將其完全溶解;旋蒸除溶劑得淡黃色油狀物，加入不同量的無水甲醇。過濾，濾餅用等量的無水甲醇洗滌沉淀兩次，真空干燥得2，稱重，結(jié)果見圖5。從圖5可見，重結(jié)晶收率隨著甲醇用量的增加而顯著的減少，但甲醇用量過少時又達(dá)不到除去雜質(zhì)的目的。最佳的甲醇用量為n(甲醇)∶n(2)=42∶1，2的純度達(dá)99%。

n(甲醇)∶n(2)

3 結(jié)論

(1) 碳酸鉀催化合成25,27-二異丙氧基-26,28-二羥基杯[4](2)芳烴的反應(yīng)需無水條件下進(jìn)行。反應(yīng)前，磨細(xì)的K2CO3在500 ℃馬弗爐中焙燒5 h除水；乙腈加P2O5回流數(shù)小時除水后重蒸后再用，反應(yīng)后的乙腈含水不能回收再用。

(2) 合成2的最佳反應(yīng)條件為：1 23.8 mmol,n(1)∶n(K2CO3)∶n(i-PrI)∶n(MeCN)=1．0∶1.1∶3.3∶84,于84 ℃離子化1.5 h，回流反應(yīng)24 h，產(chǎn)率84．13%。

(3) TLC及1H NMR檢測結(jié)果表明，2無需重結(jié)晶就可以達(dá)到95%以上的純度；重結(jié)晶時n(甲醇)∶n(2)=42∶1，2收率92%，純度99%。

[1] Dozol J F, Simon N, Lanare V,etal.A Solution for cesium removal from high-salinity scidic or slkaline liquid waste:The crown calix[4]arenas[J].Sep Sci Technol,1999,34(6～7):877-891.

[2] Bonnesen P V, Delmau L H, Moyer B A,etal.A robust alkaline-side CSEX solvent suitable for removing cesium from savannah river high level waste[J].Solvent Extr Ion Exch,2000,18(6):1079～1107.

[3] Casnati A, Sansone F, Dozol J F,etal.New calix[4]arene-monobenzo-and-dibenzo-crown-6 as cesium selective ionophores in the radioactive waste treatment:Synthtsis,complexation and extraction properties[J].Journal of Inclusion Phenomena and Macrocyclic Chemistry,2001,41(1～4):193～200.

[4] Duhart A, Dozol J F, Rouquette H,etal.Selective removal of cesium from model nuclear waste solutions using a solid membrane composed of an unsymmetrical calix[4]arenebiscrown-6 bonded to an immobilzed polysiloxane backone[J].J Membr Sci,2001,185(2):145-155.

[5] Gutsche C D, Lee G.Calixarenes 12:The synthesis of funtionalized calixarenes[J]．Tetrabedron,1986,42(6):1633-1640.

[6] 朱曉文.二(2-丙氧基)杯[4]芳烴-冠-6從模擬高放廢液中萃取銫的研究[D].北京:清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院．

[7] 王海榮,張平,王春苗,等.杯芳冠醚合成工藝改進(jìn)[J].核化學(xué)與放射化學(xué),2007,29(1):48～52.

[8] Araki K, Iwanoto K, Shinkai,etal.pKa of calixarenes and analogs in nonaqueous solvents[J]．Bull Chem Soc Jpn,1990,63(12):3480～3485.

[9] Iwamoto K, Araki K, Shinkai S.Sytheses of all possible conformational isomers ofO-alkyl-p-t-butylcalix[4]arenas[J]．Tetrahedron,1991,47:4325.